Kryoskopia

Kryoskopia je fyzikálne chemická metóda, ktorá umožňuje stanovenie molárnej hmotnosti látky na základe zmeny bodu tuhnutia roztoku. Bod tuhnutia roztoku je totižto iný, než je bod tuhnutia čistého rozpúšťadla, na základe čoho je možné zistiť množstvo látky v roztoku a z toho i molárnu hmotnosť tejto látky. V minulosti šlo o významnú metódu určovania molárnej hmotnosti látok. Podobnou metódou, ktorá namiesto zmeny bodu tuhnutia využíva bod varu, je ebulioskopia.

Roztoky (svetlomodrá) majú nižšie teploty tuhnutia a vyššie teploty varu, než čisté rozpúšťadlá (tmavomodrá). Táto zmena súvisí so zmenou chemického potenciálu, ktorý sa mení po rozpustení látky v rozpúšťadle.

Princíp

Zmena teploty tuhnutia či teploty varu roztoku patrí medzi koligatívne vlastnosti roztokov. To znamená, že táto zmena nie je závislá na druhu látky, ktorá je rozpustená v roztoku a nezávisí teda na jej veľkosti alebo napríklad náboji.

Zmena teploty tuhnutia je spojená so zmenou chemického potenciálu roztoku oproti čistému rozpúšťadlu. Pri teplote tuhnutia sa chemické potenciály tuhej a kvapalnej fáze rovnajú. Pridaním rozpustenej látky k rozpúšťadlu dochádza k posunu chemického potenciálu, čo má za následok zníženie teploty topenia.

Po rozpustení látky v čistom rozpúšťadle teda dôjde k zníženiu teploty tuhnutia, čo sa označuje ako kryoskopické zníženie. Zmena teploty tuhnutia roztoku je lineárne závislá na koncentrácii látky, respektíve jej množstve v roztoku:

$\Delta T_{K}=K_{kr}{\tilde {m}}$

kde ΔT_K je zmena teploty tuhnutia (v Kelvinoch), K_kr je kryoskopická konštanta, ktorá je daná pre konkrétne rozpúšťadlo, a m̃ je molalita. Po vyjadrení molality možno vzorec previesť do podoby

$\Delta T_{K}={\frac {K_{kr}}{Mm_{roz}}}m_{A}=am_{A}$

z ktorého je vidieť, že zmena teploty tuhnutia je závislá na hmotnosti látky, m_A. Závislosť je lineárna a jej smernica je a. Pomocou smernice je možné následne zistiť molárnu hmotnosť látky, a to pomocou vzorca

$M={\frac {K_{kr}}{am_{roz}}}$

Tieto vzťahy platia len pre dostatočne zriedené roztoky, pre ktoré platí Raoultov zákon.

Z predposledného vzorca je takisto možné molárnu hmotnosť vyjadriť priamo ako

$M=K_{kr}{\frac {m_{A}}{\Delta T_{K}m_{roz}}}$

Meranie teploty

Jednou z dôležitých súčastí kryoskopie je presné meranie teploty, na čo sa kedysi používali rôzne teplomery (napr. Beckmannov teplomer), aktuálne sa bežne používajú rôzne iné detektory.

Počas kryoskopie sa roztok chladí až kým nedôjde k fázovej premene. Pri chladení roztoku teda teplota roztoku stále klesá až do momentu, kedy dôjde k fázovej premene (tuhnutiu roztoku), kedy sa zmena teploty zastaví a jej hodnota je konštantná. Táto teplota sa označuje ako teplota tuhnutia a jej meranie je základom kryoskopie. V niektorých prípadoch môže dôjsť k zníženiu až pod teplotu topenia (napr. v čistom rozpúšťadle alebo pri nedostatočnom miešaní), čím vzniká podchladená kvapalina. V takých prípadoch potom vznikajú (alebo možno vyvolať) nukleačné centrá, v ktorých začne tuhnutie roztoku. Následne dochádza k stuhnutiu celého roztoku a ustanovení teploty na skutočnej teplote tuhnutia.

Použitie

Typickým použitím kryoskopie je stanovenie molárnej hmotnost látky. Jej použitie je však obmedzené na dobre rozpustné látky (pre konkrétne použité rozpúšťadlo), neprchavé látky a látky, u ktorých v roztoku nedochádza k disociácii a asociácii. Ak u látky dochádza k disociácii, je i tak možné stanoviť molárnu hmotnosť, ale je nutné vedieť, na koľko častí látka disociuje (napr. NaCl disociuje na Na⁺ a Cl^-, takže zmena teploty tuhnutia je dvojnásobná oproti látkam, ktoré nedisociujú). Naopak, ak u látky dochádza k asociácii, je možné zistiť mieru tvorby asociácie (napríklad u kyseliny benzoovej dochádza k tvorbe dimérov, takže je možné stanoviť mieru dimerizácie na koncentrácii kyseliny).

Okrem toho sa kryoskopia využíva v prístrojoch na meranie osmotického tlaku, osmometroch.

Referencie

Chemický portál