Boiling Point Elevation and Freezing Point Supression

Pojďme se zamyslet, co se děje
s teplotou varu, nebo

s teplotou tání roztoku,
přidáváme-li

postupně více a více rozpuštěné látky.

My si to budeme vysvětlovat
na příkladu vody.

Ale nemusí to být voda.

Může to být jakékoli rozpouštědlo,

náš příklad bude na voda
v kapalném stavu.

Částice se pohybují neuspořádaně
kvůli své kinetické energii.

Přesto mají vodíkové vazby,

které je přitahují navzájem k sobě.

To je typické pro látku v kapalném stavu,

její částice mají určité množství
kinetické energie.

to znamená, že každá částice
se pohybuje.

V náhodném směru se po sobě šoupou,
dochází i ke srážkám.

Co se musí stát,
aby se kapalina ztuhla?

Přeměnila se na tuhé skupenství?

Při tuhnutí vody
musí vzniknout krystalová struktura.

Částice se musí pravidelně uspořádat,

u vody asi takto.

Molekuly vody mají
pravidelnou strukturu,

kde síla vodíkových můstků
již zamezí kinetickému pohybu,

které by částice jinak vykonávaly, a proto

je všechen pohyb pouze vibrační.

Musí být trochu uspořádané.

Přesně tak, správně.

A pak se tato mřížková struktura opakuje

a opakuje až skoro do nekonečna.

Je zajímavé,
že se to samo nějakým způsobem

celé uspořádá.

A co se stane, když do této vody
začneme přidávat jiné částice jiné látky?

Uveďme jako příklad sodný kation.
Ve skutečnosti žádný příklad neukážu.

Řekněme, že bych tam zavedl

nějaké libovolné částice
(molekuly nebo ionty).

Znovu to namaluji.

Využiji to stejné,
co už tu mám.

Zavedu nějaké docela velké molekuly,

aby všechnu vodu odtlačily z cesty.

Nyní jsou molekuly vody
kolem této molekuly.

Vezměme si další, která se nachází tady.

Je relativně velká oproti molekule vody,
protože

molekuly vody nejsou ve skutečnosti
tak velké.

Myslíte si,
že bude tuhnutí snazší nebo těžší?

Budete muset odebrat
více nebo méně energie,

aby roztok zmrzl?

Tyto molekuly se nestanou součástí
mřížkové struktury,

protože tam zkrátka nezapadají.

Ve skutečnosti ztěžují
uspořádání molekul vody,

protože molekuly vody potřebují
ke svému uspořádání

správnou vzdálenost pro vodíkové vazby
také se říká vodíkové můstky.

Když začnete v tomto případě
odebírat teplo ze systému,

částice, které nejsou blízko
přidané molekuly,

se začnou vzájemně uspořádávat.

Když pak zavedeme částice
rozpouštěné látky,

řekněme, že se nachází zde,

bude velmi obtížné se uspořádat
pro tuto molekulu

a dostat se dostatečně blízko sebe,
aby mohl vodíkový můstek

vzniknout.

Tato vzdálenost to velmi ztěžuje.

A proto si myslím, že tyto částice

činí strukturu nepravidelnou
a tvoří nepořádek.

Nakonec budeme mluvit o

entropii a podobných věcech.

Částice tvoří systém více nepravidelným,

a je proto těžší ho vrátit
do běžného stavu.

Tušíme tedy, že by to mělo způsobit
snížení teploty varu...

Omlouvám se...
Mělo by to snížit

teplotu tání.

Takže rozpouštěná látka
snižuje teplotu varu.

Pokud se bavíme o vodě za normální teploty

a tlaku nebo tlaku jedné atmosféry,
voda nebude tát při nula stupních,

ale při minus jedna až
minus dvou stupních.

Dále o tom budeme mluvit trochu více.

Co se stane, pokud to budete chtít vařit

a přeměnit do plynného skupenství?

Částice jsou již v neuspořádaném stavu,
který je k plynu blíže,

než stav uspořádaný.
Není tedy jednodušší

dojít k varu?

Ale ukáže se, že je
těžší přejít k varu.

Takhle o tom přemýšlím.

Pamatujte, vše spojené s varem
se vypořádává s tím,

co se děje na povrchu.
O tom jsme již mluvili

v našem videu „Tlak par".

Pokud máme na povrchu hodně vody,

která je v kapalném stavu,

víme, že přestože je průměrná teplota vody
na vypařování nízká,

probíhá v ní přenos kinetické

energie.

Některé molekuly vody,

které jsou na povrchu

mohou být tak rychlé,
že uniknou.

Pokud molekuly takto uniknou do páry,
vytvoří

nad vodou tlak par.

Pokud je tento tlak par dostatečně velký,

můžeme téměř vidět, jak molekuly
blokují cestu pro ostatní,

které je chtějí následovat.
Blokují je tak, že obsadí

všechen okolní vzduch
nad kapalinou.

Pokud je jich tu dostatek
a mají dost energie,

mohou ostatní zatlačit zpět, nebo naopak
vytlačit ven,

aby je následovalo více molekul.

Doufám, že jste se v této teorii
úplně neztratili.

Co se stane teď, pokud do naší vody
zavedeme rozpouštěnou látku?

Některé částice mohou být
tady dole.

Tady dole to asi nemá
takový účinek, ale

některé budou narážet
na povrch,

a tím zaberou určité místo na povrchu.

Já nad tím přemýšlím tak,

když zabírají hodně povrchové plochy,

zůstává méně plochy pro rozpouštědlo,

roztok, zkrátka to,
co se ve skutečnosti

vypařuje.

A proto budeme mít nižší tlak par.

A proto budeme mít nižší tlak par.

Vzpomeňte si, že
teplota varu nastává,

když mají částice dostatek
kinetické energie,

aby mohly tlačit proti
atmosferickému tlaku.

Když se tlak par rovná
atmosferickému tlaku,

začíná var.

Kvůli těmto částicím
máme však nižší tlak par.

Proto musíme dodat více kinetické energie,

více tepla systému, abychom
získali větší tlak par,

a ten tak tlačil proti
tlaku atmosferickému.

Takže rozpouštěná látka zvyšuje
teplotu varu rozpouštědla.

Můžete o tom přemýšlet tak,

že když přidáte něco do roztoku,
začne chtít být déle

v kapalném stavu.

Pokud snížíte teplotu,
bude chtít

zůstat spíše v kapalném stavu,
než v tuhém.

Zvýšíme-li teplotu,
bude chtít

zůstat jako kapalina, a
ne pára.

Přijde mi to šikovné.
Snad se to hezky

ukáže na tomto videu.

Musím uvést zdroj,
je to ze stránky

chem.purdue.edu/gchelp/solutions/eboil.html
Přijde mi,

že je zde pěkná grafika,
nebo přinejmenším vizualizace...

Toto je pouze povrch roztoku.

...která nám ukazuje,
jak se látky vypařují.

Některé částice na povrchu prostě
hopsají sem a tam.

A tady vidíte, jak zobrazili
chlorid sodný

na povrchu.

A protože chlorid sodný tak nějak

plave na povrchu mezi
molekulami vody,

má méně z těch molekul
prostor utéct,

takže teplota varu se zvýší.

Teď nastává otázka: Jak moc se zvýší?

A teď přichází jedna
z krásných věcí v životě:

odpověď je celkem jednoduchá.

Změna teploty varu nebo teploty tání,

tedy změna teploty, při které se voda
vypařuje (nebo tuhne), je rovna

nějaké konstantě krát počet molů,

nebo spíš molární koncentrace, molalita,

látky, kterou přidáváte do roztoku.

Takže, například, řekněme,
že máme jeden kilogram

rozpouštědla, což bude voda.

Vyměním barvy,

jeden kilogram vody,

při atmosférickém tlaku.

Pak tu máme chlorid sodný, NaCl.

Toho vezmeme dva moly.

Budeme mít dva moly NaCl.

Otázkou zůstává,

jak moc se zvýší teplota varu
tohoto vodného roztoku?

Napřed budete muset spočítat molalitu,

která se rovná počtu molů
rozpouštěné látky v roztoku,

tedy dva moly, děleno hmotností

rozpouštědla.

Máme jeden kilogram rozpouštědla.

Toto jsou moly,

a molalita tedy bude dva moly na kilogram.

Takže zbývá zjistit, jaká je konstanta,

a budeme znát změnu teploty varu.

Skvělé je, že na té samé stránce

mají i tabulky.

Ty experimenty jsem sám neověřoval,

ale mají tu pěkné grafy.

Čistá voda má teplotu varu
sto stupňů Celsia,

za normálního atmosferického tlaku.

A dál nám říkají, že konstanta

je 0,512 stupňů Celsia na mol.

Zaokrouhlíme na nulá celá pět.

Bude se to rovnat nula celá pět.

A teď chci, abyste dávali
dobrý pozor, protože nastává

velmi zajímavý okamžik.

Řekl jsem, že je tu molalita dva...

Udělal jsem tu chybu.

Řekl jsem, že molalita NaCl je dva.

Dva moly na kilogram, jenže
to je NaCl v pevném stavu,

kdyby zůstal v tomto
molekulárním stavu.

Dohromady.

Jenže, stane se něco jiného,

chlorid sodný disociuje,

a o tom jsme se učili minule.

Každá molekula, každá dvojice NaCl

disociuje na dvě molekuly,

sodný kationt a chloridový aniont.

A právě proto, že disociuje na
dvě částice,

bude molalita dvakrát větší,

než je počet molů chloridu sodného,
který mám.

Bude to tedy dva krát dva.

Molalita bude čtyři,

a teď zajímavost,

kdybych rozpouštěl...
Radši to napíšu.

Takže, toto je glukóza a toto NaCl,

totiž, NaCl v krystalické struktuře.

Jedna molekula, jak asi vidíte,

je jeden z těch párů tady.

Ale zvláštní je,

že byste mohli mít
stejný počet molů NaCl,

a glukózy.

Jenže glukóza, kterou hodíme do vody,

prostě zůstane molekulou glukózy.

Takže 1 mol glukózy disociuje

na 1 mol glukózy ve vodě.

Prostě nedisociuje.

A zůstane jedním molem,

zatímco NaCl se změní ve dva moly,

protože ten disociuje.

Rozdělí se ve dvě odlišné částice.

V našem příkladě, pokud
začneme s molem NaCl,

poté, co se rozpustí ve vodě,
dostaneme molalitu

čtyři moly na kilogram,
protože se změní

ve dvě částice.

Takže molalita je čtyři moly
na kilogram.

Dva moly Na⁺, dva moly Cl⁻ na kilogram.

Použil jsem na to konstantu
ze stránky Purdue,

a dostanu změnu teploty,
která je rovna

konstantě nula celá pět krát čtyři,
což jsou dva stupně Celsia.

Takže teplota varu se zvýší o dva stupně.

Kdybych měl stejný počet molů glukózy,

rozpuštěné ve vodě,

zvýšila by se jen o polovinu.

Protože molalita by byla poloviční - proč?

Protože disociuje na dvě částice.

V učebnicích to tak bude napsané.

Najdete tam ten samý vzoreček pro
změnu teploty varu,

teploty tání, nebo čehokoli,
tedy

K krát M krát „i",

kde M je molalita sloučeniny,

kterou přidáváme do vody,

v tomto případě tedy číslo dva,

„i" je počet částic, na které se tato

molekula rozpadne, disociuje.

V tomto případě by bylo rovno dvěma.

A tak dostaneme čtyři krát K,

což je čtyři krát nula celá pět, tedy dva.

Pokud bychom přidávali vodu...
Pardon, glukózu,

pořád by byla molalita dva,

ale glukóza zůstává jednou částicí
i ve vodě,

takže „i" bude jedna.

Pak by se teplota varu zvýšila

jen o jeden stupeň.

Teplota tuhnutí (tání) je úplně to samé.

Změna teploty tuhnutí je také

přímo úměrná molalitě.

A můžeme použít stejnou molalitu

NaCl mimo vodu, krát počet částic,
do kterých disociuje,

ale K bude odlišné

pro tuhnutí a pro var.

Toto K se mění podle tlaku,

a podle látky.

To nejdůležitější, co byste si
z dneška vážně měli odnést,

je uvědomit si, že i když máte
mol tohoto a mol tamtoho,

a ty se disociují ve stejném
množství vody,

tento se rozpadne na dvě částice

a tato bude jen jedna,

NaCl disociuje na dva moly z každého

molu, který máte; glukóza nedisociuje,

prostě zůstane jedna molekula,
takže NaCl bude mít dvojnásobný efekt

na změnu teploty tuhnutí či
teploty varu,

než glukóza.