拉乌尔定律计算器(沸点升高与凝固点降低)

根据溶质的质量摩尔浓度和范特霍夫因子,利用拉乌尔定律计算溶液的沸点升高和凝固点降低。支持水、苯等6种溶剂常数(Kb・Kf),并可考虑电解质的电离效应。

常见溶剂的摩尔沸点升高常数与摩尔凝固点降低常数

教科书中广泛引用的标准参考值,可用于核对手工计算的结果。

溶剂 Kb (°C·kg/mol) Kf (°C·kg/mol) 标准沸点(°C) 标准凝固点(°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
环己烷(Cyclohexane) 2.79 20.2 80.7 6.5
萘(Naphthalene) 5.8 6.9 218.0 80.2
樟脑(Camphor) 5.95 37.7 204.0 178.4

拉乌尔定律究竟说了什么

**拉乌尔定律首先说的是:往溶剂里溶入东西,蒸气压就会下降。** 沸点升高与凝固点降低,都不过是由这一点推出的结果。液体在蒸气压与外压相等的温度沸腾,蒸气压既已降低,那个温度自然要往高处挪。升高量写作 Δt = Kb × m × i,降低量写作 Δt = Kf × m × i,其中 Kb 与 Kf 是各溶剂固定的常数。

**这里所用的浓度是质量摩尔浓度而非体积摩尔浓度,这一点有其道理。** 溶液的体积会随温度变化,而讨论的对象本身就是温度,以体积为基准便站不住脚;按溶剂的千克数来计,温度怎么变数值都不动。另一个关键是范特霍夫因子,它记录**一个溶质单元溶解后裂成几个粒子**。依数性只取决于粒子的数目而与其身份无关,故对电解质若不乘上这个因子,答案便对不上。

计算的步骤

  1. 选择溶剂 可选水、苯、樟脑等六种,选定后 Kb 与 Kf 会自动填入。
  2. 决定浓度的给法 既可直接输入质量摩尔浓度,也可**由溶质的质量与摩尔质量,连同溶剂的质量算出。**
  3. 输入范特霍夫因子 非电解质取1,氯化钠取2,氯化钙取3,可作初步估计。
  4. 读取升高与降低量 变化量与变化后的沸点、凝固点都会一并显示。

用好本工具的小技巧

  • NaCl、CaCl2等电解质在水中会电离为多个离子,将范特霍夫因子i设为大于1的值可使计算结果更接近实测值。
  • 在“由质量计算”模式下,只需输入溶质质量[g]、摩尔质量[g/mol]和溶剂质量[kg],即可自动计算质量摩尔浓度。
  • 沸点升高和凝固点降低都属于依数性,只取决于溶质粒子的数量,而与溶质本身的种类无关。
  • 对相同的溶质用量而言,许多溶剂的凝固点降低幅度大于沸点升高幅度,这也是道路除冰剂常用氯化钙的原因之一。
  • 使用i的预设按钮(非电解质・NaCl相当・CaCl2相当)可快速体验典型的电离模式。

这些场景会用到

核对化学作业

依数性的题目最常因漏乘因子而出错,值得回头验算。

估计融雪剂的效力

**氯化钙化冰胜过氯化钠,正因其因子是3而非2**,同样的浓度换来更大的降幅。

重走测定分子量的老路

凝固点降低曾是求未知物摩尔质量的经典途径,可循此关系反推。

拟定实验方案

动天平之前,先算清要达到目标凝固点需溶入多少。

依数性的术语

拉乌尔定律
溶液的蒸气压与溶剂的摩尔分数成正比。**沸点升高与凝固点降低皆由此而来。**
质量摩尔浓度
每千克溶剂中溶质的物质的量。**因不涉及体积,温度变化时数值仍然稳定。**
摩尔沸点升高常数
单位质量摩尔浓度下沸点升高的度数,随溶剂而定。水为每单位0.515开尔文。
摩尔凝固点降低常数
与之对应的凝固点降幅。水为1.853,而**樟脑高达37.7,因其数值之大,长期用于测定微量物质。**
范特霍夫因子
一个化学式单位的溶质在溶液中产生的粒子数。非电解质为1,氯化钠理论上为2。
依数性
由溶解粒子的数目而非其种类所决定的性质,共四项:蒸气压下降、沸点升高、凝固点降低与渗透压。

常见问题

范特霍夫因子(i)表示溶质在溶液中分解为多少个粒子(离子或分子)。蔗糖等非电解质不发生电离,始终是1个粒子,因此i=1;NaCl完全电离为Na+和Cl-两个离子,因此i≈2;CaCl2电离为1个Ca2+和2个Cl-共3个离子,因此i≈3。

沸点升高和凝固点降低都是与溶质粒子数成正比的依数性。食盐(NaCl)在水中电离为Na+和Cl-两个离子,因此在相同摩尔浓度下产生的效果约为非电解质的两倍(i≈2),使沸点升得更高、凝固点降得更低。这正是道路结冰时撒盐的原理。

Kb和Kf都是各溶剂固有的常数,表示当溶解质量摩尔浓度为1mol/kg的非电解质时,沸点或凝固点分别会变化多少摄氏度。由于取决于溶剂的分子量及其凝固、沸腾的难易程度,水和苯的数值差异很大。

质量摩尔浓度是“每千克溶剂中溶质的物质的量[mol]”,不随温度变化。摩尔浓度则是“每升溶液中溶质的物质的量[mol]”,会受到温度变化引起的溶液体积变化的影响。由于沸点升高、凝固点降低本身涉及温度变化,因此使用不受温度影响的质量摩尔浓度才是正确的选择。

本工具收录了6种常见溶剂(水、苯、乙酸、环己烷、萘、樟脑)的Kb・Kf值。对于其他溶剂,建议查阅《化学手册》或CRC Handbook of Chemistry and Physics等专业参考书。
工具君

闲话 ― 除冰剂与依数性的化学原理

冬季撒在道路上的白色颗粒,通常是氯化钙(CaCl2)或氯化钠(NaCl)。这些物质之所以能融化冰雪,并不是因为它们能发热,而是因为溶解在水中后会降低水本身的凝固点。这种现象被称为凝固点降低,是由拉乌尔定律推导出的依数性(colligative properties)的典型例子。

“依数性”这个词的含义是“结果只取决于粒子的数量”。在相同质量摩尔浓度下,CaCl2在水中电离为1个Ca2+和2个Cl-,共3个粒子,因此其凝固点降低效果约为蔗糖等不电离的非电解质的3倍。这也是为什么少量的CaCl2有时比NaCl具有更强的除冰效果(不过还需考虑其对混凝土的腐蚀性等其他因素)。

同样的原理反过来也适用于沸点升高。煮意大利面时加盐确实会略微提高水的沸点,但家庭用量下升高幅度远不到1℃,实际上几乎没有“加快沸腾”的效果。加盐的主要目的其实是给面条调味,沸点升高只不过是一个次要的化学副作用而已。