Raoult’sLaw Colligaveproperes A’property… · Lecture’notes’33’ Raoult’sLaw...

23
1 Lecture notes 33 Raoult’s Law Colliga4ve proper4es A property that depends on the ra4o of the number of solute molecules to the number of solvent molecules

Transcript of Raoult’sLaw Colligaveproperes A’property… · Lecture’notes’33’ Raoult’sLaw...

1  

Lecture  notes  33  

Raoult’s  Law    

Colliga4ve  proper4es  A  property  that  depends  on  the  ra4o  of  the  number  

 of  solute  molecules  to  the  number  of  solvent  molecules  

2  

Vapor  pressure  of  solu.ons    

Ideal  solu.on:  intermolecular  forces  between    solvent  and  solute  are  comparable    

Consider  a  solute  red  and  solvent  blue  

3  

Vapor  pressure  of  solu.ons    

Ideal  solu.on:  intermolecular  forces  between    solvent  and  solute  are  comparable    

Consider  a  solute  red  and  solvent  blue  

red  -­‐  red    and  

 blue  –  blue    

comaparble    to    

red  -­‐  blue  

Ideal  solu.on  

4  

Vapor  pressure  of  solu.ons    

vapor  

solu4on  

5  

Vapor  pressure  above  an  ideal  solu.on  is  equal  to  the  sum    of  the  vapor  pressures  of  the  the  components  

Raoult’s  Law  

P = PA + PBThe  vapor  pressure  of  a  component  is  equal  to    

the  product  of  its  mole  frac.on  and  its  pure  vapor  pressure    

PA = χAPA0 PB = χBPB

0

P = χAPA0 + χBPB

0

6  

χB →0   1  

P  

PA0

PB0

Pure  A   Pure  B  

PA + PB

PA

PB

Consider  a  solu4on  of  A  and  B  

7  

CH 3CH2CH 3 & CH 3CH 3

Representa.ve  Ideal  solu.ons  

C6H6 & C6H5CH 3

H2O & CH 3OH

CH 3CH2OH & CH 3OH

Calculate  the  vapor  pressure  of  a  solu.on  prepared    by  mixing  250  ml  of  H2O  (vapor  pressure  =  23.8  torr)    and  250  ml  of  C2H5OH  (vapor  presure  =  59.8  torr).  

density  of  H2O  =  0.997  g/ml  &  density  of  C2H5OH  =  0.786  g/ml  

Need  mole  frac4on  of  components  

gH2O = 250ml × 0.997 gml

= 249.3g

moles H2O = 249.3g18.0g /mol

= 13.85

gC2H5OH = 250ml × 0.786 gml

= 196.5g

moles C2H5OH = 196.5g46.0g /mol

= 4.27mol

total moles = 18.12

χH2O= 13.8518.12

= 0.764

χC2H5OH= 4.2718.12

= 0.236

PH2O = 0.764 × 23.8torr = 18.2torr

PC2H5OH = 0.236 × 59.8torr = 14.1torr

Ptotal = 32.3torr

What  is  the  mole  frac.on  of  C2H5OH    in  the  vapor  phase?  

χH2O(liquid) = 0.764

χC2H5OH(liquid) = 0.236

18.2 torr H2O14.1 torr C2H5OHPtotal = 32.3torr

χH2O(vapor) = 18.2torr

32.3torr= 0.56

χC2H5OH(vapor) = 14.1torr

32.3torr= 0.44

Liquid  composi4on  

 pressures  in  vapor  

What  is  the  mole  frac.on  of  C2H5OH    in  the  vapor  phase?  

χH2O(liquid) = 0.764

χC2H5OH(liquid) = 0.236

18.2 torr H2O14.1 torr C2H5OHPtotal = 32.3torr

χH2O(vapor) = 18.2torr

32.3torr= 0.56

χC2H5OH(vapor) = 14.1torr

32.3torr= 0.44

Liquid  composi4on  

 pressures  in  vapor  

nH2O = PH2OVRT

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

nC2H5OH = PC2H5OHVRT

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

χC2H5OH=

nC2H5OHnC2H5OH + nH2O

=PC2H5OH

PC2H5OH + PH2O

What  is  the  mole  frac.on  of  C2H5OH    in  the  vapor  phase?  

χH2O(liquid) = 0.764

χC2H5OH(liquid) = 0.236

18.2 torr H2O14.1 torr C2H5OHPtotal = 32.3torr

χH2O(vapor) = 18.2torr

32.3torr= 0.56

χC2H5OH(vapor) = 14.1torr

32.3torr= 0.44

Liquid  composi4on  

 pressures  in  vapor  

χH2O(liquid) = 0.764

χC2H5OH(liquid) = 0.236

χH2O(vapor) = 0.56

χC2H5OH(vapor) = 0.44

12  

Freezing  point  lowering  &  boiling  point  eleva.on  &  

Entropy  

Premise  :  addi.on  of  a  non-­‐vola.le  solute                                      increases  the  entropy  of  the  solu.on  

This  results  in  an  increase    in  the  boiling  point    and  a  decrease    

in  the  freezing  point  

13  

vapor   vapor  

Pure  solvent   solu.on  

ΔGf = ΔH f −TmΔSf = 0

Tb =ΔHV

ΔSsolvent

SΔSsolution

ΔSsolvent

Tb  increases  

ΔSsolution < ΔSsolvent

Tb =ΔHV

ΔSsolution

14  

A  similar  argument  holds    for  the  freezing  point  depression  

15  

Pure  liquid  

liquid  solu.on  

Pure  solid   Solid  solu.on  

ΔGf = ΔH f −TfΔSf = 0

Tf =ΔHV

ΔSsolvent

S ΔSsolutionΔSsolvent

Tf  decreases  

ΔSsolution > ΔSsolvent

Tf =ΔHV

ΔSsolution

16  

Extension  of  Raoult’s  Law  

Adding  a  non-­‐vola.le  solute  to  a  solu.on    always  

 lowers  the  vapor  pressure  of  the  solu.on  

Ptotal = Psolvent + Psolute = χ solventPsolvent0

non-­‐vola.le  

Example  of  Raoult’s  Law    

What  is  the  vapor  pressure  of  a  solu.on    made  by  adding  50.0  mL  of  glycerin  (non-­‐vola.le)  to  500.0  mL  of  

water  at  25  0C?  Density  of  glycerin  (C3H8O3)  1.26g/mL  

Vapor  pressure  of  pure  water  at  25  0C  23.8  torr  

Example  of  Raoult’s  Law    

What  is  the  vapor  pressure  of  a  solu.on    made  by  adding  50.0  mL  of  glycerin  (non-­‐vola.le)  to  500.0  mL  of  

water  at  25  0C?  Density  of  glycerin  (C3H8O3)  1.26g/mL  

Vapor  pressure  of  pure  water  at  25  0C  23.8  torr  

gramsC3H8O3 = 50.0ml ×1.26gml

= 63.0g

grams H2O = 500.0g

moles C3H8O3 = 63.0g × 1mole112g

= 0.56

moles H2O = 500.0g × 1mole18.0g

= 27.78

total moles = 28.34

χH2O= 27.7828.34

= 0.980

PH2O = 0.980 × 23.8torr = 23.3torr

Ptotal = Psolvent + Psolute = χvolatilePvolatile0

Phase  diagram  of  water  

P  

T  

pure  liquid  ice  

vapor  

1  atm  

00C   1000C  

solu4on  

ΔTb  ΔT  f  

Consequences  of  Vapor  Pressure  lowering  

ΔTb = kb *m* iΔTf = k f *m* i

m = molality

i =Van 't Hoff factor

k f = freezing point depression constant (solvent dependent)

kb = boiling point elevation constant (solvent dependent)

k f (H2O) = 1.86

kb (H2O) = 0.50

21  

Van’t  Hoff  Factor  :  measures  the  extent  to  which                                                                        solutes  break  up  in  solu.on  

In  a  moderately  dilute  solu.on  it  is  simply    the  number  of  ion  generated  from  one  formula  unit.  

NaCl  

Na2SO4  

sugar  

KNO3  

Mg(NO3)2  

Ca3(PO4)2  

HCl  

CH3CO2H  

i=2  

i=3  

i=1  

i=2  

i=3  

i=5  

i=2  

i=1  

Which  of  the  following  aqueous  solu.ons  has  the    :  lowest  freezing  point  ?  

1.5  m  NaCl    1.2  m  Na2SO4    3.0  m  sugar    1.6  m  KNO3    

:  highest  vapor  pressure?  

:  lowest  vapor  pressure?  

LFP  

HVP  

HVP  

LVP  

I  mole  of  Magnesium  acetate  is  dissolved  in  water    and  the  boiling  point  increased  by  60C.    How  much  water  was  in  the  solu.on?  

kb(H2O)  =  0.50  0C/m  

Mg(CH3COO)2   ΔTb = kb *m* i

m = ΔTbkbi

= 60.5 × 3

= 4moles / kgH2Om = moles

kgH2O

kgH2O = molesm

= 14kgH2O