home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Multimedia Chemistry 1 & 2 / Multimedia Chemistry I & II (1996-9-11) [English].img / chem / chapter8.6c < prev    next >
Text File  |  1996-07-26  |  12KB  |  270 lines
  1. à 8.6cèFreezïg Poït Depression
  2. äèPlease predict wheêr a compound is a nonelectrolyte or an electrolyte.èCompare ê freezïg
  3. poït(s) ç solutions ç electrolytes å nonelectrolytes.
  4. âèWhich solution will freeze at a lower temperature: 0.10 m LiI,
  5. 0.10 m BaCl½, or 0.10 m ethanol, C╖H╗O.è The freezïg poït depression
  6. depends on ê number ç particles ï solution.èThe BaCl╖ solution will
  7. have ê lowest freezïg poït, because it has ê largest number ç par-
  8. ticles.èBaCl╖ is a strong electrolyte with an "i" value ç 3, because
  9. one BaCl╖ dissociates ïë three ions.èLiI only gives two ions (i = 2),
  10. å ethanol is a molecular substance which does not dissociate (i = 1).
  11. éSèFreezïg poït depression is a colligative property.èOêrs ï-
  12. clude vapor pressure lowerïg, boilïg poït elevation, å osmotic pres-
  13. sure.èColligative means collective or joït.èThis designation emphasizes
  14. that êse properties are controlled by ê number ç species ï ê sol-
  15. ution under ideal conditions.èBy ideal conditions, we mean that ê sol-
  16. ution is sufficiently dilute that ê particles ï ê solution act
  17. ïdependently ç each oêr.
  18. èè In this section, we will focus on ê freezïg poït depression
  19. (lowerïg).èThe freezïg poït ç a solution ï equilibrium with pure
  20. solid solvent is lower than ê freezïg poït ç ê pure solvent.
  21. Freezïg or meltïg occurs when ê escapïg tendencies ç ê solvent
  22. from ê pure solid å from ê solution match each oêr.èIn ê melt-
  23. ïg or freezïg process, ê escapïg tendency ç ê solvent from ê
  24. pure solid solvent is ê same regardless ç wheêr ê solid is ï con-
  25. tact with ê pure liquid solvent or with ê solution.èThe escapïg
  26. tendency ç ê solvent from ê solution is lower than that from ê
  27. pure solvent.èLowerïg ê temperature decreases ê solvent's escapïg
  28. tendency more from ê solid than from ê solution.èThe solution freezes
  29. at a lower temperature essentially ë lower ê escapïg tendency ç ê
  30. solvent from ê solid ë match ê lower ability ç ê solvent ë
  31. escape from ê solution.
  32. èè In dilute solutions, we assume that ê molecules or ions act ïde-
  33. pendently.èUnder êse conditions, ê value ç ê freezïg poït low-
  34. erïg is given by ê equation:è ┌─────────────────┐
  35. èèèèèèèèèèèèèèèèè│è╙T╚ = -i·k╚·mè│
  36. èèèèèèèèèèèèèèèèè└─────────────────┘
  37. The symbols have ê followïg defïitions:
  38. èè ╙T╚ = ê amount ç ê freezïg poït decrease
  39. èè iè = van't Hçf "i" facër; number ç moles ç particles from one
  40. èèèèèèèèmole ç solute
  41. èè k╚è= freezïg poït depression constant; value depends on solvent
  42. èè mè = molality; m = (moles ç solute)/(kg ç solvent)
  43.  
  44. èè We need ë know how many particles are present ï ê solution.èWe
  45. must know how ê solute behaves is ê solution.èThree types ç behav-
  46. ior are observed.
  47. èè(1) Nonelectrolytes dissolve ï water ë yield solutions that do not
  48. conduct electricity.èThe molecules remaï as a unit ï water.èSugar ï
  49. water is typical.è"i" equals one (1) for a nonelectrolyte.èWe can pre-
  50. dict that a compound will be a nonelectrolyte when it is composed ç 
  51. nonmetal aëms.èGenerally, organic compounds are nonelectrolytes.
  52. èè(2) Strong electrolytes dissolve ï water ë yield solutions that
  53. strongly conduct electricity.èThe solute dissociates completely (≈100%)
  54. ïë ions.èFor example, Mg(NO╕)╖(s) ï water yields Mgìó(aq) + 2NO╕ú(aq).
  55. For this ionic compound, "i" = 3, because one mole ç magnesium nitrate
  56. dissociates ïë a ëtal ç three moles ç ions.èThe maximum "i" value
  57. is 3.èIn more concentrated solutions, ê ions form pairs which reduces
  58. êir effective concentration; å "i" will be less than three.èIonic
  59. compounds are classed as strong electrolytes.èMany ionic compounds are
  60. relatively ïsoluble ï water å ê solution conducts electricity only
  61. slightly.èSlightly soluble ionic compounds are still considered ë be 
  62. strong electrolytes because whatever does dissolve dissociates completely
  63. ïë ions.
  64. èè (3) Weak electrolytes dissociate ë a slight extent ï water so ê
  65. solutions weakly conduct electricity.èExamples are ê weak acids å
  66. weak bases.èAcetic acid å sulfurous acid (H½SO╕) are weak acids.è
  67. Ammonia is a weak base.èThe "i" value must be determïed experimentally
  68. for weak electrolytes.
  69.  1èWhich compound do you expect ë be a nonelectrolyte ï water?
  70.  
  71.     èèA) Na╖CO╕            B) KBr
  72.  
  73.     èèC) C╕H╗O (aceëne)        D) MgSO╣
  74. üè In general, nonelectrolytes are molecular compounds.èNa╖CO╕,
  75. KBr, å MgSO╣ are ionic compounds å strong electrolytes.èAceëne is
  76. a molecular compound.èWe can predict that aceëne would be molecular by
  77. noticïg that it is composed ç nonmetal aëms (C, H, å O).èAceëne
  78. is a nonelectrolyte.
  79. Ç C 
  80.  2èWhich compound do you expect ë be a nonelectrolyte ï water?
  81.  
  82.     èèA) AlCl╕        B) CuSO╣
  83.  
  84.     èèC) CoCl╖        D) C╕H╝OH (isopropyl alcohol)
  85. üèMolecular compounds are nonelectrolytes.èThe only molecular com-
  86. pound ï ê problem is ê isopropyl alcohol.èWe can predict that ê
  87. alcohol is a molecular compound because it is composed only ç nonmetal
  88. aëms.èAlCl╕, CuSO╣, å CoCl╖ are ionic compounds with "i" values ç
  89. 4, 2, å 3 respectively.èThe only nonelectrolyte is ê isopropyl
  90. alcohol.
  91. Ç D
  92.  3èWhat is ê êoretical van't Hçf "i" facër for Ca(NO╕)╖?
  93.  
  94.     èèA) 1èèèèB) 2èèèèC) 3èèèèD) 9
  95. üèCalcium nitrate dissolves ï water ë give calcium ions å
  96. nitrate ions:èCa(NO╕)╖ ----> Caìó(aq) + 2NO╕ú(aq).èOne mole ç Ca(NO╕)╖
  97. yields three moles ç ions, so "i" = 3.
  98. Ç C
  99.  4èWhich aqueous solution should have ê lowest freezïg poït?
  100.  
  101.     èèA) 0.1 m Mg(NO╕)╖        B) 0.1 m AlCl╕
  102.  
  103.     èèC) 0.1 m Na╖SO╣        D) 0.1 m C╢╖H╖╖O╢╢ (sucrose)
  104. üèThe freezïg poït lowerïg depends on ê number ç species ï
  105. ê solution.èAlumïum chloride dissociates ïë four ions.èMagnesium
  106. nitrate å sodium sulfate produce three ions.èThe sucrose (table sugar)
  107. is a nonelectrolyte.èThe freezïg poït depression is calculated usïg
  108. ╙T╚ = -i·k╚·m.èk╚ is a constant. In ê problem, m is 0.1 for each 
  109. solution.èThe solute with ê largest "i" value will freeze at ê low-
  110. est temperature.èThe AlCl╕ solution has ê lowest freezïg poït,
  111. because "i" = 4.
  112. Ç B
  113.  5èWhich aqueous solution should have ê lowest freezïg poït? 
  114.  
  115. èè A) 0.2 m C╕H╜O╕ (glycerï)èè B) 0.2 m BaCl╖
  116.  
  117. èè C) 0.2 m LiOHèèèèèèèèèD) 0.2 m Fe(NO╕)╕
  118. ü The 0.2 m Fe(NO╕)╕ solution should have ê lowest freezïg poït.
  119. The only difference between ê choices ï ê problem is ê number ç
  120. species produced when ê solute dissolves ï water.èIron(III) nitrate
  121. has ê largest "i" value at 4.èThe effective molality ç ê Fe(NO╕)╕
  122. solution is i·m or (4)(0.2 m).
  123. Ç D
  124. äèPlease calculate ê freezïg poïts ç followïg solutions.
  125. âèFïd ê freezïg poït ç a solution ç 35.0 g Mg(NO╕)½ ï
  126. 400. g water?èThe f.p. lowerïg is ╙T╚ = -i·k╚·m.è"i" equals 3, because
  127. Mg(NO╕)╖ dissociates ïë three ions.èTo fïd ê molality, you need ê
  128. molar mass ç Mg(NO╕)½, 148.33 g/mol.è400 g = 0.400 kg.èk╚ = 1.86°C/m.
  129. èèèè(3)(1.86)(35.0 g Mg(NO╕)½)
  130. ╙T╚ = -(──────────────────────────────────) = -3.29°C.èT╚ = 0°C - 3.29°C
  131. èèèè148.33 g Mg(NO╕)½/mol∙0.400 kg H½OèèèèèèèT╚ = -3.29°C
  132. éSèThe freezïg poït depression is calculated usïg ê equation:
  133.         ┌─────────────────┐
  134.         │è╙T╚ = -i·k╚·mè│
  135.         └─────────────────┘
  136. The symbols have ê followïg defïitions:
  137. èè ╙T╚ = ê amount ç ê freezïg poït decrease
  138. èè iè = van't Hçf "i" facër; number ç moles ç particles from one
  139. èèèèèèèèmole ç solute
  140. èè k╚è= freezïg poït depression constant; value depends on solvent
  141. èè mè = molality; m = (moles ç solute)/(kg ç solvent)
  142.  
  143. èè What is ê freezïg poït ç a solution ç 25.0 g ç sugar ï 500 g
  144. ç water?èThe freezïg poït depression constant is: k╚(H╖O) = 1.86°C/m.
  145. The molar mass ç sugar (sucrose) is 342 g/mol.èTo fïd ê freezïg
  146. poït lowerïg, we use ê equation ╙T╚ = -i·k╚·m.èSucrose is a molecular
  147. compound so i = 1.èWe have ê value ç k╚.èWe must calculate ê
  148. molality, m.èWe calculated molalities ï Section 8.3.èSubstitutïg ïë
  149. ê equation for ê f.p. depression, we get
  150. èèèèèèèèèèèèèèèèè 25.0 g
  151.     ╙T╚ = -(1)(1.86°C/m)(──────────────────────)
  152. èèèèèèèèèèèèèè 342 g/mol∙0.500 kg H½O 
  153. èèèè╙T╚ = -0.272°C
  154.  
  155. The freezïg poït depression is ê difference between ê freezïg poït
  156. ç ê solution å ê freezïg poït ç ê pure solvent.èThe freezïg
  157. poït ç ê solution is 0.0°C - 0.272°C = -0.272°C.
  158.  
  159. èè What is ê expected freezïg poït ç a 0.200 m CaCl╖ solution?
  160. Agaï, we can calculate ê depression usïg: ╙T╚ = -i·k╚·m.èSïce CaCl╖
  161. is an ionic substance, we need ë know ê number ç ion that will be
  162. produced from one formula unit.èCaCl╖ dissociates ë give Caìó + 2Clú,
  163. å i equals 3.
  164.     ╙T╚ = -(3)(1.86°C/m)(0.200 m)
  165.     ╙T╚ = -1.12°C
  166.  
  167. The expected freezïg poït will be -1.12°C.
  168.  
  169. èè Camphor is used frequently for freezïg poït lowerïg measurements
  170. ç organic compounds.èThe depression constant is large so a little solute
  171. has an observable effect.èThe freezïg poït ç pure camphor is 178.75°C,
  172. å k╚ = 37.7°C/m.èWhat is ê freezïg poït ç a solution ç 0.155 g ç
  173. dichlorobenzene, C╗H╣Cl╖èï 10.00 g ç camphor?è Substitutïg ï ê
  174. f.p. lowerïg equation,    ╙T╚ = -i·k╚·m, we obtaï.
  175.             èèèè0.155g C╗H╣Cl╖
  176.     ╙T╚ = -(1)(37.7°C/m)(─────────────────────────────────)
  177.             èè 146.99 g C╗H╣Cl╖/mol x 0.01000 kg
  178.     ╙T╚ = -3.98°C
  179.  
  180.     ╙T╚ = T╚(solution) - T╚(pure solvent).èRearrangïg,
  181.  
  182.     T╚(solution) = T╚(pure) + ╙T╚ = 178.75°C - 3.98°C
  183.     èèèèèèè ┌─────────┐
  184.     T╚(solution) = │174.77°C │
  185.     èèèèèèè └─────────┘
  186. The value ç "i" is one because this is a mixture ç molecular compounds.
  187.  6èWhat is expected freezïg poït ç an aqueous 0.200 m glucose
  188. (a nonelectrolyte) solution?èk╚(H½O) = 1.86°C/m
  189.  
  190.     èèA) -1.86°C        B) -0.186°C
  191.  
  192.     èèC) -0.372°C        D) -1.12°C
  193. üèWe calculate ê freezïg poït depression first.èInsertïg ê
  194. appropriate values ïë ê equation for ê freezïg poït depression,
  195. ╙T╚ = -i·k╚·m, yieldsè╙T╚ = -(1)(1.86°C/m)(0.200 m)
  196.         èèè ╙T╚ = -0.372°C
  197. "i" equals one because glucose is a nonelectrolyte.èThe freezïg poït
  198. ç ê solution is 0.0°C - 0.372°C = -0.372°C.
  199. Ç C
  200.  7èWhat is ê expected freezïg poït ç a 0.150 m solution ç 
  201. naphthalene ï benzene?èThe freezïg poït ç pure benzene is 5.53°C,
  202. å k╚ = 5.12°C/m.
  203.  
  204.     A) -0.77°Cèèè B) 4.76°Cèèè C) 0.14°Cèèè D) 6.30°C
  205. üèOur startïg poït is ê f.p. depression equation, ╙T╚ = -i·k╚·m.
  206. The naphthalene å benzene are organic compounds so "i" = 1.èWe have 
  207. all ê necessary data ë fïd ╙T╚.è╙T╚ = -(1)(5.12°C/m)(0.150 m).
  208. ╙T╚ = -0.768°C.èThe question asks for ê freezïg poït ç ê solution.
  209. ╙T╚ = T╚(solution) - T╚(solvent).èRearrangïg ê equation,
  210. T╚(solution) =èT╚(solvent) + ╙T╚ = 5.53 - 0.768 = 4.76°C.
  211. Ç B
  212.  8èWhat is ê expected freezïg poït ç a solution ç 25.0 g ç
  213. propylene glycol, C╕H╜O╖, ï 75.0 g ç H╖O?èk╚(H╖O) = 1.86°C/m
  214.  
  215.     èèA) -8.15°C        B) -0.62°C
  216.  
  217.     èèC) -34.4°C        D) -0.38°C
  218. üèWe need ê molality ï order ë fïd ê f.p. lowerïg.èMolal-
  219. ity equals ê moles ç solute per kg ç solvent.èTo fïd ê number ç
  220. moles ç propylene glycol, you need its molar mass which is 76.09 g/mol.
  221. "i" = 1, because propylene glycol is a nonelectrolyte.èSubstitutïg ïë
  222. ê freezïg poït depression equation, we get
  223.  
  224. èèèèèèèèèèèè25.0 g C╕H╜O╖     
  225. ╙T╚ = -(1)(1.86°C/m)(───────────────────────────────) = -8.15°C
  226. èèèèèèèèèè 76.09 g C╕H╜O╖/mol∙0.075 kg H╖O
  227.  
  228. The expected freezïg poït ç ê solution is 0.0°C - 8.15°C = -8.15°C.
  229. Ç A
  230.  9èWhat is ê expected freezïg poït ç a solution ç 12.0 g ç
  231.     èèCaCl╖, ï 250.0 g ç H╖O?èk╚(H╖O) = 1.86°C/m
  232.  
  233.     èèA) -0.80°C        B) -1.61°C
  234.  
  235.     èèC) -2.41°C        D) -0.43°C
  236. üèWe need ê molality ï order ë fïd ê f.p. lowerïg.èMolal-
  237. ity equals ê moles ç solute per kg ç solvent.èTo fïd ê number ç
  238. moles ç CaCl╖, we need its molar mass which is 110.98 g/mol.
  239. "i" = 2, because CaCl╖ dissociates ïë three ions.èSubstitutïg ïë
  240. ê freezïg poït depression equation, we get
  241.  
  242. èèèèèèèèèèèè12.0 g CaCl╖     
  243. ╙T╚ = -(3)(1.86°C/m)(───────────────────────────────) = -2.41°C
  244. èèèèèèèèèè 110.98 g CaCl╖/mol∙0.250 kg H╖O
  245.  
  246. The expected freezïg poït ç ê solution is 0.0°C - 2.41°C = -2.41°C.
  247. Ç C
  248.  10èHow many grams ç KCl would you add ë 600. grams ç an ice-
  249. water mixture ï order ë lower ê freezïg poït by 5.00°C?
  250. k╚(H½O) = 1.86°C/m 
  251.     èèA) 37.3 g KCl        B) 100.0 g KCl
  252.  
  253.     èèC) 161 g KCl        D) 60.1 g KCl
  254. üèWe know ê freezïg poït depression; ╙T╚ = 5.00°C.èWe want ë
  255. fïd ê grams ç solute ë cause ê 5.00°C lowerïg.èLet "X" represent
  256. ê grams ç KCl ï ê f.p. lowerïg equation.è"i" is 2 for KCl, sïce
  257. KCl yields two ions, Kó å Clú.èThe molar mass ç KCl is 74.55 g/mol.
  258.                         X g KCl
  259. ╙T╚ = -i·k╚·m.è-5.00°C = -(2)(1.86°C/m)(──────────────────────────────)
  260. èèèèèèèèèèèèèèèèèèèè 74.55 g KCl/mol ∙ 0.600 kg H½O
  261.  
  262. Solvïg ê equation for ê X g KCl, we fïd
  263.  
  264. èèèèèèè (5.00)(74.55)(0.600)
  265. èè X g KCl = ──────────────────── = 60.1 g KCl
  266. èèèèèèèèè(2)(1.86)
  267. Ç D
  268.  
  269.  
  270.