拉烏爾定律計算器(沸點升高與凝固點降低)

根據溶質的質量摩爾濃度和範特霍夫因子,利用拉烏爾定律計算溶液的沸點升高和凝固點降低。支援水、苯等6種溶劑常數(Kb・Kf),並可考慮電解質的電離效應。

常見溶劑的摩爾沸點升高常數與摩爾凝固點降低常數

教科書中廣泛引用的標準參考值,可用於核對手工計算的結果。

溶劑 Kb (°C·kg/mol) Kf (°C·kg/mol) 標準沸點(°C) 標準凝固點(°C)
水 0.512 1.86 100.0 0.0
苯(Benzene) 2.53 5.12 80.1 5.5
乙酸(Acetic acid) 3.07 3.9 118.1 16.6
環己烷(Cyclohexane) 2.79 20.2 80.7 6.5
萘(Naphthalene) 5.8 6.9 218.0 80.2
樟腦(Camphor) 5.95 37.7 204.0 178.4

拉午耳定律究竟說了什麼

**拉午耳定律首先說的是:往溶劑裡溶入東西,蒸氣壓就會下降。** 沸點上升與凝固點下降,都不過是由這一點推出的結果。液體在蒸氣壓與外壓相等的溫度沸騰,蒸氣壓既已下降,那個溫度自然要往高處挪。上升量寫作 Δt = Kb × m × i,下降量寫作 Δt = Kf × m × i,其中 Kb 與 Kf 是各溶劑固定的常數。

**這裡所用的濃度是重量莫耳濃度而非體積莫耳濃度,這一點有其道理。** 溶液的體積會隨溫度變化,而討論的對象本身就是溫度,以體積為基準便站不住腳;按溶劑的公斤數來計,溫度怎麼變數值都不動。另一個關鍵是凡特荷夫因子,它記錄**一個溶質單元溶解後裂成幾個粒子**。依數性只取決於粒子的數目而與其身分無關,故對電解質若不乘上這個因子,答案便對不上。

計算的步驟

  1. 選擇溶劑 可選水、苯、樟腦等六種,選定後 Kb 與 Kf 會自動填入。
  2. 決定濃度的給法 既可直接輸入重量莫耳濃度,也可**由溶質的質量與莫耳質量,連同溶劑的質量算出。**
  3. 輸入凡特荷夫因子 非電解質取1,氯化鈉取2,氯化鈣取3,可作初步估計。
  4. 讀取上升與下降量 變化量與變化後的沸點、凝固點都會一併顯示。

用好本工具的小技巧

  • NaCl、CaCl2等電解質在水中會電離為多個離子,將範特霍夫因子i設為大於1的值可使計算結果更接近實測值。
  • 在“由質量計算”模式下,只需輸入溶質質量[g]、摩爾質量[g/mol]和溶劑質量[kg],即可自動計算質量摩爾濃度。
  • 沸點升高和凝固點降低都屬於依數性,只取決於溶質粒子的數量,而與溶質本身的種類無關。
  • 對相同的溶質用量而言,許多溶劑的凝固點降低幅度大於沸點升高幅度,這也是道路除冰劑常用氯化鈣的原因之一。
  • 使用i的預設按鈕(非電解質・NaCl相當・CaCl2相當)可快速體驗典型的電離模式。

這些情境會用到

核對化學作業

依數性的題目最常因漏乘因子而出錯,值得回頭驗算。

估計融雪劑的效力

**氯化鈣化冰勝過氯化鈉,正因其因子是3而非2**,同樣的濃度換來更大的降幅。

重走測定分子量的老路

凝固點下降曾是求未知物莫耳質量的經典途徑,可循此關係反推。

擬定實驗方案

動天平之前,先算清要達到目標凝固點需溶入多少。

依數性的術語

拉午耳定律
溶液的蒸氣壓與溶劑的莫耳分率成正比。**沸點上升與凝固點下降皆由此而來。**
重量莫耳濃度
每公斤溶劑中溶質的物質量。**因不涉及體積,溫度變化時數值仍然穩定。**
莫耳沸點上升常數
單位重量莫耳濃度下沸點上升的度數,隨溶劑而定。水為每單位0.515克耳文。
莫耳凝固點下降常數
與之對應的凝固點降幅。水為1.853,而**樟腦高達37.7,因其數值之大,長期用於測定微量物質。**
凡特荷夫因子
一個化學式單元的溶質在溶液中產生的粒子數。非電解質為1,氯化鈉理論上為2。
依數性
由溶解粒子的數目而非其種類所決定的性質,共四項:蒸氣壓下降、沸點上升、凝固點下降與滲透壓。

常見問題

範特霍夫因子(i)表示溶質在溶液中分解為多少個粒子(離子或分子)。蔗糖等非電解質不發生電離,始終是1個粒子,因此i=1;NaCl完全電離為Na+和Cl-兩個離子,因此i≈2;CaCl2電離為1個Ca2+和2個Cl-共3個離子,因此i≈3。

沸點升高和凝固點降低都是與溶質粒子數成正比的依數性。食鹽(NaCl)在水中電離為Na+和Cl-兩個離子,因此在相同摩爾濃度下產生的效果約為非電解質的兩倍(i≈2),使沸點升得更高、凝固點降得更低。這正是道路結冰時撒鹽的原理。

Kb和Kf都是各溶劑固有的常數,表示當溶解質量摩爾濃度為1mol/kg的非電解質時,沸點或凝固點分別會變化多少攝氏度。由於取決於溶劑的分子量及其凝固、沸騰的難易程度,水和苯的數值差異很大。

質量摩爾濃度是“每千克溶劑中溶質的物質的量[mol]”,不隨溫度變化。摩爾濃度則是“每升溶液中溶質的物質的量[mol]”,會受到溫度變化引起的溶液體積變化的影響。由於沸點升高、凝固點降低本身涉及溫度變化,因此使用不受溫度影響的質量摩爾濃度才是正確的選擇。

本工具收錄了6種常見溶劑(水、苯、乙酸、環己烷、萘、樟腦)的Kb・Kf值。對於其他溶劑,建議查閱《化學手冊》或CRC Handbook of Chemistry and Physics等專業參考書。
工具君

閒話 ― 除冰劑與依數性的化學原理

冬季撒在道路上的白色顆粒,通常是氯化鈣(CaCl2)或氯化鈉(NaCl)。這些物質之所以能融化冰雪,並不是因為它們能發熱,而是因為溶解在水中後會降低水本身的凝固點。這種現象被稱為凝固點降低,是由拉烏爾定律推匯出的依數性(colligative properties)的典型例子。

“依數性”這個詞的含義是“結果只取決於粒子的數量”。在相同質量摩爾濃度下,CaCl2在水中電離為1個Ca2+和2個Cl-,共3個粒子,因此其凝固點降低效果約為蔗糖等不電離的非電解質的3倍。這也是為什麼少量的CaCl2有時比NaCl具有更強的除冰效果(不過還需考慮其對混凝土的腐蝕性等其他因素)。

同樣的原理反過來也適用於沸點升高。煮義大利麵時加鹽確實會略微提高水的沸點,但家庭用量下升高幅度遠不到1℃,實際上幾乎沒有“加快沸騰”的效果。加鹽的主要目的其實是給麵條調味,沸點升高只不過是一個次要的化學副作用而已。