Gefrierpunktserniedrigung & Siedepunktserhöhung

1. Gefrierpunktserniedrigung& Siedepunktserhöhung Ein Referat von Jessica Büschgens und Oliver Flock Bergische Universität Wuppertal Fachbereich C Physikalische Chemie WS 05/06

2. Gliederung: • Das Phänomen • Anwendung im Alltag • Theoretische Grundlagen • Die Gesetze und deren Herleitung • Der Praktikumsversuch und seine Auswertung • Methoden zur Molmassenbestimmung

3. Das Phänomen • Meerwasser gefriert erst bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als Süßwasser. • Mit gelösten Stoffen muss mehr Energie aufgewendet werden um Wasser zum sieden zu bringen. Es kocht erst bei einer höheren Temperatur

4. Anwendung im Alltag: Gerade zu dieser kalten Jahreszeit kennt jeder das Problem: Eis und Schnee. Damit verbunden ist immer die Eisglätte. Deshalb wird , wie jeder weiß in den meisten Städten Salz gestreut.

5. Theoretische Grundlagen: Die treibende Kraft für die Siedepunkts- erhöhung und die Gefrierpunktserniedrigung ist die Entropie! Sie strebt einem Maximum zu, wodurch der Stabilitätsbereich der flüssigen Phase vergrößert wird.

6. Phasengleichgewicht eines Zweikomponentensystems Wir nehmen an: • Das System besteht aus einer Lösung und einer Dampfphase • Die gelöste Substanz ist nicht flüchtig und trägt nicht zum Dampfdruck der Lösung bei • Es finden keine chemischen Reaktionen zwischen den Komponenten statt.

7. Die Gesetze und deren Herleitung Im Phasengleichgewicht gilt: Für das chemische Potential einer Mischphase gilt:

8. Abhängigkeit des chemischen Potentials in Mischphasen vom Molenbruch Wenn partielle molare Größen verwendet werden, kann mit dμ genauso wie G behandelt werden: mit

9. Nach Variablenauftrennung und Integration bzw.

10. Da χ< 1 ist, ist das chemische Potential in der Mischphase erniedrigt. Nach Plank gilt dies auch für die Kondensierte Phase.

11. Änderung der Temperatur mit der Menge des gelösten Stoffes mit dp = 0

13. Änderung der Entropie beim Übergang von der Kondensierten Phase in die Gasphase Definitionsgleichung der Entropie: mit p = konst.

14. ΔVH = Verdampfungsenthalpie Um nun die Siedepunktserhöhung als Funktion der gelösten Stoffmenge zu erhalten, muß man in den Grenzen TS* - TS und a=1 – a1 integrieren.

15. Im Mathebuch steht: Man kann nun folgende Reihe entwickeln: Wobei für sehr kleine a2, nach dem ersten Term abgebrochen wird:

16. mit TS* . TS ≈ TS2 Da alle Faktoren positiv sind, kommt es zu einer Siedepunktserhöhung!

17. Gefrierpunktserniedrigung: si*β– si* = ΔmH Schmelzenthalpie

18. Man integriert analog zur Siedepunktserhöhung in die Grenzen TS* - TS und a=1 – a1. Da Tm*2 und ΔmV positive Werte sind, wird der rechte Term negativ: Es kommt also zu einer Gefrierpunktserniedrigung!

19. Der Praktikumsversuch: • Das Ziel • Aufbau • Die Durchführung • Die Auswertung

20. Das Ziel: • Ziel des Versuches ist es die Molmasse einer Unbekannten Substanz zu Bestimmen

21. Aufbau:

22. Die Durchführung: • Es wird eine bekannte Menge eines unbekannten Stoffes in eine bekannte Menge Cyclohexan gegeben. • Das Ganze wird in ein Eiswasserbad (mit gelöstem Salz) gestellt • Somit wird die Cyclohexan/Salz-Mischung bis unter den Gefrierpunkt abgekühlt

23. Die Temperatur wird alle 30 Sekunden gemessen • Alle 2 Sekunden sollte das Cyclohexan-gemisch durchmischt werden • Zur Temperaturmessung wird ein Beckmannthermometer benutzt

24. EXKURS: Das Beckmannthermometer • Das Beckmannthermometer wird bei niedrigen Temperaturdifferenzen benutzt • Skala umfasst in der Regel nur 5K mit 100stel Gradteilung • Quecksilbermenge ist variabel -> für unterschiedliche Temperatur-Bereiche verwendbar (-20°C - 120°C) • Das Beckmann Thermometer muss vorher geeicht werden • Hierbei muss der Gefrierpunkt des reinen Cyclohexans auf dem Skalenteil auf 5 geeicht werden. (Wird vom Dozenten gemacht!!!!)

25. Auswertung: • Man trägt Die Temperatur gegen die Zeit auf • Man erstellt 2 Regressionsgeraden für den oberen und den unteren Ast • Berechnung des Schnittpunktes (ΔTF) • Berechnung von KF • Und kann nun die Molmasse errechnen

26. Berechnung der Schnittpunkte: Gleichsetzten der beiden Geradengleichungen: 0,0137x + 0,0926 = 0,0003x + 3,0622 0,0134x = 2,9696 X = 221,6119 Einsetzten in eine Geradengleichung: y = 0,0137 * 221,6119 + 0,0926 y = 3,1287

27. ΔTF ist also 3,173° • Die Berechnung von KF nach der Formel: mit M0: Molmasse des Lsg.mittels Cyclohexans (84,16 g/mol) R: 8,3143 KJ/mol*K ΔHs,m: Molare Schmelzwärme Cyclohexan (2,63)

28. Mit KF und ΔTF sowie den eingesetzten Massen kann man die Molmasse bestimmen: • Einsatz: Cyclohexan: mLsgm (Bsp.: 11,4454g) • Einsatz Stoff: mStoff (Bsp.: 0,0643g)

29. Methoden zur Bestimmung der Molmasse: • Gefrierpunktserniedrigung • Siedepunktserhöhung • Osmometrie

31. Osmometrie: • Osmotischer Druck ist besonders für den Flüssigkeitstransport tierischer und pflanzlicher Zellen wichtig • Osmolarität gibt die Anzahl des osmotisch aktiven Teilchen pro Liter Lösungsmittel bzw. Untersuchungsmaterial an • Im Labor wird die Bestimmung mit Osmometer bestimmt

32. Osmometrie: • Die Methode wird besonders zur Charakterisierung von Makromolekülen verbreitet • Osmometrie ist eine wichtige Methode zur Bestimmung der Molmassen von Polymeren