خواص کولیگاتیو چیست؟ و چه ویژگی هایی دارد؟

در برخی موارد بعضی از خواص محلول ها به جای ماهیت محلول به غلظت ماده حل شده بستگی دارد، به این خواص، خواص کولیگاتیو می گویند. این خاصیت ها برای محلول هایی که شامل ماده حل شده غیر فرار هستند مثل نقطه انجماد و نقطه جوش در حالت محلول و حلال خاص تفاوت می کنند.

معرفی خواص کولیگاتیو

تمام افراد با خواص کولیگاتیو محلول ها در زندگی روزمره خود سر و کار دارند، بدون آنکه اصطلاح علمی آن را بدانند و یا علت اتفاق افتادن اینگونه پدیده ها را بتوانند توضیح دهند. به عنوان نمونه ما در تهیه مربا و شربت به شکل علمی تجربه کرده ایم که محلول آب و شکر دیرتر از آب خالص به جوش خواهد آمد و یا محلول آب و نمک و شکر در دماهای پایین تر از دمایی که آب خالص یخ ببندد، منجمد خواهد شد. وقتی برای پیشگیری از یخ زدن در رادیاتور ماشین ضد یخ اضافه می کنید، در واقع از پدیده نزول نقطه انجماد استفاده کرده اید. پدیده اسمز در اغلب فرایندهای زیستی نقش مهم و اساسی را ایفا می کند. مواد غذایی و اضافه را با عمل اسمز از بین دیواره سلول های بافت های حیوانی عبور می دهند، سلول های خونی در محلول های غلیظ، آب خود را از دست می دهند و چروکیده خواهند شد، از این رو باید در محلول های غذایی تزریقی به داخل سیاه رگ، باید به شکلی تنظیم شوند که دقیقا فشار اسمزی خون با چیزی حدود ۷.۷ اتمسفر برابر شود. دیواره سلول های گیاهی و جانوری با عنوان غشاهای نیمه تراوا عمل کرده و در محلول های قندی و نمکی آب از دست می دهند و چروکیده خواهند شد. در این مطلب می خواهیم تا حدی به بررسی خواص کولیگاتیو و آشنایی بیشتر با آنها بپردازیم.

قبل از هر چیزی به منظور آشنایی با محلول ها و رفتار آنها باید با یک سری از مفاهیم آشنا شویم، این مفاهیم عبارتند از:

• محلول: محلول به مخلوط همگنی گفته می شود که از دو یا چند ماده در فاز یکسان تشکیل شده باشد.
• حلال: حلال به جزء حاضر در محلول با بالاترین مقدار گفته می شود.
• ماده ی حل شده: به جزء حاضر در محلول  با کمترین مقدار گفته می شود.
• مولاریته: تعداد مولهای ماده ی حل شده در یک لیتر محلول را مولاریته می گویند.
• مولالیته: به تعداد مول های ماده ی حل شده در ۱۰۰۰ گرم از حلال مولالیته گفته می شود.
• کسر مولی: به تعداد مول های یک جزء تقسیم بر اعداد مول های کلی اجزاء کسر مولی می گویند.
• درصد وزنی: درصد وزنی به وزن یک جزء تقسیم بر وزن کلی مخلوط ضرب در ۱۰۰ گفته می شود.

تعریف

در تعریف خواص کولیگاتیو اینطور می توان گفت که خواصی از محلول می باشند که فقط به تعداد نسبی ذرات ماده ی حل شده یعنی مولکول یا یون و حلال حاضر در حجم مشخصی از محلول، بستگی دارند نه به ماهیت ماده ی حل شده . این خواص شامل موارد زیر می شوند:

• کاهش نسبی فشار بخار
• افزایش نقطه ی جوش یا صعود نقطه ی جوش
• نزول نقطه ی انجامد
• فشار اسمزی

کاهش نسبی فشار بخار

فشار بخار، تعادل حلال بالای یک محلول کمتر از حلال خالص در آب می باشد. با توجه به تجربه هایی که وجود دارد، دیده شده که محلول های آبی غلیظی مثل آب قند دیرتر از آب خالص تبخیر می گردند که این موضوع نشان دهنده این است که کاهش فشار بخار به خاطر وجود ماده حل شده در آب می باشد. اگر غلظت موجود در ماده حل شده به حد کافی زیاد باشد، بخاری که در اتمسفر وجود دارد، مایع می شود و بعد از ورود به محلول آن را رقیق خواهد نمود. بررسی مقدار کاهش فشار بخار نشان داده که این کاهش، یکی از خواص کولیگاتیو حقیقی می باشد که مستقیم بر غلظت ماده حل شده وابسته است و جدا از ماهیت مولکول های حل شده می باشد.

رابطه ای که بین فشار بخار حلال و غلظت وجود دارد، به شکل زیر بیان می گردد:

P⁰₁– P₁ = X₂P⁰₁

کمیت P⁰₁– P₁ اختلاف بین فشار بخار در مایع خالص و در محلول می باشد و در واقع همان کاهش فشار بخار خواهد بود. از این رو: (VPL همان کاهش فشار بخار است)

VPL = X⁰₂P₁

صعود نقطه ی جوش یا افزایش آن

محلولی از ماده حل شده غیر فرار همیشه در دمای بیشتر از نقطه جوش حلال به جوش می آید. محلول هایی که رقیق باشند صعود و افزایش نقطه جوش به شکل مستقیم به غلظت ماده حل شده وابسته است. افزایش و صعود نقطه ی جوش محلول هایی را که در مواد حل شده آنها غیر فرار هستند می توانید بر حسب کاهش فشار بخار توجیه کنید. زیرا محلول ذکر شده در هر دمایی فشار بخاری کمتر از فشار بخار حلال خالص خواهد داشت. محلول ذکر شده باید برای جوشیدن به دمای بالاتری برسد، یعنی رسیدن به این دما قبل از این که فشار بخار محلول برابر با فشار بیرون باد، صورت بگیرد. افزایش یا همان صعود نقطه جوش  در یک محلول با استفاده از فرمول زیر حاصل می شود:

  T_b=K_bXm∆

در معاله فوق T_b∆ همان صعود نقطه جوش بر حسب درجه سلسیوس می باشد و m مولاریته و همچنین K_b ثابت مربوط به حلال مورد نظر می باشد. K_b برای آب مقدار ۰/۵۲ درجه است، یعنی نقطه جوش یک مولال آبی ماده حل شده غیر فرار مانند قند و اوره ۰/۵۲ بیشتر از نقطه جوش آب می باشد.

نزول نقطه انجماد

محلول هایی که دارای مقدار کمی از ماده حل شده هستند در دماهای پایین تر از حلال خالص منجمد یا ذوب می گردند. شیمیدان ها از این روش برای بررسی خلوص جامداتی که در آزمایشگاه ها تهیه می گردند استفاده می نمایند. با مقایسه نمودن نقطه ذوب نمونه تهیه شده با نمونه خالص، مقدار ناخالصی موجود در نمونه را حدس می زنند. نزول نقطه انجماد مثل صعود نقطه جوش نتیجه مستقیم کاهش فشار بخار حلال بر اثر حضور ماده حل شده می باشد.

نقطه انجامد یک محلول دمایی می باشد که در این دما فشار بخار حلال موجود در محلول مثل فشار بخار حلال جامد خالص است. با توجه به این موضوع مشخص می شود که زمان انجامد محلول، حلال خالص مانند یخ جدا می شود و در عمل نیز این اتفاق خواهد افتاد. نزول نقطه انجماد نیز متناسب با غلظت ماده حل شده می باشد که از رابطه زیر حاصل می شود:

T_f = K_f Xm∆

در فرمول فوق T_f ∆ صعود نقطه جوش بر حسب اندازه درجه سیلسیوس، m غلطت مولال می باشد و K_f ثابت مربوط به حلال مد نظر می باشد.

فشار اسمزی

یکی دیگر از خواص کولیگاتیو فشار اسمزی می باشد، اگر دو ظرف که در یکی آب خالص وجود دارد و در دیگری محلول آبی قند وجود داشته باشد را در یک محفظه قرار دهیم، با گذشت زمان خواهید دید که سطح مایع در ظرف حاوی محلول بالا خواهد رفت، این در حالی است که سطح آب خالص پایین تر می رود. متوجه می شویم که در اثر تبخیر و میعان، تمام آب به محلول منتقل می گردد. این تاثیر به خاطر اختلاف فشار بخار آب در دو بشر می باشد که آب خود به خود از ناحیه ای که فشارش بالاست به نقطه ای که فشار بخارش پایین باشد انتقال می یابد. هوای داخل محفظه نسبت به مولکول های آب تراوا است.

غشاهایی وجود دارند که نسبت به مولکولهای حلالی مانند آب تراوا هستند، ولی مانع از عبور مولکول های ماده حل شده می گردند. فرآیندی که در طی آن فقط حلال از غشای تراوا نفوذ می نماید را اسمز معکوس می گویند. با وارد کردن فشار بر محلول می توان مانع از عبور مولکول های آب از درون غشا به محلول مورد نظر شد. مقدار فشار برونی که بتواند مانع از عمل اسمزی گردد را فشار اسمزی محلول می گویند. فشار اسمزی یک محلول رقیق همانطور که گفته شد از خواص کولیگاتیو است چون با غلظت ماده حل شده نسبت مستقیم داشته و مستقل از ماهیت ماده حل شده می باشد. فشار اسمزی با توجه به رابطه زیر به دست می آید:

π= MRT

در معادله بالا مقدار پی فشار اسمزی بر حسب اتمسفر است، و M مولاریته می باشد، R ثابت جهانی گازها و همچنین T دما بر حسب کلوین است. از آنجایی که M= n/V  است n تعداد مولها و V حجم می باشد. از این رو:

πV=nRT

فشار اُسمزی در طبیعت

از آنجا که مقدار فشار اسمزی بالا می باشد، بنابراین این پدیده در پزشکی، زیست شناسی و بیوشیمی کاربرد زیادی دارد، معمولا همه موانع که یک موجود زنده و یا سلولی را از محیط پیرامونش جدا می کند، مانند یک غشای نیمه تراوا عمل خواهد کرد، در چنین وضعیتی آب می تواند عبور کند، ولی ذرات حل شده در آن اجازه عبور ندارند و  این امر درباره اجزای داخلی یک سلول یا ارگانیسم صدق خواهد کرد، برخی از عضو های بدن مثل کلیه ها به طور نسبی غشای نیمه تراوا دارند و به کمک دیالیز از عبور درشت مولکول هایی مثل پروتئین ها جلوگیری خواهند کرد.

از این اصل در حفظ میوه ها و ویتامین های ضروری آن نیز در طول فصل سرما و زمستان به کار گرفته می شود، در واقع غلظت زیاد شکر در ژله و مربا ضمن اینکه موجب شیرین شدن طعم میوه ها می شود، می تواند فشار اسمزی که از جمله خواص کولیگاتیو می باشد را به مقدار زیاد افزایش دهد، بنابراین از طریق این روش, از رشد باکتری های به جا مانده در فرآیند پخت جلوگیری خواهد شد، همانطور که با افزودن نمک (نمک سود کردن) به گوشت، می توان آن را به مدت زمان طولانی تری نگهداری کرد.

همچنین لازم است بدانید که جدا از فرآیند مویینگی، درختان به منظور انتقال آب و دیگر مواد مغذی از فشار اسمزی بهره مند می شوند ، تبخیر شدن آب از برگ درختان می تواند غلظت نمک را در آن بخش افزایش دهد و این کار موجب ایجاد فشار اسمزی خواهد شد که در نتیجه آن آب از ریشه ها به برگ منتقل می شود.

منبع : آرگا