A forráspont-emelkedés mérése csak abban az esetben használható egy anyag moláris tömegének meghatározására, ha a kérdéses anyag tenziója az alkalmazott oldószer forráspontja körüli (kb. ± 15 ºC) hőmérsékleten elhanyagolhatóan alacsony. Ebben az esetben a gőztérben csak az oldószer molekulái fordulnak elő. A többi kolligatív tulajdonsághoz hasonlóan szintén fontos ismernünk, hogy az adott oldószerben a mérendő anyag disszociál-e. Ebben az esetben a disszociá-ciófok ismerete is szükséges, egyébként csak az egyes keletkező komponensek átlag moláris tömegét kapjuk eredményül.
Tiszta anyagokból készített oldat esetén az oldat gőztenziója lecsökken a tiszta oldószeréhez képest. Ha felidézzük a forráspont definícióját, láthatjuk, hogy a lecsökkent gőztenzió következtében megnő a forráspont. A két forráspont különbsége a forráspont-emelkedés.
ΔT T
T
*
(4.5.2.1.)A forráspont-emelkedés kifejezhető az oldott anyag molalitásának (m ) segítségével (mol oldott oa anyag/1000 ml oldószer).
ΔTM az ebullioszkópos együttható, az oldószerre jellemző érték, megmutatja, hogy az oldószer 1000 g-jában 1 mol oldott anyag mekkora forráspont-emelkedést okoz. Néhány gyakran használt oldószer ebullioszkópos együtthatója az 4.5.2.1. táblázatban található.
4.5.2.1. táblázat. Néhány gyakran használt oldószer forráspontja és ebullioszkópos együtthatója
Oldószer Tiszta oldószer
A forráspont-emelkedést ebullioszkóppal mérjük. A Beckmann-féle ebullioszkóp felépítése az 4.5.2.1. ábrán látható. Az ebullioszkóp felépítése hasonló a krioszkópéhoz, azonban a forralás során elpárolgó oldószer gőzeit visszafolyó hűtővel kondenzáltatjuk. A visszafolyó hűtőn elhelyezkedő
légzőnyílás biztosítja, hogy a forralóedény gőztere a külső légtérrel érintkezhessen, ne alakuljon ki zárt rendszer. A környezet hűtő hatásának kiküszöbölésére a forralóedényt légköpennyel vagy kettős falú edénnyel vesszük körül, amelyben a méréshez használt oldószerrel azonos oldószert forralunk.
Kettős falú edény esetén a mérendő oldat forralását és a köpenyben lévő folyadék forralását egymástól elkülönítve, egy mikroégővel és egy körégővel végezzük.
Egy oldat forráspontjának meghatározásakor fontos a hőmérő megfelelő elhelyezése. Ha a gőztérben helyezkedik el a hőmérő higanyzsákja, akkor a gőz hőmérsékletét mérjük, ami mint említettük tiszta oldószergőz, összetétele így eltér az oldatétól. Ha pedig a higanyzsákot a folyadék-fázisba merítjük, akkor a túlhevülés miatt magasabb forráspontot fogunk mérni (a meghatározott moláris tömeg alacsonyabb lesz a ténylegesnél). A probléma megoldása az ún. gőzlifttel, a Cotrell-szivattyúval valósítható meg. Ez általában nem más, mint egy kis üvegharang, amely három vékony üvegcsőben végződik. Az üvegcsövek a hőmérő higanyzsákja körül helyezkednek el, a hőmérő felé ívelt végük pedig a higanyzsák fölé ér. Az oldatot forralva a fejlődő gőz folyadékcseppeket ragad magával, amelyeket a csövek a hőmérőre fecskendeznek. A higanyzsák oldalán így folyamatosan olyan vékony folyadékfilm képződik, amely nagy felületen érintkezik saját telített gőzével, azzal egyensúlyban van. A hőmérő ekkor azt a hőmérsékletet mutatja, amelyen az oldat és a gőz egyen-súlyban van az adott külső nyomáson (ne feledjük, a légzőnyílás miatt a készülékben a külső légköri nyomás uralkodik!).
4.5.2.1. ábrán. A Beckmann-féle ebullioszkóp
A mérés során a készülékben a hőmérséklet ingadozása és a nyomás változása is hibát okozhat.
Az előbbit úgy küszöböljük ki, hogy sem a mikroégőn sem pedig a készülékben keringő hűtővíz áramlásán nem változtatunk, miután megkezdtük a mérést. Mivel a nyomás ingadozása a külső nyomástól függ, ezért a mérés során többször ellenőrizzük a barométerállást (közvetlenül a mérés előtt, a mérés közben és a mérés befejeztével is).
A mérés során gondosan kell ügyelni arra, hogy a forralóedényben ne változzon az anyag mennyisége, azaz ne szökjön el gőz belőle, mert ez megváltoztatná az oldat koncentrációját. Ezért a hűtővíz mennyiségét a tiszta oldószer forráspontjának mérésekor úgy állítjuk be, hogy az oldószer gőze a bothűtő légzőnyílás előtti szakaszán kondenzálódjon. A mérés során az oldat koncentrációja nem azonos azzal, amit a bemérések alapján számítunk, mert az oldószer egy része gőzként van jelen.
Ennek figyelembevételére az oldatban az oldószer tömegét csökkentenünk kell a gőztér térfogata alapján számított tömegkorrekcióval. A méréshez használt készülékre és oldószerre (szén-tetraklorid) az általános gőztérkorrekció 0,2 g.
Feladat: Ismeretlen anyag moláris tömegének meghatározása forráspont-emelkedéssel.
A mérés menete:
1. A mérés előtt az ebullioszkópot gondosan ki kell tisztítani, hogy elkerüljük a korábbi mérésekből származó esetleges szennyeződéseket. Az alapos oldószeres mosás után először acetonnal, majd szén-tetrakloriddal kiöblítjük a készüléket, majd levegőátszívatással eltávolítjuk az oldószergőzöket. Az aceton oldja, és így eltávolítja a vizes mosogatás során bennmaradó víz maradékát, amely a nagy polaritásbeli különbség miatt nem elegyedik a szén-tetrakloriddal, és zavarná a mérést. A szén-tetrakloridos öblítéssel az aceton maradékát távolítjuk el. A gőzliftet kevés acetonnal lemossuk, majd tiszta szűrőpapírra helyezve fülke alatt szárítjuk.
2. A Beckmann-hőmérőt ellenőrizzük, hogy a higanyszál folytonos-e; ha nem, akkor a Hőmérsékletmérés fejezetben leírtaknak megfelelően helyreállítjuk. A differencia-hőmérőt és a bothűtőt acetonos, tiszta papírtörlővel letörölgetjük.
3. Az egyes elemek megtisztítása után összeállítjuk a készüléket az 4.5.2.1. ábrának megfelelően.
A Cotrell-liftet óvatosan csúsztassuk az ebullioszkópba, majd állványra rögzítjük a készüléket, és belehelyezzük a Beckmann-hőmérőt, az oldalcsőbe pedig a bothűtőt. Az ebullioszkóp alá vasháromlábat helyezünk, amelyre közepén lyukas dróthálót teszünk úgy, hogy az ebullioszkóp alja az 4.5.2.1. ábrán látható módon illeszkedjen a nyílásba. A dróthálóra az ebullioszkópnál 23 cm-el nagyobb átmérőjű, mindkét végén nyitott üveghengert helyezünk, amivel egy hőszigetelő légköpenyt alakítunk ki a mérendő folyadék körül. Az üveghenger felső végét az ebullioszkóp csonkjaihoz formázott fémlappal zárjuk le.
4. Egy csiszolatos Erlenmeyer-lombikot vegyifülke alatt kb. félig töltünk szén-tetrakloriddal, csiszolatos üvegdugóval gyorsan lezárjuk, majd táramérlegen század gramm pontossággal lemérjük a tömegét. Az összeállított készülékbe az oldalcsövön keresztül annyi szén-tetrakloridot öntünk, hogy a Cotrell-szivattyú harangos részének felső vonalában legyen a folyadéknívó. Mind a készüléket, mind a lombikot gyorsan és alaposan bedugaszoljuk, hogy az oldószer ne párologhasson el, majd a lombikot ismételten lemérjük táramérlegen. A két mért tömeg különbsége az oldószer tömege (mold).
5. A vizsgálandó anyagból 11,5 grammot bemérőcsónak segítségével analitikai mérlegen négy-tizedes pontossággal lemérünk. A bemért anyagot a csónakkal együtt egy tiszta üvegedénybe helyezzük (célszerűen kisebb kristályosító csészébe), és egy óraüveggel lefedjük.
6. A mérés megkezdése előtt még egyszer ellenőrizzük a készülék tömítéseit, majd megindítjuk a hűtővíz áramlását ügyelve, hogy az ábrának megfelelő módon a középső csonkon áramoljon be a víz. A korábban leírtaknak megfelelően feljegyezzük a barométerállást. A mikroégőt közvetlenül az ebullioszkóp alá helyezzük, meggyújtjuk, majd a levegőszelepet úgy állítjuk, hogy a lángnak látható legyen egy apró, világosabb magja. A mikroégőt úgy kell elhelyezni, hogy a láng csúcsa közvetlenül az edény alját érje. A készüléket semmiképpen ne hagyjuk magára égő láng mellett! A hűtőből kifolyó víz áramlását rendszeresen ellenőrizzük!
7. Első lépésként a differencia-hőmérő kalibrációját végezzük el a tiszta oldószer forráshőmér-sékletének mérésével. A forrás megindulása után kb. 5 perccel leolvassuk a Beckmann-hőmérőt, majd ezt kétpercenként megismételjük. Ha három leolvasás eredménye ± 0,005 ºC-nál nem mutat nagyobb eltérést, akkor ennek a három mérésnek az átlagát vesszük a hőmérő kalibrációs pontjának (Tkal).
8. Az oldat forráshőmérsékletének meghatározásához a bemérőcsónakról a mérendő anyagot a forralás megszüntetése nélkül az oldalcsövön keresztül egy gyors mozdulattal a készülékbe öntjük, majd az oldalcsövet gondosan visszadugaszoljuk.
9. A bemérőcsónakot visszahelyezzük az üvegedénybe, és lefedjük az óraüveggel. A csónakot a mérés befejeztével mérjük vissza analitikai mérlegen, a két mért tömeg különbsége a bemért anyag tömege (manyag).
10. A kalibrációhoz hasonlóan megvárjuk a forráshőmérséklet beállását, majd kétpercenként leolvassuk a differencia-hőmérőt. A három utolsó, ±0,005 ºC-on belül eső értéket átlagoljuk, és ezt tekintjük az oldat forráshőmérsékletének (Tfh). A mérés végeztével ismételten feljegyezzük a barométerállást.
Számítások:
A bemért anyag tömegéből (manyag), a bemért oldószer tömegéből (mold) és a gőztérkorrekcióból kiszámítjuk az oldat tömegkoncentrációját (G) [g/1000 g oldószer].
old 0,2g koncentráció ismeretében kiszámítjuk az ismeretlen anyag moláris tömegét egy tizedesjegy pontossággal g/mol egységben.
1. A gyakorlaton használt Beckmann-féle ebullioszkóp rajza, amely működőképes készüléket ábrázol.
2. Az ismeretlen anyag moláris tömege.
3. A légköri nyomás.
4.5.3. Folyadékelegy átlagos moláris tömegének meghatározása gőzsűrűségméréssel, Victor Meyer