Ιδιότητες μη ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων

Γενικά

Μη ηλεκτρολυτικά (ή μη ιονικά) διαλύματα ονομάζονται εκείνα που η διαλυμένη ουσία τους δεν υφίσταται καμμιά μοριακή μεταβολή κατά τη διάλυσή τους, δηλαδή τα μόριά τους ούτε διίστανται ούτε πολυμερίζονται κατά τη διάλυση.

Οι ιδιότητες των μη ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων διακρίνονται σε δυο κατηγορίες:

1. Στις ιδιότητες που εξαρτούνται από το είδος των διαλυμένων ουσιών. Π.χ. η πυκνότητα, η ειδική θερμότητα, η επιφανειακή τάση, το ιξώδες, κ.ά..
2. Στις προσθετικές ιδιότητες που εξαρτούνται μόνο από την ποσότητα και όχι το είδος των μορίων των διαλυμένων ουσιών. Οι σπουδαιότερες από αυτές είναι: η τάση ατμών, η ανύψωση του σημείου ζέσεως, η ταπείνωση του σημείου πήξεως και η ωσμωτική πίεση.

Η τάση ατμών και ο Νόμος Raoult

Τάση ατμών ενός υγρού ή στερεού σώματος ονομάζεται η πίεση των ατμών του σώματος αυτού, όταν ο ατμός και το σώμα βρίσκονται σε ισορροπία.

Συνήθως τα στερεά σώματα έχουν πολύ μικρή (σχεδόν αμελητέα) τάση ατμών στις συνηθισμένες θερμοκρασίες, ιδιαίτερα σε σύγκριση με την αντίστοιχη του νερού και των άλλων συνηθισμένων διαλυτών. Το γεγονός αυτό έχει ως συνέπεια το διάλυμα μιας ουσίας με αμελητέα τάση ατμών σε διαλύτη να προκαλεί την ελάττωση της τάσης ατμών του διαλύματος σε σχέση με αυτήν του καθαρού διαλύτη. Ποσοτικά αυτό το φαινόμενο εκφράζεται με τον ακόλουθο Νόμο του Raoult:

Ο λόγος της τάσης ατμών του διαλύματος προς την τάση των ατμών του καθαρού διαλύτη, στην ίδια θερμοκρασία, είναι ίσος προς το γραμμομοριακό κλάσμα του διαλύτη στο διάλυμα.

${\frac {P}{P_{0}}}={\frac {N}{n+N}}$

Ισοδύναμη με την παραπάνω είναι η ακόλουθη αχέση:

${\frac {P_{0}-P}{P_{0}}}={\frac {n}{n+N}}$

Και επειδή: ${\begin{pmatrix}\Delta P\end{pmatrix}}_{\sigma \chi }={\frac {P_{o}-P}{P_{o}}}$, ισχύει:

${\begin{pmatrix}\Delta P\end{pmatrix}}_{\sigma \chi }={\frac {n}{n+N}}$

Για αραιά διαλύματα είναι: $N+n\simeq N$. Σ' αυτήν την περίπτωση προκύπτει ο απλοποιημένος τύπος Raoult:

${\begin{pmatrix}\Delta P\end{pmatrix}}_{\sigma \chi }={\frac {n}{N}}$

• Παραδείγματα εφαρμογής του νόμου του Raoult.

Ζεσεοσκοπία και κρυοσκοπία

Η ελάττωση της τάσης ατμών ενός διαλύτη από τη διάλυση μη πτητικής και μη ηλεκτρολυτικής ουσίας σ' αυτόν έχει ως άμεση συνέπεια δυο άλλα φαινόμενα που εξαρτώνται άμεσα από αυτήν (την τάση ατμών δηλαδή):

1. Την ανύψωση του σημείου ζέσης του διαλύματος σε σχέση με αυτό του καθαρού διαλύτη.
2. Την ταπείνωση του σημείου πήξης του διαλύματος σε σχέση με αυτό του καθαρού διαλύτη.

Για σχετικά αραιά διαλύματα η μαθηματική έκφραση των παραπάνω διατυπώνεται από τους παρακάτω τύπους:

$\Delta \theta {}_{b}=K_{b}{\frac {1000m}{Mm_{0}}}$
και
$\Delta \theta {}_{f}=-K_{f}{\frac {1000m}{Mm_{0}}}$

• Κάποιοι συγγραφείς προτιμούν να ενσωματώνουν το πρόσημο "-" στη σταθερά.

Οι σταθερές Kb και Kf ονομάζονται μοριακή ανύψωση του σημείου ζέσεως και μοριακή ταπείνωση του σημείου πήξεως, αντίστοιχα, και εξαρτώνται μόνο από το διαλύτη. Το κλάσμα ${\frac {1000m}{Mm_{0}}}$ ονομάζεται μοριακή κατά βάρος συγκέντρωση ή molality. Η μέθοδος προσδιορισμού του μοριακού βάρους άγνωστης ένωσης με τη χρήση της ανύψωσης του σημείου ζέσεως γνωστού διαλύματός της ονομάζεται ζεσεοσκοπία. Η μέθοδος προσδιορισμού του μορικού βάρους άγνωστης ένωσης με τη χρήση της ταπείνωσης του σημείου πήξεως γνωστού διαλύματός της ονομάζεται κρυοσκοπία.

• Παραδείγματα εφαρμογής ζεσεοσκοπίας και κρυοσκοπίας.

Η Ωσμωτική πίεση

Αρχείο:OsmoticPress.png

Αναπαράσταση πειραματικής διάταξης επίδειξης ωσμωτικής πίεσης

Η διάλυση μιας μη ηλεκτρολυτικής ουσίας στο νερό ή και σε άλλο διαλύτη πραγματοποιείται με την αμοιβαία διάχυση των μορίων της διαλυόμενης ουσίας ανάμεσα σ΄ αυτά του διαλύτη και του διαλύτη ανάμεσα σ' αυτά της διαλυόμενης ουσίας. Μεταξύ των μορίων του διαλύτη και της διαλυόμενης ουσίας αναπτύσσονται ελκτικές δυνάμεις συνοχής, που, όταν είναι εφικτό, παίρνουν και τη μορφή ισχυρότερων δεσμών υδρογόνου. Οι δυνάμεις συνοχής σταθεροποιούν το διάλυμα και η αμοιβαία διάλυση το κάνουν ομοιογενές μίγμα. Αν όμως μεταξύ της διαλυόμενης ουσίας (ή ενός πυκνότερου διαλύματος αυτής) και του διαλύτη (ή ενός αραιότερου διαλύματος) τοποθετηθέί μια ημιπερατή μεμβράνη, δηλαδή μια μεμβράνη που επιτρέπει επιλεκτικά τη διέλευση μέσα απ' αυτήν μόνο των μορίων του διαλύτη, παρατηρείται το φαινόμενο της ώσμωσης:

Ώσμωση ονομάζεται το φαινόμενο της διάχυσης μορίων διαλύτη, διαμέσου ημιπερατής μεμβράνης, από το διάλυμα της μικρότερης (ή και μηδενικής) συγκέντρωσης σε εκείνο με τη μεγαλύτερη.

Αποτέλεσμα της ώσμωσης είναι η ωσμωτική πίεση:

Ωσμμωτική πίεση διαλύματος που διαχωρίζεται με ημιπερατή μεμβράνη από καθαρό διαλύτη του ονομάζεται η πίεση που πρέπει να εξασκηθεί εξωτερικά στο διάλυμα για να εμποδιστεί η εκδήλωση της ώσμωσης.

Το 1877 ο Pfeffer πρώτος παρατήρησε ότι η ωσμωτική πίεση είναι ανάλογη με τη συγκέντρωση $C={\frac {m}{V}}$ του διαλύματος, σε σταθερή θερμοκρασία. Δηλαδή διατύπωσε τον ακόλουθο τύπο:

$\Pi =k_{1}C$

Παρατήρησε ακόμη ότι είναι ανάλοηη και προς την απόλυτη (σε βαθμούς K) θερμοκρασία, όταν η συγκέντρωση είναι σταθερή. Δηλαδή διατύπωσε τον ακόλουθο τύπο:

$\Pi =k_{2}T$

Το 1888 ο Van't Hoff παρατήρησε ότι υπάρχουν αναλογίες ανάμεσα στους νόμους που ισχύουν για τα ιδανικά αέρια (όπως τα ευγενή) και σε εκείνους που ισχύουν για αραιά διαλύματα και διατύπωσε για την ωσμωτική πίεση τον ακόλουθο τύπο:

$\Pi =RCT$

όπου R, η παγκόσμια σταθερά των αερίων.

• Παραδείγματα εφαρμογής ωσμωτικής πίεσης.

Κολλοειδή μίγματα

Κολλοειδή ονομάζονται όλα τα συστήματα διασποράς (μίγματα σε οποιαδήποτε κατάσταση, δηλαδή αέρια, υγρή ή στερεή) σε μορφή τεμαχιδίων τάξης μεγέθους 10-7 - 10-4 cm.

Είναι φαινομενικά (δηλαδή φαίνοινται οπτικά ότι είναι) ομογενή μίγματα.

Ανάλογα με τη φάση (κατάσταση ύλης) που βρίσκεται το κύριο συστατικό (αυτό με τη μεγαλύτερη συγκέντωση) κολλοειδές διακρίνουμε αντίστοιχα αερολύματα, υγρολύματα (υδρολύματα, αν το κύριο συστατικό είναι το νερό) και στερεολύματα.

Παραδείγματα αερολυμάτων είναι ο καπνός, που προέρχεται από την ανάμιξη αέρα με καυσαέρια, πιθανά υδρατμούς, αιθάλη και τέφρα. Από τα συστατικά αυτά τα συστατικά του αέρα, τα καυσαέρια και οι υδρατμοί βρίσκονται στην αέρια κατάσταση, ενώ η αιθάλη και η τέφρα στη στερεή, με τη μορφή υπομικροσκοπικών σωματιδίων (μικρότερα από το ελάχιστο όριο ανίχνευσης με μικροσκόπιο).

Από τα υδρολύματα πιο συνηθισμένα είναι τα διάφορα γαλακτώματα (διασπορά ημιδιαλυτών στερεών και υγρών σε υγρό νερό) και ο αφρός (διασπορά ημιδιαλυτών αερίων σε υγρό νερό).

Μικκύλια ονομάζονται τα διεσπαρμένα τεμαχίδια ενός κολλοειδούς.

Τα μικκύλια μπορεί να είναι:

1. Συσσωματώματα μορίων.
2. Μικροκρύσταλλοι.
3. Μεγαλομόρια (μόρια πολύ μεγάλου μοριακού βάρους και διαστάσεων, όπως πρωτεΐνες, πολυμερή, νουκλεϊκά οξέα, πολυσακχαρίτες και άλλα τέτοια).

Επίσης, ανάλογα με την ικανότητα ή όχι να προσροφούν μόρια του κύριου συστατιτού και να αυξάνουν το μέγεθός τους, διακρίνονται σε:

1. Λυόφιλα (ή υδρόφιλα, αν το κύριο συστατικό είναι το νερό) αν έχουν την ικανότητα να προσροφούν μόρια του κύριου συστατιτού και να αυξάνουν το μέγεθός τους.
2. Λυόφοβα (ή υδρόφοβα, αν το κύριο συστατικό είναι το νερό) αν δεν έχουν την ικανότητα να προσροφούν μόρια του κύριου συστατιτού και δεν αυξάνουν το μέγεθός τους.

Τα μικκύλια των κολλοειδών, ενώ είναι σχετικά μεγάλα και βαριά δεν καταβυθίζονται όπως θα περίμενε κανείς, γιατί απωθούνται αμοιβαία μεταξύ τους, επειδή έχουν εξωτερικά ομοειδές ηλεκτρικό φορτίο (θετικό ή αρνητικό).

Ηλεκτροφόριση ονομάζεται η διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από κολλοειδή διασπορά, οπότε τα ομοειδώς φορτισμένα μικκύλια κινούνται όλα προς τον ίδιο ηλεκτρόδιο (το αντίθετο του φορτίου τους, αφού αυτό τα έλκει).

Κροκίδωση ή θρόμβωση ονομάζεται το φαινόμενο της εξουδετέρωσης του ηλεκτρικού φορτίου των μικκυλίων κολλοειδούς διασποράς, που έχει ως αποτέλεσμα τη συσσωμάτωση και καταβύθισή τους.

• Φυσικά ο όρος καταβύθιση έχει νόημα όταν τα πρώην κολλοειδή συστατικά είναι βαρύτερα από το κύριο συστατικό τους πρώην κολλοειδούς συστήματος. Αν είναι ελαφρύστερα τότε και πάλι απομακρύνονται, αλλά προς τα πάνω (π.χ. ως φυσαλίδες, αν είναι αέρια). Σε κάθε περίπτωση, με την κροκίδωση το συνολικό σύστημα παύει να φαίνεται ομογενές. Κι αυτό γιατί όταν με τη συσσωμάτωση τα τεμαχίδια των συστατικών ξεπεράσουν το άνω όριο των 10^-4 cm, γίνονται ορατά πλέον.

Τόσο η βιολογική - βιοχημική, όσο και η τεχνολογική - βιομηχανική - εμπορική - οικολογική σημασία των κολλοειδών συστημάτων είναι τεράστια και αποτελούν πολύ σημαντικό και πρακτικά κλάδο της Φυσικοχημείας και κατ' επέκταση της Βιοχμείας, της Χημικής Τεχνολγίας, της Βιοτεχνολογίας, της Χημείας Περιβάλλοντος και της Αντιρρυπαντικής Τεχνολογίας.

• (άρθρο υπό διαμόρφωση)
• Επιστροφή στο Τμήμα Χημείας.