Chapter-02 Solutions

Almost all processes in body occur in some kind of liquid solutions

In normal life we rarely come across pure substances. Most of these are mixtures containing two or more pure substances. Their utility or importance in life depends on their composition. For example, the properties of brass (mixture of copper and zinc) are quite different from those of German silver (mixture of copper, zinc and nickel) or bronze (mixture of copper and tin); 1 part per million $(\mathrm{ppm})$ of fluoride ions in water prevents tooth decay, while $1.5 \mathrm{ppm}$ causes the tooth to become mottled and high concentrations of fluoride ions can be poisonous (for example, sodium fluoride is used in rat poison); intravenous injections are always dissolved in water containing salts at particular ionic concentrations that match with blood plasma concentrations and so on.

In this Unit, we will consider mostly liquid solutions and their formation. This will be followed by studying the properties of the solutions, like vapour pressure and colligative properties. We will begin with types of solutions and then various alternatives in which concentrations of a solute can be expressed in liquid solution.

2.1 Types of Solutions

Solutions are homogeneous mixtures of two or more than two components. By homogenous mixture we mean that its composition and properties are uniform throughout the mixture. Generally, the component that is present in the largest quantity is known as solvent. Solvent determines the physical state in which solution exists. One or more components present in the solution other than solvent are called solutes. In this Unit we shall consider only binary solutions (i.e., consisting of two components). Here each component may be solid, liquid or in gaseous state and are summarised in Table 2.1.

Table 2.1: Types of Solutions

Type of Solution Solute Solvent Common Examples
Gaseous Solutions Gas
Liquid
Solid
Gas
Gas
Gas
Mixture of oxygen and nitrogen gases
Chloroform mixed with nitrogen gas
Camphor in nitrogen gas
Liquid Solutions Gas
Liquid
Solid
Liquid
Liquid
Liquid
Oxygen dissolved in water
Ethanol dissolved in water
Glucose dissolved in water
Solid Solutions Gas
Liquid
Solid
Solid
Solid
Solid
Solution of hydrogen in palladium
Amalgam of mercury with sodium
Copper dissolved in gold

2.2 Expressing Concentration of Solutions

Composition of a solution can be described by expressing its concentration. The latter can be expressed either qualitatively or quantitatively. For example, qualitatively we can say that the solution is dilute (i.e., relatively very small quantity of solute) or it is concentrated (i.e., relatively very large quantity of solute). But in real life these kinds of description can add to lot of confusion and thus the need for a quantitative description of the solution.

There are several ways by which we can describe the concentration of the solution quantitatively.

(i) Mass percentage $(\mathrm{w} / \mathrm{w})$ : The mass percentage of a component of a solution is defined as:

Mass $\%$ of a component

$$ \begin{equation*} =\frac{\text { Mass of the component in the solution }}{\text { Total mass of the solution }} \times 100 \tag{2.1} \end{equation*} $$

For example, if a solution is described by $10 \%$ glucose in water by mass, it means that $10 \mathrm{~g}$ of glucose is dissolved in $90 \mathrm{~g}$ of water resulting in a $100 \mathrm{~g}$ solution. Concentration described by mass percentage is commonly used in industrial chemical applications. For example, commercial bleaching solution contains 3.62 mass percentage of sodium hypochlorite in water.

(ii) Volume percentage ( $\mathrm{V} / \mathrm{V}$) : The volume percentage is defined as:

Volume $\%$ of a component $=\frac{\text { Volume of the component }}{\text { Total volume of solution }} \times 100 \quad 2.2$

For example, $10 \%$ ethanol solution in water means that $10 \mathrm{~mL}$ of ethanol is dissolved in water such that the total volume of the solution is $100 \mathrm{~mL}$. Solutions containing liquids are commonly expressed in this unit. For example, a $35 \%(v / v)$ solution of ethylene glycol, an antifreeze, is used in cars for cooling the engine. At this concentration the antifreeze lowers the freezing point of water to $255.4 \mathrm{~K}\left(-17.6^{\circ} \mathrm{C}\right)$.

(iii) Mass by volume percentage (w/V): Another unit which is commonly used in medicine and pharmacy is mass by volume percentage. It is the mass of solute dissolved in $100 \mathrm{~mL}$ of the solution.

(iv) Parts per million: When a solute is present in trace quantities, it is convenient to express concentration in parts per million (ppm) and is defined as:

$$ \begin{equation*} \text { Parts per million }= \frac{\text { Number of parts of the component }}{\text { Total number of parts of all components of the solution }} \times 10^{6} \tag{2.3} \end{equation*} $$

As in the case of percentage, concentration in parts per million can also be expressed as mass to mass, volume to volume and mass to volume. A litre of sea water (which weighs $1030 \mathrm{~g}$ ) contains about $6 \times 10^{-3} \mathrm{~g}$ of dissolved oxygen $\left(\mathrm{O_2}\right)$. Such a small concentration is also expressed as $5.8 \mathrm{~g}$ per $10^{6} \mathrm{~g}(5.8 \mathrm{ppm})$ of sea water. The concentration of pollutants in water or atmosphere is often expressed in terms of $\mu \mathrm{g} \mathrm{mL}^{-1}$ or ppm.

(v) Mole fraction: Commonly used symbol for mole fraction is $x$ and subscript used on the right hand side of $x$ denotes the component. It is defined as:

$ \begin{equation*} \text { Mole fraction of a component }=\frac{\text { Number of moles of the component }}{\text { Total number of moles of all the components }} \tag{2.4} \end{equation*} $

For example, in a binary mixture, if the number of moles of A and B are $n_{\mathrm{A}}$ and $n_{\mathrm{B}}$ respectively, the mole fraction of $\mathrm{A}$ will be

$$ \begin{equation*} x_{\mathrm{A}}=\frac{n_{\mathrm{A}}}{n_{\mathrm{A}}+n_{\mathrm{B}}} \tag{2.5} \end{equation*} $$

For a solution containing i number of components, we have:

$$ \begin{equation*} x_{\mathrm{i}}=\frac{n_{\mathrm{i}}}{n_{1}+n_{2}+\ldots \ldots+n_{\mathrm{i}}}=\frac{n_{\mathrm{i}}}{\sum n_{\mathrm{i}}} \tag{2.6} \end{equation*} $$

It can be shown that in a given solution sum of all the mole fractions is unity, i.e.

$$ \begin{equation*} x_{1}+x_{2}+\ldots \ldots \ldots \ldots \ldots \ldots .+x_{i}=1 \tag{2.7} \end{equation*} $$

Mole fraction unit is very useful in relating some physical properties of solutions, say vapour pressure with the concentration of the solution and quite useful in describing the calculations involving gas mixtures.

Example 2.1 Calculate the mole fraction of ethylene glycol $\left(\mathrm{C_2} \mathrm{H_6} \mathrm{O_2}\right)$ in a solution containing $20 \%$ of $\mathrm{C_2} \mathrm{H_6} \mathrm{O_2}$ by mass.

Solution Assume that we have $100 \mathrm{~g}$ of solution (one can start with any amount of solution because the results obtained will be the same). Solution will contain $20 \mathrm{~g}$ of ethylene glycol and $80 \mathrm{~g}$ of water.

$\mathrm{C_2} \mathrm{H_6} \mathrm{O_2}$ Molar mass of $=12 \times 2+1 \times 6+16 \times 2=62 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$.

Moles of $\mathrm{C_2} \mathrm{H_6} \mathrm{O_2}=\frac{20 \mathrm{~g}}{62 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=0.322 \mathrm{~mol}$

Moles of water $=\frac{80 \mathrm{~g}}{18 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=4.444 \mathrm{~mol}$

$\mathrm{x_\text {glycol }}=\frac{\text { moles of } \mathrm{C_2} \mathrm{H_6} \mathrm{O_2}}{\text { moles of } \mathrm{C_2} \mathrm{H_6} \mathrm{O_2}+\text { moles of } \mathrm{H_2} \mathrm{O}}$

$ =\frac{0.322 \mathrm{~mol}}{0.322 \mathrm{~mol}+4.444 \mathrm{~mol}}=0.068 $

Similarly, $x_{\text {water }}=\frac{4.444 \mathrm{~mol}}{0.322 \mathrm{~mol}+4.444 \mathrm{~mol}}=0.932$

Mole fraction of water can also be calculated as: $1-0.068=0.932$

(vi) Molarity: MMolarity $(M)$ is defined as number of moles of solute dissolved in one litre (or one cubic decimetre) of solution,

$ \begin{equation*} \text { Molarity }=\frac{\text { Moles of solute }}{\text { Volume of solution in litre }} \tag{2.8} \end{equation*} $

For example, $0.25 \mathrm{~mol} \mathrm{~L}^{-1}$ (or $0.25 \mathrm{M}$ ) solution of $\mathrm{NaOH}$ means that $0.25 \mathrm{~mol}$ of $\mathrm{NaOH}$ has been dissolved in one litre (or one cubic decimetre).

Example 2.2

Calculate the molarity of a solution containing $5 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{NaOH}$ in $450 \mathrm{~mL}$ solution.

Solution

$ \text { Moles of } \mathrm{NaOH}=\frac{5 \mathrm{~g}}{40 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=0.125 \mathrm{~mol} $

Volume of the solution in litres $=\frac {450 \mathrm{~mL}}{1000 \mathrm{~mL} \mathrm{~L}^{-1}}$

Using equation (2.8),

$$ \begin{aligned} \text { Molarity } & =\frac{0.125 \mathrm{~mol} \times 1000 \mathrm{~mL} \mathrm{~L}^{-1}}{450 \mathrm{~mL}} \\ & =0.278 \mathrm{M} \\ & =0.278 \mathrm{~mol} \mathrm{~L}^{-1} \\ & =0.278 \mathrm{~mol} \mathrm{dm}^{-3} \end{aligned} $$

(vii) Molality: Molality $(m)$ is defined as the number of moles of the solute per kilogram $(\mathrm{kg})$ of the solvent and is expressed as:

$$ \begin{equation*} \text { Molality }(\mathrm{m})=\frac{\text { Moles of solute }}{\text { Mass of solvent in } \mathrm{kg}} \tag{2.9} \end{equation*} $$

For example, $1.00 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1}$ (or $1.00 \mathrm{~m}$ ) solution of $\mathrm{KCl}$ means that $1 \mathrm{~mol}(74.5 \mathrm{~g})$ of $\mathrm{KCl}$ is dissolved in $1 \mathrm{~kg}$ of water.

Each method of expressing concentration of the solutions has its own merits and demerits. Mass $\%$, ppm, mole fraction and molality are independent of temperature, whereas molarity is a function of temperature. This is because volume depends on temperature and the mass does not.

Example 2.3

Calculate molality of $2.5 \mathrm{~g}$ of ethanoic acid $\left(\mathrm{CH_3} \mathrm{COOH}\right)$ in $75 \mathrm{~g}$ of benzene.

Solution

Molar mass of $\mathrm{C}_2 \mathrm{H}_4 \mathrm{O}_2: 12 \times 2+1 \times 4+16 \times 2=60 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Moles of $\mathrm{C}_2 \mathrm{H}_4 \mathrm{O}_2=\frac{2.5 \mathrm{~g}}{60 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=0.0417 \mathrm{~mol}$

Mass of benzene in $\mathrm{kg}=75 \mathrm{~g} / 1000 \mathrm{~g} \mathrm{~kg}^{-1}=75 \times 10^{-3} \mathrm{~kg}$

$$ \begin{aligned} \text{Molality of } \mathrm{C} _2 \mathrm{H} _4 \mathrm{O} _2 & =\frac{\text { Moles of } \mathrm{C} _2 \mathrm{H} _4 \mathrm{O}_2}{\mathrm{~kg} \text { of benzene }}\\ & =\frac{0.0417 \mathrm{~mol} \times 1000 \mathrm{~g} \mathrm{~kg}^{-1}}{75 \mathrm{~g}} \\ & =0.556 \mathrm{~mol} \mathrm{\textrm {kg } ^ { - 1 }} \end{aligned} $$

Intext Questions

2.1 Calculate the mass percentage of benzene $\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_6}\right)$ and carbon tetrachloride $\left(\mathrm{CCl_4}\right)$ if $22 \mathrm{~g}$ of benzene is dissolved in $122 \mathrm{~g}$ of carbon tetrachloride.

Show Answer

Answer

Mass percentage of $\mathrm{C_6} \mathrm{H_6}$

$$ =\frac{\text { Mass of } \mathrm{C_6} \mathrm{H_6}}{\text { Total mass of the solution }} \times 100 \% $$

$$ \begin{aligned} & =\frac{\text { Mass of } \mathrm{C_6} \mathrm{H_6}}{\text { Mass of } \mathrm{C_6} \mathrm{H_6}+\text { Mass of } \mathrm{CCl_4}} \times 100 \% \\ & =\frac{22}{22+122} \times 100 \% \\ & =15.28 \% \end{aligned} $$

Mass percentage of $\mathrm{CCl_4} \quad$ Total mass of the solution

$$ =\frac{\text { Mass of } \mathrm{CCl_4}}{\text { Total mass of the solution }} \times 100 \% $$

$$ =\frac{\text { Mass of } \mathrm{CCl_4}}{\text { Mass of } \mathrm{C_6} \mathrm{H_6}+\text { Mass of } \mathrm{CCl_4}} \times 100 \% $$

$=\frac{122}{22+122} \times 100 \%$

$=84.72 \%$

Alternatively,

Mass percentage of $\mathrm{CCl_4}=(100-15.28) \%$

$=84.72 \%$

2.2 Calculate the mole fraction of benzene in solution containing $30 \%$ by mass in carbon tetrachloride.

Show Answer

Answer

Let the total mass of the solution be $100 \mathrm{~g}$ and the mass of benzene be $30 \mathrm{~g}$.

$\therefore$ Mass of carbon tetrachloride $=(100-30) \mathrm{g}$

$=70 \mathrm{~g}$

Molar mass of benzene $\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_6}\right)=(6 \times 12+6 \times 1) \mathrm{g} \mathrm{mol}^{-1}$

$=78 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$\therefore$ Number of moles of

$$ \mathrm{C_6} \mathrm{H_6}=\frac{30}{78} \mathrm{~mol} $$

$=0.3846 \mathrm{~mol}$

Molar mass of carbon tetrachloride $\left(\mathrm{CCl_4}\right)=1 \times 12+4 \times 355$

$=154 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$\therefore$ Number of moles of $\mathrm{CCl_4}=\frac{70}{154} \mathrm{~mol}$

$=0.4545 \mathrm{~mol}$

Thus, the mole fraction of $\mathrm{C_6} \mathrm{H_6}$ is given as:

Number of moles of $\mathrm{C_6} \mathrm{H_6}$

Number of moles of $\mathrm{C_6} \mathrm{H_6}+$ Number of moles of $\mathrm{CCl_4}$

$=\frac{0.3846}{0.3846+0.4545}$

$=0.458$

2.3 Calculate the molarity of each of the following solutions:

(a) $30 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{Co}\left(\mathrm{NO_3}\right)_{2} .6 \mathrm{H_2} \mathrm{O}$ in $4.3 \mathrm{~L}$ of solution

(b)30 $\mathrm{mL}$ of $0.5 \mathrm{M} \mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}$ diluted to $500 \mathrm{~mL}$.

Show Answer

Answer

Molarity is given by:

$$ \text { Molarity }=\frac{\text { Moles of solute }}{\text { Volume of solution in litre }} $$

(a) Molar mass of $\mathrm{Co}\left(\mathrm{NO_3}\right)_{2} \cdot 6 \mathrm{H_2} \mathrm{O}=59+2(14+3 \times 16)+6 \times 18$

$=291 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$\therefore$ Moles of $\mathrm{Co}\left(\mathrm{NO_3}\right)_{2} \cdot 6 \mathrm{H_2} \mathrm{O}=\frac{30}{291} \mathrm{~mol}$

$=0.103 \mathrm{~mol}$

Therefore, molarity $=\frac{0.103 \mathrm{~mol}}{4.3 \mathrm{~L}}$

$=0.023 \mathrm{M}$

(b) Number of moles present in $1000 \mathrm{~mL}$ of $0.5 \mathrm{M} \mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}=0.5 \mathrm{~mol}$ $\therefore$ Number of moles present in $30 \mathrm{~mL}$ of $0.5 \mathrm{M} \mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}=\frac{0.5 \times 30}{1000} \mathrm{~mol}$

$=0.015 \mathrm{~mol}$

Therefore, molarity

$$ =\frac{0.015}{0.5 \mathrm{~L}} \mathrm{~mol} $$

$=0.03 \mathrm{M}$

2.4 Calculate the mass of urea $\left(\mathrm{NH_2} \mathrm{CONH_2}\right)$ required in making $2.5 \mathrm{~kg}$ of 0.25 molal aqueous solution.

Show Answer

Answer

Molar mass of urea $\left(\mathrm{NH_2} \mathrm{CONH_2}\right)=2(1 \times 14+2 \times 1)+1 \times 12+1 \times 16$

$=60 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

0.25 molar aqueous solution of urea means:

$1000 \mathrm{~g}$ of water contains $0.25 \mathrm{~mol}=(0.25 \times 60) \mathrm{g}$ of urea

$=15 \mathrm{~g}$ of urea

That is,

$(1000+15) \mathrm{g}$ of solution contains $15 \mathrm{~g}$ of urea

Therefore, $2.5 \mathrm{~kg}(2500 \mathrm{~g})$ of solution contains

$$ =\frac{15 \times 2500}{1000+15} \mathrm{~g} $$

$=36.95 \mathrm{~g}$

$=37 \mathrm{~g}$ of urea (approximately)

Hence, mass of urea required $=37 \mathrm{~g}$

Note:There is a slight variation in this answer and the one given in the NCERT textbook.

2.5 Calculate (a)molality (b)molarity and (c)mole fraction of $\mathrm{KI}$ if the density of $20 \%$ (mass/mass) aqueous $\mathrm{KI}$ is $1.202 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$.

Show Answer

Answer

(a) Molar mass of $\mathrm{KI}=39+127=166 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$20 \%$ (mass/mass) aqueous solution of $\mathrm{KI}$ means $20 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{KI}$ is present in $100 \mathrm{~g}$ of solution.

That is, $20 \mathrm{~g}$ of KI is present in $(100-20) \mathrm{g}$ of water $=80 \mathrm{~g}$ of water

Therefore, molality of the solution

$$ =\frac{\text { Moles of KI }}{\text { Mass of water in } \mathrm{kg}} $$

$=\frac{\frac{20}{166}}{0.08} \mathrm{~m}$

$=1.506 \mathrm{~m}$

$=1.51 \mathrm{~m}$ (approximately)

(b) It is given that the density of the solution $=1.202 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$

$=\frac{100 \mathrm{~g}}{1.202 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}}$

$$ =\frac{\text { Mass }}{\text { Density }} $$

$=83.19 \mathrm{~mL}$

$=83.19 \times 10^{-3} \mathrm{~L}$

Therefore, molarity of the solution

$$ =\frac{\frac{20}{166} \mathrm{~mol}}{83.19 \times 10^{-3} \mathrm{~L}} $$

$=1.45 \mathrm{M}$

(c) Moles of KI

$$ =\frac{20}{166}=0.12 \mathrm{~mol} $$

Moles of water

$$ =\frac{80}{18}=4.44 \mathrm{~mol} $$

Therefore, mole fraction of $\mathrm{KI}$

$$ =\frac{\text { Moles of KI }}{\text { Moles of KI }+ \text { Moles of water }} $$

$$ =\frac{0.12}{0.12+4.44} $$

$=0.0263$

2.3 Solubility

Solubility of a substance is its maximum amount that can be dissolved in a specified amount of solvent at a specified temperature. It depends upon the nature of solute and solvent as well as temperature and pressure. Let us consider the effect of these factors in solution of a solid or a gas in a liquid.

2.3.1 Solubility of a Solid in a Liquid

Every solid does not dissolve in a given liquid. While sodium chloride and sugar dissolve readily in water, naphthalene and anthracene do not. On the other hand, naphthalene and anthracene dissolve readily in benzene but sodium chloride and sugar do not. It is observed that polar solutes dissolve in polar solvents and non polar solutes in nonpolar solvents. In general, a solute dissolves in a solvent if the intermolecular interactions are similar in the two or we may say like dissolves like.

When a solid solute is added to the solvent, some solute dissolves and its concentration increases in solution. This process is known as dissolution. Some solute particles in solution collide with the solid solute particles and get separated out of solution. This process is known as crystallisation. A stage is reached when the two processes occur at the same rate. Under such conditions, number of solute particles going into solution will be equal to the solute particles separating out and a state of dynamic equilibrium is reached.

$$ \begin{equation*} \text { Solute }+ \text { Solvent } \rightleftharpoons \text { Solution } \tag{2.10} \end{equation*} $$

At this stage the concentration of solute in solution will remain constant under the given conditions, i.e., temperature and pressure. Similar process is followed when gases are dissolved in liquid solvents. Such a solution in which no more solute can be dissolved at the same temperature and pressure is called a saturated solution. An unsaturated solution is one in which more solute can be dissolved at the same temperature. The solution which is in dynamic equilibrium with undissolved solute is the saturated solution and contains the maximum amount of solute dissolved in a given amount of solvent. Thus, the concentration of solute in such a solution is its solubility.

Earlier we have observed that solubility of one substance into another depends on the nature of the substances. In addition to these variables, two other parameters, i.e., temperature and pressure also control this phenomenon.

Effect of temperature

The solubility of a solid in a liquid is significantly affected by temperature changes. Consider the equilibrium represented by equation 1.10 . This, being dynamic equilibrium, must follow Le Chateliers Principle. In general, if in a nearly saturated solution, the dissolution process is endothermic $(\left.\Delta_{\text {sol }} \mathrm{H}>0\right)$, the solubility should increase with rise in temperature and if it is exothermic $\left(\Delta_{\text {sol }} \mathrm{H}<0\right)$ the solubility should decrease. These trends are also observed experimentally.

Effect of pressure

Pressure does not have any significant effect on solubility of solids in liquids. It is so because solids and liquids are highly incompressible and practically remain unaffected by changes in pressure.

2.3.2 Solubility of a Gas in a Liquid

Many gases dissolve in water. Oxygen dissolves only to a small extent in water. It is this dissolved oxygen which sustains all aquatic life. On the other hand, hydrogen chloride gas (HCl) is highly soluble in water. Solubility of gases in liquids is greatly affected by pressure and temperature. The solubility of gases increase with increase of pressure. For solution of gases in a solvent, consider a system as shown in Fig. 2.1 (a). The lower part is solution and the upper part is gaseous system at pressure p and temperature T. Assume this system to be in a state of dynamic equilibrium, i.e., under these conditions rate of gaseous particles entering and leaving the solution phase is the same. Now increase the pressure over the solution phase by compressing the gas to a smaller volume [Fig. 2.1 (b)]. This will increase the number of gaseous particles per unit volume over the solution and also the rate at which the gaseous particles are striking the surface of solution to enter it. The solubility of the gas will increase until a new equilibrium is reached resulting in an increase in the pressure of a gas above the solution and thus its solubility increases.

Fig. 2.1: Effect of pressure on the solubility of a gas. The concentration of dissolved gas is proportional to the pressure on the gas above the solution

Fig. 2.2: Experimental results for the solubility of HCl gas in cyclohexane at 293 K. The slope of the line is the Henry’s Law constant, KH .

Henry was the first to give a quantitative relation between pressure and solubility of a gas in a solvent which is known as Henry’s law. The law states that at a constant temperature, the solubility of a gas in a liquid is directly proportional to the partial pressure of the gas present above the surface of liquid or solution. Dalton, a contemporary of Henry, also concluded independently that the solubility of a gas in a liquid solution is a function of partial pressure of the gas. If we use the mole fraction of a gas in the solution as a measure of its solubility, then it can be said that the mole fraction of gas in the solution is proportional to the partial pressure of the gas over the solution. The most commonly used form of Henry’s law states that “the partial pressure of the gas in vapour phase (p) is proportional to the mole fraction of the gas $(\boldsymbol{x})$ in the solution" and is expressed as:

$$ \begin{equation*} p=K_{\mathrm{H}} x \tag{2.11} \end{equation*} $$

Here $K_H$ is the Henry’s law constant. If we draw a graph between partial pressure of the gas versus mole fraction of the gas in solution, then we should get a plot of the type as shown in Fig. 2.2.

Different gases have different KH values at the same temperature (Table 2.2). This suggests that KH is a function of the nature of the gas.

It is obvious from equation (2.11) that higher the value of $K_{\mathrm{H}}$ at a given pressure, the lower is the solubility of the gas in the liquid. It can be seen from Table 2.2 that $\mathrm{K_\mathrm{H}}$ values for both $\mathrm{N_2}$ and $\mathrm{O_2}$ increase with increase of temperature indicating that the solubility of gases increases with decrease of temperature. It is due to this reason that aquatic species are more comfortable in cold waters rather than in warm waters.

Table 2.2: Values of Henry’s Law Constant for Some Selected Gases in Water

Gas Temperature/K $\mathbf{K}_{\mathrm{H}} / \mathbf{k b a r}$ Gas Temperature/K $\mathbf{K}_{\mathrm{H}} / \mathbf{k b a r}$
$\mathrm{He}$ 293 144.97 Argon 298 40.3
$\mathrm{H}_2$ 293 69.16 $\mathrm{CO}_2$ 298 1.67
$\mathrm{N}_2$ 293 76.48 Formaldehyde 298 $1.83 \times 10^{-5}$
$\mathrm{N}_2$ 303 88.84 Methane 298 0.413
$\mathrm{O}_2$ 293 34.86 Vinyl chloride 298 0.611
$\mathrm{O}_2$ 303 46.82

Example 1.4 If $\mathrm{N_2}$ gas is bubbled through water at $293 \mathrm{~K}$, how many millimoles of $\mathrm{N_2}$ gas would dissolve in 1 litre of water? Assume that $\mathrm{N_2}$ exerts a partial pressure of 0.987 bar. Given that Henry’s law constant for $\mathrm{N_2}$ at $293 \mathrm{~K}$ is $76.48 \mathrm{kbar}$.

Solution The solubility of gas is related to the mole fraction in aqueous solution. The mole fraction of the gas in the solution is calculated by applying Henry’s law. Thus:

$x$ (Nitrogen) $=\frac{p \text { (nitrogen) }}{K_{\mathrm{H}}}=\frac{0.987 \mathrm{bar}}{76,480 \mathrm{bar}}=1.29 \times 10^{-5}$

As 1 litre of water contains $55.5 \mathrm{~mol}$ of it, therefore if $n$ represents number of moles of $\mathrm{N_2}$ in solution,

$x($ Nitrogen $)=\frac{n \mathrm{~mol}}{n \mathrm{~mol}+55.5 \mathrm{~mol}}=\frac{n}{55.5}=1.29 \times 10^{-5}$

( $n$ in denominator is neglected as it is $ < < 55.5$ )

Thus

$$ \begin{aligned} n & =1.29 \times 10^{-5} \times 55.5 \mathrm{~mol} \\ & =7.16 \times 10^{-4} \mathrm{~mol} \\ & =\frac{7.16 \times 10^{-4} \mathrm{~mol} \times 1000 \mathrm{~m} \mathrm{~mol}}{1 \mathrm{~mol}} \\ & =0.716 \mathrm{~m} \mathrm{~mol} \end{aligned} $$

Henry’s law finds several applications in industry and explains some biological phenomena. Notable among these are:

  • To increase the solubility of CO2 in soft drinks and soda water, the bottle is sealed under high pressure.

  • Scuba divers must cope with high concentrations of dissolved gases while breathing air at high pressure underwater. Increased pressure increases the solubility of atmospheric gases in blood. When the divers come towards surface, the pressure gradually decreases. This releases the dissolved gases and leads to the formation of bubbles of nitrogen in the blood. This blocks capillaries and creates a medical condition known as bends, which are painful and dangerous to life. To avoid bends, as well as, the toxic effects of high concentrations of nitrogen in the blood, the tanks used by scuba divers are filled with air diluted with helium (11.7% helium, 56.2% nitrogen and 32.1% oxygen).

  • At high altitudes the partial pressure of oxygen is less than that at the ground level. This leads to low concentrations of oxygen in the blood and tissues of people living at high altitudes or climbers. Low blood oxygen causes climbers to become weak and unable to think clearly, symptoms of a condition known as anoxia.

Effect of Temperature

Solubility of gases in liquids decreases with rise in temperature. When dissolved, the gas molecules are present in liquid phase and the process of dissolution can be considered similar to condensation and heat is evolved in this process. We have learnt in the last Section that dissolution process involves dynamic equilibrium and thus must follow Le Chatelier’s Principle. As dissolution is an exothermic process, the solubility should decrease with increase of temperature.

Intext Questions

2.6 $\mathrm{H_2} \mathrm{~S}$, a toxic gas with rotten egg like smell, is used for the qualitative analysis. If the solubility of $\mathrm{H_2} \mathrm{~S}$ in water at STP is $0.195 \mathrm{~m}$, calculate Henry’s law constant.

Show Answer

Answer

It is given that the solubility of $\mathrm{H_2} \mathrm{~S}$ in water at STP is $0.195 \mathrm{~m}$, i.e., 0.195 mol of $\mathrm{H_2} \mathrm{~S}$ is dissolved in $1000 \mathrm{~g}$ of water.

Moles of water $=\frac{1000 \mathrm{~g}}{18 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}$

$=55.56 \mathrm{~mol}$

$$ =\frac{0.195}{0.195+55.56} $$

$$ =\frac{\text { Moles of } \mathrm{H_2} \mathrm{~S}}{\text { Moles of } \mathrm{H_2} \mathrm{~S}+\text { Moles of water }} $$

$=0.0035$

At STP, pressure $(p)=0.987$ bar

According to Henry’s law:

$p=\mathrm{K_\mathrm{H}} X$

$\Rightarrow \mathrm{K_\mathrm{H}}=\frac{p}{x}$

$$ =\frac{0.987}{0.0035} \text { bar } $$

$=282$ bar

2.7 Henry’s law constant for $\mathrm{CO_2}$ in water is $1.67 \times 10^{8} \mathrm{~Pa}$ at $298 \mathrm{~K}$. Calculate the quantity of $\mathrm{CO_2}$ in $500 \mathrm{~mL}$ of soda water when packed under $2.5 \mathrm{~atm}$ $\mathrm{CO_2}$ pressure at $298 \mathrm{~K}$.

Show Answer

Answer

It is given that:

$\mathrm{K_\mathrm{H}}=1.67 \times 10^{8} \mathrm{~Pa}$

$$ p_{\mathrm{CO_2}}=2.5 \mathrm{~atm}=2.5 \times 1.01325 \times 10^{5} \mathrm{~Pa} $$

$=2.533125 \times 10^{5} \mathrm{~Pa}$

According to Henry’s law:

$$ \begin{aligned} p_{\mathrm{CO_2}} & =\mathrm{K_\mathrm{H}} x \\ \Rightarrow x & =\frac{p_{\mathrm{CO_2}}}{\mathrm{~K_\mathrm{H}}} \\ & =\frac{2.533125 \times 10^{5}}{1.67 \times 10^{8}} \end{aligned} $$

$=0.00152$

We can write,

$$ x=\frac{n_{\mathrm{CO_2}}}{n_{\mathrm{CO_2}}+n_{\mathrm{H_2} \mathrm{O}}} \approx \frac{n_{\mathrm{CO_2}}}{n_{\mathrm{H_2} \mathrm{O}}} $$

[Since, $n_{\mathrm{CO_2}}$ is negligible as compared to ${ }^{n_{\mathrm{H_2} \mathrm{O}}}$ ]

In $500 \mathrm{~mL}$ of soda water, the volume of water $=500 \mathrm{~mL}$

[Neglecting the amount of soda present]

We can write:

$500 \mathrm{~mL}$ of water $=500 \mathrm{~g}$ of water

$=\frac{500}{18} \mathrm{~mol}$ of water

$=27.78 \mathrm{~mol}$ of water

Now, $\frac{n_{\mathrm{CO_2}}}{n_{\mathrm{H_2} \mathrm{O}}}=x$

$\frac{n_{\mathrm{CO_2}}}{27.78}=0.00152$

$n_{\mathrm{CO_2}}=0.042 \mathrm{~mol}$

Hence, quantity of $\mathrm{CO_2}$ in $500 \mathrm{~mL}$ of soda water $=(0.042 \times 44) \mathrm{g}$

$=1.848 \mathrm{~g}$

2.4 Vapour Pressure of Liquid Solutions

Liquid solutions are formed when solvent is a liquid. The solute can be a gas, a liquid or a solid. Solutions of gases in liquids have already been discussed in Section 2.3.2. In this Section, we shall discuss the solutions of liquids and solids in a liquid. Such solutions may contain one or more volatile components. Generally, the liquid solvent is volatile. The solute may or may not be volatile. We shall discuss the properties of only binary solutions, that is, the solutions containing two components, namely, the solutions of (i) liquids in liquids and (ii) solids in liquids.

2.4.1 Vapour Pressure of Liquid- Liquid Solutions

Let us consider a binary solution of two volatile liquids and denote the two components as 1 and 2. When taken in a closed vessel, both the components would evaporate and eventually an equilibrium would be established between vapour phase and the liquid phase. Let the total vapour pressure at this stage be ptotal and p1 and p2 be the partial vapour pressures of the two components 1 and 2 respectively. These partial pressures are related to the mole fractions x1 and x2 of the two components 1 and 2 respectively.

The French chemist, Francois Marte Raoult (1886) gave the quantitative relationship between them. The relationship is known as the Raoult’s law which states that for a solution of volatile liquids, the partial vapour pressure of each component of the solution is directly proportional to its mole fraction present in solution.

Thus, for component 1

$$ \begin{aligned} & p_{1} \propto x_{1} \\ & \text { and } \quad p_{1}=p_{1}^{0} x_{1} \end{aligned} $$

where $p_{1}^{0}$ is the vapour pressure of pure component 1 at the same temperature.

Similarly, for component 2

$$ \begin{equation*} p_{2}=p_{2}{ }^{0} x_{2} \tag{2.13} \end{equation*} $$

where $p_{2}{ }^{0}$ represents the vapour pressure of the pure component 2 .

According to Dalton’s law of partial pressures, the total pressure

$(\left.p_{\text {total }}\right)$ over the solution phase in the container will be the sum of the partial pressures of the components of the solution and is given as:

$$ \begin{equation*} p_{\text {total }}=p_{1}+p_{2} \tag{2.14} \end{equation*} $$

Substituting the values of $p_{1}$ and $p_{2}$, we get

$$ \begin{align*} p_{\text {total }} & =x_{1} p_{1}{ }^{0}+x_{2} p_{2}{ }^{0} \\ & =\left(1-x_{2}\right) p_{1}{ }^{0}+x_{2} p_{2}{ }^{0} \tag{2.15}\\ & =p_{1}{ }^{0}+\left(p_{2}{ }^{0}-p_{1}{ }^{0}\right) x_{2} \tag{2.16} \end{align*} $$

Following conclusions can be drawn from equation (2.16). (i) Total vapour pressure over the solution can be related to the mole fraction of any one component. (ii) Total vapour pressure over the solution varies linearly with the mole fraction of component 2.

(iii) Depending on the vapour pressures of the pure components 1 and 2, total vapour pressure over the solution decreases or increases with the increase of the mole fraction of component 1.

A plot of $p_{1}$ or $p_{2}$ versus the mole fractions $x_{1}$ and $x_{2}$ for a solution gives a linear plot as shown in Fig. 2.3. These lines (I and II) pass through the points for which $x_{1}$ and $x_{2}$ are equal to unity. Similarly the plot (line III) of $p_{\text {total }}$ versus $x_{2}$ is also linear (Fig. 2.3). The minimum value of $p_{\text {total }}$ is $p_{1}{ }^{0}$ and the maximum value is $p_{2}{ }^{0}$, assuming that component 1 is less volatile than component 2 , i.e., $p_{1}{ }^{0}<p_{2}{ }^{0}$.

The composition of vapour phase in equilibrium with the solution is determined by the partial pressures of the components. If $y_{1}$ and $y_{2}$ are the mole fractions of the components 1 and 2 respectively in the vapour phase then, using Dalton’s law of partial pressures:

$$ \begin{align*} & p_{1}=y_{1} p_{\text {total }} \tag{2.17}\\ & p_{2}=y_{2} p_{\text {total }} \tag{2.18} \end{align*} $$

In general

$$ \begin{equation*} p_{\mathrm{i}}=y_{\mathrm{i}} \quad p_{\text {total }} \tag{2.19} \end{equation*} $$

Vapour pressure of chloroform $\left(\mathrm{CHCl_3}\right)$ and dichloromethane $\left(\mathrm{CH_2} \mathrm{Cl_2}\right)$ at $298 \mathrm{~K}$ are $200 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ and $415 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ respectively. (i) Calculate the vapour pressure of the solution prepared by mixing $25.5 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{CHCl_3}$ and $40 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{CH_2} \mathrm{Cl_2}$ at $298 \mathrm{~K}$ and, (ii) mole fractions of each component in vapour phase.

Solution

(i) Molar mass of $\mathrm{CH_2} \mathrm{Cl_2}=12 \times 1+1 \times 2+35.5 \times 2=85 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Molar mass of $\mathrm{CHCl_3}=12 \times 1+1 \times 1+35.5 \times 3=119.5 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Moles of $\mathrm{CH_2} \mathrm{Cl_2} \quad=\frac{40 \mathrm{~g}}{85 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=0.47 \mathrm{~mol}$

Moles of $\mathrm{CHCl_3} \quad=\frac{25.5 \mathrm{~g}}{119.5 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=0.213 \mathrm{~mol}$

Total number of moles $=0.47+0.213=0.683 \mathrm{~mol}$

$$ \begin{aligned} & x_{\mathrm{CH_2} \mathrm{Cl_2}}=\frac{0.47 \mathrm{~mol}}{0.683 \mathrm{~mol}}=0.688 \\ & x_{\mathrm{CHCl_3}}=1.00-0.688=0.312 \end{aligned} $$

Using equation (2.16),

$$ \begin{aligned} p_{\text {total }} & =p_{1}^{0}+\left(p_{2}{ }^{0}-p_{1}{ }^{0}\right) x_{2}=200+(415-200) \times 0.688 \\ & =200+147.9=347.9 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg} \end{aligned} $$

(ii) Using the relation (2.19), $y_{\mathrm{i}}=p_{\mathrm{i}} / p_{\text {total }}$, we can calculate the mole fraction of the components in gas phase $\left(y_{\mathrm{i}}\right)$.

$$ \begin{aligned} & p_{\mathrm{CH_2} \mathrm{Cl_2}}=0.688 \times 415 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}=285.5 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg} \\ & p_{\mathrm{CHCl_3}}=0.312 \times 200 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}=62.4 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg} \\ & y_{\mathrm{CH_2} \mathrm{Cl_2}}=285.5 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg} / 347.9 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}=0.82 \\ & y_{\mathrm{CHCl_3}}=62.4 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg} / 347.9 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}=0.18 \end{aligned} $$

Note: Since, $\mathrm{CH_2} \mathrm{Cl_2}$ is a more volatile component than $\mathrm{CHCl_3}$, $\left[p_{\mathrm{CH_2} \mathrm{Cl_2}}^{0}=\right.$ $415 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ and $p_{\mathrm{CHCl_3}}^{0}=200 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}]$ and the vapour phase is also richer in $\mathrm{CH_2} \mathrm{Cl_2}\left[y_{\mathrm{CH_2} \mathrm{Cl_2}}=0.82\right.$ and $\left.y_{\mathrm{CHCl_3}}=0.18\right]$, it may thus be concluded that at equilibrium, vapour phase will be always rich in the component which is more volatile.

2.4.2 Raoult’s Law as a special case of Henry’s Law

According to Raoult’s law, the vapour pressure of a volatile component in a given solution is given by $p_{\mathrm{i}}=x_{\mathrm{i}} p_{\mathrm{i}}{ }^{0}$. In the solution of a gas in a liquid, one of the components is so volatile that it exists as a gas and we have already seen that its solubility is given by Henry’s law which states that

$$ p=K_{\mathrm{H}} x $$

If we compare the equations for Raoult’s law and Henry’s law, it can be seen that the partial pressure of the volatile component or gas is directly proportional to its mole fraction in solution. Only the proportionality constant $K_{\mathrm{H}}$ differs from $p_{1}{ }^{0}$. Thus, Raoult’s law becomes a special case of Henry’s law in which $K_{\mathrm{H}}$ becomes equal to $p_{1}{ }^{0}$

2.4.3 Vapour Pressure of Solutions of Solids in Liquids

Another important class of solutions consists of solids dissolved in liquid, for example, sodium chloride, glucose, urea and cane sugar in water and iodine and sulphur dissolved in carbon disulphide. Some physical properties of these solutions are quite different from those of pure solvents. For example, vapour pressure. We have learnt in Unit 5, Class XI, that liquids at a given temperature vapourise and under equilibrium conditions the pressure exerted by the vapours of the liquid over the liquid phase is called vapour pressure [Fig. 2.4 (a)]. In a pure liquid the entire surface is occupied by the molecules of the liquid. If a non-volatile solute is added to a solvent to give a solution [Fig. 2.4.(b)], the vapour pressure of the solution is solely from the solvent alone. This vapour pressure of the solution at a given temperature is found to be lower than the vapour pressure of the pure solvent at the same temperature. In the solution, the surface has both solute and solvent molecules; thereby the fraction of the surface covered by the solvent molecules gets reduced. Consequently, the number of solvent molecules escaping from the surface is correspondingly reduced, thus, the vapour pressure is also reduced.

Fig. 2.4: Decrease in the vapour pressure of the solvent on account of the presence of solute in the solvent

(a) evaporation of the molecules of the solvent from its surface is denoted by ,

(b) in a solution, solute particles have been denoted by and they also occupy part of the surface area.

The decrease in the vapour pressure of solvent depends on the quantity of non-volatile solute present in the solution, irrespective of its nature. For example, decrease in the vapour pressure of water by adding $1.0 \mathrm{~mol}$ of sucrose to one $\mathrm{kg}$ of water is nearly similar to that produced by adding $1.0 \mathrm{~mol}$ of urea to the same quantity of water at the same temperature.

Raoult’s law in its general form can be stated as, for any solution the partial vapour pressure of each volatile component in the solution is directly proportional to its mole fraction. In a binary solution, let us denote the solvent by 1 and solute by 2. When the solute is non-volatile, only the solvent molecules are present in vapour phase and contribute to vapour pressure. Let p1 be the vapour pressure of the solvent, $x_{1}$ be its mole fraction, $p_{i}^{0}$ be its vapour pressure in the pure state. Then according to Raoult’s law

$$ \begin{align*} & p_{1} \propto x_{1} \\ & \text { and } \quad p_{1}=x_{1} p_{1}^{0} \tag{2.20} \end{align*} $$

The proportionality constant is equal to the vapour pressure of pure solvent, $p_{1}^{0}$. A plot between the vapour pressure and the mole fraction of the solvent is linear (Fig. 2.5).

Fig. 2.5 If a solution obeys Raoult’s law for all concentrations, its vapour pressure would vary linearly from zero to the vapour pressure of the pure solvent.

2.5 Ideal and Nonideal Solutions

Liquid-liquid solutions can be classified into ideal and non-ideal solutions on the basis of Raoult’s law.

2.5.1 Ideal Solutions

The solutions which obey Raoult’s law over the entire range of concentration are known as ideal solutions. The ideal solutions have two other important properties. The enthalpy of mixing of the pure components to form the solution is zero and the volume of mixing is also zero, i.e.,

$$ \begin{equation*} \Delta_{\text {mix }} H=0, \quad \Delta_{\text {mix }} V=0 \tag{2.21} \end{equation*} $$

It means that no heat is absorbed or evolved when the components are mixed. Also, the volume of solution would be equal to the sum of volumes of the two components. At molecular level, ideal behaviour of the solutions can be explained by considering two components A and B. In pure components, the intermolecular attractive interactions will be of types A-A and B-B, whereas in the binary solutions in addition to these two interactions, A-B type of interactions will also be present. If the intermolecular attractive forces between the A-A and B-B are nearly equal to those between A-B, this leads to the formation of ideal solution. A perfectly ideal solution is rare but some solutions are nearly ideal in behaviour. Solution of n-hexane and n-heptane, bromoethane and chloroethane, benzene and toluene, etc. fall into this category.

2.5.2 Non-ideal Solutions

When a solution does not obey Raoult’s law over the entire range of concentration, then it is called non-ideal solution. The vapour pressure of such a solution is either higher or lower than that predicted by Raoult’s law (equation 2.16). If it is higher, the solution exhibits positive deviation and if it is lower, it exhibits negative deviation from Raoult’s law. The plots of vapour pressure as a function of mole fractions for such solutions are shown in Fig. 2.6.

Fig.2.6 The vapour pressures of two component systems as a function of composition (a) a solution that shows positive deviation from Raoult’s law and (b) a solution that shows negative deviation from Raoult’s law.

The cause for these deviations lie in the nature of interactions at the molecular level. In case of positive deviation from Raoult’s law, A-B interactions are weaker than those between A-A or B-B, i.e., in this case the intermolecular attractive forces between the solute-solvent molecules are weaker than those between the solute-solute and solvent-solvent molecules. This means that in such solutions, molecules of A (or B) will find it easier to escape than in pure state. This will increase the vapour pressure and result in positive deviation. Mixtures of ethanol and acetone behave in this manner. In pure ethanol, molecules are hydrogen bonded. On adding acetone, its molecules get in between the host molecules and break some of the hydrogen bonds between them. Due to weakening of interactions, the solution shows positive deviation from Raoult’s law [Fig. 2.6 (a)]. In a solution formed by adding carbon disulphide to acetone, the dipolar interactions between solute-solvent molecules are weaker than the respective interactions among the solute-solute and solvent-solvent molecules. This solution also shows positive deviation.

In case of negative deviations from Raoult’s law, the intermolecular attractive forces between A-A and B-B are weaker than those between A-B and leads to decrease in vapour pressure resulting in negative deviations. An example of this type is a mixture of phenol and aniline. In this case the intermolecular hydrogen bonding between phenolic proton and lone pair on nitrogen atom of aniline is stronger than the respective intermolecular hydrogen bonding between similar molecules. Similarly, a mixture of chloroform and acetone forms a solution with negative deviation from Raoult’s law. This is because chloroform molecule is able to form hydrogen bond with acetone molecule as shown.

This decreases the escaping tendency of molecules for each component and consequently the vapour pressure decreases resulting in negative deviation from Raoult’s law [Fig. 2.6. (b)].

Some liquids on mixing, form azeotropes which are binary mixtures having the same composition in liquid and vapour phase and boil at a constant temperature. In such cases, it is not possible to separate the components by fractional distillation. There are two types of azeotropes called minimum boiling azeotrope and maximum boiling azeotrope. The solutions which show a large positive deviation from Raoult’s law form minimum boiling azeotrope at a specific composition.

For example, ethanol-water mixture (obtained by fermentation of sugars) on fractional distillation gives a solution containing approximately 95% by volume of ethanol. Once this composition, known as azeotrope composition, has been achieved, the liquid and vapour have the same composition, and no further separation occurs.

The solutions that show large negative deviation from Raoult’s law form maximum boiling azeotrope at a specific composition. Nitric acid and water is an example of this class of azeotrope. This azeotrope has the approximate composition, 68% nitric acid and 32% water by mass, with a boiling point of 393.5 K.

Intext Question

2.8 The vapour pressure of pure liquids A and B are 450 and $700 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ respectively, at $350 \mathrm{~K}$. Find out the composition of the liquid mixture if total vapour pressure is $600 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$. Also find the composition of the vapour phase.

Show Answer

Answer

It is given that:

$p_{\mathrm{A}}^{0}=450 \mathrm{~mm}$ of $\mathrm{Hg}$

$p_{\mathrm{B}}^{0}=700 \mathrm{~mm}$ of $\mathrm{Hg}$

$p_{\text {total }}=600 \mathrm{~mm}$ of $\mathrm{Hg}$

From Raoult’s law, we have:

$p_{\mathrm{A}}=p_{\mathrm{A}}^{0} x_{\mathrm{A}}$

$p_{\mathrm{B}}=p_{\mathrm{B}}^{0} x_{\mathrm{B}}=p_{\mathrm{B}}^{0}\left(1-x_{\mathrm{A}}\right)$ Therefore, total pressure, $p_{\text {total }}=p_{\mathrm{A}}+p_{\mathrm{B}}$

$\Rightarrow p_{\text {total }}=p_{\mathrm{A}}^{0} x_{\mathrm{A}}+p_{\mathrm{B}}^{0}\left(1-x_{\mathrm{A}}\right)$

$\Rightarrow p_{\text {total }}=p_{\mathrm{A}}^{0} x_{\mathrm{A}}+p_{\mathrm{B}}^{0}-p_{\mathrm{B}}^{0} x_{\mathrm{A}}$

$\Rightarrow p_{\text {total }}=\left(p_{\mathrm{A}}^{0}-p_{\mathrm{B}}^{0}\right) x_{\mathrm{A}}+p_{\mathrm{B}}^{0}$

$\Rightarrow 600=(450-700) x_{\mathrm{A}}+700$

$\Rightarrow-100=-250 x_{\mathrm{A}}$

$\Rightarrow x_{\mathrm{A}}=0.4$

Therefore, $x_{\mathrm{B}}=1-x_{\mathrm{A}}$

$=1-0.4$

$=0.6$

Now, $p_{\mathrm{A}}=p_{\mathrm{A}}^{0} x_{\mathrm{A}}$

$=450 \times 0.4$

$=180 \mathrm{~mm}$ of $\mathrm{Hg}$

$p_{\mathrm{B}}=p_{\mathrm{B}}^{0} x_{\mathrm{B}}$

$=700 \times 0.6$

$=420 \mathrm{~mm}$ of $\mathrm{Hg}$

Now, in the vapour phase:

Mole fraction of liquid $\mathrm{A}=\frac{p_{\mathrm{A}}}{p_{\mathrm{A}}+p_{\mathrm{B}}}$

$$ \begin{aligned} & =\frac{180}{180+420} \\ & =\frac{180}{600} \\ & =0.30 \end{aligned} $$

And, mole fraction of liquid $B=1-0.30$ $=0.70$

2.6 Colligative Properties and Determination of Molar Mass

We have learnt in Section 2.4.3 that the vapour pressure of solution decreases when a non-volatile solute is added to a volatile solvent. There are many properties of solutions which are connected with this decrease of vapour pressure. These are: (1) relative lowering of vapour pressure of the solvent (2) depression of freezing point of the solvent (3) elevation of boiling point of the solvent and (4) osmotic pressure of the solution. All these properties depend on the number of solute particles irrespective of their nature relative to the total number of particles present in the solution. Such properties are called colligative properties (colligative: from Latin: co means together, ligare means to bind). In the following Sections we will discuss these properties one by one.

2.6.1 Relative Lowering of Vapour Pressure

We have learnt in Section 2.4.3 that the vapour pressure of a solvent in solution is less than that of the pure solvent. Raoult established that the lowering of vapour pressure depends only on the concentration of the solute particles and it is independent of their identity. The equation (2.20) given in Section 2.4.3 establishes a relation between vapour pressure of the solution, mole fraction and vapour pressure of the solvent, i.e.,

$$ \begin{equation*} p_{1}=x_{1} p_{1}{ }^{0} \tag{2.22} \end{equation*} $$

The reduction in the vapour pressure of solvent $\left(\Delta p_{1}\right)$ is given as:

$$ \begin{align*} \Delta p_{1} & =p_{1}^{0}-p_{1}=p_{1}^{0}-p_{1}^{0} x_{1} \\ & =p_{1}^{0}\left(1-x_{1}\right) \tag{2.23} \end{align*} $$

Knowing that $x_{2}=1-x_{1}$, equation (1.23) reduces to

$$ \begin{equation*} \Delta p_{1}=x_{2} p_{1}{ }^{0} \tag{2.24} \end{equation*} $$

In a solution containing several non-volatile solutes, the lowering of the vapour pressure depends on the sum of the mole fraction of different solutes. Equation (2.24)

$$ \begin{equation*} \frac{\Delta p_{1}}{p_{1}^{0}}=\frac{p_{1}^{0}-p_{1}}{p_{1}^{0}}=x_{2} \tag{2.25} \end{equation*} $$

The expression on the left hand side of the equation as mentioned earlier is called relative lowering of vapour pressure and is equal to the mole fraction of the solute. The above equation can be written as:

$$ \begin{equation*} \frac{p_{1}^{0}-p_{1}}{p_{1}^{0}}=\frac{n_{2}}{n_{1}+n_{2}}\left(\text { since } x_{2}=\frac{n_{2}}{n_{1}+n_{2}}\right) \tag{2.26} \end{equation*} $$

Here $n_{1}$ and $n_{2}$ are the number of moles of solvent and solute respectively present in the solution. For dilute solutions $n_{2}<n_{1}$, hence neglecting $n_{2}$ in the denominator we have

$$ \begin{align*} \frac{p_{1}^{0}-p_{1}}{p_{1}^{0}} & =\frac{n_{2}}{n_{1}} \tag{2.27}\\ \text { or } \frac{p_{1}^{0}-p_{1}}{p_{1}^{0}} & =\frac{\mathrm{w_2} \times M_{1}}{M_{2} \times \mathrm{w_1}} \tag{2.28} \end{align*} $$

Here $w_{1}$ and $w_{2}$ are the masses and $M_{1}$ and $M_{2}$ are the molar masses of the solvent and solute respectively.

From this equation (2.28), knowing all other quantities, the molar mass of solute $\left(M _{2}\right)$ can be calculated.

Example 2.6

The vapour pressure of pure benzene at a certain temperature is 0.850 bar. A non-volatile, non-electrolyte solid weighing $0.5 \mathrm{~g}$ when added to $39.0 \mathrm{~g}$ of benzene (molar mass $78 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$ ). Vapour pressure of the solution, then, is 0.845 bar. What is the molar mass of the solid substance?

Solution

The various quantities known to us are as follows:

$p_{1}{ }^{0}=0.850$ bar; $p=0.845 \mathrm{bar} ; M_{1}=78 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1} ; w_{2}=0.5 \mathrm{~g} ; w_{1}=39 \mathrm{~g}$

Substituting these values in equation (2.28), we get

$\frac{0.850 \text { bar }-0.845 \text { bar }}{0.850 \text { bar }}=\frac{0.5 \mathrm{~g} \times 78 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}{M_{2} \times 39 \mathrm{~g}}$

Therefore, $M_{2}=170 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

2.6.2 Elevation of Boiling Point

The vapour pressure of a liquid increases with increase of temperature. It boils at the temperature at which its vapour pressure is equal to the atmospheric pressure. For example, water boils at $373.15 \mathrm{~K}\left(100^{\circ} \mathrm{C}\right)$ because at this temperature the vapour pressure of water is 1.013 bar ( 1 atmosphere). We have also learnt in the last section that vapour pressure of the solvent decreases in the presence of non-volatile solute. Fig. 2.7 depicts the variation of vapour pressure of the pure solvent and solution as a function of temperature. For example, the vapour pressure of an aqueous solution of sucrose is less than 1.013 bar at $373.15 \mathrm{~K}$. In order to make this solution boil, its vapour pressure must be increased to 1.013 bar by raising the temperature above the boiling temperature of the pure solvent (water). Thus, the boiling point of a solution is prepared as shown in Fig. 2.7: The vapour pressure curve for solution lies below the curve for pure water. The diagram shows that $\Delta T_{\mathrm{b}}$ denotes the elevation of boiling point of a solvent in solution. always higher than that of the boiling point of the pure solvent in which the solution is prepared as shown in Fig. 2.7. Similar to lowering of vapour pressure, the elevation of boiling point also depends on the number of solute molecules rather than their nature. A solution of $1 \mathrm{~mol}$ of sucrose in $1000 \mathrm{~g}$ of water boils at $373.52 \mathrm{~K}$ at one atmospheric pressure.

Fig. 2.8: Diagram showing DTf , depression of the freezing point of a solvent in a solution.

Let $T_{\mathrm{b}}^{0}$ be the boiling point of pure solvent and $T_{\mathrm{b}}$ be the boiling point of solution. The increase in the boiling point $\Delta T_{\mathrm{b}}=T_{\mathrm{b}}-T_{\mathrm{b}}^{0}$ is known as elevation of boiling point.

Experiments have shown that for dilute solutions the elevation of boiling point $\left(\Delta T_{\mathrm{b}}\right)$ is directly proportional to the molal concentration of the solute in a solution. Thus

$$ \begin{align*} & \Delta T_{\mathrm{b}} \propto \mathrm{m} \tag{2.29}\\ \text { or } \quad \Delta T_{\mathrm{b}} & =K_{\mathrm{b}} \mathrm{m} \tag{2.30} \end{align*} $$

Here $m$ (molality) is the number of moles of solute dissolved in $1 \mathrm{~kg}$ of solvent and the constant of proportionality, $K_{\mathrm{b}}$ is called Boiling Point Elevation Constant or Molal Elevation Constant (Ebullioscopic Constant). The unit of $K_{\mathrm{b}}$ is $\mathrm{K} \mathrm{kg} \mathrm{mol}^{-1}$. Values of $K_{\mathrm{b}}$ for some common solvents are given in Table 2.3. If $\mathrm{w_2}$ gram of solute of molar mass $M_{2}$ is dissolved in $\mathrm{w_1}$ gram of solvent, then molality, $\mathrm{m}$ of the solution is given by the expression:

$$ \begin{equation*} \mathrm{m}=\frac{w_{2} / \mathrm{M_2}}{w_{1} / 1000}=\frac{1000 \times w_{2}}{M_{2} \times w_{1}} \tag{2.31} \end{equation*} $$

Substituting the value of molality in equation (1.30) we get

$$ \begin{align*} \Delta T_{\mathrm{b}} & =\frac{K_{\mathrm{b}} \times 1000 \times w_{2}}{M_{2} \times w_{1}} \tag{2.32}\\ M_{2} & =\frac{1000 \times w_{2} \times K_{\mathrm{b}}}{\Delta T_{\mathrm{b}} \times w_{1}} \tag{2.33} \end{align*} $$

Thus, in order to determine $M_{2}$, molar mass of the solute, known mass of solute in a known mass of the solvent is taken and $\Delta T_{\mathrm{b}}$ is determined experimentally for a known solvent whose $K_{\mathrm{b}}$ value is known.

Example 1.7

$18 \mathrm{~g}$ of glucose, $\mathrm{C} _6 \mathrm{H} _{12} \mathrm{O} _6$, is dissolved in $1 \mathrm{~kg}$ of water in a saucepan. At what temperature will water boil at 1.013 bar? $K _{\mathrm{b}}$ for water is 0.52 $\mathrm{K} \mathrm{kg} \mathrm{mol}^{-1}$.

Solution

Moles of glucose $=18 \mathrm{~g} / 180 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}=0.1 \mathrm{~mol}$ Number of kilograms of solvent $=1 \mathrm{~kg}$ Thus molality of glucose solution $=0.1 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1}$ For water, change in boiling point $\Delta T_{\mathrm{b}}=K_{\mathrm{b}} \times m=0.52 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} \times 0.1 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1}=0.052 \mathrm{~K}$ Since water boils at $373.15 \mathrm{~K}$ at 1.013 bar pressure, therefore, the boiling point of solution will be $373.15+0.052=373.202 \mathrm{~K}$.

Example 1.8

The boiling point of benzene is $353.23 \mathrm{~K}$. When $1.80 \mathrm{~g}$ of a non-volatile solute was dissolved in $90 \mathrm{~g}$ of benzene, the boiling point is raised to $354.11 \mathrm{~K}$. Calculate the molar mass of the solute. $K_{\mathrm{b}}$ for benzene is 2.53 $\mathrm{K} \mathrm{kg} \mathrm{\textrm {mol } ^ { - 1 }}$

Solution

The elevation $\left(\Delta T_{\mathrm{b}}\right)$ in the boiling point $=354.11 \mathrm{~K}-353.23 \mathrm{~K}=0.88 \mathrm{~K}$ Substituting these values in expression (2.33) we get $$ M_2=\frac{2.53 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} \times 1.8 \mathrm{~g} \times 1000 \mathrm{~g} \mathrm{~kg}^{-1}}{0.88 \mathrm{~K} \times 90 \mathrm{~g}}=58 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1} $$

Therefore, molar mass of the solute, $M_2=58 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

2.6.3 Depression of Freezing Point

Fig. 2.7: The vapour pressure curve for solution lies below the curve for pure water. The diagram shows that DTb denotes the elevation of boiling point of a solvent in solution.

The lowering of vapour pressure of a solution causes a lowering of the freezing point compared to that of the pure solvent (Fig. 2 8). We know that at the freezing point of a substance, the solid phase is in dynamic equilibrium with the liquid phase. Thus, the freezing point of a substance may be defined as the temperature at which the vapour pressure of the substance in its liquid phase is equal to its vapour pressure in the solid phase. A solution will freeze when its vapour pressure equals the vapour pressure of the pure solid solvent as is clear from Fig. 2.8. According to Raoult’s law, when a non-volatile solid is added to the solvent its vapour pressure decreases and now it would become equal to that of solid solvent at lower temperature. Thus, the freezing point of the solvent decreases.

Let $T_{\mathrm{f}}^{0}$ be the freezing point of pure solvent and $T_{\mathrm{f}}$ be its freezing point when non-volatile solute is dissolved in it. The decrease in freezing point.

$ \Delta T_{\mathrm{f}}=T_{\mathrm{f}}^{0}-T_{\mathrm{f}} \text { is known as depression in freezing point. } $

Similar to elevation of boiling point, depression of freezing point $\left(\Delta T_{\mathrm{f}}\right)$ for dilute solution (ideal solution) is directly proportional to molality, $\mathrm{m}$ of the solution. Thus,

$$ \Delta T_{\mathrm{f}} \propto \mathrm{m} $$

$$ \begin{equation*} \text { or } \quad \Delta T_{\mathrm{f}}=K_{\mathrm{f}} \mathrm{m} \tag{2.34} \end{equation*} $$

The proportionality constant, $\mathrm{K_\mathrm{f}}$, which depends on the nature of the solvent is known as Freezing Point Depression Constant or Molal Depression Constant or Cryoscopic Constant. The unit of $\mathrm{K_\mathrm{f}}$ is $\mathrm{K} \mathrm{kg}$ $\mathrm{mol}^{-1}$. Values of $K_{\mathrm{f}}$ for some common solvents are listed in Table 2.3.

If $\mathrm{w_2}$ gram of the solute having molar mass as $M_{2}$, present in $\mathrm{w_1}$ gram of solvent, produces the depression in freezing point $\Delta T_{\mathrm{f}}$ of the solvent then molality of the solute is given by the equation (2.31).

$$ \begin{equation*} \mathrm{m}=\frac{w_{2} / M_{2}}{w_{1} / 1000} \tag{2.31} \end{equation*} $$

Substituting this value of molality in equation (2.34) we get:

$$ \begin{align*} \Delta T_{\mathrm{f}} & =\frac{K_{\mathrm{f}} \times w_{2} / M_{2}}{w_{1} / 1000} \\ \Delta T_{\mathrm{f}} & =\frac{K_{\mathrm{f}} \times w_{2} \times 1000}{M_{2} \times w_{1}} \tag{2.35}\\ M_{2} & =\frac{K_{\mathrm{f}} \times w_{2} \times 1000}{\Delta T_{\mathrm{f}} \times w_{1}} \tag{2.36} \end{align*} $$

Thus for determining the molar mass of the solute we should know the quantities $\mathrm{w_1}, \mathrm{w_2}, \Delta T_{\mathrm{f}}$, along with the molal freezing point depression constant. The values of $K_{f}$ and $K_{b}$, which depend upon the nature of the solvent, can be ascertained from the following relations.

$$ \begin{align*} K_{\mathrm{f}} & =\frac{R \times M_{1} \times T_{\mathrm{f}}^{2}}{1000 \times \Delta_{\text {fus }} H} \tag{2.37}\\ K_{\mathrm{b}} & =\frac{R \times M_{1} \times T_{\mathrm{b}}^{2}}{1000 \times \Delta_{\text {vap }} H} \tag{2.38} \end{align*} $$

Here the symbols $R$ and $M_{1}$ stand for the gas constant and molar mass of the solvent, respectively and $T_{\mathrm{f}}$ and $T_{\mathrm{b}}$ denote the freezing point and the boiling point of the pure solvent respectively in kelvin. Further, $\Delta_{\text {fus }} H$ and $\Delta_{\text {vap }} H$ represent the enthalpies for the fusion and vapourisation of the solvent, respectively.

Table 2.3: Molal Boiling Point Elevation and Freezing Point Depression Constants for Some Solvents

Solvent b. p./K $\mathbf{K}_{\mathrm{b}} / \mathbf{K ~ k g ~ m o l}^{-1}$ $\mathbf{f} . \mathbf{p} \cdot / \mathbf{K}$ $\mathbf{K}_{\mathrm{r}} / \mathbf{K ~ k g ~ m o l}^{-1}$
Water 373.15 0.52 273.0 1.86
Ethanol 351.5 1.20 155.7 1.99
Cyclohexane 353.74 2.79 279.55 20.00
Benzene 353.3 2.53 278.6 5.12
Chloroform 334.4 3.63 209.6 4.79
Carbon tetrachloride 350.0 5.03 250.5 31.8
Carbon disulphide 319.4 2.34 164.2 3.83
Diethyl ether 307.8 2.02 156.9 1.79
Acetic acid 391.1 2.93 290.0 3.90

Example 1.9 $45 \mathrm{~g}$ of ethylene glycol $\left(\mathrm{C}_2 \mathrm{H}_6 \mathrm{O}_2\right)$ is mixed with $600 \mathrm{~g}$ of water. Calculate (a) the freezing point depression and (b) the freezing point of the solution.

Solution

Depression in freezing point is related to the molality, therefore, the molality of the solution with respect to ethylene glycol $=\frac{\text { moles of ethylene glycol }}{\text { mass of water in kilogram }}$

Moles of ethylene glycol $=\frac{45 \mathrm{~g}}{62 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=0.73 \mathrm{~mol}$ Mass of water in $\mathrm{kg}=\frac{600 \mathrm{~g}}{1000 \mathrm{gg}^{-1}}=0.6 \mathrm{~kg}$ Hence molality of ethylene glycol $=\frac{0.73 \mathrm{~mol}}{0.60 \mathrm{~kg}}=1.2 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1}$ Therefore freezing point depression, $ \ddot{\mathrm{A}} T_{\mathrm{f}}=1.86 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} \times 1.2 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}{ }^{-1}=2.2 \mathrm{~K} $

Freezing point of the aqueous solution $=273.15 \mathrm{~K}-2.2 \mathrm{~K}=270.95 \mathrm{~K}$

Example 1.10

$1.00 \mathrm{~g}$ of a non-electrolyte solute dissolved in $50 \mathrm{~g}$ of benzene lowered the freezing point of benzene by $0.40 \mathrm{~K}$. The freezing point depression constant of benzene is $5.12 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1}$. Find the molar mass of the solute.

Solution

Substituting the values of various terms involved in equation (1.36) we get, $$ M_2=\frac{5.12 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} \times 1.00 \mathrm{~g} \times 1000 \mathrm{~g} \mathrm{~kg}^{-1}}{0.40 \times 50 \mathrm{~g}}=256 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1} $$

Thus, molar mass of the solute $=256 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

2.6.4 Osmosis and Osmotic Pressure

Fig. 2.9 Level of solution rises in the thistle funnel due to osmosis of solvent.

There are many phenomena which we observe in nature or at home. For example, raw mangoes shrivel when pickled in brine (salt water); wilted flowers revive when placed in fresh water, blood cells collapse when suspended in saline water, etc. If we look into these processes we find one thing common in all, that is, all these substances are bound by membranes. These membranes can be of animal or vegetable origin and these occur naturally such as pig’s bladder or parchment or can be synthetic such as cellophane. These membranes appear to be continuous sheets or films, yet they contain a network of submicroscopic holes or pores. Small solvent molecules, like water, can pass through these holes but the passage of bigger molecules like solute is hindered. Membranes having this kind of properties are known as semipermeable membranes (SPM).

Assume that only solvent molecules can pass through these semipermeable membranes. If this membrane is placed between the solvent and solution as shown in Fig. 2.9, the solvent molecules will flow through the membrane from pure solvent to the solution. This process of flow of the solvent is called osmosis.

The flow will continue till the equilibrium is attained. The flow of the solvent from its side to solution side across a semipermeable membrane can be stopped if some extra pressure is applied on the solution. This pressure that just stops the flow of solvent is called osmotic pressure of the solution. The flow of solvent from dilute solution to the concentrated solution across a semipermeable membrane is due to osmosis. The important point to be kept in mind is that solvent molecules always flow from lower concentration to higher concentration of solution. The osmotic pressure has been found to depend on the concentration of the solution.

Fig. 2.10: The excess pressure equal to the osmotic pressure must be applied on the solution side to prevent osmosis.

The osmotic pressure of a solution is the excess pressure that must be applied to a solution to prevent osmosis, i.e., to stop the passage of solvent molecules through a semipermeable membrane into the solution. This is illustrated in Fig. 2.10. Osmotic pressure is a colligative property as it depends on the number of solute molecules and not on their identity. For dilute solutions, it has been found experimentally that osmotic pressure is proportional to the molarity, C of the solution at a given temperature T. Thus:

$$ \begin{equation*} \Pi=C R T \tag{2.39} \end{equation*} $$

Here $\Pi$ is the osmotic pressure and $\mathrm{R}$ is the gas constant.

$$ \begin{equation*} \Pi=\left(n_{2} / V\right) R T \tag{2.40} \end{equation*} $$

Here $V$ is volume of a solution in litres containing $\mathrm{n_2}$ moles of solute. If $\mathrm{w_2}$ grams of solute, of molar mass, $M_{2}$ is present in the solution, then $n_{2}=\mathrm{w_2} / M_{2}$ and we can write,

$$ \begin{equation*} \Pi V=\frac{\mathbf{w}_2 R T}{M_2} \tag{2.41} \end{equation*} $$

$$ \begin{equation*} \text {or} \quad \quad \text{M}_2 =\frac{\mathbf{w}_2 R T}{\Pi V} \tag{2.42} \end{equation*} $$

Thus, knowing the quantities $\mathrm{w_2}, T, \Pi$ and $V$ we can calculate the molar mass of the solute.

Measurement of osmotic pressure provides another method of determining molar masses of solutes. This method is widely used to determine molar masses of proteins, polymers and other macromolecules. The osmotic pressure method has the advantage over other methods as pressure measurement is around the room temperature and the molarity of the solution is used instead of molality. As compared to other colligative properties, its magnitude is large even for very dilute solutions. The technique of osmotic pressure for determination of molar mass of solutes is particularly useful for biomolecules as they are generally not stable at higher temperatures and polymers have poor solubility.

Two solutions having same osmotic pressure at a given temperature are called isotonic solutions. When such solutions are separated by semipermeable membrane no osmosis occurs between them. For example, the osmotic pressure associated with the fluid inside the blood cell is equivalent to that of 0.9% (mass/ volume) sodium chloride solution, called normal saline solution and it is safe to inject intravenously. On the other hand, if we place the cells in a solution containing more than 0.9% (mass/volume) sodium chloride, water will flow out of the cells and they would shrink. Such a solution is called hypertonic. If the salt concentration is less than 0.9% (mass/volume), the solution is said to be hypotonic. In this case, water will flow into the cells if placed in this solution and they would swell.

Example 1.11

$200 \mathrm{~cm}^3$ of an aqueous solution of a protein contains $1.26 \mathrm{~g}$ of the protein. The osmotic pressure of such a solution at $300 \mathrm{~K}$ is found to be $2.57 \times 10^{-3}$ bar. Calculate the molar mass of the protein.

Solution

The various quantities known to us are as follows: $\Pi=2.57 \times 10^{-3}$ bar, $V=200 \mathrm{~cm}^3=0.200$ litre $T=300 \mathrm{~K}$ $\mathrm{R}=0.083 \mathrm{~L} \mathrm{bar} \mathrm{mol}^{-1} \mathrm{~K}^{-1}$

Substituting these values in equation (2.42) we get $$ M_2=\frac{1.26 \mathrm{~g} \times 0.083 \mathrm{~L} \mathrm{bar} \mathrm{K}^{-1} \mathrm{~mol}^{-1} \times 300 \mathrm{~K}}{2.57 \times 10^{-3} \text { bar } \times 0.200 \mathrm{~L}}=61,022 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1} $$

The phenomena mentioned in the beginning of this section can be explained on the basis of osmosis. A raw mango placed in concentrated salt solution loses water via osmosis and shrivel into pickle. Wilted flowers revive when placed in fresh water. A carrot that has become limp because of water loss into the atmosphere can be placed into the water making it firm once again. Water will move into its cells through osmosis. When placed in water containing less than 0.9% (mass/ volume) salt, blood cells swell due to flow of water in them by osmosis. People taking a lot of salt or salty food experience water retention in tissue cells and intercellular spaces because of osmosis.

The resulting puffiness or swelling is called edema. Water movement from soil into plant roots and subsequently into upper portion of the plant is partly due to osmosis. The preservation of meat by salting and of fruits by adding sugar protects against bacterial action. Through the process of osmosis, a bacterium on salted meat or candid fruit loses water, shrivels and dies.

2.6.5 Reverse Osmosis and Water Purification

The direction of osmosis can be reversed if a pressure larger than the osmotic pressure is applied to the solution side. That is, now the pure solvent flows out of the solution through the semi permeable membrane. This phenomenon is called reverse osmosis and is of great practical utility. Reverse osmosis is used in desalination of sea water. A schematic set up for the process is shown in Fig. 2.11. When pressure more than osmotic pressure is applied, pure water is squeezed out of the sea water through the membrane. A variety of polymer membranes are available for this purpose.

Fig. 2.11: Reverse osmosis occurs when a pressure larger than the osmotic pressure is applied to the solution.

The pressure required for the reverse osmosis is quite high. A workable porous membrane is a film of cellulose acetate placed over a suitable support. Cellulose acetate is permeable to water but impermeable to impurities and ions present in sea water. These days many countries use desalination plants to meet their potable water requirements.

Intext Questions

1.9 Vapour pressure of pure water at $298 \mathrm{~K}$ is $23.8 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg} .50 \mathrm{~g}$ of urea $\left(\mathrm{NH}_2 \mathrm{CONH}_2\right)$ is dissolved in $850 \mathrm{~g}$ of water. Calculate the vapour pressure of water for this solution and its relative lowering.

1.10 Boiling point of water at $750 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ is $99.63^{\circ} \mathrm{C}$. How much sucrose is to be added to $500 \mathrm{~g}$ of water such that it boils at $100^{\circ} \mathrm{C}$.

1.11 Calculate the mass of ascorbic acid (Vitamin $\mathrm{C}, \mathrm{C} _6 \mathrm{H} _8 \mathrm{O} _6$ ) to be dissolved in $75 \mathrm{~g}$ of acetic acid to lower its melting point by $1.5^{\circ} \mathrm{C} . K _{\mathrm{f}}=3.9 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1}$.

1.12 Calculate the osmotic pressure in pascals exerted by a solution prepared by dissolving $1.0 \mathrm{~g}$ of polymer of molar mass $185,000 \mathrm{in} 450 \mathrm{~mL}$ of water at $37^{\circ} \mathrm{C}$.

1.7 Abnormal Molar Masses

We know that ionic compounds when dissolved in water dissociate into cations and anions. For example, if we dissolve one mole of KCl (74.5 g) in water, we expect one mole each of K+ and Cl– ions to be released in the solution. If this happens, there would be two moles of particles in the solution. If we ignore interionic attractions, one mole of KCl in one kg of water would be expected to increase the boiling point by 2 × 0.52 K = 1.04 K. Now if we did not know about the degree of dissociation, we could be led to conclude that the mass of 2 mol particles is 74.5 g and the mass of one mole of KCl would be 37.25 g. This brings into light the rule that, when there is dissociation of solute into ions, the experimentally determined molar mass is always lower than the true value.

Molecules of ethanoic acid (acetic acid) dimerise in benzene due to hydrogen bonding. This normally happens in solvents of low dielectric constant. In this case the number of particles is reduced due to dimerisation. Association of molecules is depicted as follows:

It can be undoubtedly stated here that if all the molecules of ethanoic acid associate in benzene, then DTb or DTf for ethanoic acid will be half of the normal value. The molar mass calculated on the basis of this DTb or DTf will, therefore, be twice the expected value. Such a molar mass that is either lower or higher than the expected or normal value is called as abnormal molar mass.

In 1880 van’t Hoff introduced a factor i, known as the van’t Hoff factor, to account for the extent of dissociation or association. This factor i is defined as:

$ \begin{aligned} i & =\frac{\text { Normal molar mass }}{\text { Abnormal molar mass }} \\ & =\frac{\text { Observed colligative property }}{\text { Calculated colligative property }} \\ i & =\frac{\text { Total number of moles of particles after association/dissociation }}{\text { Number of moles of particles before association/dissociation }} \end{aligned} $

Here abnormal molar mass is the experimentally determined molar mass and calculated colligative properties are obtained by assuming that the non-volatile solute is neither associated nor dissociated. In case of association, value of i is less than unity while for dissociation it is greater than unity. For example, the value of i for aqueous KCl solution is close to 2, while the value for ethanoic acid in benzene is nearly 0.5

Inclusion of van’t Hoff factor modifies the equations for colligative properties as follows:

Relative lowering of vapour pressure of solvent,

$$ \frac{p_1^o-p_1}{p_1^o}=i \cdot \frac{n_2}{n_1} $$

Elevation of Boiling point, $\Delta T_b=i K_b \mathrm{~m}$ Depression of Freezing point, $\Delta T_f=i K_f \mathrm{~m}$ Osmotic pressure of solution, $\Pi=i n_2 R T / V$

Table 2.4 depicts values of the factor, $i$ for several strong electrolytes. For $\mathrm{KCl}, \mathrm{NaCl}$ and $\mathrm{MgSO}_4, i$ values approach 2 as the solution becomes very dilute. As expected, the value of $i$ gets close to 3 for $\mathrm{K}_2 \mathrm{SO}_4$.

Table 2.4: Values of van’t Hoff factor, $i$, at Various Concentrations for $\mathrm{NaCl}, \mathrm{KCl}, \mathrm{MgSO}_4$ and $\mathrm{K}_2 \mathrm{SO}_4$.

Salt ${ }^{*} \boldsymbol{i}$ Values of van’t Hoff Factor i for complete
$\mathbf{0 . 1} \mathbf{~ m}$ $\mathbf{0 . 0 1} \mathbf{~ m}$ $\mathbf{0 . 0 0 1} \mathbf{~ m}$ dissociation of solute’ $\boldsymbol{i}$ '
$\mathrm{NaCl}$ 1.87 1.94 1.97 2.00
$\mathrm{KCl}$ 1.85 1.94 1.98 2.00
$\mathrm{MgSO} _{4}$ 1.21 1.53 1.82 2.00
$\mathrm{~K} _{2} \mathrm{SO} _{4}$ 2.32 2.70 2.84 3.00

Example 1.12

$2 \mathrm{~g}$ of benzoic acid $\left(\mathrm{C}_6 \mathrm{H}_5 \mathrm{COOH}\right)$ dissolved in $25 \mathrm{~g}$ of benzene shows a depression in freezing point equal to $1.62 \mathrm{~K}$. Molal depression constant for benzene is $4.9 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1}$. What is the percentage association of acid if it forms dimer in solution?

Solution

The given quantities are: $\mathrm{w}_2=2 \mathrm{~g} ; K _{\mathrm{f}}=4.9 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} ; \mathrm{w}_1=25 \mathrm{~g}$, $$ \Delta T_f=1.62 \mathrm{~K} $$

Substituting these values in equation (1.36) we get: $$ M_2=\frac{4.9 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} \times 2 \mathrm{~g} \times 1000 \mathrm{~g} \mathrm{~kg}^{-1}}{25 \mathrm{~g} \times 1.62 \mathrm{~K}}=241.98 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1} $$

Thus, experimental molar mass of benzoic acid in benzene is $=241.98 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Now consider the following equilibrium for the acid: $$ 2 \mathrm{C}_6 \mathrm{H}_5 \mathrm{COOH} \rightleftharpoons\left(\mathrm{C} _6 \mathrm{H} _5 \mathrm{COOH}\right)_2 $$

If $x$ represents the degree of association of the solute then we would have $(1-x) \mathrm{mol}$ of benzoic acid left in unassociated form and correspondingly $\frac{x}{2}$ as associated moles of benzoic acid at equilibrium. Therefore, total number of moles of particles at equilibrium is: $1-x+\frac{x}{2}=1-\frac{x}{2}$

Thus, total number of moles of particles at equilibrium equals van’t Hoff factor $i$

$$ \text { But } i=\frac{\text { Normal molar mass }}{\text { Abnormal molar mass }} $$

$$ \begin{aligned} & =\frac{122 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}{241.98 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}} \ \text { or } \quad \frac{x}{2} & =1-\frac{122}{241.98}=1-0.504=0.496 \ \text { or } \quad x & =2 \times 0.496=0.992 \end{aligned} $$

Therefore, degree of association of benzoic acid in benzene is $99.2 %$.

Example 1.13

$0.6 \mathrm{~mL}$ of acetic acid $\left(\mathrm{CH}_3 \mathrm{COOH}\right)$, having density $1.06 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$, is dissolved in 1 litre of water. The depression in freezing point observed for this strength of acid was $0.0205^{\circ} \mathrm{C}$. Calculate the van’t Hoff factor and the dissociation constant of acid.

Solution

$$ \begin{aligned} & \text { Number of moles of acetic acid } =\frac{0.6 \mathrm{~mL} \times 1.06 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}}{60 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=0.0106 \mathrm{~mol}=n\\ & \text { Molality }=\frac{0.0106 \mathrm{~mol}}{1000 \mathrm{~mL} \times 1 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}}=0.0106 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1} \end{aligned} $$

Using equation (1.35) $$ \Delta T_{\mathrm{f}}=1.86 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} \times 0.0106 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1}=0.0197 \mathrm{~K} $$ van’t Hoff Factor $(i)=\frac{\text { Observed freezing point }}{\text { Calculated freezing point }}=\frac{0.0205 \mathrm{~K}}{0.0197 \mathrm{~K}}=1.041$ Acetic acid is a weak electrolyte and will dissociate into two ions: acetate and hydrogen ions per molecule of acetic acid. If $x$ is the degree of dissociation of acetic acid, then we would have $n(1-x)$ moles of undissociated acetic acid, $n x$ moles of $\mathrm{CH}_3 \mathrm{COO}^{-}$and $n x$ moles of $\mathrm{H}^{+}$ions, $$ \begin{aligned} & \mathrm{CH}_3 \mathrm{COOH} \rightleftharpoons \mathrm{H}^{+}+\mathrm{CH}_3 \mathrm{COO}^{-} \ & n \mathrm{~mol} 00 \ & n(1-x) \quad n x \mathrm{~mol} \quad n x \mathrm{~mol} \ & \end{aligned} $$

Thus total moles of particles are: $n(1-x+x+x)=n(1+x)$ $$ i=\frac{n(1+x)}{n}=1+x=1.041 $$

Thus degree of dissociation of acetic acid $=x=1.041-1.000=0.041$ Then $\left[\mathrm{CH} _3 \mathrm{COOH}\right]=n(1-x)=0.0106(1-0.041)$, $$ \begin{aligned} & {\left[\mathrm{CH} _3 \mathrm{COO}^{-}\right]=n x=0.0106 \times 0.041,\left[\mathrm{H}^{+}\right]=n x=0.0106 \times 0.041 } \ \mathrm{~K} _{\mathrm{a}}= & \frac{\left[\mathrm{CH} _3 \mathrm{COO}^{-}\right]\left[\mathrm{H}^{+}\right]}{\left[\mathrm{CH} _3 \mathrm{COOH}^{+}\right]}=\frac{0.0106 \times 0.041 \times 0.0106 \times 0.041}{0.0106(1.00-0.041)} \ = & 1.86 \times 10^{-5} \end{aligned} $$

Summary

A solution is a homogeneous mixture of two or more substances. Solutions are classified as solid, liquid and gaseous solutions. The concentration of a solution is expressed in terms of mole fraction, molarity, molality and in percentages. The dissolution of a gas in a liquid is governed by Henry’s law, according to which, at a given temperature, the solubility of a gas in a liquid is directly proportional to the partial pressure of the gas. The vapour pressure of the solvent is lowered by the presence of a non-volatile solute in the solution and this lowering of vapour pressure of the solvent is governed by Raoult’s law, according to which the relative lowering of vapour pressure of the solvent over a solution is equal to the mole fraction of a non-volatile solute present in the solution. However, in a binary liquid solution, if both the components of the solution are volatile then another form of Raoult’s law is used. Mathematically, this form of the Raoult’s law is stated as: $p_{\text {total }}=p_{1}^{0} x_{1}+p_{2}^{0} x_{2}$. Solutions which obey Raoult’s law over the entire range of concentration are called ideal solutions. Two types of deviations from Raoult’s law, called positive and negative deviations are observed. Azeotropes arise due to very large deviations from Raoult’s law.

The properties of solutions which depend on the number of solute particles and are independent of their chemical identity are called colligative properties. These are lowering of vapour pressure, elevation of boiling point, depression of freezing point and osmotic pressure. The process of osmosis can be reversed if a pressure higher than the osmotic pressure is applied to the solution. Colligative properties have been used to determine the molar mass of solutes. Solutes which dissociate in solution exhibit molar mass lower than the actual molar mass and those which associate show higher molar mass than their actual values.

Quantitatively, the extent to which a solute is dissociated or associated can be expressed by van’t Hoff factor i. This factor has been defined as ratio of normal molar mass to experimentally determined molar mass or as the ratio of observed colligative property to the calculated colligative property.

Exercise

2.1 Define the term solution. How many types of solutions are formed? Write briefly about each type with an example.

Show Answer

Answer

Homogeneous mixtures of two or more than two components are known as solutions.

There are three types of solutions.

(i) Gaseous solution:

The solution in which the solvent is a gas is called a gaseous solution. In these solutions, the solute may be liquid, solid, or gas. For example, a mixture of oxygen and nitrogen gas is a gaseous solution.

(ii) Liquid solution:

The solution in which the solvent is a liquid is known as a liquid solution. The solute in these solutions may be gas, liquid, or solid.

For example, a solution of ethanol in water is a liquid solution.

(iii) Solid solution:

The solution in which the solvent is a solid is known as a solid solution. The solute may be gas, liquid or solid. For example, a solution of copper in gold is a solid solution.

2.2 Give an example of a solid solution in which the solute is a gas.

Show Answer

Answer

In case a solid solution is formed between two substances (one having very large particles and the other having very small particles), an interstitial solid solution will be formed. For example, a solution of hydrogen in palladium is a solid solution in which the solute is a gas.

2.3 Define the following terms:

(i) Mole fraction

(ii) Molality

(iii) Molarity

(iv) Mass percentage.

Show Answer

Answer

(i) Mole fraction:

The mole fraction of a component in a mixture is defined as the ratio of the number of moles of the component to the total number of moles of all the components in the mixture.

i.e.,

$$ \text{Mole fraction of a component }=\frac{\text { Number of moles of the component }}{\text { Total number of moles of all components }} $$

Mole fraction is denoted by ’ $x$ ‘.

If in a binary solution, the number of moles of the solute and the solvent are $n_{A}$ and $n_{B}$ respectively, then the mole fraction of the solute in the solution is given by,

$x_{A}=\frac{n_{A}}{n_{A}+n_{B}}$

Similarly, the mole fraction of the solvent in the solution is given as:

$x_{B}=\frac{n_{B}}{n_{A}+n_{B}}$

(ii) Molality

Molality (m) is defined as the number of moles of the solute per kilogram of the solvent. It is expressed as:

$\text{Molality (m)}=\frac{\text { Moles of solute }}{\text { Mass of solvent in } \mathrm{kg}}$

(iii) Molarity

Molarity $(M)$ is defined as the number of moles of the solute dissolved in one Litre of the solution.

It is expressed as:

Molarity (M) $=\frac{\text { Moles of solute }}{\text { Volume of solution in Litre }}$

(iv) Mass percentage:

The mass percentage of a component of a solution is defined as the mass of the solute in grams present in $100 \mathrm{~g}$ of the solution. It is expressed as:

$$ \text{Mass $\%$ of a component }=\frac{\text { Mass of component in solution }}{\text { Total mass of solution }} \times 100 $$

2.4 Concentrated nitric acid used in laboratory work is $68 \%$ nitric acid by mass in aqueous solution. What should be the molarity of such a sample of the acid if the density of the solution is $1.504 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$ ?

Show Answer

Answer

Concentrated nitric acid used in laboratory work is $68 \%$ nitric acid by mass in an aqueous solution. This means that $68 \mathrm{~g}$ of nitric acid is dissolved in $100 \mathrm{~g}$ of the solution.

Molar mass of nitric acid $\left(\mathrm{HNO_3}\right)=1 \times 1+1 \times 14+3 \times 16=63 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Then, number of moles of $\mathrm{HNO_3}=\frac{68}{63} \mathrm{~mol}$

$=1.079 \mathrm{~mol}$

Given,

Density of solution $=1.504 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$

$\therefore$ Volume of $100 \mathrm{~g}$ solution $=\frac{100}{1.504} \mathrm{~mL}$

$=66.49 \mathrm{~mL}$

$=66.49 \times 10^{-3} \mathrm{~L}$

Molarity of solution $=\frac{1.079 \mathrm{~mol}}{66.49 \times 10^{-3} \mathrm{~L}}$

$=16.23 \mathrm{M}$

2.5 A solution of glucose in water is labelled as $10 \% \mathrm{w} / \mathrm{w}$, what would be the molality and mole fraction of each component in the solution? If the density of solution is $1.2 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$, then what shall be the molarity of the solution?

Show Answer

Answer

$10 \% \mathrm{w} / \mathrm{w}$ solution of glucose in water means that $10 \mathrm{~g}$ of glucose in present in $100 \mathrm{~g}$ of the solution i.e., $10 \mathrm{~g}$ of glucose is present in $(100-10) \mathrm{g}=90 \mathrm{~g}$ of water.

Molar mass of glucose $\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}\right)=6 \times 12+12 \times 1+6 \times 16=180 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$$ \text{Then, number of moles of glucose }=\frac{10}{180} \mathrm{~mol} $$

$=0.056 \mathrm{~mol}$

$\therefore$ Molality of solution $\quad=\frac{0.056 \mathrm{~mol}}{0.09 \mathrm{~kg}}=0.62 \mathrm{~m}$

Number of moles of water $=\frac{90 \mathrm{~g}}{18 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}$

$=5 \mathrm{~mol}$

$$ \begin{aligned} \Rightarrow \text { Mole fraction of glucose } \left(x_{\mathrm{g}}\right) & =\frac{0.056}{0.056+5} \\ \quad & =0.011 \end{aligned} $$

And, mole fraction of water $x_{\mathrm{w}}=1-x_{\mathrm{g}}$

$=1-0.011$

$=0.989$

If the density of the solution is $1.2 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$, then the volume of the $100 \mathrm{~g}$ solution can be given as:

$=\frac{100 \mathrm{~g}}{1.2 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}}$

$=83.33 \mathrm{~mL}$

$=83.33 \times 10^{-3} \mathrm{~L}$

$\therefore$ Molarity of the solution $=\frac{0.056 \mathrm{~mol}}{83.33 \times 10^{-3} \mathrm{~L}}$

$=0.67 \mathrm{M}$

2.6 How many $\mathrm{mL}$ of $0.1 \mathrm{M} \mathrm{HCl}$ are required to react completely with $1 \mathrm{~g}$ mixture of $\mathrm{Na_2} \mathrm{CO_3}$ and $\mathrm{NaHCO_3}$ containing equimolar amounts of both?

Show Answer

Answer

Let the amount of $\mathrm{Na_2} \mathrm{CO_3}$ in the mixture be $x \mathrm{~g}$.

Then, the amount of $\mathrm{NaHCO_3}$ in the mixture is $(1-x) \mathrm{g}$.

Molar mass of $\mathrm{Na_2} \mathrm{CO_3}=2 \times 23+1 \times 12+3 \times 16$

$=106 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$\therefore$ Number of moles $\mathrm{Na_2} \mathrm{CO_3}=\frac{x}{106} \mathrm{~mol}$

Molar mass of $\mathrm{NaHCO_3}=1 \times 23+1 \times 1 \times 12+3 \times 16$

$=84 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$\therefore$ Number of moles of $\mathrm{NaHCO_3}=\frac{1-x}{84} \mathrm{~mol}$

According to the question,

$\frac{x}{106}=\frac{1-x}{84}$

$\Rightarrow 84 x=106-106 x$

$\Rightarrow 190 x=106$

$\Rightarrow x=0.5579$

Therefore, number of moles of $\mathrm{Na_2} \mathrm{CO_3}=\frac{0.5579}{106} \mathrm{~mol}$

$=0.0053 \mathrm{~mol}$

And, number of moles of $\mathrm{NaHCO_3}=\frac{1-0.5579}{84}$ $=0.0053 \mathrm{~mol}$

$\mathrm{HCl}$ reacts with $\mathrm{Na_2} \mathrm{CO_3}$ and $\mathrm{NaHCO_3}$ according to the following equation.

$\underset{\mathrm{2~mol}}{2 \mathrm{HCl}}+ \underset{\mathrm{1~mol}}{\mathrm{Na_2} \mathrm{CO_3}} \longrightarrow 2 \mathrm{NaCl}+\mathrm{H_2} \mathrm{O}+\mathrm{CO_2}$

$\underset{\mathrm{1~mol}}{\mathrm{HCl}}+\underset{\mathrm{1~mol}}{\mathrm{NaHCO_3}} \longrightarrow \mathrm{NaCl}+\mathrm{H_2} \mathrm{O}+\mathrm{CO_2}$

$1 \quad 1 $

1 mol of $\mathrm{Na_2} \mathrm{CO_3}$ reacts with $2 \mathrm{~mol}$ of $\mathrm{HCl}$.

Therefore, $0.0053 \mathrm{~mol}$ of $\mathrm{Na_2} \mathrm{CO_3}$ reacts with $2 \times 0.0053 \mathrm{~mol}=0.0106 \mathrm{~mol}$.

Similarly, 1 mol of $\mathrm{NaHCO_3}$ reacts with $1 \mathrm{~mol}$ of $\mathrm{HCl}$.

Therefore, $0.0053 \mathrm{~mol}$ of $\mathrm{NaHCO_3}$ reacts with $0.0053 \mathrm{~mol}$ of $\mathrm{HCl}$.

Total moles of $\mathrm{HCl}$ required $=(0.0106+0.0053) \mathrm{mol}$

$=0.0159 \mathrm{~mol}$

In $0.1 \mathrm{M}$ of $\mathrm{HCl}$,

$0.1 \mathrm{~mol}$ of $\mathrm{HCl}$ is preset in $1000 \mathrm{~mL}$ of the solution.

Therefore, $0.0159 \mathrm{~mol}$ of $\mathrm{HCl}$ is present in

$$ \frac{1000 \times 0.0159}{0.1} \mathrm{~mol} $$

$=159 \mathrm{~mL}$ of the solution

Hence, $159 \mathrm{~mL}$ of $0.1 \mathrm{M}$ of $\mathrm{HCl}$ is required to react completely with $1 \mathrm{~g}$ mixture of $\mathrm{Na_2} \mathrm{CO_3}$ and $\mathrm{NaHCO_3,}$, containing equimolar amounts of both.

2.7 A solution is obtained by mixing $300 \mathrm{~g}$ of $25 \%$ solution and $400 \mathrm{~g}$ of $40 \%$ solution by mass. Calculate the mass percentage of the resulting solution.

Show Answer

Answer

Total amount of solute present in the mixture is given by,

$300 \times \frac{25}{100}+400 \times \frac{40}{100}$

$=75+160$

$=235 \mathrm{~g}$

Total amount of solution $=300+400=700 \mathrm{~g}$

Therefore, mass percentage (w/w) of the solute in the resulting solution,

$$ =\frac{235}{700} \times 100 \% $$

$=33.57 \%$

And, mass percentage ( $w / w$ ) of the solvent in the resulting solution,

$=(100-33.57) \%$

$=66.43 \%$

2.8 An antifreeze solution is prepared from $222.6 \mathrm{~g}$ of ethylene glycol $\left(\mathrm{C_2} \mathrm{H_6} \mathrm{O_2}\right)$ and $200 \mathrm{~g}$ of water. Calculate the molality of the solution. If the density of the solution is $1.072 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$, then what shall be the molarity of the solution?

Show Answer

Answer

Molar mass of ethylene glycol $\left[\mathrm{C_2} \mathrm{H_4}(\mathrm{OH})_{2}\right]=2 \times 12+6 \times 1+2 \times 16$

$=62 \mathrm{gmol}^{-1}$

Number of moles of ethylene glycol

$$ =\frac{222.6 \mathrm{~g}}{62 \mathrm{gmol}^{-1}} $$

$=3.59 \mathrm{~mol}$

Therefore, molality of the solution

$$ =\frac{3.59 \mathrm{~mol}}{0.200 \mathrm{~kg}} $$

$=17.95 \mathrm{~m}$

Total mass of the solution $=(222.6+200) \mathrm{g}$

$=422.6 \mathrm{~g}$

Given,

Density of the solution $=1.072 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$

$\therefore$ Volume of the solution $=\frac{422.6 \mathrm{~g}}{1.072 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}}$

$=394.22 \mathrm{~mL}$

$=0.3942 \times 10^{-3} \mathrm{~L}$

$\Rightarrow$ Molarity of the solution $=\frac{3.59 \mathrm{~mol}}{0.39422 \times 10^{-3} \mathrm{~L}}$

$=9.11 \mathrm{M}$

2.9 A sample of drinking water was found to be severely contaminated with chloroform $\left(\mathrm{CHCl_3}\right)$ supposed to be a carcinogen. The level of contamination was 15 ppm (by mass):

(i) express this in percent by mass

(ii) determine the molality of chloroform in the water sample.

Show Answer

Answer

(i) 15 ppm (by mass) means 15 parts per million $\left(10^{6}\right)$ of the solution.

Therefore, percent by mass $=\frac{15}{10^{6}} \times 100 \%$

$=1.5 \times 10^{-3} \%$

(ii) Molar mass of chloroform $\left(\mathrm{CHCl_3}\right)=1 \times 12+1 \times 1+3 \times 35.5$

$=119.5 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Now, according to the question,

$15 \mathrm{~g}$ of chloroform is present in $10^{6} \mathrm{~g}$ of the solution.

i.e., $15 \mathrm{~g}$ of chloroform is present in $\left(10^{6}-15\right) /10^{6} \mathrm{~g}$ of water.

$\therefore$ Molality of the solution $=\frac{\frac{15}{119.5} \mathrm{~mol}}{10^{6} \times 10^{-3} \mathrm{~kg}}$

$=1.26 \times 10^{-4} \mathrm{~m}$

2.10 What role does the molecular interaction play in a solution of alcohol and water?

Show Answer

Answer

In pure alcohol and water, the molecules are held tightly by a strong hydrogen bonding. The interaction between the molecules of alcohol and water is weaker than alcohol-alcohol and water-water interactions. As a result, when alcohol and water are mixed, the intermolecular interactions become weaker and the molecules can easily escape. This increases the vapour pressure of the solution, which in turn lowers the boiling point of the resulting solution.

2.11 Why do gases always tend to be less soluble in liquids as the temperature is raised?

Show Answer

Answer

Solubility of gases in liquids decreases with an increase in temperature. This is because dissolution of gases in liquids is an exothermic process.

Gas + Liquid $\longrightarrow$ Solution + Heat

Therefore, when the temperature is increased, heat is supplied and the equilibrium shifts backwards, thereby decreasing the solubility of gases.

2.12 State Henry’s law and mention some important applications.

Show Answer

Answer

Henry’s law states that partial pressure of a gas in the vapour phase is proportional to the mole fraction of the gas in the solution. If $p$ is the partial pressure of the gas in the vapour phase and $x$ is the mole fraction of the gas, then Henry’s law can be expressed as:

$p=K_{\mathrm{H}} x$

Where,

$K_{\mathrm{H}}$ is Henry’s law constant

Some important applications of Henry’s law are mentioned below.

(i) Bottles are sealed under high pressure to increase the solubility of $\mathrm{CO_2}$ in soft drinks and soda water.

(ii) Henry’s law states that the solubility of gases increases with an increase in pressure. Therefore, when a scuba diver dives deep into the sea, the increased sea pressure causes the nitrogen present in air to dissolve in his blood in great amounts. As a result, when he comes back to the surface, the solubility of nitrogen again decreases and the dissolved gas is released, leading to the formation of nitrogen bubbles in the blood. This results in the blockage of capillaries and leads to a medical condition known as ‘bends’ or ‘decompression sickness’.

Hence, the oxygen tanks used by scuba divers are filled with air and diluted with helium to avoid bends.

(iii) The concentration of oxygen is low in the blood and tissues of people living at high altitudes such as climbers. This is because at high altitudes, partial pressure of oxygen is less than that at ground level. Low-blood oxygen causes climbers to become weak and disables them from thinking clearly. These are symptoms of anoxia.

2.13 The partial pressure of ethane over a solution containing $6.56 \times 10^{-3} \mathrm{~g}$ of ethane is 1 bar. If the solution contains $5.00 \times 10^{-2} \mathrm{~g}$ of ethane, then what shall be the partial pressure of the gas?

Show Answer

Answer

Molar mass of ethane $\left(\mathrm{C_2} \mathrm{H_6}\right)=2 \times 12+6 \times 1$

$=30 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$\therefore$ Number of moles present in $6.56 \times 10^{-3} \mathrm{~g}$ of ethane $=\frac{6.56 \times 10^{-3}}{30}$

$=2.187 \times 10^{-4} \mathrm{~mol}$

Let the number of moles of the solvent be $x$.

According to Henry’s law,

$$ \begin{aligned} & p=K_{H} X \\ & \Rightarrow 1 \text { bar }=K_{H} \cdot \frac{2.187 \times 10^{-4}}{2.187 \times 10^{-4}+x} \\ & \Rightarrow 1 \text { bar }=K_{H} \cdot \frac{2.187 \times 10^{-4}}{x}\left(\text { Since } x > > 2.187 \times 10^{-4}\right) \\ & \Rightarrow K_{H}=\frac{x}{2.187 \times 10^{-4}} \text { bar } \end{aligned} $$

2.14 What is meant by positive and negative deviations from Raoult’s law and how is the sign of $\Delta_{\text {mix }} \mathrm{H}$ related to positive and negative deviations from Raoult’s law?

Show Answer

Answer

According to Raoult’s law, the partial vapour pressure of each volatile component in any solution is directly proportional to its mole fraction. The solutions which obey Raoult’s law over the entire range of concentration are known as ideal solutions. The solutions that do not obey Raoult’s law (non-ideal solutions) have vapour pressures either higher or lower than that predicted by Raoult’s law. If the vapour pressure is higher, then the solution is said to exhibit positive deviation, and if it is lower, then the solution is said to exhibit negative deviation from Raoult’s law.

Vapour pressure of a two-component solution showing positive deviation from Raoult’s law

Vapour pressure of a two-component solution showing negative deviation from Raoult’s law

In the case of an ideal solution, the enthalpy of the mixing of the pure components for forming the solution is zero.

$\Delta_{\text {sol }} H=0$

In the case of solutions showing positive deviations, absorption of heat takes place.

$\therefore \Delta_{\text {sol }} H=$ Positive

In the case of solutions showing negative deviations, evolution of heat takes place.

$\therefore \Delta_{\text {sol }} H=$ Negative

2.15 An aqueous solution of $2 \%$ non-volatile solute exerts a pressure of 1.004 bar at the normal boiling point of the solvent. What is the molar mass of the solute?

Show Answer

Answer

Here,

Vapour pressure of the solution at normal boiling point $\left(p_{1}\right)=1.004$ bar

Vapour pressure of pure water at normal boiling point $\left(p_{1}^{0}\right)=1.013$ bar

Mass of solute, $\left(w_{2}\right)=2 \mathrm{~g}$

Mass of solvent (water), $\left(w_{1}\right)=98 \mathrm{~g}$

Molar mass of solvent (water), $\left(M_{1}\right)=18 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

According to Raoult’s law,

$\frac{p_{1}^{0}-p_{1}}{p_{1}^{0}}=\frac{w_{2} \times M_{1}}{M_{2} \times w_{1}}$

$\Rightarrow \frac{1.013-1.004}{1.013}=\frac{2 \times 18}{M_{2} \times 98}$

$\Rightarrow \frac{0.009}{1.013}=\frac{2 \times 18}{M_{2} \times 98}$

$\Rightarrow M_{2}=\frac{1.013 \times 2 \times 18}{0.009 \times 98}$

$=41.35 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Hence, the molar mass of the solute is $41.35 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$.

2.16 Heptane and octane form an ideal solution. At $373 \mathrm{~K}$, the vapour pressures of the two liquid components are $105.2 \mathrm{kPa}$ and $46.8 \mathrm{kPa}$ respectively. What will be the vapour pressure of a mixture of $26.0 \mathrm{~g}$ of heptane and $35 \mathrm{~g}$ of octane?

Show Answer

Answer

Vapour pressure of heptane $\left(p_{1}^{0}\right)=105.2 \mathrm{kPa}$

Vapour pressure of octane $\left(p_{2}^{0}\right)=46.8 \mathrm{kPa}$

We know that,

Molar mass of heptane $\left(\mathrm{C_7} \mathrm{H_16}\right)=7 \times 12+16 \times 1$

$=100 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$\therefore$ Number of moles of heptane $=\frac{26}{100} \mathrm{~mol}$

$=0.26 \mathrm{~mol}$

Molar mass of octane $\left(\mathrm{C_8} \mathrm{H_18}\right)=8 \times 12+18 \times 1$

$=114 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$\therefore$ Number of moles of octane $=\frac{35}{114} \mathrm{~mol}$

$=0.31 \mathrm{~mol}$

Mole fraction of heptane, $x_{1}=\frac{0.26}{0.26+0.31}$

$=0.456$

And, mole fraction of octane, $x_{2}=1-0.456$

$=0.544$

Now, partial pressure of heptane, $p_{1}=x_{1} p_{1}^{0}$

$=0.456 \times 105.2$

$=47.97 \mathrm{kPa}$

Partial pressure of octane, $p_{2}=x_{2} p_{2}^{0}$

$=0.544 \times 46.8$

$=25.46 \mathrm{kPa}$

Hence, vapour pressure of solution, $p_{\text {total }}=p_{1}+p_{2}$

$=47.97+25.46$

$=73.43 \mathrm{kPa}$

1.17 The vapour pressure of water is $12.3 \mathrm{kPa}$ at $300 \mathrm{~K}$. Calculate vapour pressure of 1 molal solution of a non-volatile solute in it.

Show Answer

Answer

1 molal solution means $1 \mathrm{~mol}$ of the solute is present in $1000 \mathrm{~g}$ of the solvent (water).

Molar mass of water $=18 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$\therefore$ Number of moles present in $1000 \mathrm{~g}$ of water $=\frac{1000}{18}$

$=55.56 \mathrm{~mol}$

Therefore, mole fraction of the solute in the solution is

$x_{2}=\frac{1}{1+55.56}=0.0177$

It is given that,

Vapour pressure of water, $p_{1}^{0}=12.3 \mathrm{kPa}$

Applying the relation, $\frac{p_{1}^{0}-p_{1}}{p_{1}^{0}}=x_{2}$

$\Rightarrow \frac{12.3-p_{1}}{12.3}=0.0177$

$\Rightarrow 12.3-p_{1}=0.2177$

$\Rightarrow p_{1}=12.0823$

$=12.08 \mathrm{kPa}$ (approximately)

Hence, the vapour pressure of the solution is $12.08 \mathrm{kPa}$.

2.18 Calculate the mass of a non-volatile solute (molar mass $40 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$ ) which should be dissolved in $114 \mathrm{~g}$ octane to reduce its vapour pressure to $80 \%$.

Show Answer

Answer

Let the vapour pressure of pure octane be $p_{1}^{0}$.

Then, the vapour pressure of the octane after dissolving the non-volatile solute is $\frac{80}{100} p_{1}^{0}=0.8 p_{1}^{0}$.

Molar mass of solute, $M_{2}=40 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Mass of octane, $w_{1}=114 \mathrm{~g}$

Molar mass of octane, $\left(\mathrm{C_8} \mathrm{H_18}\right), M_{1}=8 \times 12+18 \times 1$

$=114 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Applying the relation,

$ \begin{aligned} & \frac{p_{1}^{0}-p_{1}}{p_{1}^{0}}=\frac{w_{2} \times M_{1}}{M_{2} \times w_{1}} \\ & \Rightarrow \frac{p_{1}^{0}-0.8 p_{1}^{0}}{p_{1}^{0}}=\frac{w_{2} \times 114}{40 \times 114} \end{aligned} $

$\Rightarrow \frac{0.2 p_{1}^{0}}{p_{1}^{0}}=\frac{w_{2}}{40}$

$\Rightarrow 0.2=\frac{w_{2}}{40}$

$\Rightarrow w_{2}=8 \mathrm{~g}$

Hence, the required mass of the solute is $8 \mathrm{~g}$.

2.19 A solution containing $30 \mathrm{~g}$ of non-volatile solute exactly in $90 \mathrm{~g}$ of water has a vapour pressure of $2.8 \mathrm{kPa}$ at $298 \mathrm{~K}$. Further, $18 \mathrm{~g}$ of water is then added to the solution and the new vapour pressure becomes $2.9 \mathrm{kPa}$ at $298 \mathrm{~K}$. Calculate:

(i) molar mass of the solute

(ii) vapour pressure of water at $298 \mathrm{~K}$.

Show Answer

Answer

(i) Let, the molar mass of the solute be $\mathrm{M} \mathrm{g} \mathrm{mol}^{-1}$

$$ n_{1}=\frac{90 \mathrm{~g}}{18 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=5 \mathrm{~mol} $$

Now, the no. of moles of solvent (water),

$$ n_{2}=\frac{30 \mathrm{~g}}{\mathrm{M} \mathrm{mol}^{-1}}=\frac{30}{\mathrm{M}} \mathrm{mol} $$

And, the no. of moles of solute,

$$ p_{1}=2.8 \mathrm{kPa} $$

Applying the relation:

$$ \begin{align*} & \frac{p_{1}^{0}-p_{1}}{p_{1}^{0}}=\frac{n_{2}}{n_{1}+n_{2}} \\ \\ & \Rightarrow \frac{p_{1}^{0}-2.8}{p_{1}^{0}}=\frac{\frac{30}{\mathrm{M}}}{5+\frac{30}{\mathrm{M}}} \\ \\ & \Rightarrow 1-\frac{2.8}{p_{1}^{0}}=\frac{\frac{30}{\mathrm{M}}+30}{\mathrm{M}} \\ \\ & \Rightarrow 1-\frac{2.8}{p_{1}^{0}}=\frac{30}{5 \mathrm{M}+30} \\ \\ & \Rightarrow \frac{2.8}{p_{1}^{0}}=1-\frac{30}{5 \mathrm{M}+30} \\ \\ & \Rightarrow \frac{2.8}{p_{1}^{0}}=\frac{5 \mathrm{M}+30-30}{5 \mathrm{M}+30} \\ \\ & \Rightarrow \frac{2.8}{p_{1}^{0}}=\frac{5 \mathrm{M}}{5 \mathrm{M}+30} \\ \\ & \Rightarrow \frac{p^{0}}{2.8} =\frac{5 \mathrm{M}+30}{5 \mathrm{M}} \tag{i} \\ \\ \end{align*} $$

After the addition of $18 \mathrm{~g}$ of water:

$$ \begin{aligned} & n_{1}=\frac{90+18 \mathrm{~g}}{18}=6 \mathrm{~mol} \\ & p_{1}=2.9 \mathrm{kPa} \end{aligned} $$

Again, applying the relation:

$$ \begin{align*} & \frac{p_{1}^{0}-p_{1}}{p_{1}^{0}}=\frac{n_{2}}{n_{1}+n_{2}} \\ \\ & \Rightarrow \frac{p_{1}^{0}-2.9}{p_{1}^{0}}=\frac{\frac{30}{\mathrm{M}}}{6+\frac{30}{\mathrm{M}}} \\ \\ & \Rightarrow 1-\frac{2.9}{p_{1}^{0}}=\frac{\frac{30}{\mathrm{M}}}{\frac{6 \mathrm{M}+30}{\mathrm{M}}} \\ \\ & \Rightarrow 1-\frac{2.9}{p_{1}^{0}}=\frac{30}{6 \mathrm{M}+30} \\ \\ & \Rightarrow \frac{2.9}{p_{1}^{0}}=1-\frac{30}{6 \mathrm{M}+30} \\ \\ & \Rightarrow \frac{2.9}{p_{1}^{0}}=\frac{6 \mathrm{M}+30-30}{6 \mathrm{M}+30} \\ \\ & \Rightarrow \frac{2.9}{p_{1}^{0}}=\frac{6 \mathrm{M}}{6 \mathrm{M}+30} \\ \\ & \Rightarrow \frac{p_{1}^{0}}{2.9}=\frac{6 \mathrm{M}+30}{6 \mathrm{M}} \tag{ii} \end{align*} $$

Dividing equation (i)by (ii), we have:

$$ \begin{aligned} & \frac{2.9}{2.8}=\frac{\frac{5 \mathrm{M}+30}{5 \mathrm{M}}}{\frac{6 \mathrm{M}+30}{6 \mathrm{M}}} \\ \\ & \Rightarrow \frac{2.9}{2.8} \times \frac{6 \mathrm{M}+30}{6}=\frac{5 \mathrm{M}+30}{5} \\ \\ & \Rightarrow 2.9 \times 5 \times(6 \mathrm{M}+30)=2.8 \times 6 \times(5 \mathrm{M}+30) \\ \\ & \Rightarrow 87 \mathrm{M}+435=84 \mathrm{M}+504 \\ \\ & \Rightarrow 3 \mathrm{M}=69 \\ \\ & \Rightarrow \mathrm{M}=23 \mathrm{u} \end{aligned} $$

Therefore, the molar mass of the solute is $23 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$.

(ii) Putting the value of ‘M’ in equation (i), we have:

$$ \begin{aligned} & \frac{p_{1}^{0}}{2.8}=\frac{5 \times 23+30}{5 \times 23} \\ \\ & \Rightarrow \frac{p_{1}^{0}}{2.8}=\frac{145}{115} \\ \\ & \Rightarrow p_{1}^{0}=3.53 \end{aligned} $$

Hence, the vapour pressure of water at $298 \mathrm{~K}$ is $3.53 \mathrm{kPa}$.

2.20 A $5 \%$ solution (by mass) of cane sugar in water has freezing point of $271 K$. Calculate the freezing point of $5 \%$ glucose in water if freezing point of pure water is $273.15 \mathrm{~K}$.

Show Answer

Answer

Here, $\Delta T_{f}=(273.15-271) \mathrm{K}$

$=2.15 \mathrm{~K}$

Molar mass of sugar $\left(\mathrm{C_12} \mathrm{H_22} \mathrm{O_11}\right)=12 \times 12+22 \times 1+11 \times 16$

$=342 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$5 \%$ solution (by mass) of cane sugar in water means $5 \mathrm{~g}$ of cane sugar is present in $(100-5) \mathrm{g}=95 \mathrm{~g}$ of water.

Now, number of moles of cane sugar

$$ =\frac{5}{342} \mathrm{~mol} $$

$=0.0146 \mathrm{~mol}$

Therefore, molality of the solution,

$$ m=\frac{0.0146 \mathrm{~mol}}{0.095 \mathrm{~kg}} $$

$=0.1537 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1}$

Applying the relation,

$\Delta T_{f}=K_{f} \times m$

$ \begin{aligned} \Rightarrow K_{f} & =\frac{\Delta T_{f}}{m} \\ & =\frac{2.15 \mathrm{~K}}{0.1537 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1}} \end{aligned} $

$=13.99 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1}$

Molar of glucose $\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}\right)=6 \times 12+12 \times 1+6 \times 16$

$=180 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$5 \%$ glucose in water means $5 \mathrm{~g}$ of glucose is present in $(100-5) \mathrm{g}=95 \mathrm{~g}$ of water.

$\therefore$ Number of moles of glucose $=\frac{5}{180} \mathrm{~mol}$

$=0.0278 \mathrm{~mol}$

Therefore, molality of the solution,

$$ m=\frac{0.0278 \mathrm{~mol}}{0.095 \mathrm{~kg}} $$

$=0.2926 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1}$

Applying the relation,

$\Delta T_{f}=K_{f} \times m$

$=13.99 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} \times 0.2926 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1}$

$=4.09 \mathrm{~K}$ (approximately)

Hence, the freezing point of $5 \%$ glucose solution is ($273.15$ - 4.09) K= $269.06 \mathrm{~K}$.

2.21 Two elements $A$ and $B$ form compounds having formula $A B_{2}$ and $A B_{4}$. When dissolved in $20 \mathrm{~g}$ of benzene $\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_6}\right), 1 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{AB_2}$ lowers the freezing point by $2.3 \mathrm{~K}$ whereas $1.0 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{AB_4}$ lowers it by $1.3 \mathrm{~K}$. The molar depression constant for benzene is $5.1 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1}$. Calculate atomic masses of $\mathrm{A}$ and $\mathrm{B}$.

Show Answer

Answer

We know that, $M_{2}=\frac{1000 \times w_{2} \times k_{f}}{\Delta T_{f} \times w_{1}}$

Then, $M_{\mathrm{AB_2}}=\frac{1000 \times 1 \times 5.1}{2.3 \times 20}$

$=110.87 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$M_{\mathrm{AB_4}}=\frac{1000 \times 1 \times 5.1}{1.3 \times 20}$

$=196.15 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Now, we have the molar masses of $\mathrm{AB_2}$ and $\mathrm{AB_4}$ as $110.87 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$ and $196.15 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$ respectively.

Let the atomic masses of $A$ and $B$ be $x$ and $y$ respectively.

Now, we can write:

$x+2 y=110.87\quad \quad \quad \quad \text{(i)}$

$x+4 y=196.15\quad \quad \quad \quad \text{(ii)}$

Subtracting equation (i) from (ii), we have

$2 y=85.28$

$\Rightarrow y=42.64$

Putting the value of ’ $y$ ’ in equation (1), we have

$x+2 \times 42.64=110.87$

$\Rightarrow x=25.59$

Hence, the atomic masses of $A$ and $B$ are $25.59 \mathrm{u}$ and $42.64 \mathrm{u}$ respectively.

2.22 At $300 \mathrm{~K}, 36 \mathrm{~g}$ of glucose present in a litre of its solution has an osmotic pressure of 4.98 bar. If the osmotic pressure of the solution is 1.52 bars at the same temperature, what would be its concentration?

Show Answer

Answer

Here,

$T=300 \mathrm{~K}$

$\pi=1.52$ bar

$\mathrm{R}=0.083$ bar L K ${ }^{-1} \mathrm{~mol}^{-1}$

Applying the relation,

$\pi=C R T$

$ \begin{aligned} \Rightarrow C & =\frac{\pi}{\mathrm{R} T} \\ & =\frac{1.52 \mathrm{bar}}{0.083 \mathrm{bar} \mathrm{L} \mathrm{K}^{-1} \mathrm{~mol}^{-1} \times 300 \mathrm{~K}} \end{aligned} $

$=0.061 \mathrm{~mol}$

Since the volume of the solution is $1 \mathrm{~L}$, the concentration of the solution would be $0.061 \mathrm{M}$.

2.23 Suggest the most important type of intermolecular attractive interaction in the following pairs.

(i) n-hexane and n-octane

(ii) $\mathrm{I_2}$ and $\mathrm{CCl_4}$

(iii) $\mathrm{NaClO_4}$ and water

(iv) methanol and acetone

(v) acetonitrile $\left(\mathrm{CH_3} \mathrm{CN}\right)$ and acetone $\left(\mathrm{C_3} \mathrm{H_6} \mathrm{O}\right)$.

Show Answer

Answer

(i) Van der Wall’s forces of attraction.

(ii) Van der Wall’s forces of attraction.

(iii) Ion-diople interaction.

(iv) Dipole-dipole interaction.

(v) Dipole-dipole interaction.

2.24 Based on solute-solvent interactions, arrange the following in order of increasing solubility in n-octane and explain. Cyclohexane, $\mathrm{KCl}, \mathrm{CH_3} \mathrm{OH}, \mathrm{CH_3} \mathrm{CN}$.

Show Answer

Answer

$n$-octane is a non-polar solvent. Therefore, the solubility of a non-polar solute is more than that of a polar solute in the $n$-octane.

The order of increasing polarity is:

Cyclohexane $<\mathrm{CH_3} \mathrm{CN}<\mathrm{CH_3} \mathrm{OH}<\mathrm{KCl}$

Therefore, the order of increasing solubility is:

$\mathrm{KCl}<\mathrm{CH_3} \mathrm{OH}<\mathrm{CH_3} \mathrm{CN}<$ Cyclohexane

2.25 Amongst the following compounds, identify which are insoluble, partially soluble and highly soluble in water?

(i) phenol

(ii) toluene

(iii) formic acid

(iv) ethylene glycol

(v) chloroform

(vi) pentanol.

Show Answer

Answer

(i) Phenol $\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_5} \mathrm{OH}\right)$ has the polar group $-\mathrm{OH}$ and non-polar group $-\mathrm{C_6} \mathrm{H_5}$. Thus, phenol is partially soluble in water.

(ii) Toluene $\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_5}-\mathrm{CH_3}\right)$ has no polar groups. Thus, toluene is insoluble in water.

(iii) Formic acid $(\mathrm{HCOOH})$ has the polar group - $\mathrm{OH}$ and can form $\mathrm{H}$-bond with water. Thus, formic acid is highly soluble in water.

(iv) Ethylene glycol has polar - $\mathrm{OH}$ group and can form $\mathrm{H}$-bond. Thus, it is highly soluble in water.

(v) Chloroform is insoluble in water.

(vi) Pentanol $\left(\mathrm{C_5} \mathrm{H_11} \mathrm{OH}\right)$ has polar $-\mathrm{OH}$ group, but it also contains a very bulky non-polar $-\mathrm{C_5} \mathrm{H_11}$ group. Thus, pentanol is partially soluble in water.

2.26 If the density of some lake water is $1.25 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$ and contains $92 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{Na}^{+}$ ions per $\mathrm{kg}$ of water, calculate the molarity of $\mathrm{Na}^{+}$ ions in the lake.

Show Answer

Answer

Number of moles present in $92 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{Na}^{+}$ions $=\frac{92 \mathrm{~g}}{23 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}$

$=4 \mathrm{~mol}$

Therefore, molality of $\mathrm{Na}^{+}$ions in the lake $=\frac{4 \mathrm{~mol}}{1 \mathrm{~kg}}$

$=4 \mathrm{~m}$

2.27 If the solubility product of CuS is $6 \times 10^{-16}$, calculate the maximum molarity of CuS in aqueous solution.

Show Answer

Answer

Solubility product of CuS, $K_{\mathrm{sp}}=6 \times 10^{-16}$

Let $s$ be the solubility of CuS in $\mathrm{mol}^{-1}$.

$\mathrm{CuS} \leftrightarrow \mathrm{Cu}^{2+}+\mathrm{S}^{2-}$

Now, $K_{s p}=\left[\mathrm{Cu}^{2+}\right]\left[\mathrm{S}^{2-}\right]$

$=s \times s$

$=s^{2}$

Then, we have, $K_{\mathrm{sp}}=s^{2}=6 \times 10^{-16}$

$\Rightarrow s=\sqrt{6 \times 10^{-16}}$

$=2.45 \times 10^{-8} \mathrm{~mol} \mathrm{~L}^{-1}$

Hence, the maximum molarity of CuS in an aqueous solution is $2.45 \times 10^{-8} \mathrm{~mol} \mathrm{~L}^{-1}$.

2.28 Calculate the mass percentage of aspirin $\left(\mathrm{C_9} \mathrm{H_8} \mathrm{O_4}\right)$ in acetonitrile $\left(\mathrm{CH_3} \mathrm{CN}\right)$ when $6.5 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{C_9} \mathrm{H_8} \mathrm{O_4}$ is dissolved in $450 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{CH_3} \mathrm{CN}$.

Show Answer

Answer

$6.5 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{C_9} \mathrm{H_8} \mathrm{O_4}$ is dissolved in $450 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{CH_3} \mathrm{CN}$.

Then, total mass of the solution $=(6.5+450) \mathrm{g}$

$=456.5 \mathrm{~g}$

Therefore, mass percentage of $\mathrm{C_9} \mathrm{H_8} \mathrm{O_4}$

$$ =\frac{6.5}{456.5} \times 100 \% $$

$=1.424 \%$

2.29 Nalorphene $\left(\mathrm{C_19} \mathrm{H_21} \mathrm{NO_3}\right)$, similar to morphine, is used to combat withdrawal symptoms in narcotic users. Dose of nalorphene generally given is $1.5 \mathrm{mg}$. Calculate the mass of $1.5 \times 10^{-3} \mathrm{~m}$ aqueous solution required for the above dose.

Show Answer

Answer

The molar mass of nalorphene $\left(\mathrm{C_19} \mathrm{H_21} \mathrm{NO_3}\right)$ is given as:

$19 \times 12+21 \times 1+1 \times 14+3 \times 16=311 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

In $1.5 \times 10^{-3} \mathrm{~m}$ aqueous solution of nalorphene,

$1 \mathrm{~kg}(1000 \mathrm{~g})$ of water contains $1.5 \times 10^{-3} \mathrm{~mol}=1.5 \times 10^{-3} \times 311 \mathrm{~g}$

$=0.4665 \mathrm{~g}$

Therefore, total mass of the solution $=(1000+0.4665) \mathrm{g}$

$=1000.4665 \mathrm{~g}$

This implies that the mass of the solution containing $0.4665 \mathrm{~g}$ of nalorphene is $1000.4665 \mathrm{~g}$.

Therefore, mass of the solution containing $1.5 \mathrm{mg}$ of nalorphene is:

$$ \begin{aligned} & \frac{1000.4665 \times 1.5 \times 10^{-3}}{0.4665} \mathrm{~g} \\ & =3.22 \mathrm{~g} \end{aligned} $$

Hence, the mass of aqueous solution required is $3.22 \mathrm{~g}$.

Note:There is a slight variation in this answer and the one given in the NCERT textbook.

2.30 Calculate the amount of benzoic acid $\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_5} \mathrm{COOH}\right)$ required for preparing 250 $\mathrm{mL}$ of $0.15 \mathrm{M}$ solution in methanol.

Show Answer

Answer

$0.15 \mathrm{M}$ solution of benzoic acid in methanol means,

$1000 \mathrm{~mL}$ of solution contains $0.15 \mathrm{~mol}$ of benzoic acid

Therefore, $250 \mathrm{~mL}$ of solution contains $=\frac{0.15 \times 250}{1000}$ mol of benzoic acid

$=0.0375 \mathrm{~mol}$ of benzoic acid

Molar mass of benzoic acid $\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_5} \mathrm{COOH}\right)=7 \times 12+6 \times 1+2 \times 16$

$=122 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Hence, required benzoic acid $=0.0375 \mathrm{~mol} \times 122 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$=4.575 \mathrm{~g}$

2.31 The depression in freezing point of water observed for the same amount of acetic acid, trichloroacetic acid and trifluoroacetic acid increases in the order given above. Explain briefly.

Show Answer

Answer

Among $\mathrm{H}, \mathrm{Cl}$, and $\mathrm{F}, \mathrm{H}$ is least electronegative while $\mathrm{F}$ is most electronegative. Then, $\mathrm{F}$ can withdraw electrons towards itself more than $\mathrm{Cl}$ and $\mathrm{H}$. Thus, trifluoroacetic acid can easily lose $\mathrm{H}^{+}$ions i.e., trifluoroacetic acid ionizes to the largest extent. Now, the more ions produced, the greater is the depression of the freezing point. Hence, the depression in the freezing point increases in the order:

Acetic acid < trichloroacetic acid < trifluoroacetic acid

2.32 Calculate the depression in the freezing point of water when $10 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{CHClCOOH}$ is added to $250 \mathrm{~g}$ of water. $\mathrm{K_\mathrm{a}}=1.4 \times 10^{-3}, K_{\mathrm{f}}=1.86$

Show Answer

Answer

Molar mass of $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{CHClCOOH}=15+14+13+35.5+12+16+16+1$

$=122.5 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$\therefore$ No. of moles present in $10 \mathrm{~g}$ of

$$ \mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{CHClCOOH}=\frac{10 \mathrm{~g}}{122.5 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}} $$

$=0.0816 \mathrm{~mol}$

It is given that $10 \mathrm{~g}$ of

$\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{CHClCOOH}$ is added to $250 \mathrm{~g}$ of water.

$\therefore$ Molality of the solution,

$$ =\frac{0.0186}{250} \times 1000 $$

$=0.3264 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1}$

Let $a$ be the degree of dissociation of $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{CHClCOOH}$.

$\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{CHClCOOH}$ undergoes dissociation according to the following equation:

$ \begin{array}{lcccc} & \mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{CHClCOOH} &\leftrightarrow &\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{CHClCOO}^{-}& +\mathrm{H}^{+} \\ \text{Initial conc. } & \mathrm{C} \text{mol L}^{-1} & & 0 & 0 \\ \text{At equilibrium } & \mathrm{C1-\alpha} & & \mathrm{C\alpha} & \mathrm{C\alpha} \end{array} $

$ \begin{aligned} & \therefore K_{a}=\frac{C \alpha \cdot C \alpha}{C(1-\alpha)} \\ & =\frac{C \alpha^{2}}{1-\alpha} \end{aligned} $

Since $\alpha$ is very small with respect to $1,1-\alpha$

Now,

$ K_{a}=\frac{C \alpha^{2}}{1} $

$\Rightarrow K_{a}=C \alpha^{2}$

$\Rightarrow \alpha=\sqrt{\frac{K_{a}}{C}}$

$$ \begin{aligned} & =\sqrt{\frac{1.4 \times 10^{-3}}{0.3264}} \quad\left(\because K_{a}=1.4 \times 10^{-3}\right) \\ & =0.0655 \end{aligned} $$

Again,

$ \begin{array}{lcccc} & \mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{CHClCOOH} &\leftrightarrow &\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{CHClCOO}^{-}& +\mathrm{H}^{+} \\ \text{Initial conc. } & 1 & & 0 & 0 \\ \text{At equilibrium } & \mathrm{1-\alpha} & & \mathrm{\alpha} & \mathrm{\alpha} \end{array} $

Initial moles 1 0 0
At equilibrium $1-\alpha$ $\alpha$ $\alpha$

Total moles of equilibrium $=1-\alpha+\alpha+\alpha$

$$ \begin{aligned} & =1+\alpha \\ & \therefore i=\frac{1+\alpha}{1} \\ & =1+\alpha \\ & =1+0.0655 \\ & =1.0655 \end{aligned} $$

Hence, the depression in the freezing point of water is given as:

$$ \begin{aligned} & \Delta T_{f}=i . K_{f} m \\ & =1.0655 \times 1.86 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} \times 0.3264 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1} \\ & =0.65 \mathrm{~K} \end{aligned} $$

2.33 $19 .5 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{CH_2} \mathrm{FCOOH}$ is dissolved in $500 \mathrm{~g}$ of water. The depression in the freezing point of water observed is $1.0^{\circ} \mathrm{C}$. Calculate the van’t Hoff factor and dissociation constant of fluoroacetic acid.

Show Answer

Answer

It is given that:

$w_{1}=500 \mathrm{~g}$

$w_{2}=19.5 \mathrm{~g}$

$K_{f}=1.86 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1}$

$\Delta T_{f}=1 \mathrm{~K}$

We know that:

$M_{2}=\frac{K_{f} \times w_{2} \times 1000}{\Delta T_{f} \times w_{1}}$

$=\frac{1.86 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} \times 19.5 \mathrm{~g} \times 1000 \mathrm{~g} \mathrm{~kg}^{-1}}{500 \mathrm{~g} \times 1 \mathrm{~K}}$

$=72.54 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Therefore, observed molar mass of $\mathrm{CH_2} \mathrm{FCOOH},\left(M_{2}\right)_{\text {obs }}=72.54 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}$

The calculated molar mass of $\mathrm{CH_2} \mathrm{FCOOH_\text {is: }}$

$\left(M_{2}\right)_{\text {cal }}=14+19+12+16+16+1$

$=78 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$=\frac{78 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}{72.54 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}$

$=1.0753$

Let abe the degree of dissociation of $\mathrm{CH_2} \mathrm{FCOOH}$

$ \begin{array}{lcccc} & \mathrm{CH_2} \mathrm{FCOOH} &\leftrightarrow &\mathrm{CH_2} \mathrm{FCOO}^{-}& +\mathrm{H}^{+} \\ \text{Initial conc. } & \mathrm{C} \text{mol L}^{-1} & & 0 & 0 \\ \text{At equilibrium } & \mathrm{C1-\alpha} & & \mathrm{C\alpha} & \mathrm{C\alpha} \end{array} $

$\text { Total }=\mathrm{C}(1+\alpha)$

$$ \begin{aligned} & \therefore i=\frac{C(1+\alpha)}{C} \\ \\ & \Rightarrow i=1+\alpha \\ \\ & \Rightarrow \alpha=i-1 \\ \\ & =1.0753-1 \\ \\ & =0.0753 \end{aligned} $$

Now, the value of $K_{a}$ is given as:

$$ \begin{aligned} K_{a} & =\frac{\left[\mathrm{CH_2} \mathrm{FCOO}^{-}\right]\left[\mathrm{H}^{+}\right]}{\left[\mathrm{CH_2} \mathrm{FCOOH}\right]} \\ \\ = & \frac{C \alpha \cdot C \alpha}{C(1-\alpha)} \\ \\ = & \frac{C \alpha^{2}}{1-\alpha} \end{aligned} $$

Taking the volume of the solution as $500 \mathrm{~mL}$, we have the concentration:

$$ \begin{aligned} & C=\frac{\frac{19.5}{78}}{500} \times 1000 \mathrm{M} \\ \\ & =0.5 \mathrm{M} \\ \\ & \qquad K_{a}=\frac{C \alpha^{2}}{1-\alpha} \\ \\ & \text { Therefore, } \\ \\ & =\frac{0.5 \times(0.0753)^{2}}{1-0.0753} \\ \\ & =\frac{0.5 \times 0.00567}{0.9247} \\ \\ & =0.00307 \text { (approximately) } \\ \\ & =3.07 \times 10^{-3} \end{aligned} $$

2.34 Vapour pressure of water at $293 \mathrm{~K}$ is $17.535 \mathrm{~mm}$ Hg. Calculate the vapour pressure of water at $293 \mathrm{~K}$ when $25 \mathrm{~g}$ of glucose is dissolved in $450 \mathrm{~g}$ of water.

Show Answer

Answer

Vapour pressure of water, $p_{1}^{0}=17.535 \mathrm{~mm}$ of $\mathrm{Hg}$

Mass of glucose, $w_{2}=25 \mathrm{~g}$

Mass of water, $w_{1}=450 \mathrm{~g}$

We know that,

Molar mass of glucose $\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}\right), M_{2}=6 \times 12+12 \times 1+6 \times 16$

$=180 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Molar mass of water, $M_{1}=18 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Then, number of moles of glucose, $\quad n_{2}=\frac{25}{180 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}$

$=0.139 \mathrm{~mol}$

And, number of moles of water,

$$ n_{1}=\frac{450 \mathrm{~g}}{18 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}} $$

$=25 \mathrm{~mol}$

We know that,

$\frac{p_{1}^{0}-p_{1}}{p_{1}^{0}}=\frac{n_{1}}{n_{2}+n_{1}}$

$\Rightarrow \frac{17.535-p_{1}}{17.535}=\frac{0.139}{0.139+25}$

$\Rightarrow 17.535-p_{1}=\frac{0.139 \times 17.535}{25.139}$

$\Rightarrow 17.535-p_{1}=0.097$

$\Rightarrow p_{1}=17.44 \mathrm{~mm}$ of $\mathrm{Hg}$

Hence, the vapour pressure of water is $17.44 \mathrm{~mm}$ of $\mathrm{Hg}$.

2.35 Henry’s law constant for the molality of methane in benzene at $298 \mathrm{~K}$ is $4.27 \times 10^{5} \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$. Calculate the solubility of methane in benzene at $298 \mathrm{~K}$ under $760 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$.

Show Answer

Answer

Here,

$p=760 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$

$\mathrm{k_\mathrm{H}}=4.27 \times 10^{5} \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$

According to Henry’s law,

$p=\mathrm{k_\mathrm{H}} \mathrm{X}$

$\Rightarrow x=\frac{p}{k_{\mathrm{H}}}$

$ =\frac{760 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}}{4.27 \times 10^{5} \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}} $

$=177.99 \times 10^{-5}$

$=178 \times 10^{-5}$ (approximately)

Hence, the mole fraction of methane in benzene is $178 \times 10^{-5}$.

2.36 $100 \mathrm{~g}$ of liquid A (molar mass $140 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$ ) was dissolved in $1000 \mathrm{~g}$ of liquid $\mathrm{B}$ (molar mass $180 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$ ). The vapour pressure of pure liquid $\mathrm{B}$ was found to be 500 torr. Calculate the vapour pressure of pure liquid $A$ and its vapour pressure in the solution if the total vapour pressure of the solution is 475 Torr.

Show Answer

Answer

Number of moles of liquid A, $\quad n_{\mathrm{A}}=\frac{100}{140} \mathrm{~mol}$

$=0.714 \mathrm{~mol}$

Number of moles of liquid $B$,

$$ n_{\mathrm{B}}=\frac{1000}{180} \mathrm{~mol} $$

$=5.556 \mathrm{~mol}$

Then, mole fraction of $\mathrm{A}$,

$$ x_{\mathrm{A}}=\frac{n_{\mathrm{A}}}{n_{\mathrm{A}}+n_{\mathrm{B}}} $$

$=\frac{0.714}{0.714+5.556}$

$=0.114$

And, mole fraction of $\mathrm{B}, x_{\mathrm{B}}=1-0.114$

$=0.886$

Vapour pressure of pure liquid $\mathrm{B}, p_{\mathrm{B}}^{0}=500$ torr

Therefore, vapour pressure of liquid $B$ in the solution,

$$ p_{\mathrm{B}}=p_{\mathrm{B}}^{0} x_{\mathrm{B}} $$

$=500 \times 0.886$ $=443$ torr

Total vapour pressure of the solution, $p_{\text {total }}=475$ torr

$\therefore$ Vapour pressure of liquid $\mathrm{A}$ in the solution,

$p_{\mathrm{A}}=p_{\text {total }}-p_{\mathrm{B}}$

$=475-443$

$=32$ torr

Now,

$ \begin{aligned} p_{\mathrm{A}} & =p_{\mathrm{A}}^{0} x_{\mathrm{A}} \\ \\ \Rightarrow p_{\mathrm{A}}^{0} & =\frac{p_{\mathrm{A}}}{x_{\mathrm{A}}} \\ \\ & =\frac{32}{0.114} \end{aligned} $

$=280.7$ torr

Hence, the vapour pressure of pure liquid A is 280.7 torr.

2.37 Vapour pressures of pure acetone and chloroform at $328 \mathrm{~K}$ are $741.8 \mathrm{~mm}$ $\mathrm{Hg}$ and $632.8 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ respectively. Assuming that they form ideal solution over the entire range of composition, plot $p_{\text {total }}, p_{\text {chloroform }}$, and $p_{\text {acetone }}$ as a function of $x_{\text {acetone }}$. The experimental data observed for different compositions of mixture is:

$100 \times x_{\text {acetone }}$ 0 11.8 23.4 36.0 50.8 58.2 64.5 72.1
$\mathrm{p_\text {acetone }} / \mathrm{mm} \mathrm{Hg}$ 0 54.9 110.1 202.4 322.7 405.9 454.1 521.1
$\mathrm{p_\text {chloroform }} / \mathrm{mm} \mathrm{Hg}$ 632.8 548.1 469.4 359.7 257.7 193.6 161.2 120.7

Plot this data also on the same graph paper. Indicate whether it has positive deviation or negative deviation from the ideal solution.

Show Answer

Answer

From the question, we have the following data

$\mathbf{1 0 0} \times \boldsymbol{X_\text {actone }}$ 0 11.8 23.4 36.0 50.8 58.2 64.5 72.1
$\mathbf{p_\text {acetone }} / \mathbf{m m} \mathbf{H g}$ 0 54.9 110.1 202.4 322.7 405.9 454.1 521.1
$\mathbf{p_\text {chloroform }} / \mathbf{m m} \mathbf{H g}$ 632.8 548.1 469.4 359.7 257.7 193.6 161.2 120.7
$\mathbf{p_\text {tota }}(\mathbf{m m} \mathbf{H g})$ 632.8 603.0 579.5 562.1 580.4 599.5 615.3 641.8

It can be observed from the graph that the plot for the $p_{\text {total }}$ of the solution curves downwards. Therefore, the solution shows negative deviation from the ideal behaviour.

2.38 Benzene and toluene form ideal solution over the entire range of composition. The vapour pressure of pure benzene and toluene at $300 \mathrm{~K}$ are $50.71 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ and $32.06 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ respectively. Calculate the mole fraction of benzene in vapour phase if $80 \mathrm{~g}$ of benzene is mixed with $100 \mathrm{~g}$ of toluene.

Show Answer

Answer

Molar mass of benzene $\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_6}\right)=6 \times 12+6 \times 1$

$=78 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Molar mass of toluene $\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_5} \mathrm{CH_3}\right)=7 \times 12+8 \times 1$

$=92 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Now, no. of moles present in $80 \mathrm{~g}$ of benzene $=\frac{80}{78} \mathrm{~mol}=1.026 \mathrm{~mol}$

And, no. of moles present in $100 \mathrm{~g}$ of toluene $=\frac{100}{92} \mathrm{~mol}=1.087 \mathrm{~mol}$

$\therefore$ Mole fraction of benzene, $x_{b}=\frac{1.026}{1.026+1.087}=0.486$

And, mole fraction of toluene, $x_{t}=1-0.486=0.514$

It is given that vapour pressure of pure benzene, $p_{b}^{0}=50.71 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$

And, vapour pressure of pure toluene, $p_{t}^{0}=32.06 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$

Therefore, partial vapour pressure of benzene, $p_{b}=x_{b} \times p_{b}$

$=0.486 \times 50.71$

$=24.645 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$

And, partial vapour pressure of toluene, $p_{t}=x_{t} \times p_{t}$

$=0.514 \times 32.06$

$=16.479 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$

Hence, mole fraction of benzene in vapour phase is given by:

$ \begin{aligned} & \frac{p_{b}}{p_{b}+p_{t}} \\ & =\frac{24.645}{24.645+16.479} \\ & =\frac{24.645}{41.124} \\ & =0.599 \\ & =0.6 \end{aligned} $

2.39 The air is a mixture of a number of gases. The major components are oxygen and nitrogen with approximate proportion of $20 \%$ is to $79 \%$ by volume at 298 $K$. The water is in equilibrium with air at a pressure of $10 \mathrm{~atm}$. At $298 \mathrm{~K}$ if the Henry’s law constants for oxygen and nitrogen at $298 \mathrm{~K}$ are $3.30 \times 10^{7} \mathrm{~mm}$ and $6.51 \times 10^{7} \mathrm{~mm}$ respectively, calculate the composition of these gases in water.

Show Answer

Answer

Percentage of oxygen $\left(\mathrm{O_2}\right)$ in air $=20 \%$

Percentage of nitrogen $\left(\mathrm{N_2}\right)$ in air $=79 \%$

Also, it is given that water is in equilibrium with air at a total pressure of $10 \mathrm{~atm}$, that is, $(10 \times 760) \mathrm{mm} \mathrm{Hg}=7600 \mathrm{~mm}$ $\mathrm{Hg}$

Therefore,

Partial pressure of oxygen, $p_{\mathrm{O_2}}=\frac{20}{100} \times 7600 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$

$=1520 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$

Partial pressure of nitrogen,

$$ p_{\mathrm{N_2}}=\frac{79}{100} \times 7600 \mathrm{mmHg} $$

$=6004 \mathrm{mmHg}$

Now, according to Henry’s law:

$p=K_{\mathrm{H}} \cdot X$

For oxygen:

$$ \begin{aligned} p_{\mathrm{O_2}}= & K_{\mathrm{H}} \cdot x_{\mathrm{O_2}} \\ \Rightarrow x_{\mathrm{O_2}} & =\frac{p_{\mathrm{O_2}}}{K_{\mathrm{H}}} \\ & \left.=\frac{1520 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}}{3.30 \times 10^{7} \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}} \quad \text { (Given } K_{\mathrm{H}}=3.30 \times 10^{7} \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}\right) \\ & =4.61 \times 10^{-5} \end{aligned} $$

For nitrogen:

$$ \begin{aligned} p_{\mathrm{N_2}}= & K_{\mathrm{H}} \cdot x_{\mathrm{N_2}} \\ \Rightarrow x_{\mathrm{N_2}} & =\frac{p_{\mathrm{N_2}}}{K_{\mathrm{H}}} \\ & =\frac{6004 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}}{6.51 \times 10^{7} \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}} \\ & =9.22 \times 10^{-5} \end{aligned} $$

Hence, the mole fractions of oxygen and nitrogen in water are $4.61 \times 10^{-5}$ and $9.22 \times 10^{-5}$ respectively.

2.40 Determine the amount of $\mathrm{CaCl_2}(i=2.47)$ dissolved in 2.5 litre of water such that its osmotic pressure is $0.75 \mathrm{~atm}$ at $27^{\circ} \mathrm{C}$.

Show Answer

Answer

We know that,

$\pi=i \frac{n}{V} \mathrm{R} T$

$\Rightarrow \pi=i \frac{w}{M V} \mathrm{R} T$

$\Rightarrow w=\frac{\pi M V}{i \mathrm{R} T}$ $\pi=0.75 \mathrm{~atm}$

$V=2.5 \mathrm{~L}$

$i=2.47$

$T=(27+273) \mathrm{K}=300 \mathrm{~K}$

Here,

$\mathrm{R}=0.0821 \mathrm{~L} \mathrm{~atm} \mathrm{~K}^{-1} \mathrm{~mol}^{-1}$

$M=1 \times 40+2 \times 35.5$

$=111 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Therefore, $w=\frac{0.75 \times 111 \times 2.5}{2.47 \times 0.0821 \times 300}$

$=3.42 \mathrm{~g}$

Hence, the required amount of $\mathrm{CaCl_2}$ is $3.42 \mathrm{~g}$.

2.41 Determine the osmotic pressure of a solution prepared by dissolving $25 \mathrm{mg}$ of $\mathrm{K_2} \mathrm{SO_4}$ in 2 litre of water at $25^{\circ} \mathrm{C}$, assuming that it is completely dissociated.

Show Answer

Answer

When $\mathrm{K_2} \mathrm{SO_4}$ is dissolved in water, $\mathrm{K}^{+}$and $\mathrm{SO_4}^{2-}$ ions are produced.

$\mathrm{K_2} \mathrm{SO_4} \longrightarrow 2 \mathrm{~K}^{+}+\mathrm{SO_4}^{2-}$

Total number of ions produced $=3$

$\therefore i=3$

Given,

$w=25 \mathrm{mg}=0.025 \mathrm{~g}$

$V=2 \mathrm{~L}$

$T=25^{\circ} \mathrm{C}=(25+273) \mathrm{K}=298 \mathrm{~K}$

Also, we know that:

$\mathrm{R}=0.0821 \mathrm{~L} \mathrm{~atm} \mathrm{~K}^{-1} \mathrm{~mol}^{-1}$

$M=(2 \times 39)+(1 \times 32)+(4 \times 16)=174 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

Appling the following relation,

$ \begin{aligned} \pi & =i \frac{n}{v} \mathrm{R} T \\ & =i \frac{w}{M} \frac{1}{v} \mathrm{R} T \\ & =3 \times \frac{0.025}{174} \times \frac{1}{2} \times 0.0821 \times 298 \\ & =5.27 \times 10^{-3} \mathrm{~atm} \end{aligned} $

शरीर में लगभग सभी प्रक्रम किसी न किसी विलयन में घटित होते हैं।

सामान्य जीवन में हम बहुत कम शुद्ध पदार्थों से परिचित होते हैं। अधिकांशतः ये दो या अधिक शुद्ध पदार्थों के मिश्रण होते हैं। उनका जीवन में उपयोग तथा महत्व उनके संगठन पर निर्भर करता है। जैसे, पीतल (जिंक व निकैल का मिश्रण) के गुण जर्मन सिल्वर (कॉपर, जिंक व निकैल का मिश्रण) अथवा काँसे (ताँबे एवं टिन का मिश्रण) से अलग होते हैं। जल में उपस्थित फ्लुओराइड आयनों की $1.0 \mathrm{ppm}$ मात्रा दंत क्षरण को रोकती है। जबकि इसकी $1.5 \mathrm{ppm}$ मात्रा दाँतों के कर्बुरित (पीलापन) होने का कारण होती है तथा फ्लुओराइड आयनों की अधिक सांद्रता जहरीली हो सकती है (उदाहरणार्थ — सोडियम फ्लुओराइड का चूहों के लिए जहर के रूप में उपयोग); अंतशिरा इंजेक्शन हमेशा लवणीय जल में एक निश्चित आयनिक सांद्रता पर घोले जाते हैं जो रक्त प्लाज्मा की सांद्रता के सदृश होती हैं, इत्यादि कुछ उदाहरण हैं।

इस एकक में हम मुख्यतः द्रवीय विलयनों तथा उनको बनाने की विधियों पर विचार करेंगे तत्पश्चात् हम उनके गुणों जैसे वाष्पदाब व अणुसंख्य गुणधर्म का अध्ययन करेंगे। हम विलयनों के प्रकार से प्रारम्भ करेंगे और फिर द्रव विलयनों में उपस्थित विलेय की सांद्रता को व्यक्त करने के विभिन्न विकल्पों को जानेंगे।

1.1 विलयनों के प्रकार

विलयन दो या दो से अधिक अवयवों का समांगी मिश्रण होता है। समांगी मिश्रण से हमारा तात्पर्य है कि मिश्रण में सभी जगह इसका संघटन व गुण एक समान होते हैं। सामान्यतः जो अवयव अधिक मात्रा में उपस्थित होता है, वह विलायक कहलाता है। विलायक विलयन की भौतिक अवस्था निर्धारित करता है, जिसमें विलयन विद्यमान होता है। विलयन में विलायक के अतिरिक्त उपस्थित एक या अधिक अवयव विलेय कहलाते हैं। इस एकक में हम केवल द्विअंगी विलयनों (जिनमें दो अवयव हों) का अध्ययन करेंगे। यहाँ प्रत्येक अवयव ठोस, द्रव अथवा गैस अवस्था में हो सकता है। जिनका संक्षिप्त विवरण सारणी 1.1 में दिया गया है।

सारणी 1.1 - विलयनों के प्रकार

विलयनों के प्रकार विलेय विलायव सामान्य उदाहरण
गैसीय विलयन गैस
द्रव
ठोस
गैस
गैस
गैस
ऑक्सीजन व नाइट्रोजन गैस का मिश्रण
क्लोरोफॉर्म को नाइट्रोजन गैस में मिश्रित किया जाए
कपूर का नाइट्रोजन गैस में विलयन
द्रव विलयन गैस
द्रव
ठोस
द्रव
द्रव
द्रव
जल में घुली हुई ऑक्सीजन
जल में घुली हुई एथेनॉल
जल में घुला हुआ ग्लूकोस
ठोस विलयन गैस
द्रव
ठोस
ठोस
ठोस
ठोस
हाइड्रोजन का पैलेडियम में विलयन
पारे का सोडियम के साथ अमलगम
ताँबे का सोने में विलयन

1.2 विलयनों की शांढ़ता को व्यक्त करना

किसी विलयन का संघटन उसकी सांद्रता से व्यक्त किया जा सकता है। सांद्रता को गुणात्मक रूप से या मात्रात्मक रूप से व्यक्त किया जा सकता है। उदाहरणार्थ, गुणात्मक रूप से हम कह सकते हैं कि विलयन तनु है (अर्थात् विलेय की अपेक्षाकृत बहुत कम मात्रा) अथवा यह सांद्र है (अर्थात् विलेय की अपेक्षाकृत बहुत अधिक मात्रा) परंतु वास्तविकता में इस तरह का वर्णन अत्यधिक भ्रम उत्पन्न करता है। अतः विलयनों का मात्रात्मक रूप में वर्णन करने की आवश्यकता होती है।

विलयनों की सांद्रता का मात्रात्मक वर्णन हम कई प्रकार से कर सकते हैं।

(i) द्रव्यमान प्रतिशत ( $w / w$ ) विलयनों के अवयवों को द्रव्यमान प्रतिशत में निम्न प्रकार से परिभाषित किया जाता है-

$\text { अवयव का द्रव्यमान } \%$

$$ \begin{equation*} =\frac{\text { विलयन में उपस्थित अवयव का द्रव्यमान }}{\text { विलयन का कुल द्रव्यमान }} \times 100 \tag{1.1} \end{equation*} $$

उदाहरणार्थ, यदि एक विलयन का वर्णन, जल में $10 \%$ ग्लूकोस का द्रव्यमान, के रूप में किया जाए तो इसका तात्पर्य यह है कि $10 \mathrm{~g}$ ग्लूकोस को $90 \mathrm{~g}$ जल में घोलने पर $100 \mathrm{~g}$ विलयन प्राप्त हुआ। द्रव्यमान प्रतिशत में व्यक्त सांद्रता का उपयोग सामान्य रासायनिक उद्योगों के अनुप्रयोगों में किया जाता है। उदाहरणार्थ व्यावसायिक ब्लीचिंग विलयन में सोडियम हाइपोक्लोराइट का जल में 3.62 द्रव्यमान प्रतिशत होता है।

(ii) आयतन प्रतिशत $( V / V)$ आयतन प्रतिशत को निम्न प्रकार से परिभाषित किया जाता है-

अवयव का प्रतिशत आयतन $=\frac{\text { अवयव का आयतन }}{\text { विलयन का कुल आयतन }} \times 100 \quad 1.2 $

उदाहरणार्थ; एथेनॉल का जल में $10 \%$ विलयन का तात्पर्य है कि $10 \mathrm{~mL}$ एथेनॉल को इतने जल में इतना घोलते हैं कि विलयन का कुल आयतन $100 \mathrm{~mL}$ हो जाए। द्रवीय विलयनों को सामान्यतः इस मात्रक में प्रदर्शित किया जाता है। उदाहरणार्थ, एथिलीन ग्लाइकॉल का $35 \%(V / V)$ विलयन वाहनों के इंजन को ठंडा करने के काम में आता है। इस सांद्रता पर हिमरोधी; जल के हिमांक को $255.4 \mathrm{~K}\left(-17.6{ }^{\circ} \mathrm{C}\right)$ तक कम कर देता है।

( iii ) द्रव्यमान-आयतन प्रतिशत (w/V) एक अन्य इकाई (मात्रक) जो औषधियों व फार्मेसी में सामान्यतः उपयोग में आती है। वह है $100 \mathrm{~mL}$ विलयन में घुले हुए विलेय का द्रव्यमान।

(iv) पार्ट्स पर ( प्रति) मिलियन ( पी.पी.एम.) जब विलेय की मात्रा अत्यंत सूक्ष्म हो तो सांद्रता को पार्स्स पर मिलियन (ppm) में प्रदर्शित करना उपयुक्त रहता है-

$$ \begin{equation*} \text { पाटर्स पर (प्रति) मिलियन }= \frac{\text { अवयव के भागों की संख्या }}{\text { विलयन में उपस्थित सभी अवयवों के कुल भागों की संख्या }} \times 10^{6} \tag{2.3} \end{equation*} $$

प्रतिशत की भाँति ppm (पार्र्स पर मिलियन) सांद्रता को भी द्रव्यमान - द्रव्यमान, आयतन - आयतन व द्रव्यमान - आयतन में प्रदर्शित किया जा सकता है। एक लीटर ( 1030 g) समुद्री जल में $6 \times 10^{-3} \mathrm{~g}$ ऑक्सीजन $\left(\mathrm{O} _{2}\right)$ घुली होती है। इतनी कम सांद्रता को 5.8 $\mathrm{g}$ प्रति $10^{6} \mathrm{~g}$ समुद्री जल $(5.8 \mathrm{ppm})$ से भी व्यक्त किया जा सकता है। जल अथवा वायुमंडल में प्रदूषकों की सांद्रता को प्राय: $\mu \mathrm{g} \mathrm{mL}^{-1}$ अथवा $\mathrm{ppm}$ में प्रदर्शित किया जाता है।

( $v$ ) मोल-अंश $x$ को सामान्यतः मोल-अंश के संकेत के रूप में उपयोग करते हैं और $x$ के दाईं ओर नीचे लिखी हुई संख्या उसके अवयवों को प्रदर्शित करती है-

$ \begin{equation*} \text { अवयव का मोल-अंश }=\frac{\text { अवयव के मोलों की संख्या }}{\text { सभी अवयवों के कुल मोलों की संख्या }} \tag{1.4} \end{equation*} $

उदाहरणार्थ, एक द्विअंगी विलयन में यदि $\mathrm{A}$ व $\mathrm{B}$ अवयवों के मोल क्रमशः $n _{\mathrm{A}}$ व $n _{\mathrm{B}}$ हों तो $\mathrm{A}$ का मोल-अंश होगा-

$$ \begin{equation*} x _{\mathrm{A}}=\frac{n _{\mathrm{A}}}{n _{\mathrm{A A}}+n _{\mathrm{B}}} \tag{1.5} \end{equation*} $$

$i$ अवयवों वाले विलयन में -

$$ \begin{equation*} x _{i}=\frac{n _{i}}{n _{1}+n _{2}+\ldots \ldots .+n _{i}}=\frac{n _{i}}{n _{t}} \tag{1.6} \end{equation*} $$

यह दर्शाया जा सकता है कि दिए गए विलयन में उपस्थित सभी अवयवों के मोल-अंशों का योग एक होता है अर्थात्-

$$ \begin{equation*} x _{1}+x _{2}+\ldots \ldots \ldots \ldots \ldots \ldots .+x _{i}=1 \tag{1.7} \end{equation*} $$

मोल-अंश इकाई, विलयनों के भौतिक गुणों में संबंध दर्शाने में बहुत उपयोगी है जैसे विलयनों की सांद्रता का वाष्पदाब के साथ संबंध दर्शाने में तथा इसका उपयोग गैसीय मिश्रणों के लिए आवश्यक गणना की व्याख्या करने में भी है।

उदाहरण 1.1 एथिलीन ग्लाइकॉल $\left(\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{6} \mathrm{O} _{2}\right)$ के मोल-अंश की गणना करो यदि विलयन में $\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{6} \mathrm{O} _{2}$ का $20 \%$ द्रव्यमान उपस्थित हो।

हल माना कि हमारे पास $100 \mathrm{~g}$ विलयन है। (हम विलयन की किसी भी मात्रा से प्रारंभ कर सकते हैं क्योंकि परिणाम समान ही होगा।) विलयन में $20 \mathrm{~g}$ एथिलीन ग्लाइकॉल व $80 \mathrm{~g}$ जल होगा।

$\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{6} \mathrm{O} _{2}$ का आण्विक द्रव्यमान $=(12 \times 2)+(1 \times 6)+(16 \times 2)=62 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{6} \mathrm{O} _{2}$ के $\mathrm{mol}=\frac{20 \mathrm{~g}}{62 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=0.322 \mathrm{~mol}$

जल के $\mathrm{mol}=\frac{80 \mathrm{~g}}{18 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=4.444 \mathrm{~mol}$

$x _{\text {ग्लाइक्रॉल }}=\frac{\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{6} \mathrm{O} _{2} \text { के } \mathrm{mol}}{\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{6} \mathrm{O} _{2} \text { के } \mathrm{mol}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \text { के } \mathrm{mol}}$

$=\frac{0.322 \mathrm{~mol}}{0.322 \mathrm{~mol}+4.444 \mathrm{~mol}}=0.068$ इसी प्रकार,

$ x_{\text {जल }}=\frac{4.444 \mathrm{~mol}}{0.322 \mathrm{~mol}+4.444 \mathrm{~mol}}=0.932 $

जल के मोल-अंश की गणना निम्नलिखित प्रकार से भी की जा सकती है। $1-0.068=0.932$

(vi) मोलरता एक लीटर ( 1 क्यूबिक डेसीमीटर) विलयन में घुले हुए विलेय के मोलों की संख्या को उस विलयन की मोलरता $(M)$ कहते हैं।

$ \begin{equation*} \text { मोलरता }=\frac{\text { विलेय के मोल }}{\text { विलयन का लीटर में आयतन }} \tag{1.8} \end{equation*} $

उदाहरणार्थ $\mathrm{NaOH}$ के $0.25 \mathrm{~mol} \mathrm{~L}^{-1}(0.25 \mathrm{M})$ विलयन का तात्पर्य है कि $\mathrm{NaOH}$ के 0.25 मोल को 1 लीटर (एक क्यूबिक डेसीमीटर) विलयन में घोला गया है।

उदाहरण 1.2

उस विलयन की मोलरता की गणना कीजिए, जिसमें $5 \mathrm{~g} \mathrm{NaOH}, 450 \mathrm{~mL}$ विलयन में घुला हुआ है।

हल

$\mathrm{NaOH}$ के मोल $=\frac{5 \mathrm{~g}}{40 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=0.125 \mathrm{~mol}$

विलयन का लीटर में आयतन $=\frac{450 \mathrm{~mL}}{1000 \mathrm{~mL} \mathrm{~L}^{-1}}$

समीकरण (1.8) का उपयोग करने पर

$$ \begin{aligned} \text { मोलरता } & =\frac{0.125 \mathrm{~mol} \times 1000 \mathrm{~mL} \mathrm{~L}^{-1}}{450 \mathrm{~mL}} \\ & =0.278 \mathrm{M} \\ & =0.278 \mathrm{~mol} \mathrm{~L}^{-1} \\ & =0.278 \mathrm{~mol} \mathrm{dm}^{-3} \end{aligned} $$

( vii ) मोललता किसी विलयन की मोललता $(\mathrm{m}) 1 \mathrm{~kg}$ विलायक में उपस्थित विलेय के मोलों की संख्या के रूप में परिभाषित की जाती है और इसे निम्न प्रकार से व्यक्त करते हैं-

$$ मोललता ({m})=\frac{\text { विलेय के मोल }}{\text { विलायक का किलोग्राम में द्रव्यमान }} \tag{1.9}$$

उदाहरणार्थ, $1.00 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1}(1.00 \mathrm{~m}) \mathrm{KCl}$ का जलीय विलयन से तात्पर्य है कि $1 \mathrm{~mol}(74.5 \mathrm{~g}) \mathrm{KCl}$ को $1 \mathrm{~kg}$ जल में घोला गया है।

विलयनों की सांद्रता व्यक्त करने की प्रत्येक विधि के अपने-अपने गुण एवं दोष होते हैं। द्रव्यमान प्रतिशत, ppm मोल-अंश तथा मोललता ताप पर निर्भर नहीं करते, जबकि मोलरता ताप पर निर्भर करती है। ऐसा इसलिए होता है कि आयतन ताप पर निर्भर करता है जबकि द्रव्यमान नहीं।

उदाहरण 1.3

$2.5 \mathrm{~g}$ एथेनोइक अम्ल $\left(\mathrm{CH} _{3} \mathrm{COOH}\right)$ के $75 \mathrm{~g}$ बेन्जीन में विलयन की मोललता की गणना करो।

हल

$\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{4} \mathrm{O} _{2}$ का मोलर द्रव्यमान $=(12 \times 2)+(1 \times 4)+(16 \times 2)=60 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$ \mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{4} \mathrm{O} _{2} \text { के मोल }=\frac{2.5 \mathrm{~g}}{60 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=0.0417 \mathrm{~mol} $

बेन्जीन का $\mathrm{kg}$ में द्रव्यमान $=\frac{75 \mathrm{~g}}{1000 \mathrm{~g} \mathrm{~kg}^{-1}}=75 \times 10^{-3} \mathrm{~kg}$

$$ \begin{aligned} \mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{4} \mathrm{O} _{2} \text { की मोललता } & =\frac{\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{4} \mathrm{O} _{2} \text { के mol }}{\text { बेन्जीन का kg में द्रव्यमान }} \\ & =\frac{0.0417 \mathrm{~mol} \times 1000 \mathrm{~g} \mathrm{~kg}^{-1}}{75 \mathrm{~g}} \\ & =0.556 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1} \end{aligned} $$

पाठ्यनिहित प्रश्न

1.1 यदि $22 \mathrm{~g}$ बेन्जीन में $22 \mathrm{~g}$ कार्बनटेट्राक्लोराइड घुली हो तो बेन्जीन एवं कार्बन टेट्राक्लोराइड के द्रव्यमान प्रतिशत की गणना कीजिए।

Show Answer #missing

1.2 एक विलयन में बेन्जीन का 30 द्रव्यमान $\%$ कार्बनटेट्राक्लोराइड में घुला हुआ हो तो बेन्जीन के मोल-अंश की गणना कीजिए।

Show Answer #missing

1.3 निम्नलिखित प्रत्येक विलयन की मोलरता की गणना कीजिए-

(क) $30 \mathrm{~g}, \mathrm{Co}\left(\mathrm{NO} _{3}\right) _{2} \cdot 6 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O} 4.3$ लीटर विलयन में घुला हुआ हो

(ख) $30 \mathrm{~mL} 0.5 \mathrm{M} \mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4}$ को $500 \mathrm{~mL}$ तनु करने पर।

Show Answer #missing

1.4 यूरिया $\left(\mathrm{NH} _{2} \mathrm{CONH} _{2}\right)$ के 0.25 मोलर, $2.5 \mathrm{~kg}$ जलीय विलयन को बनने के लिए आवश्यक यूरिया के द्रव्यमान की गणना कीजिए।

Show Answer #missing

1.5 $20 \%(w / w)$ जलीय $\mathrm{KI}$ का घनत्व $1.202 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$ हो तो $\mathrm{KI}$ विलयन की (क) मोललता, (ख) मोलरता, (ग) मोल-अंश की गणना कीजिए।

Show Answer #missing

1.3 विलेयता

किसी अवयव की विलेयता एक निश्चित ताप पर विलायक की निश्चित मात्रा में घुली हुई उस पदार्थ की अधिकतम मात्रा होती है। यह विलेय एवं विलायक की प्रकृति तथा ताप एवं दाब पर निर्भर करती है। आइए हम इन कारकों के प्रभाव का अध्ययन ठोस अथवा गैस की द्रवों में विलेयता पर करें।

1.3.1 ठोसों की द्रवों में विलेयता

प्रत्येक ठोस दिए गए द्रव में नहीं घुलता जैसे सोडियम क्लोराइड व शर्करा जल में आसानी से घुल जाते हैं, जबकि नैै़्थैलीन और ऐन्थ्रासीन नहीं घुलते। दूसरी ओर नैै़्थैलीन व ऐन्श्रासीन बेन्जीन में आसानी से घुल जाते हैं, जबकि सोडियम क्लोराइड व शर्करा नहीं घुलते। यह देखा गया है कि ध्रुवीय विलेय, ध्रुवीय विलायकों में घुलते हैं जबकि अध्रुवीय विलेय अध्रुवीय विलायकों में। सामान्यतः एक विलेय विलायक में घुल जाता है, यदि दोनों में अंतराआण्विक अन्योन्यक्रियाएं समान हों। हम कह सकते हैं कि “समान-समान को घोलता है” ( “like dissolves like” )

जब एक ठोस विलेय, द्रव विलायक में डाला जाता है तो यह उसमें घुलने लगता है। यह प्रक्रिया विलीनीकरण (घुलना) कहलाती है। इससे विलयन में विलेय की सांद्रता बढ़ने लगती है। इसी समय विलयन में से कुछ विलेय के कण ठोस विलेय के कणों के साथ संघट्ट कर विलयन से अलग हो जाते हैं। यह प्रक्रिया क्रिस्टलीकरण कहलाती है। एक ऐसी स्थिति आती है, जब दोनों प्रक्रियाओं की गति समान हो जाती है। इस परिस्थिति में विलयन में जाने वाले विलेय कणों की संख्या विलयन से पृथक्कारी विलेय के कणों की संख्या के बराबर होगी और गतिक साम्य की प्रावस्था पहुँच जाएगी। इस स्थिति में दिए गए ताप व दाब पर विलयन में उपस्थित विलेय की सांद्रता स्थिर रहेगी।

$$ \begin{equation*} \text { विलेय }+ \text { विलायक } \rightleftharpoons \text { विलयन } \tag{1.10} \end{equation*} $$

जब गैस को द्रवीय विलायकों में घोला जाता है तब भी ऐसा ही होता है। इस प्रकार का विलयन जिसमें दिए गए ताप एवं दाब पर और अधिक विलेय नहीं घोला जा सके, संतृप्त विलयन कहलाता है, एवं वह विलयन जिसमें उसी ताप पर और अधिक विलेय घोला जा सके, असंतृप्त विलयन कहलाता है। वह विलयन जो कि बिना घुले विलेय के साथ गतिक साम्य में होता है; संतृप्त विलयन कहलाता है एवं इसमें विलायक की दी गई मात्रा में घुली हुई, विलेय की अधिकतम मात्रा होती है। ऐसे विलयनों में विलेय की सांद्रता उसकी विलेयता कहलाती है।

पहले हम देख चुके हैं कि एक पदार्थ में दूसरे की विलेयता पदार्थों की प्रकृति पर निर्भर करती है। इसके अतिरिक्त दो अन्य कारक, ताप एवं दाब भी इस प्रक्रिया को नियंत्रित करते हैं।

ताप का प्रभाव

ठोसों की द्रवों में विलेयता पर ताप परिवर्तन का महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। समीकरण (1.10) द्वारा प्रदर्शित साम्य का अध्ययन करें, गतिक साम्य होने के कारण इसे ले-शातैलिये नियम का पालन करना चाहिए। सामान्यतः यदि निकट संतृप्तता प्राप्त विलयन में घुलने की प्रक्रिया उष्माशोषी $\left(\Delta _{\text {विलयन }} H>0\right)$ हो तो ताप के बढ़ने पर विलेयता बढ़नी चाहिए और यदि यह उष्माक्षेपी $\left(\Delta _{\text {विलसम }} H<0\right)$ हो तो विलेयता कम होनी चाहिए। ऐसा प्रयोगात्मक रूप से भी देखा गया है।

दाब का प्रभाव

ठोसों की द्रवों में विलेयता पर दाब का कोई सार्थक प्रभाव नहीं होता। ऐसा इसलिए होता है; क्योंकि ठोस एवं द्रव अत्यधिक असंपीड्य होते हैं एवं दाब परिवर्तन से सामान्यतः अप्रभावित रहते हैं।

1.3.2 गैसों की द्रवों में विलेयता

बहुत सी गैसें जल में घुल जाती हैं। ऑक्सीजन जल में बहुत कम मात्रा में घुलती है। ऑक्सीजन की यह घुली हुई मात्रा जलीय जीवन को जीवित रखती है। दूसरी ओर हाइड्रोजन क्लोराइड गैस $(\mathrm{HCl})$ जल में अत्यधिक घुलनशील होती है। गैसों की द्रवों में विलेयता ताप एवं दाब द्वारा बहुत अधिक प्रभावित होती है। दाब बढ़ने पर गैसों की विलेयता बढ़ती जाती है। चित्र 1.1 (क) में दर्शाये गए गैसों के विलयन के एक निकाय का $p$ दाब एवं $T$ ताप पर अध्ययन करते हैं जिसका निचला भाग विलयन है एवं ऊपरी भाग गैसीय है। मान लें कि यह निकाय गतिक साम्य अवस्था में है; अर्थात् इन परिस्थितियों में गैसीय कणों के विलयन में जाने व उसमें से निकलने की गति समान है। अब गैस के कुछ आयतन को संपीडित कर विलयन पर दाब बढ़ाते हैं (चित्र 1.1 ख)। इससे विलयन के ऊपर उपस्थित गैसीय कणों की संख्या प्रति इकाई आयतन में बढ़ जाएगी तथा गैसीय कणों की, विलयन की सतह में प्रवेश करने के लिए, उससे टकराने की दर भी बढ़ जाएगी। इससे गैस की विलेयता तब तक बढ़ेगी जब तक कि एक नया साम्य स्थापित न हो जाए। अतः विलयन पर दाब बढ़ने से गैस की विलेयता बढ़ती है।

चित्र 1.1- गैस की विलेयता पर दाब का प्रभाव। विलेय गैस की सांद्रता विलयन के ऊपर उपस्थित गैस पर लगाए गए दाब के समानुपाती होती है।

चित्र 1.2- $\mathrm{HCl}$ गैस की साइक्लोहेक्सेन में $293 \mathrm{~K}$ पर विलेयता के प्रायोगिक परिणाम। रेखा का ढाल हेनरी स्थिरांक $K _{H}$ को व्यक्त करता है।

सर्वप्रथम गैस की विलायक में विलेयता तथा दाब के मध्य मात्रात्मक संबंध हेनरी ने दिया, जिसे हेनरी नियम कहते हैं। इसके अनुसार स्थिर ताप पर किसी गैस की द्रव में विलेयता द्रव अथवा विलयन की सतह पर पड़ने वाले गैस के आंशिक दाब के समानुपाती होती है। डाल्टन, जो हेनरी के समकालीन था, ने भी स्वतंत्र रूप से निष्कर्ष निकाला कि किसी द्रवीय विलयन में गैस की विलेयता गैस के आंशिक दाब पर निर्भर करती है। यदि हम विलयन में गैस के मोल-अंश को उसकी विलेयता का माप मानें तो यह कहा जा सकता है कि किसी विलयन में गैस का मोल-अंश उस विलयन के ऊपर उपस्थित गैस के आंशिक दाब के समानुपाती होता है। सामान्य रूप से हेनरी नियम के अनुसार “किसी गैस का वाष्प अवस्था में आंशिक दाब $(p)$, उस विलयन में गैस के मोल-अंश $(\boldsymbol{x})$ के समानुपाती होता है” अथवा

$$ \begin{equation*} p=K_{\mathrm{H}} x \tag{1.11} \end{equation*} $$

यहाँ $\mathrm{K} _{\mathrm{H}}$ हेनरी स्थिरांक है। यदि हम गैस के आंशिक दाब एवं विलयन में गैस के मोल-अंश के मध्य आलेख खींचें तो हमें चित्र 1.2 में दर्शाया गया आलेख प्राप्त होगा।

समान ताप पर विभिन्न गैसों के लिए $\mathrm{K} _{\mathrm{H}}$ का मान भिन्न-भिन्न होता है (सारणी 1.2)। इससे निष्कर्ष निकलता है कि $\mathrm{K} _{\mathrm{H}}$ का मान गैस की प्रकृति पर निर्भर करता है।

समीकरण 1.11 से स्पष्ट है कि दिए गए दाब पर $\mathrm{K} _{\mathrm{H}}$ का मान जितना अधिक होगा, द्रव में गैस की विलेयता उतनी ही कम होगी। सारणी 1.2 से देखा जा सकता है कि $\mathrm{N} _{2}$ एवं $\mathrm{O} _{2}$ दोनों के लिए ताप बढ़ने पर $\mathrm{K} _{\mathrm{H}}$ का मान बढ़ता है, जिसका अर्थ है कि ताप बढ़ने पर इन गैसों की विलेयता घटती है। यही कारण है कि जलीय स्पीशीज़ के लिए गर्म जल की तुलना में ठंडे जल में रहना अधिक आरामदायक होता है।

सारणी 1.2- जल में कुछ गैसों के लिए हेनरी स्थिरांक $\left(\mathbf{K} _{\mathrm{H}}\right)$ का मान

गैस ताप $/ \mathbf{K}$ $\mathbf{K} _{\mathrm{H}} / \mathrm{kbar}$ गैस ताप $/ \mathrm{K}$ $\mathbf{K} _{\mathrm{H}} / \mathrm{kbar}$
$\mathrm{He}$ 293 144.97 आर्गन 298 40.3
$\mathrm{H} _{2}$ 293 69.16 $\mathrm{CO} _{2}$ 298 1.67
$\mathrm{N} _{2}$ 293 76.48 फार्मेल्डीहाइड 298 $1.83 \times 10^{-5}$
$\mathrm{N} _{2}$ 303 88.84 मेथेन 298 0.413
$\mathrm{O} _{2}$ 293 34.86 वाइनिल क्लोराइड 298 0.611
$\mathrm{O} _{2}$ 303 46.82

उदाहरण 1.4 यदि $\mathrm{N} _{2}$ गैस को $293 \mathrm{~K}$ पर जल में से प्रवाहित किया जाए तो एक लीटर जल में कितने मिलीमोल $\mathrm{N} _{2}$ गैस विलेय होगी? $\mathrm{N} _{2}$ का आंशिक दाब $0.987 \mathrm{bar}$ है तथा $293 \mathrm{~K}$ पर $\mathrm{N} _{2}$ के लिए $\mathrm{K} _{\mathrm{H}}$ का मान $76.48 \mathrm{kbar}$ है।

हल किसी गैस की विलेयता जलीय विलयन में उसके मोल-अंश से संबंधित होती है। विलयन में गैस के मोल-अंश की गणना हेनरी नियम से की जा सकती है। अतैव-

$ x(\text { नाइट्रोजन })=\frac{p(\text { नाइट्रोजन })}{K _{\mathrm{H}}}=\frac{0.987 \mathrm{bar}}{76,480 \mathrm{bar}}=1.29 \times 10^{-5} $

एक लीटर जल में उसके 55.5 मोल होते हैं माना कि विलयन में $\mathrm{N} _{2}$ के मोलों की संख्या $n$ है।

$ x(\text { नाइट्रोजन })=\frac{n \mathrm{~mol}}{n \mathrm{~mol}+55.5 \mathrm{~mol}}=\frac{n}{55.5}=1.29 \times 10^{-5} $

(चूँकि भिन्न के हर में 55.5 की तुलना में $n$ का मान बहुत कम है अतः इसे छोड़ दिया गया है।)

इस प्रकार-

$$ \begin{aligned} n & =1.29 \times 10^{-5} \times 55.5 \mathrm{~mol} \\ & =7.16 \times 10^{-4} \mathrm{~mol} \\ & =\frac{7.16 \times 10^{-4} \mathrm{~mol} \times 1000 \mathrm{~m} \mathrm{~mol}}{1 \mathrm{~mol}} \\ & =0.716 \mathrm{~m} \mathrm{~mol} \end{aligned} $$

हेनरी नियम के उद्योगों में अनेक अनुप्रयोग हैं एवं यह कुछ जैविक घटनाओं को समझाता है। इनमें से कुछ ध्यान आकर्षित करने वाली इस प्रकार हैं -

  • सोडा-जल एवं शीतल पेयों में $\mathrm{CO} _{2}$ की विलेयता बढ़ाने के लिए बोतल को अधिक दाब पर बंद किया जाता है।

  • गहरे समुद्र में श्वास लेते हुए गोताखोरों को अधिक दाब पर गैसों की अधिक घुलनशीलता का सामना करना पड़ सकता है। अधिक बाहरी दाब के कारण श्वास के साथ ली गई वायुमंडलीय गैसों की विलेयता रुधिर में अधिक हो जाती है। जब गोताखोर सतह की ओर आते हैं, बाहरी दाब धीरे-धीरे कम होने लगता है। इसके कारण घुली हुई गैसें बाहर निकलती हैं, इससे रुधिर में नाइट्रोजन के बुलबुले बन जाते हैं। यह केशिकाओं में अवरोध उत्पन्न कर देता है और एक चिकत्सीय अवस्था उत्पन्न कर देता है जिसे बेंड्स (Bends) कहते हैं, यह अत्यधिक पीड़ादायक एवं जानलेवा होता है। बेंड्स से तथा नाइट्रोजन की रूधिर में अधिक मात्रा के ज़हरीले प्रभाव से बचने के लिए, गोताखोरों द्वारा श्वास लेने के लिए उपयोग किए जाने वाले टैंकों में, हीलियम मिलाकर तनु की गई वायु को भरा जाता है ( $11.7 \%$ हीलियम, $56.2 \%$ नाइट्रोजन तथा $32.1 \%$ ऑक्सीजन)।

  • अधिक ऊँचाई वाली जगहों पर ऑक्सीजन का आंशिक दाब सतही स्थानों से कम होता है अतः इन जगहों पर रहने वाले लोगों एवं आरोहकों के रुधिर और ऊतकों में ऑक्सीजन की सांद्रता निम्न हो जाती है। इसके कारण आरोहक कमज़ोर हो जाते हैं और स्पष्टतया सोच नहीं पाते। इन लक्षणों को ऐनॉक्सिया कहते हैं।

ताप का प्रभाव

ताप के बढ़ने पर किसी गैस की द्रवों में विलेयता घटती है। घोले जाने पर गैस के अणु द्रव प्रावस्था में विलीन होकर उसमें उपस्थित होते हैं अतः विलीनीकरण के प्रक्रम को संघनन के समकक्ष समझा जा सकता है तथा इस प्रक्रम में ऊर्जा उत्सर्जित होती है। हम पिछले खंड में पढ़ चुके हैं कि विलीनीकरण की प्रक्रिया एक गतिक साम्य की अवस्था में होती है अत: इसे ले-शातैलिये नियम का पालन करना चाहिए। चूँकि घुलनशीलता एक उष्माक्षेपी प्रक्रिया है; अतः ताप बढ़ने पर विलेयता घटनी चाहिए।

पाठ्यनिहित प्रश्न

1.6 सड़े हुए अंडे जैसी गंध वाली विषैली गैस $\mathrm{H} _{2} \mathrm{~S}$ गुणात्मक विश्लेषण में उपयोग की जाती है। यदि $\mathrm{H} _{2} \mathrm{~S}$ गैस की जल में STP पर विलेयता $0.195 \mathrm{M}$ हो तो हेनरी स्थिरांक की गणना कीजिए।

Show Answer #missing

1.7 $298 \mathrm{~K}$ पर $\mathrm{CO} _{2}$ गैस की जल में विलेयता के लिए हेनरी स्थिरांक का मान $1.67 \times 10^{8} \mathrm{~Pa}$ है। $500 \mathrm{~mL}$ सोडा जल $2.5 \mathrm{~atm}$ दाब पर बंद किया गया। $298 \mathrm{~K}$ ताप पर घुली हुई $\mathrm{CO} _{2}$ की मात्रा की गणना कीजिए।

Show Answer #missing

1.4 द्रवीय विजयनों का वाष्प दाब

जब विलायक कोई द्रव होता है तो द्रवीय विलयन बनते हैं। विलेय एक गैस, द्रव या ठोस का वाष्प दाब हो सकता है। गैसों के द्रवों में विलयनों का अध्ययन हम पहले ही खंड 1.3 .2 में कर चुके हैं। अब हम द्रवों और ठोसों के द्रवों में विलयनों का अध्ययन करेंगे। इस प्रकार के विलयनों में एक या अधिक अवयव वाष्पशील हो सकते हैं। सामान्यतः द्रवीय विलायक वाष्पशील होते हैं। विलेय वाष्पशील हो भी सकते हैं अथवा नहीं भी। हम यहाँ केवल द्विअंगी विलयनों के गुणों का अध्ययन करेंगे, अर्थात् वे विलयन जिनमें दो अवयव होते हैं यानी कि (1) द्रवों का द्रवों में विलयन तथा (2) ठोसों का द्रवों में विलयन।

1.4.1 द्रव-द्रव विलयनों का वाष्प दाब

आइए, हम दो वाष्पशील द्रवों के द्विअंगी विलयन का अध्ययन करें और इसके दोनों अवयवों को 1 व 2 से अंकित करें। एक बंद पात्र में लेने पर दोनों अवयव वाष्पीकृत होंगे तथा अंतत: वाष्प प्रावस्था एवं द्रव प्रावस्था के मध्य एक साम्य स्थापित हो जाएगा। मान लीजिए इस अवस्था में कुल दाब $p _{\text {कुल }}$ तथा अवयव 1 एवं 2 के आंशिक वाष्प दाब क्रमशः $p _{1}$ एवं $p _{2}$ हैं। यह आंशिक वाष्प दाब, अवयव 1 एवं 2 के मोल-अंश, क्रमशः $x _{1}$ व $x _{2}$ से संबंधित हैं।

फ्रेंच रसायनज फ्रेंसियस मार्टे राउल्ट (1886) ने इनके बीच एक मात्रात्मक संबंध दिया। यह संबंध राउल्ट नियम के नाम से जाना जाता है। इसके अनुसार वाष्पशील द्रवों के विलयन में प्रत्येक अवयव का आंशिक दाब विलयन में उसके मोल-अंश के समानुपाती होता है।

अतः अवयव 1 के लिए-

$$ \begin{aligned} & p_{1} \propto x_{1} \\ & \text { और } \quad p_{1}=p_{1}^{0} x_{1} \end{aligned} $$

जहाँ $p_1^0$ शुद्ध घटक 1 का समान ताप पर वाष्प दाब है

इसी प्रकार अवयव 2 के लिए-

$$ \begin{equation*} p _{2}=p _{2}{ }^{0} x _{2} \tag{1.13} \end{equation*} $$

जहाँ $p _{2}^{0}$ शुद्ध घटक 2 के वाष्प दाब को प्रदर्शित करता है।

डाल्टन के आंशिक दाब के नियमानुसार पात्र में विलयन अवस्था का कुल दाब

$\left(p _{\text {कुल }}\right)$ विलयनों के अवयवों के आंशिक दाब के जोड़ के बराबर होता है इसलिए-

$$ \begin{equation*} p _{\text {कुल }}=p _{1}+p _{2} \tag{1.14} \end{equation*} $$

$p _{1}$ व $p _{2}$ के मान रखने पर हम पाते हैं कि-

$$ \begin{align*} p _{\text {कुल }} & =x _{1} p _{1}^{0}+x _{2} p _{2}^{0} \\ & =\left(1-x _{2}\right) p _{1}^{0}+x _{2} p _{2}^{0} \tag{1.15}\\ & =p _{1}^{0}+\left(p _{2}^{0}-p _{1}^{0}\right) x _{2} \tag{1.16} \end{align*} $$

समीकरण 1.16 से निम्नलिखित परिणाम निकाले जा सकते हैं। (i) किसी विलयन के कुल वाष्प दाब को उसके किसी अवयव के मोल-अंश से संबंधित किया जा सकता है। (ii) किसी विलयन का कुल वाष्प दाब अवयव 2 के मोल-अंश के साथ रेखीय रूप से परिवर्तित होता है।

(iii) शुद्ध अवयव 1 व 2 के वाष्प दाब पर निर्भर रहते हुए विलयन का कुल वाष्प दाब अवयव 1 के मोल-अंश के बढ़ने से कम या ज़्यादा होता है।

किसी विलयन के लिए $p _{1}$ अथवा $p _{2}$ का $x _{1}$ तथा $x _{2}$ के विरुद्ध आलेख चित्र 1.3 की तरह रेखीय आलेख होता है। जब $x _{1}$ व $x _{2}$ का मान 1 होता है तो ये रेखाएँ (I व II) क्रमशः बिंदु $p _{1}^{0}$ व $p _{2}^{0}$ से होकर गुज़रती हैं। इसी प्रकार से $p _{\text {कुल }}$ का $x _{2}$ के विरुद्ध आलेख (लाइन III) भी रेखीय होता है (चित्र 1.3)। $p _{\text {कुल }}$ का न्यूनतम मान $p _{1}^{0}$ तथा अधिकतम मान $p _{2}^{0}$ है। यहाँ घटक 1 घटक 2 की तुलना में कम वाष्पशील है अर्थात् $p _{1}^{0}<p _{2}^{0}$ ।

विलयन के साथ साम्य में वाष्प प्रावस्था के संघटन का निर्धारण अवयवों के आंशिक दाब से निर्धारित किया जा सकता है। यदि $y _{1}$ एवं $y _{2}$ क्रमशः अवयव 1 व 2 के वाष्पीय अवस्था में मोल-अंश हों तब डाल्टन के आंशिक दाब के नियम का उपयोग करने पर-

$$ \begin{align*} & p_{1}=y_{1} p_{\text {कुल }} \tag{1.17}\\ & p_{2}=y_{2} p_{\text {कुल }} \tag{1.18} \end{align*} $$

सामान्यतः

$$ \begin{equation*} p_{\mathrm{i}}=y_{\mathrm{i}} \quad p_{\text {कुल1}} \tag{1.19} \end{equation*} $$

उदाहरण 1.5 $298 \mathrm{~K}$ पर क्लोरोफार्म $\left(\mathrm{CHCl} _{3}\right)$ एवं डाइक्लोरोमेथेन $\left(\mathrm{CH} _{2} \mathrm{Cl} _{2}\right)$ के वाष्प दाब क्रमशः 200 $\mathrm{mm} \mathrm{Hg}$ व $415 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ हैं। (i) $25.5 \mathrm{~g} \mathrm{CHCl} _{3}$ व $40 \mathrm{~g} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{Cl} _{2}$ को मिलाकर बनाए गए विलयन के वाष्प दाब की गणना $298 \mathrm{~K}$ पर कीजिए। (ii) वाष्पीय प्रावस्था के प्रत्येक अवयव के मोल-अंश की गणना कीजिए?

हल

(i) $\mathrm{CH}_2 \mathrm{Cl}_2 का मोलर द्रव्यमान =(12 \times 1)+(1 \times 2)+(2 \times 35.5)=85 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$\mathrm{CHCl}_3$ का मोलर द्रव्यमान $=(12 \times 1)+(1 \times 1)+(3 \times 35.5)=119.5 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

$\mathrm{CH}_2 \mathrm{Cl}_2$ के मोल $=\frac{40 \mathrm{~g}}{85 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=0.47 \mathrm{~mol}$

$\mathrm{CHCl}_3$ के मोल $=\frac{25.5 \mathrm{~g}}{119.5 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=0.213 \mathrm{~mol}$

कुल मोल $=0.47+0.213=0.683 \mathrm{~mol}$

$$ \begin{aligned} & x_{\mathrm{CH_2} \mathrm{Cl_2}}=\frac{0.47 \mathrm{~mol}}{0.683 \mathrm{~mol}}=0.688 \\ & x_{\mathrm{CHCl_3}}=1.00-0.688=0.312 \end{aligned} $$

समीकरण 1.16 से-

$$ \begin{aligned} p _{\text {कुल }} & =p _{1}^{0}+\left(p _{2}^{0}-p _{1}^{0}\right) x _{2}=200+(415-200) \times 0.688 \\ & =200+147.9=347.9 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg} \end{aligned} $$

(ii) समीकरण 1.19, $y _{i}=p _{i} / p _{\text {कुल }}$ का उपयोग करने पर हम गैस प्रावस्था में अवयवों के मोल-अंश की गणना कर सकते हैं।

$$ \begin{aligned} & p_{\mathrm{CH_2} \mathrm{Cl_2}}=0.688 \times 415 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}=285.5 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg} \\ & p_{\mathrm{CHCl_3}}=0.312 \times 200 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}=62.4 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg} \\ & y_{\mathrm{CH_2} \mathrm{Cl_2}}=285.5 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg} / 347.9 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}=0.82 \\ & y_{\mathrm{CHCl_3}}=62.4 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg} / 347.9 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}=0.18 \end{aligned} $$

नोट - चूँकि $\mathrm{CHCl} _{3}$ की तुलना में $\mathrm{CH} _{2} \mathrm{Cl} _{2}$ ज्यादा वाष्पशील घटक है $\left(p _{\mathrm{CH} _{2} \mathrm{Cl} _{2}}^{0}=415\right.$ $\mathrm{mm} \mathrm{Hg}$ और $p _{\mathrm{CHCl} _{3}}^{0}=200 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ ) और वाष्पीय प्रावस्था में अधिक $\mathrm{CH} _{2} \mathrm{Cl} _{2}$ है $\left(=0.82\right.$ तथा $\left.y _{\mathrm{CHCl} _{3}}=0.18\right)$, अतः इससे यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि “साम्यावस्था में वाष्प प्रावस्था हमेशा उस अवयव की धनी होती है जो अधिक वाष्पशील होता है।"

1.4.2 राउल्ट का नियम; हेनरी के नियम की एक विशेष स्थिति

राउल्ट के नियम के अनुसार किसी विलयन में उसके वाष्पशील घटक का वाष्प दाब $p _{\mathrm{i}}=x _{1} p _{i}^{0}$ द्वारा व्यक्त किया जाता है। किसी द्रव में गैस के विलयन के प्रकरण में गैसीय घटक इतना वाष्पशील है कि वह गैस रूप में ही रहता है तथा हम जानते हैं कि उसकी घुलनशीलता हेनरी के नियम से निर्धारित होती है जिसके अनुसार-

$$ p=K _{\mathrm{H}} x $$

यदि हम राउल्ट के नियम व हेनरी के नियम की तुलना करें तो देखा जा सकता है कि वाष्पशील घटक अथवा गैस का आंशिक दाब विलयन में उसके मोल-अंश के समानुपाती होता है केवल समानुपातिक स्थिरांक $\mathrm{K} _{\mathrm{H}}$ एवं $p _{i}^{0}$ में भिन्नता होती है। इस प्रकार राउल्ट का नियम, हेनरी के नियम की एक विशेष स्थिति है जिसमें $\mathrm{K} _{\mathrm{H}}$ का मान $p _{i}^{0}$ के मान के बराबर हो जाता है।

1.4.3 ठोस पदार्थों का द्रवों में विलयन एवं उनका वाष्पदाब

विलयनों का एक अलग महत्त्वपूर्ण वर्ग द्रवों में घुले हुए ठोस पदार्थों का है। उदाहरणार्थ, सोडियम क्लोराइड, ग्लूकोस, यूरिया एवं शर्करा का जल में विलयन और आयोडीन, गंधक जैसे ठोसों का कार्बन डाइ सल्फाइड में विलयन। इन विलयनों के कुछ भौतिक गुण शुद्ध विलायकों से बहुत अलग होते हैं, उदाहरण है- वाष्प दाब। किसी दिए गए ताप पर द्रव वाष्पित होता है तथा साम्यावस्था पर द्रव की वाष्प का, द्रव प्रावस्था पर डाला गया दाब उस द्रव का वाष्प दाब कहलाता है (चित्र 1.4 क)। शुद्ध द्रवों की सारी सतह द्रव के अणुओं द्वारा घिरी रहती है। यदि किसी विलायक में एक अवाष्पशील विलेय डालकर विलयन बनाया जाए तो इस विलयन का वाष्प दाब केवल विलायक के वाष्पदाब के कारण होता है (चित्र 1.4 ख)। दिए गए ताप पर विलयन का यह वाष्प दाब शुद्ध विलायक के वाष्पदाब से कम होता है। विलयन की सतह पर विलेय व विलायक दोनों के अणु उपस्थित रहते हैं। अतः सतह का विलायक के अणुओं से घिरा भाग कम रह जाता है। इसके कारण सतह छोड़कर जाने वाले विलायक अणुओं की संख्या भी तदनुसार घट जाती है, अतः विलायक का वाष्प दाब भी कम हो जाता है।

चित्र 1.4- विलायक में विलेय की उपस्थिति के फलस्वरूप विलायक के वाष्प दाब में कमी

(क) विलायक के अणुओं का उसकी सतह से वाष्पन,

(ख) विलयन में विलेय के कण को से दर्शाया गया है यह भी सतह का कुछ भाग घेरते हैं।

विलायक के वाष्प दाब में कमी विलयन में उपस्थित अवाष्पशील विलेय की मात्रा पर निर्भर करती है उसकी प्रकृति पर नहीं, उदाहरणार्थ, $1 \mathrm{~kg}$ जल में 1.0 मोल सुक्रोस मिलाने पर जल के वाष्प दाब में कमी लगभग वही होती है जो कि 1.0 मोल यूरिया को जल की उसी मात्रा में उसी ताप पर मिलाने से होती है।

राउल्ट नियम को सामान्यतः इस प्रकार व्यक्त किया जाता है “किसी विलयन के प्रत्येक वाष्पशील अवयव का आंशिक वाष्प दाब इसके मोल-अंश के समानुपाती होता है।” अब हम द्विअंगी विलयन में विलायक को 1 व विलेय को 2 से व्यक्त करते हैं। जब विलेय अवाष्पशील होता है तो केवल विलायक अणु ही वाष्प अवस्था में होते हैं और वाष्प दाब का कारण होते हैं। यदि $p _{1}$ विलायक का वाष्प दाब व $x _{1}$ इसका मोल-अंश हो, एवं $p _{1}^{0}$ इसकी शुद्ध अवस्था का वाष्पदाब हो, तो राउल्ट के नियमानुसार-

$$ \begin{align*} & p _{1} \propto x _{1} \\ & \text { और } \quad p _{1}=x _{1} p _{1}^{0} \tag{1.20} \end{align*} $$

समानुपाती स्थिरांक शुद्ध विलायक के वाष्प दाब $p _{1}^{0}$ के बराबर होता है, विलायक के वाष्प दाब व मोल-अंश प्रभाज के मध्य खींचा गया आलेख रेखीय होता है (चित्र 1.5)।

चित्र 1.5 - यदि कोई विलयन सभी सांद्रणों के लिए राउल्ट के नियम का पालन करता है तो उसका वाष्प दाब एक सरल रेखा में शून्य से शुद्ध विलायक के वाष्प दाब तक बढ़ता जाता है।

1.5 आदर्श एवं अनादर्श विलयन

द्रव-द्रव विलयनों को राउल्ट के नियम के आधार पर आदर्श एवं अनादर्श विलयनों में वर्गीकृत किया जा सकता है।

1.5.1 आदर्श विलयन

ऐसे विलयन जो सभी सांद्रताओं पर राउल्ट के नियम का पालन करते हैं, आदर्श विलयन कहलाते हैं। आदर्श विलयन के दो अन्य मुख्य गुण भी होते हैं। मिश्रण बनाने के लिए शुद्ध अवयवों को मिश्रित करने पर मिश्रण बनाने का ऐंथैल्पी परिवर्तन तथा आयतन परिवर्तन शून्य होता है। अर्थात्

$$ \begin{equation*} \Delta _{\text {मिश्रण }} H=0, \quad \Delta _{\text {मिश्रण }} V=0 \tag{1.21} \end{equation*} $$

इसका तात्पर्य यह है कि अवयवों को मिश्रित करने पर उष्मा का उत्सर्जन अथवा अवशोषण नहीं होता। इसके अतिरिक्त विलयन का आयतन भी दोनों अवयवों के आयतन के योग के बराबर होता है। आण्विक स्तर पर विलयनों के आदर्श व्यवहार को अवयव $\mathrm{A}$ व $\mathrm{B}$ के अध्ययन द्वारा समझा जा सकता है। शुद्ध अवयवों में अंतराआण्विक आकर्षण अन्योन्यक्रियाएं $\mathrm{A}-\mathrm{A}$ और $\mathrm{B}-\mathrm{B}$ प्रकार की होती हैं। जबकि द्विअंगी विलयनों में इन दोनों अन्योन्यक्रियाओं के अतिरिक्त $\mathrm{A}-\mathrm{B}$ प्रकार की अन्योन्यक्रियाएँ भी उपस्थित होंगी। यदि $\mathrm{A}-\mathrm{A}$ व $\mathrm{B}-\mathrm{B}$ के बीच अंतराआण्विक आकर्षण बल $\mathrm{A}-\mathrm{B}$ के समान हों तो यह आदर्श विलयन बनाता है। एक पूर्णरूपेण आदर्श विलयन की संभावना बहुत कम होती है, लेकिन कुछ विलयन व्यवहार में लगभग आदर्श होते हैं। $\mathrm{n}$-हेक्सेन और $\mathrm{n}$-हेप्टेन, ब्रोमोएथेन और क्लोरोएथेन तथा बेन्जीन और टॉलूईन आदि के विलयन इस वर्ग में आते हैं।

1.5.2 अनादर्श विलयन

जब कोई विलयन सभी सांद्रताओं पर राउल्ट के नियम का पालन नहीं करता तो वह अनादर्श विलयन कहलाता है। इस प्रकार के विलयनों का वाष्पदाब राउल्ट के नियम द्वारा प्रागुक्त (predict) किए गए वाष्प दाब से या तो अधिक होता है या कम (समीकरण 1.16)। यदि यह अधिक होता है तो यह विलयन राउल्ट नियम से धनात्मक विचलन प्रदर्शित करता है और यदि यह कम होता है तो यह ऋणात्मक विचलन प्रदर्शित करता है। ऐसे विलयनों के वाष्प दाब का मोल-अंश के सापेक्ष आलेख, चित्र 1.6 में दिखाया गया है।

चित्र 1.6 - द्विघटकीय निकाय का वाष्प दाब उनके संघटन के कारक के रूप में (क) राउल्ट के नियम से धनात्मक विचलन दर्शाने वाला विलयन (ख) राउल्ट के नियम से ऋणात्मक विचलन दर्शाने वाला विलयन

इन विचलनों का कारण आण्विक स्तर पर अन्योन्यक्रियाओं की प्रकृति में स्थित है। राउल्ट नियम से धनात्मक विचलन की स्थिति में, A-B अन्योन्यक्रियाएं A-A अथवा $\mathrm{B}-\mathrm{B}$ के बीच अन्योन्यक्रियाओं की तुलना में कमज़ोर होती हैं अर्थात् इस स्थिति में विलेय-विलायक अणुओं के मध्य अंतराआण्विक आकर्षण बल विलेय-विलेय और विलायक-विलायक अणुओं की तुलना में कमज़ोर होते हैं। इसका मतलब इस प्रकार के विलयनों में से $\mathrm{A}$ अथवा $\mathrm{B}$ के अणु शुद्ध अवयव कि तुलना में अधिक आसानी से पलायन कर सकते हैं। इसके परिणाम स्वरूप वाष्प दाब में वृद्धि होती है जिससे धनात्मक विचलन होता है। एथेनॉल व ऐसीटोन का मिश्रण इसी प्रकार का व्यवहार दर्शाता है। शुद्ध एथेनॉल में अणुओं के मध्य हाइड्रोजन बंध होते हैं। इसमें ऐसीटोन मिलाने पर इसके अणु आतिथेय अणुओं के बीच आ जाते हैं, जिसके कारण आतिथेय अणुओं के बीच पहले से उपस्थित हाइड्रोजन बंध टूट जाते हैं। इससे अंतराआण्विक बल कमज़ोर हो जाने के कारण मिश्रण राउल्ट के नियम से धनात्मक विचलन (चित्र 1.6 क) दर्शाता है। कार्बन डाइसल्फाइड को ऐसीटोन में मिलाने पर बने विलयन में विलेय-विलायक अणुओं के मध्य द्विध्रुवीय अन्योन्यक्रियाएं विलेय-विलेय और विलायक-विलायक अणुओं के मध्य अन्योन्यक्रियाओं से कमज़ोर होती हैं। यह विलयन भी धनात्मक विचलन दिखाता है।

राउल्ट के नियम से ऋणात्मक विचलन की स्थिति में $\mathrm{A}-\mathrm{A}$ व $\mathrm{B}-\mathrm{B}$ के बीच अंतराआण्विक आर्कषण बल $\mathrm{A}-\mathrm{B}$ की तुलना में कमज़ोर होता है। इसके फलस्वरूप वाष्पदाब कम हो जाता है अतः ॠणात्मक विचलन प्रदर्शित होता है। फ़ीनॉल व ऐनिलीन का मिश्रण इस प्रकार का उदाहरण है। इस स्थिति में फ़ीनॉलिक प्रोटॉन व ऐनिलीन के नाइट्रोजन अणु के एकाकी इलेक्ट्रॉन युगल के मध्य अंतराआण्विक हाइड्रोजन बंध एक से अणुओं के मध्य हाइड्रोजन बंध की तुलना में मज़बूत होता है। इसी प्रकार से क्लोरोफॉर्म व ऐसीटोन का मिश्रण भी ऐसा विलयन बनता है जो राउल्ट के नियम से ऋणात्मक विचलन दर्शाता है। इसका कारण यह है कि क्लोरोफॉर्म का अणु ऐसीटोन के अणु के साथ हाइड्रोजन बंध बना सकता है जैसा कि आप नीचे दिए चित्र में देख सकते हैं।

ऐसीटोन एवं क्लोरोफॉर्म के मध्य हाइड्रोजन बंध इसके कारण प्रत्येक घटक के अणुओं की पलायन की प्रवृत्ति कम हो जाती है, जिससे वाष्प दाब में कमी आ जाती है तथा राउल्ट नियम से ॠणात्मक विचलन होता है (चित्र 1.6 ख)।

कुछ द्रव मिश्रित करने पर स्थिरक्वाथी बनाते हैं जो ऐसे द्विघटकीय मिश्रण हैं, जिनका द्रव व वाष्प प्रावस्था में संघटन समान होता है तथा यह एक स्थिर ताप पर उबलते हैं। ऐसे प्रकरणों में घटकों को प्रभाजी आसवन द्वारा अलग नहीं किया जा सकता। स्थिरक्वाथी दो प्रकार के होते हैं, जिन्हें न्यूनतम क्वथनांकी स्थिरक्वाथी तथा अधिकतम क्वथनांकी स्थिरक्वाथी कहते हैं। विलयन जो एक निश्चित संगठन पर राउल्ट नियम से अत्यधिक धनात्मक विचलन प्रदर्शित करते हैं, न्यूनतमक्वथनांकी स्थिरक्वाथी बनाते हैं।

उदाहरणार्थ शर्कराओं के किण्वन से प्राप्त एथेनॉल एवं जल का मिश्रण प्रभाजी आसवन द्वारा जो विलयन देता है उसमें आयतन के आधार पर लगभग $95 \%$ तक ऐथनॉल होती है। एक बार यह संघटन प्राप्त कर लेने के पश्चात्, जो कि स्थिरक्वाथी संघटन है, द्रव व वाष्प का संघटन समान हो जाता है तथा इसके आगे पृथक्करण नहीं होता।

वे विलयन जो कि राउल्ट नियम से बहुत अधिक ऋणात्मक विचलन दर्शाते हैं, एक विशिष्ट संघटन पर अधिकतम क्वथनांकी स्थिरक्वाथी बनाते हैं। नाइट्रिक अम्ल एवं जल का मिश्रण इस प्रकार के स्थिरक्वाथी का उदाहरण है। इस स्थिरक्वाथी के संघटन में लगभग $68 \%$ नाइट्रिक अम्ल एवं $32 \%$ जल (द्रव्यमान) होता है जिसका क्वथनांक $393.5 \mathrm{~K}$ होता है।

पाठ्यनिहित प्रश्न

1.8 $350 \mathrm{~K}$ पर शुद्ध द्रवों $\mathrm{A}$ एवं $\mathrm{B}$ के वाष्पदाब क्रमशः 450 एवं $750 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ हैं। यदि कुल वाष्पदाब $600 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ हो तो द्रव मिश्रण का संघटन ज्ञात कीजिए। साथ ही वाष्प प्रावस्था का संघटन भी ज्ञात कीजिए।

Show Answer #missing

1.6 अणुसंख्यशुणधर्म और आणिवक द्रव्यमान की शणना

खंड 1.4 .3 में हमने जाना कि जब एक अवाष्पशील विलेय विलायक में डाला जाता है तो विलयन का वाष्प दाब घटता है। विलयन के कई गुण वाष्प दाब के अवनमन से संबंधित हैं, वे हैं- (1) विलायक के वाष्प दाब का आपेक्षिक अवनमन (2) विलायक के हिमांक का अवनमन (3) विलायक के क्वथनांक का उन्नयन और (4) विलयन का परासरण दाब। यह सभी गुण विलयन में उपस्थित कुल कणों की संख्या तथा विलेय कणों की संख्या के अनुपात पर निर्भर करते हैं न कि विलेय कणों की प्रकृति पर। ऐसे गुणों को अणुसंख्य गुण धर्म कहते हैं। [अणुसंख्य, (colligative) ‘लैटिन भाषा से जिसमें, ‘को’, का अर्थ है एक साथ और ‘लिगेर’ का अर्थ है आबंधित] निम्नलिखित खंडों में हम एक-एक करके इन गुणों की विवेचना करेंगे।

1.6.1 वाष्प दाब का आपेक्षिक अवनमनखंड

1.4 .3 में हमने सीखा कि किसी विलायक का विलयन में वाष्प दाब शुद्ध विलायक के वाष्प दाब से कम होता है। राउल्ट ने सिद्ध किया कि वाष्प दाब का अवनमन केवल विलेय कणों के सांद्रण पर निर्भर करता है, उनकी प्रकृति पर नहीं। खंड 1.4 .3 में दिया गया समीकरण 1.20 विलयन के वाष्प दाब, विलायक के वाष्प दाब एवं मोल-अंश से संबंध स्थापित करता है अर्थात-

$$ \begin{equation*} p _{1}=x _{1} p _{1}{ }^{0} \tag{1.22} \end{equation*} $$

विलायक के वाष्प दाब में अवनमन, $\Delta p _{1}$ को निम्न प्रकार से दिया जाता है-

$$ \begin{gather*} \Delta p _{1}=p _{1}^{0}-p _{1}=p _{1}^{0}-p _{1}^{0} x _{1} \\ =p _{1}^{0}\left(1-x _{1}\right) \tag{1.23} \end{gather*} $$

यह ज्ञात है कि $x _{2}=1-x _{1}$ है, अतः समीकरण 1.23 निम्न प्रकार से बदल जाता है-

$$ \begin{equation*} \Delta p _{1}=x _{2} p _{1}^{0} \tag{1.24} \end{equation*} $$

जिस विलयन में कई अवाष्पशील विलेय होते हैं, उसके वाष्पदाब का अवनमन विभिन्न विलेयों के मोल-अंश के योग पर निर्भर करता है। समीकरण 1.24 को इस प्रकार लिख सकते हैं-

$$ \begin{equation*} \frac{\Delta p _{1}}{p _{1}^{0}}=\frac{p _{1}^{0}-p _{1}}{p _{1}^{0}}=x _{2} \tag{1.25} \end{equation*} $$

पहले ही बताया जा चुका है कि समीकरण में बाईं ओर लिखा गया पद वाष्पदाब का आपेक्षिक अवनमन कहलाता है तथा इसका मान विलेय के मोल-अंश के बराबर होता है अतः उपरोक्त समीकरण को इस प्रकार लिख सकते हैं-

$$ \begin{equation*} \frac{p _{1}^{0}-p _{1}}{p _{1}^{0}}=\frac{n _{2}}{n _{1}+n _{2}}\left(\text { चूँकि } x _{2}=\frac{n _{2}}{n _{1}+n _{2}}\right) \tag{1.26} \end{equation*} $$

यहाँ $n _{1}$ और $n _{2}$ क्रमशः विलयन में उपस्थित विलायक और विलेय के मोलों की संख्या है। तनु विलयन के लिए $n _{2}«n _{1}$, अतः $n _{2}$ को हर में से छोड़ देने पर-

$$ \begin{align*} & \frac{p _{1}^{0}-p _{1}}{p _{1}^{0}}=\frac{n _{2}}{n _{1}^{0}} \tag{1.27}\\ & \text { या } \frac{p _{1}^{0}-p _{1}}{p _{1}^{0}}=\frac{\mathrm{w} _{2} \times M _{1}}{M _{2} \times \mathrm{w} _{1}} \tag{1.28} \end{align*} $$

यहाँ $\mathrm{w} _{1}$ और $\mathrm{w} _{2}$ तथा $M _{1}$ और $M _{2}$ क्रमशः विलायक और विलेय की मात्रा और मोलर द्रव्यमान हैं।

समीकरण (1.28) में उपस्थित अन्य सभी मात्राएं ज्ञात होने पर विलेय के मोलर द्रव्यमान $\left(M _{2}\right)$ को परिकलित किया जा सकता है।

उदाहरण 1.6

किसी ताप पर शुद्ध बेन्जीन का वाष्प दाब $0.850 \mathrm{bar}$ है। $0.5 \mathrm{~g}$ अवाष्पशील विद्युतअनापघट्य ठोस को $39.0 \mathrm{~g}$ बेन्जीन (मोलर द्रव्यमान $78 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$ ) में घोला गया। प्राप्त विलयन का वाष्प दाब $0.845 \mathrm{bar}$ है। ठोस का मोलर द्रव्यमान क्या है?

हल

हमें ज्ञात मात्राएं इस प्रकार हैं-

$p_{1}{ }^{0}=0.850$ bar; $p=0.845 \mathrm{bar} ; M_{1}=78 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1} ; w_{2}=0.5 \mathrm{~g} ; w_{1}=39 \mathrm{~g}$

समीकरण 1.28 में ये मान रखने पर

$\frac{0.850 \text { bar }-0.845 \text { bar }}{0.850 \text { bar }}=\frac{0.5 \mathrm{~g} \times 78 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}{M_{2} \times 39 \mathrm{~g}}$

अत: $M_{2}=170 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

1.6.2 क्वथनांक का उन्नयन

द्रव का ताप बढ़ने पर वाष्प दाब बढ़ता है। यह उस ताप पर उबलता है जिस पर उसका वाष्प दाब वायुमंडलीय दाब के बराबर हो जाता है। उदाहरण के लिए जल $373.15 \mathrm{~K}$ $\left(100^{\circ} \mathrm{C}\right)$ पर उबलता है क्योंकि इस ताप पर जल का वाष्प दाब 1.013 bar ( 1 वायुमंडल) है। हमने पिछले खंड में जाना कि अवाष्पशील विलेय कि उपस्थिति से विलायक का वाष्प दाब कम हो जाता है। चित्र 1.7 शुद्ध विलायक और विलयन के वाष्पदाब का ताप के साथ परिवर्तन प्रदर्शित करता है। उदाहरण के लिए सुक्रोस के जलीय विलयन का वाष्पदाब $373.15 \mathrm{~K}$ पर $1.013 \mathrm{bar}$ से कम है। इस विलयन को उबालने के लिए ताप को शुद्ध विलायक (जल) के क्वथनांक से अधिक बढ़ाकर विलयन का वाष्प दाब $1.013 \mathrm{bar}$ तक बढ़ाना पड़ेगा। अतः किसी भी विलयन का क्वथनांक शुद्ध विलायक, जिसमें विलयन बनाया गया है, के क्वथनांक से हमेशा अधिक होता है जैसा चित्र 1.7 में दिखाया गया है। वाष्पदाब के अवनमन के समान ही क्वथनांक का उन्नयन भी विलेय के अणुओं की संख्या पर निर्भर करता है न कि उसकी प्रकृति पर। एक मोल सुक्रोस का $1000 \mathrm{~g}$ जल में विलयन 1 वायुमंडलीय दाब पर $373.52 \mathrm{~K}$ पर उबलता है।

चित्र 1.7 - विलयन का वाष्पदाब वक्र, शुद्ध जल के वाष्प दाब वक्र के नीचे है। आरेख दर्शाता है कि $\Delta T _{b}$ विलयन में विलायक के क्वथनांक का उन्नयन है।

यदि $T _{b}^{0}$ शुद्ध विलायक का क्वथनांक है और $T _{b}$ विलयन का क्वथनांक है तो $\Delta T _{b}=T _{b}-T _{b}^{0}$ को क्वथनांक का उन्नयन कहा जाता है।

प्रयोग दर्शाते हैं कि तनु विलयन में क्वथनांक का उन्नयन $\Delta \mathrm{T} _{\mathrm{b}}$, विलयन में उपस्थित विलेय की मोलल सांद्रता के समानुपाती होता है। अतः

$$ \begin{align*} & \Delta T _{\mathrm{b}} \propto \mathrm{m} \tag{1.29} \\ \text { या } \quad \quad & \Delta T _{\mathrm{b}}=K _{\mathrm{b}} \mathrm{m} \tag{1.30} \end{align*} $$

यहाँ $\mathrm{m}$ (मोललता) $1 \mathrm{~kg}$ विलायक में विलीन विलेय के मोलों की संख्या है तथा $K _{\mathrm{b}}$ क्वथनांक उन्नयन स्थिरांक या मोलल उन्नयन स्थिरांक (Ebullioscopic Constant) कहलाता है। $K _{\mathrm{b}}$ की इकाई $\mathrm{K} \mathrm{kg} \mathrm{mol}^{-1}$ है। कुछ प्रचलित विलायकों के $K _{\mathrm{b}}$ का मान सारणी 1.3 में दिया गया है। यदि $M _{2}$ मोलर द्रव्यमान वाले विलेय के $\mathrm{w} _{2}$ ग्राम, $\mathrm{w} _{1}$ ग्राम विलायक में उपस्थित हों तो विलयन की मोललता $\mathrm{m}$ निम्न पद द्वारा व्यक्त की जाती है।

$$ \begin{equation*} \mathrm{m}=\frac{\mathrm{w} _{2} / M _{2}}{\mathrm{w} _{1} / 1000}=\frac{1000 \times \mathrm{w} _{2}}{M _{2} \times \mathrm{w} _{1}} \tag{1.31} \end{equation*} $$

समीकरण (1.30) में मोललता का मान रखने पर-

$$ \begin{align*} & \Delta T _{\mathrm{b}}=\frac{\mathrm{K} _{\mathrm{b}} \times 1000 \times \mathrm{w} _{2}}{M _{2} \times \mathrm{w} _{1}} \tag{1.32}\\ & M _{2}=\frac{1000 \times \mathrm{w} _{2} \times K _{b}}{\Delta T _{b} \times \mathrm{w} _{1}} \tag{1.33} \end{align*} $$

अतः विलेय के मोलर द्रव्यमान $M _{2}$ का मान निकालने के लिए उस विलेय की एक ज्ञात मात्रा को ऐसे विलायक की ज्ञात मात्रा में विलीन करके $\Delta T _{\mathrm{b}}$ का मान प्रयोग द्वारा प्राप्त किया जाता है, जिसके लिए $K _{\mathrm{b}}$ का मान ज्ञात हो।

उदाहरण 1.7

एक सॉसपेन (पात्र) में $18 \mathrm{~g}$ ग्लूकोस $\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{12} \mathrm{O} _{6}$ को $1 \mathrm{~kg}$ जल में घोला गया। $1.013 \mathrm{bar}$ दाब पर यह जल किस ताप पर उबलेगा? जल के लिए $K _{\mathrm{b}}$ का मान $0.52 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1}$ है।

हल

ग्लूकोस के मोलों की संख्या $=\frac{18 \mathrm{~g}}{180 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=0.1 \mathrm{~mol}$ विलायक की किलोग्राम में मात्रा $=1 \mathrm{~kg}$ इसलिए ग्लूकोस के विलयन की मोललता $=0.1 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1}$ (समीकरण 1.9 द्वारा) जल के लिए क्वथनांक में परिवर्तन $\Delta T _{\mathrm{b}}=K _{\mathrm{b}} \times \mathrm{m}=0.52 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} \times 0.1 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1}=0.052 \mathrm{~K} $ चूँकि $1.013 \mathrm{bar}$ दाब पर जल $373.15 \mathrm{~K}$ पर उबलता है, अतः विलयन का क्वथनांक $373.15+0.052=373.202 \mathrm{~K}$ होगा।

उदाहरण 1.8

बेन्जीन का क्वथनांक $353.23 \mathrm{~K}$ है। $1.80 \mathrm{~g}$ अवाष्पशील विलेय को $90 \mathrm{~g}$ बेन्जीन में घोलने पर विलयन का क्वथनांक बढ़कर $354.11 \mathrm{~K}$ हो जाता है। विलेय के मोलर द्रव्यमान की गणना कीजिए। बेन्जीन के लिए $K _{\mathrm{b}}$ का मान $2.53 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1}$ है।

हल

क्वथनांक का उन्नयन, $\Delta T _{\mathrm{b}} \quad=354.11 \mathrm{~K}-353.23 \mathrm{~K}$ $=0.88 \mathrm{~K} $ समीकरण 1.33 में यह मान रखने पर $$ \mathrm{M} _{2}=\frac{2.53 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} \times 1.8 \mathrm{~g} \times 1000 \mathrm{~g} \mathrm{~kg}^{-1}}{0.88 \mathrm{~K} \times 90 \mathrm{~g}}=58 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1} $$

अतः विलेय का मोलर द्रव्यमान, $\mathrm{M} _{2}=58 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

1.6.3 हिमांक का अवनमन

चित्र 1.8 - विलयन में विलायक के हिमांक का अवनमन $\left(\Delta T _{f}\right)$ दर्शाने वाला आलेख

वाष्प दाब में कमी के कारण शुद्ध विलायक की तुलना में विलयन के हिमांक का अवनमन होता है (चित्र 1.8)। हम जानते हैं कि किसी पदार्थ के हिमांक पर, ठोस प्रावस्था एवं द्रव प्रावस्था गतिक साम्य में रहती है। अतः किसी पदार्थ के हिमांक बिंदु को इस प्रकार परिभाषित किया जा सकता है कि यह वह ताप है जिसपर द्रव अवस्था का वाष्प दाब उसकी ठोस अवस्था के वाष्प दाब के बराबर होता है। एक विलयन का तभी हिमीकरण होता है जब उसका वाष्प दाब शुद्ध ठोस विलायक के वाष्प दाब के बराबर हो जाए जैसा कि चित्र 1.8 से स्पष्ट है। राउल्ट के नियम के अनुसार जब एक अवाष्पशील ठोस विलायक में डाला जाता है तो विलायक का वाष्प दाब कम हो जाता है और अब इसका वाष्पदाब ठोस विलायक के वाष्पदाब के बराबर कुछ कम ताप पर होता है। अतः विलायक का हिमांक घट जाता है।

माना कि $T _{f}^{0}$ शुद्ध विलायक का हिमांक बिंदु है और जब उसमें अवाष्पशील विलेय घुला है तब उसका हिमांक बिंदु $T _{f}$ है। अतः हिमांक में कमी $T _{f}^{0}-T _{f}$ के बराबर होगी।

$ \Delta T_{\mathrm{f}}=T_{\mathrm{f}}^{0}-T_{\mathrm{f}} \text {, इसे हिंमाक का अवनमन कहते हैं। } $

क्वथनांक के उन्नयन के समान ही तनु विलयन (आदर्श विलयन) का हिमांक अवनमन $\left(\Delta T _{f}\right)$ भी विलयन की मोललता $\mathrm{m}$ के समानुपाती होता है। अत:

$$ \Delta T_{\mathrm{f}} \propto \mathrm{m} $$

$$ \begin{equation*} \text { या } \quad \Delta T_{\mathrm{f}}=K_{\mathrm{f}} \mathrm{m} \tag{1.34} \end{equation*} $$

समानुपाती स्थिरांक, $K _{f}$, जो विलायक की प्रकृति पर निर्भर करता है, को हिमांक अवनमन स्थिरांक, मोलल अवनमन स्थिरांक या क्रायोस्कोपिक स्थिरांक कहते हैं। $K _{f}$ की इकाई $\mathrm{K} \mathrm{kg} \mathrm{mol}^{-1}$ है। कुछ प्रचलित विलायकों के $K _{f}$ मान सारणी 1.3 में दिए गए हैं।

यदि $\mathrm{w} _{2}$ ग्राम विलेय जिसका मोलर द्रव्यमान $M _{2}$ है, की $\mathrm{w} _{1}$ ग्राम विलायक में उपस्थिति विलायक के हिमांक में $\Delta T _{f}$ अवनमन कर दे, तो विलेय की मोललता समीकरण 1.31 द्वारा दर्शायी जाती है-

$$ \begin{equation*} \mathrm{m}=\frac{\mathrm{w} _{2} / \mathrm{M} _{2}}{\mathrm{w} _{1} / 1000} \tag{1.31} \end{equation*} $$

समीकरण (1.34) में मोललता का यह मान रखने पर, हमें प्राप्त होता है-

$$ \begin{align*} \Delta T _{f} & =\frac{\mathrm{K} _{f} \times \mathrm{w} _{2} / \mathrm{M} _{2}}{\mathrm{w} _{1} / 1000} \\ \Delta T _{f} & =\frac{\mathrm{K} _{f} \times \mathrm{w} _{2} \times 1000}{\mathrm{M} _{2} \times \mathrm{w} _{1}} \tag{1.35}\\ M _{2} & =\frac{\mathrm{K} _{f} \times \mathrm{w} _{2} \times 1000}{\Delta T _{f} \times \mathrm{w} _{1}} \tag{1.36} \end{align*} $$

अतः विलेय का मोलर द्रव्यमान निकालने के लिए हमें $\mathrm{w} _{1}, \mathrm{w} _{2}, \Delta T _{f}$ के साथ मोलल अवनमन स्थिरांक $K _{f}$ का मान भी ज्ञात होना चाहिए। $K _{f}$ एवं $K _{b}$ के मान, जो विलायक की प्रकृति पर निर्भर करते हैं, निम्न संबंधों से प्राप्त किए जा सकते हैं।

$$ \begin{align*} K _{f} & =\frac{R \times M _{1} \times T _{f}^{2}}{1000 \times \Delta _{\text {गलन }} H} \tag{1.37} \\ K _{b} & =\frac{R \times M _{1} \times T _{b}^{2}}{1000 \times \Delta _{\text {वाष्पन }} H} \tag{1.38} \end{align*} $$

यहाँ $R$ और $M _{1}$ क्रमशः गैस स्थिरांक एवं विलायक का मोलर द्रव्यमान तथा $T _{f}$ तथा $T _{b}$ केल्विन में शुद्ध विलायक के क्रमशः हिमांक एवं क्वथनांक हैं। इसी प्रकार $\Delta _{\text {गलन }} \mathrm{H}$ तथा $\Delta _{\text {वाष्पन }} \mathrm{H}$ क्रमशः विलायक के गलन एवं वाष्पन एन्थैल्पी में परिवर्तन हैं।

सारणी 1.3- कुछ विलायकों के मोलल क्वथनांक उन्नयन स्थिरांक एवं मोलल हिमांक अवनमन स्थिरांक

विलायक b. $\mathbf{p} . / \mathbf{K}$ $\mathbf{K} _{\mathbf{b}} / \mathbf{K ~} \mathbf{~ k g ~ \mathbf { ~ m o l } ^ { - \mathbf { 1 } }}$ $\mathbf{f} . \mathbf{p} . / \mathbf{K}$ $\mathbf{K} _{f} / \mathbf{K ~} \mathbf{~ k g ~ \mathbf { ~ m o l } ^ { - \mathbf { 1 } }}$
जल 373.15 0.52 273.0 1.86
एथेनॉल 351.5 1.20 155.7 1.99
साइक्लोहेक्सेन 353.74 2.79 279.55 20.00
बेन्जीन 353.3 2.53 278.6 5.12
क्लोरोफॉर्म 334.4 3.63 209.6 4.79
कार्बन टेट्राक्लोराइड 350.0 5.03 250.5 31.8
कार्बन डाइसल्फाइड 319.4 2.34 164.2 3.83
डाइएथिल ईथर 307.8 2.02 156.9 1.79
ऐसीटिक अम्ल 391.1 2.93 290.0 3.90

उदाहरण 1.9 $45 \mathrm{~g}$ एथिलीन ग्लाइकॉल $\left(\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{6} \mathrm{O} _{2}\right)$ को $600 \mathrm{~g}$ जल में मिलाया गया। विलयन के (क) हिमांक अवनमन एवं (ख) हिमांक की गणना कीजिए।

हल

हिमांक अवनमन मोललता से संबंधित है, अतः एथिलीन ग्लाइकॉल के विलयन की मोललता $=\frac{\text { एथिलीन ग्लाइकॉल के मोल }}{\text { जल का } \mathrm{kg} \text { में द्रव्यमान }}$

एथिलीन ग्लाइकॉल के मोल $=\frac{45 \mathrm{~g}}{62 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=0.73 \mathrm{~mol}$ जल का $\mathrm{kg}$ में द्रव्यमान $=\frac{600 \mathrm{~g}}{1000 \mathrm{gg}^{-1}}=0.6 \mathrm{~kg}$ इस प्रकार, एथिलीन ग्लाइकॉल की मोललता $=\frac{0.73 \mathrm{~mol}}{0.60 \mathrm{~kg}}=1.2 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1}$ अतः हिमांक में अवनमन $\Delta T_f=1.86 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} \times 1.2 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1}=2.2 \mathrm{~K}$

जलीय विलयन का हिमांक $=273.15 \mathrm{~K}-2.2 \mathrm{~K}=270.95 \mathrm{~K}$

उदाहरण 1.10

एक वैद्युतअनअपघट्य के $1.00 \mathrm{~g}$ को $50 \mathrm{~g}$ बेन्जीन में घोलने पर इसके हिमांक में $0.40 \mathrm{~K}$ की कमी हो जाती है। बेन्जीन का हिमांक अवनमन स्थिरांक $5.12 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1}$ है। विलेय का मोलर द्रव्यमान ज्ञात कीजिए।

हल

समीकरण (1.36) में विभिन्न पदों के मान रखने पर हम पाते हैं $$ \mathrm{M} _{2}=\frac{5.12 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} \times 1.00 \mathrm{~g} \times 1000 \mathrm{~g} \mathrm{~kg}^{-1}}{0.40 \mathrm{~K} \times 50 \mathrm{~g}}=256 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1} $$

अत: विलेय का मोलर द्रव्यमान $=256 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

1.6.4 परासरण एवं परासरण दाब

चित्र 1.9 - विलायक के परासरण के कारण थिसेल फनल में विलयन का स्तर बढ़ जाता है।

हम प्रकृति अथवा घर में कई परिघटनाओं को देखते हैं। उदाहरणार्थ, कच्चे आमों का अचार डालने के लिए नमकीन जल में भिगोने पर वे संकुचित हो जाते हैं, मुरझाये फूल ताज़े जल में रखने पर ताज़े हो उठते हैं, नमकीन जल में रखने पर रूधिर कोशिकायें सिकुड़ जाती हैं, आदि। इन सभी घटनाओं में एक बात जो समान दिखाई देती है, वह यह है कि ये सभी पदार्थ झिल्लियों से परिबद्ध हैं। ये झिल्लियाँ जंतु या वनस्पति मूल की हो सकती हैं एवं यह सूअर के ब्लेडर या पार्चमेन्ट की तरह प्राकृतिक रूप में मिलती हैं, अथवा सेलोफेन की तरह संश्लेषित प्रकृति की होती हैं। ये झिल्लियाँ सतत शीट या फिल्म प्रतीत होती हैं, तथापि इनमें अतिसूक्ष्मदर्शीय (Submicroscopic) छिद्रों या रंध्रों का एक नेटवर्क होता है। कुछ विलायक जैसे जल के अणु इन छिद्रों से गुज़र सकते हैं परंतु विलेय के बड़े अणुओं का गमन बाधित होता है। इस प्रकार के गुणों वाली झिल्लियाँ, अर्धपारगम्य झिल्लियाँ (SPM) कहलाती हैं।

मान लीजिए कि केवल विलायक के अणु ही इन अर्धपारगम्य झिल्लियों में से निकल सकते हैं। यदि चित्र 1.9 में दर्शाये अनुसार यह झिल्ली विलायक एवं विलयन के मध्य रख दी जाए तो विलायक के अणु इस झिल्ली में से निकलकर विलयन की ओर प्रवाहित हो जाएंगे। विलायक के प्रवाह का यह प्रक्रम परासरण कहलाता है।

साम्यवस्था प्राप्त होने तक प्रवाह सतत बना रहता है। झिल्ली में से विलायक का अपनी ओर से विलयन की ओर का प्रवाह, विलयन पर अतिरिक्त दाब लगा कर रोका जा सकता है। यह दाब जो कि विलायक के प्रवाह को मात्र रोकता है, परासरण दाब कहलाता है। अर्धपारगम्य झिल्ली में से विलायक का तनु विलयन से सांद्र विलयन की ओर प्रवाह, परासरण के कारण होता है। यह बिंदु ध्यान रखने योग्य है कि विलायक के अणु हमेशा विलयन की निम्न सांद्रता से उच्च सांद्रता की ओर प्रवाह करते हैं। परासरण दाब का विलयन की सांद्रता पर निर्भर होना पाया गया है।

चित्र 1.10-परासरण को रोकने के लिए परासरण दाब के तुल्य अतिरिक्त दाब विलयन पर प्रयुक्त करना चाहिए।

एक विलयन का परासरण दाब वह अतिरिक्त दाब है, जो परासरण को रोकने अर्थात् विलायक के अणुओं को एक अर्धपारगम्य झिल्ली द्वारा विलयन में जाने से रोकने के लिए लगाया जाना चाहिए। यह चित्र 1.10 में समझाया गया है। परासरण दाब एक अणुसंख्यक गुण है, जो कि विलेय कि अणु संख्या पर निर्भर करता है, न कि उसकी प्रकृति पर। तनु विलयनों के लिए प्रायोगिक तौर पर यह पाया गया है कि परासरण दाब दिए गए ताप $\boldsymbol{T}$ पर, मोलरता, $\mathbf{C}$ के समानुपातिक होता है। अत:

$$ \begin{equation*} \Pi=C R T \tag{1.39} \end{equation*} $$

यहाँ $\Pi$ परासरण दाब एवं $\mathrm{R}$ गैस नियतांक है।

$$ \begin{equation*} \Pi=\frac{n _{2}}{V} R T \tag{1.40} \end{equation*} $$

यहाँ $\mathrm{V}$, विलेय के $n _{2}$ मोलों को रखने वाले विलयन का आयतन लीटर में है। यदि $M _{2}$ मोलर द्रव्यमान का $\mathrm{w} _{2}$ ग्राम विलेय विलयन में उपस्थित हो तब हम-$n_2=\frac{\mathbf{w}_2}{M_2}$ एवं

$$ \begin{equation*} \Pi V=\frac{\mathbf{w}_2 R T}{M_2} \tag{1.41} \end{equation*} $$

$$ \begin{equation*} \text {या} \quad \quad \text{M}_2 =\frac{\mathbf{w}_2 R T}{\Pi V} \text{लिख सकते हैं,} \tag{1.42} \end{equation*} $$

अतः राशियों $\mathrm{w} _{2}, T, \Pi$ एवं $V$ के ज्ञात होने पर विलेय का मोलर द्रव्यमान परिकलित किया जा सकता है।

विलेयों के मोलर द्रव्यमान ज्ञात करने की एक अन्य विधि परासरण दाब का मापन है। यह विधि प्रोटीनों, बहुलकों एवं अन्य वृहदणुओं के मोलर द्रव्यमान ज्ञात करने की प्रचलित विधि है। परासरण दाब विधि दाब मापन की अन्य विधियों से अधिक उपयोगी है क्योंकि परासरण दाब मापन कमरे के ताप पर होता है एवं मोललता के स्थान पर विलयन की मोलरता उपयोग में ली जाती है। अन्य अणुसंख्यक गुणों की तुलना में तनु विलयनों के लिए भी इसका परिमाण अधिक होता है। विलेयों के मोलर द्रव्यमान ज्ञात करने की परासरण दाब तकनीक विशेष रूप से जैव-अणुओं के लिए उपयोगी है जो उच्चताप पर सामान्यतया स्थायी नहीं होते एवं उन बहुलकों के लिए भी जिनकी विलेयता कम होती है।

दिए गए ताप पर समान परासरण दाब वाले दो विलयन समपरासारी विलयन कहलाते हैं। जब ऐसे विलयन अर्धपारगम्य झिल्ली द्वारा पृथक किए जाते हैं, तो उनके मध्य परासरण नहीं होता। उदाहरणार्थ, रुधिर कोशिका में स्थित द्रव का परासरण दाब $0.9 \%$ (द्रव्यमान/आयतन) सोडियम क्लोराइड, जिसे सामान्य लवण विलयन कहते हैं, के तुल्यांक होता है एवं इसे अंतःशिरा में अंतःक्षेपित (इंजेक्ट) करना सुरक्षित रहता है। दूसरी ओर, यदि हम कोशिकाओं को $0.9 \%$ (द्रव्यमान/आयतन) से अधिक सोडियम क्लोराइड विलयन में रख दें, तो जल कोशिकाओं से बाहर प्रवाहित हो जाएगा और वे संकुचित हो जाएंगी। इस प्रकार के विलयन को अतिपरासरी विलयन कहा जाता है। यदि लवण की सांद्रता $0.9 \%$ (द्रव्यमान/आयतन) से कम हो तो जल कोशिकाओं के अंदर प्रवाहित होगा और वे फूल जायेंगी। ऐसे विलयन को अल्पपरासरी विलयन कहते हैं।

उदाहरण 1.11

एक प्रोटीन के $200 \mathrm{~cm}^{3}$ जलीय विलयन में $1.26 \mathrm{~g}$ प्रोटीन है। $300 \mathrm{~K}$ पर इस विलयन का परासरणदाब $2.57 \times 10^{-3}$ bar पाया गया। प्रोटीन के मोलर द्रव्यमान का परिकलन कीजिए।

हल

हमें निम्नलिखित राशियाँ ज्ञात हैं-
$\Pi=2.57 \times 10^{-3}$ bar, $V=200 \mathrm{~cm}^3=0.200$ litre $T=300 \mathrm{~K}$ $\mathrm{R}=0.083 \mathrm{~L} \mathrm{bar} \mathrm{mol}^{-1} \mathrm{~K}^{-1}$

इन मानों को समीकरण 1.42 में प्रतिस्थापित करने पर हम पाते हैं- $$ M_2=\frac{1.26 \mathrm{~g} \times 0.083 \mathrm{~L} \mathrm{bar} \mathrm{K}^{-1} \mathrm{~mol}^{-1} \times 300 \mathrm{~K}}{2.57 \times 10^{-3} \mathrm{bar} \times 0.200 \mathrm{~L}}=61,022 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1} $$

इस खंड के प्रारंभ में उल्लेखित परिघटनाओं को परासरण के आधार पर समझाया जा सकता है। अचार बनाने के लिए सांद्र लवणीय विलयन में रखा गया कच्चा आम परासरण के कारण जल का क्षरण कर देता है एवं संकुचित हो जाता है। मुरझाये पुष्प ताज़ा जल में रखने पर पुनः ताज़े हो उठते हैं। वातावरण में जल ह्रास के कारण लचीली हो चुकी गाजर जल में रखकर पुनः उसी अवस्था में प्राप्त की जा सकती है। परासरण के कारण जल इसकी कोशिकाओं के अंदर चला जाता है। यदि रुधिर कोशिकाओं को $0.9 \%$ (द्रव्यमान/आयतन) से कम लवण वाले जल में रखा जाये तो परासरण के कारण जल के रुधिर कोशिका में प्रवाह से ये फूल जाती हैं। जो लोग बहुत अधिक नमक या नमकीन भोजन लेते हैं वे ऊतक कोशिकाओं एवं अंतरा कोशिक स्थानों में जल धारण महसूस करते हैं। इसके परिणामस्वरूप होने वाली स्थूलता या सूजन को शोफ (edema) कहते हैं।

जल का मृदा से पौधों की जड़ों में और फिर पौधे के ऊपर के हिस्सों में पहुँचना आंशिक रूप से परासरण के कारण होता है। मांस में लवण मिलाकर संरक्षण एवं फलों में शर्करा मिलाकर संरक्षण बैक्टीरिया की क्रिया को रोकता है। परासरण के कारण नमकयुक्त मांस एवं मिश्री में पागे गए फल पर स्थिर बैक्टीरियम जल ह्रास के कारण संकुचित होकर मर जाता है।

1.6.5 प्रतिलोम परासरण एवं जल शोधन

चित्र 1.10 में वर्णित विलयन पर यदि परासरण दाब से अधिक दाब लगाया जाए तो परासरण की दिशा को प्रतिवर्तित (Reversed) किया जा सकता है; अर्थात् शुद्ध विलायक अब अर्धपारगम्य झिल्ली के माध्यम से विलयन में से पारगमन करता है। यह परिघटना प्रतिलोम परासरण कहलाती है एवं व्यावहारिक रूप से बहुत उपयोगी है। प्रतिलोम परासरण का उपयोग समुद्री जल के विलवणीकरण में किया जाता है। प्रक्रम का आरेखीय निरूपण चित्र 1.11 में दर्शाया गया है। जब परासरण दाब से अधिक दाब लगाया जाता है तो शुद्ध जल अर्धपारगम्य झिल्ली के माध्यम से समुद्री जल में से निष्कासित हो जाता है। तो इस उद्देश्य के लिए विभिन्न प्रकार की बहुलकीय झिल्लियाँ उपलब्ध हैं।

चित्र 1.11 - जब विलयन पर परासरण दाब से अधिक दाब लगाया जाता है तो प्रतिलोम परासरण होता है।

प्रतिलोम परासरण के लिए आवश्यक दाब बहुत अधिक होता है। इसके लिए उपयुक्त झिल्ली सेलूलोस ऐसीटेट की फिल्म से बनी होती है जिसे उपयुक्त आधार पर रखा जाता है। सेलूलोस ऐसीटेट जल के लिए पारगम्य है परंतु समुद्री जल में उपस्थित अशुद्धियों एवं आयनों के लिए अपारगम्य है। आजकल बहुत से देश अपनी पेय जल की आवश्यकता के लिए विलवणीकरण संयंत्रों का उपयोग करते हैं।

पाठ्यनिहित प्रश्न

1.9 $298 \mathrm{~K}$ पर शुद्ध जल का वाष्पदाब $23.8 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ है। $850 \mathrm{~g}$ जल में $50 \mathrm{~g}$ यूरिया $\left(\mathrm{NH} _{2} \mathrm{CONH} _{2}\right)$ घोला जाता है। इस विलयन के लिए जल के वाष्पदाब एवं इसके आपेक्षिक अवनमन का परिकलन कीजिए।

1.10 $750 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ दाब पर जल का क्वथनांक $99.63^{\circ} \mathrm{C}$ है। $500 \mathrm{~g}$ जल में कितना सुक्रोस मिलाया जाए कि इसका $100^{\circ} \mathrm{C}$ पर क्वथन हो जाए।

1.11 ऐस्कॉर्बिक अम्ल (विटामिन $\mathrm{C}, \mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{8} \mathrm{O} _{6}$ ) के उस द्रव्यमान का परिकलन कीजिए, जिसे $75 \mathrm{~g}$ ऐसीटिक अम्ल में घोलने पर उसके हिमांक में $1.5^{\circ} \mathrm{C}$ की कमी हो जाए। $\mathrm{K} _{f}=3.9 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1}$

1.12 $185,000$ मोलर द्रव्यमान वाले एक बहुलक के $1.0 \mathrm{~g}$ को $37^{\circ} \mathrm{C}$ पर $450 \mathrm{~mL}$ जल में घोलने से उत्पन्न विलयन के परासरण दाब का पास्कल में परिकलन कीजिए।

1.7 आसामान्य मोलर द्रव्यमान

हम जानते हैं कि आयनिक पदार्थ जल में घोलने पर धनायनों एवं ऋणायनों में वियोजित हो जाते हैं। उदाहरणार्थ, यदि हम एक मोल $\mathrm{KCl}(74.5 \mathrm{~g})$ को जल में विलीन करें तो हम विलयन में $\mathrm{K}^{+}$एवं $\mathrm{Cl}^{-}$आयनों में प्रत्येक के एक मोल के मुक्त होने की अपेक्षा करते हैं। यदि ऐसा होता है, तो विलयन में विलेय के कणों के दो मोल होंगे। यदि हम अंतराआयनी आकर्षणों की उपेक्षा करें तो यह आशा की जाती है कि $1 \mathrm{~kg}$ जल में $\mathrm{KCl}$ का एक मोल, क्वथनांक को $2 \times 0.52 \mathrm{~K}=1.04 \mathrm{~K}$ बढ़ा देगा। अब, यदि हम वियोजन की मात्रा के बारे में न जानते हों तो हम इस परिणाम पर पहुँचेंगे कि 2 मोल कणों का द्रव्यमान $74.5 \mathrm{~g}$ है अतः एक मोल $\mathrm{KCl}$ का द्रव्यमान $37.25 \mathrm{~g}$ होगा। इससे यह नियम प्रकट होता है कि जब विलेय का आयनों में वियोजन होता है तो प्रायोगिक तौर पर इन विधियों द्वारा ज्ञात किया गया मोलर द्रव्यमान, वास्तविक द्रव्यमान से हमेशा कम होता है।

बेन्जीन में एथेनॉइक अम्ल के अणुओं का (ऐसीटिक अम्ल) हाइड्रोजन बंध बनने के कारण द्वितयन (dimerization) हो जाता है। ऐसा सामान्यतया निम्न परावैद्युतांक वाले विलायकों में होता है। इस प्रकरण में द्वितयन के कारण कणों की संख्या घट जाती है। अणुओं का संगुणन निम्न चित्र में देखा जा सकता है

यहाँ बेशक यह कहा जा सकता है कि यदि बेन्जीन में एथेनॉइक अम्ल के समस्त अणु संगुणित हो जायें तो एथेनॉइक अम्ल का $\Delta T _{b}$ या $\Delta T _{f}$ सामान्य मान से आधा होगा। इस $\Delta T _{\mathrm{b}}$ या $\Delta T _{f}$ के आधार पर परिकलित मोलर द्रव्यमान अनुमानित मान का दो गुना होगा। ऐसा मोलर द्रव्यमान जो अनुमानित या सामान्य मान की तुलना में निम्न या उच्च होता है असामान्य मोलर द्रव्यमान कहलाता है।

1880 में वान्ट हॉफ ने वियोजन और संयोजन की सीमा के निर्धारण के लिए एक गुणक, $i$, जिसे वान्ट हॉफ गुणक कहते हैं, प्रतिपादित किया। इस गुणक, $i$, को निम्नानुसार परिभाषित किया जाता है -

$$ \begin{aligned} & i=\frac{\text { सामान्य मोलर द्रव्यमान }}{\text { असामान्य मोलर द्रव्यमान }} \\ & =\frac{\text { प्रेक्षित अणुसंख्यक गुण }}{\text { परिकलित अणुसंख्यक गुण }} \\ & i=\frac{\text { संगुणन/वियोजन के पश्चात् कणों के कुल मोलों की संख्या }}{\text { संगुणन/वियोजन के पूर्व कणों के मोलों की संख्या }} \end{aligned} $$

यहाँ असामान्य मोलर द्रव्यमान प्रायोगिक तौर पर ज्ञात किया गया मोलर द्रव्यमान है तथा अणुसंख्यक गुणों का परिकलन यह मानकर किया गया है कि अवाष्पशील विलेय न तो संयोजित होता है और न ही वियोजित। संगुणन की स्थिति में $i$ का मान एक से कम जबकि वियोजन में यह एक से अधिक होता है। उदाहरण के लिए, जलीय $\mathrm{KCl}$ के लिए $i$ का मान 2 के नजदीक एवं बेन्जीन में एथेनॉइक अम्ल के लिए लगभग 0.5 होता है।

वान्ट हॉफ गुणक को शामिल करने पर अणुसंख्यक गुणों के लिए समीकरण निम्नानुसार संशोधित हो जाते हैं-

विलायक के वाष्पदाब में आपेक्षिक अवनमन,

$$ \frac{p_1^o-p_1}{p_1^o}=i \cdot \frac{n_2}{n_1} $$

थनांक का उन्नयन, $\Delta T_b=i K_b \mathrm{~m}$ हिमांक का अवनमन, $\Delta T_f=i K_f \mathrm{~m}$ विलयन का परासरण दाब, $\Pi=i n_2 R T / V$

सारणी 1.4 में बहुत सारे प्रबल वैद्युत अपघट्यों के लिए $i$ के मान दर्शाए गए हैं। $\mathrm{KCl}$, $\mathrm{NaCl}$ एवं $\mathrm{MgSO} _{4}$ के लिए जैसे ही विलयन बहुत तनु होता है, $i$ का मान 2 के नज़दीक पहुँच जाता है। जैसी की अपेक्षा है $\mathrm{K} _{2} \mathrm{SO} _{4}$ के लिए $i$ का मान 3 के नज़दीक होता है।

सारणी 1.4- $\mathrm{NaCl}, \mathrm{KCl}, \mathrm{MgSO} _{4}$ एवं $\mathrm{K} _{2} \mathrm{SO} _{4}$ के लिए विभिन्न सांद्रणों पर वान्ट हॉफ कारक ( $i$ ) के मान

लवण ${ }^{*} \boldsymbol{i}$ के मान विलेय के पूर्ण वियोजन के लिए
$\mathbf{0 . 1} \mathbf{~ m}$ $\mathbf{0 . 0 1} \mathbf{~ m}$ $\mathbf{0 . 0 0 1} \mathbf{~ m}$ वान्ट हॉफ कारक ’ $\boldsymbol{i}$ ’ का मान
$\mathrm{NaCl}$ 1.87 1.94 1.97 2.00
$\mathrm{KCl}$ 1.85 1.94 1.98 2.00
$\mathrm{MgSO} _{4}$ 1.21 1.53 1.82 2.00
$\mathrm{~K} _{2} \mathrm{SO} _{4}$ 2.32 2.70 2.84 3.00

उदाहरण 1.12

$2 \mathrm{~g}$ बेन्ज्रोइक अम्ल $25 \mathrm{~g}$ बेन्जीन में घोलने पर हिमांक में $1.62 \mathrm{~K}$ का अवनमन होता है। बेन्जीन के लिए मोलल अवनमन स्थिरांक $4.9 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1}$ है। यदि यह विलयन में द्वितय (dimer) बनाता है तो अम्ल का संगुणन कितने प्रतिशत होगा?

हल

दिए गए मान निम्नानुसार हैं- $\mathrm{w}_2=2 \mathrm{~g} ; K _{\mathrm{f}}=4.9 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} ; \mathrm{w}_1=25 \mathrm{~g}$, $$ \Delta T_f=1.62 \mathrm{~K} $$

समीकरण 1.36 में यह मान रखने पर, हमें प्राप्त होता है- $$ M_2=\frac{4.9 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} \times 2 \mathrm{~g} \times 1000 \mathrm{~g} \mathrm{~kg}^{-1}}{25 \mathrm{~g} \times 1.62 \mathrm{~K}}=241.98 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1} $$

अतः बेन्जीन में बेन्ज्रोइक अम्ल का प्रायोगिक आण्विक द्रव्यमान $=241.98 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$

अब अम्ल के लिए निम्नलिखित साम्यावस्था पर विचार करें- $$ 2 \mathrm{C}_6 \mathrm{H}_5 \mathrm{COOH} \rightleftharpoons\left(\mathrm{C}_6 \mathrm{H}_5 \mathrm{COOH}\right)_2 $$

यदि विलेय के संगुणन की मात्रा को ’ $x$ ’ द्वारा व्यक्त किया जाए, तो साम्यावस्था पर असंगुणित बेन्ज्रोइक अम्ल के अणुओं की मात्रा ( $1-x$ ) मोल होगी अतः बेन्ज्ञोइक अम्ल के संगुणित अणुओं के $\frac{x}{2}$ मोल होंगे। इस प्रकार साम्यावस्था पर कणों के मोलों की कुल संख्या- $1-x+\frac{x}{2}=1-\frac{x}{2} \text { होगी। }$

अतः साम्यावस्था पर कणों के मोलों की यह संख्या वान्ट हॉफ गुणक ’ $i$ ’ के बराबर होगी।

$$ \text { किंतु } i=\frac{\text { सामान्य मोलर द्रव्यमान }}{\text { असामान्य मोलर द्रव्यमान }} $$

$$ \begin{aligned} & =\frac{122 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}{241.98 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}} \ \text { या } \frac{x}{2} & =1-\frac{122}{241.98} \ & =1-0.504 \ & =0.496 \ \text { या } x & =2 \times 0.496 \ & =0.992 \end{aligned} $$

अतः बेन्ज़ोइक अम्ल का बेन्जीन में संगुणन $99.2 %$ है।

उदाहरण 1.13

$1.06 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$ घनत्व वाले ऐसीटिक अम्ल $\left(\mathrm{CH} _{3} \mathrm{COOH}\right)$ के $0.6 \mathrm{~mL}$ को 1 लीटर जल में घोला गया। अम्ल की इस सांद्रता के लिए हिमांक में अवनमन $0.0205^{\circ} \mathrm{C}$ प्रेक्षित किया गया। अम्ल के लिए वान्ट हॉफ गुणक एवं वियोजन स्थिरांक का परिकलन कीजिए।

हल

$$ \begin{aligned} & \text { ऐसीटिक अम्ल के मोलों की संख्या }=\frac{0.6 \mathrm{~mL} \times 1.06 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}}{60 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}}=0.0106 \mathrm{~mol}=n \\ & \text { मोललता }=\frac{0.0106 \mathrm{~mol}}{1000 \mathrm{~mL} \times 1 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}}=0.0106 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}^{-1} \end{aligned} $$

समीकरण (1.35) का उपयोग करने पर $$ \Delta T_f=1.86 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1} \times 0.0106 \mathrm{~mol} \mathrm{~kg}{ }^{-1}=0.0197 \mathrm{~K} $$ वान्ट हॉफ गुणक, $i=\frac{\text { प्रेक्षित हिमांक }}{\text { परिकलित हिमांक }}=\frac{0.0205 \mathrm{~K}}{0.0197 \mathrm{~K}}=1.041$ ऐसीटिक अम्ल एक दुर्बल वैद्युतअपघट्य है एवं यह प्रति अणु दो आयनों- ऐसीटेट तथा हाइड्रोजन में वियोजित होगा। यदि ऐसीटिक अम्ल के वियोजन की मात्रा $x$ हो तो अवियोजित ऐसीटिक अम्ल के $n(1-x)$ मोल होंगे एवं $n x$ मोल $\mathrm{CH} _3 \mathrm{COO}^{-}$एवं $n x$ मोल $\mathrm{H}^{+}$आयनों के होंगे। $$ \begin{aligned} & \mathrm{CH} _3 \mathrm{COOH} \rightleftharpoons \mathrm{H}^{+}+\mathrm{CH} _3 \mathrm{COO}^{-} \ & n \text { मोल } \ & 0 \quad 0 \ & n(1-x) \text { मोल } n x \text { मोल } n x \text { मोल } \ & \end{aligned} $$

अतः कणों के कुल मोल हैं- $n(1-x+x+x)=n(1+x)$ $$ i=\frac{\mathrm{n}(1+x)}{n}=1+x=1.041 $$

अतः ऐसीटिक अम्ल के वियोजन की मात्रा $=x=1.041-1.000=0.041$ तब $\left[\mathrm{CH} _3 \mathrm{COOH}\right]=n(1-x)=0.0106(1-0.041)$, $$ \begin{aligned} & {\left[\mathrm{CH} _3 \mathrm{COO}^{-}\right]=n x=0.0106 \times 0.041,\left[\mathrm{H}^{+}\right]=n x=0.0106 \times 0.041 } \ \mathrm{~K} _{\mathrm{a}}= & \frac{\left[\mathrm{CH} _3 \mathrm{COO}^{-}\right]\left[\mathrm{H}^{+}\right]}{\left[\mathrm{CH} _3 \mathrm{COOH}^{+}\right]}=\frac{0.0106 \times 0.041 \times 0.0106 \times 0.041}{0.0106(1.00-0.041)} \ = & 1.86 \times 10^{-5} \end{aligned} $$

सारांश

विलयन दो या अधिक पदार्थों का समांगी मिश्रण होता है। विलयनों को ठोस विलयन, द्रव विलयन एवं गैस विलयन में वर्गीकृत किया जाता है। किसी विलयन की सांद्रता मोल-अंश, मोललता, मोलरता और प्रतिशत में व्यक्त की जा सकती है। किसी गैस की द्रव में विलेयता हेनरी के नियम द्वारा निर्धारित होती है जिसके अनुसार किसी दिए गए ताप पर किसी गैस की द्रव में विलेयता गैस के आंशिक दाब के समानुपाती होती है। किसी विलायक में अवाष्पशील विलेय को घोलने से विलायक के वाष्प दाब में कमी होती है तथा विलायक के वाष्प दाब में यह कमी राउल्ट के नियम द्वारा निर्धारित होती है। जिसके अनुसार विलयन में किसी विलायक के वाष्प दाब में आपेक्षिक अवनमन, विलयन में उपस्थित विलेय के मोल-अंश के बराबर होता है। किंतु द्विघटकीय द्रव विलयन में यदि विलयन के दोनों ही घटक वाष्पशील हों, तो राउल्ट के नियम का दूसरा रूप प्रयोग में लाया जाता है। गणितीय रूप में राउल्ट के नियम का कथन $p _{\text {कुल }}=p _{1}^{0} x _{1}+p _{2}^{0} x _{2}$ है। वे विलयन जो राउल्ट के नियम का सभी सांद्रताओं पर पालन करते हैं; आदर्श विलयन कहलाते हैं। राउल्ट के नियम से दो प्रकार के विचलन होते हैं जिन्हें धनात्मक एवं ऋणात्मक विचलन कहते हैं। राउल्ट के नियम से बहुत अधिक विचलन से स्थिरक्वाथी विलयन बनते हैं।

विलयनों के वे गुण जो उनमें विलेय पदार्थों की रासायनिक पहचान पर निर्भर न होकर विलेय पदार्थों के कणों की संख्या पर निर्भर करते हैं, जैसे- वाष्प दाब का आपेक्षिक अवनमन; क्वथनांक का उन्नयन; हिमांक का अवनमन एवं परासरण दाब; अणुसंख्य गुणधर्म कहलाते हैं। यदि विलयन पर उसके परासरण दाब से अधिक बाहरी दबाव लगाया जाए तो परासरण की प्रक्रिया की दिशा को विपरीत किया जा सकता है। अणुसंख्य गुणधर्मों का प्रयोग विभिन्न प्रकार के विलेयों के आण्विक द्रव्यमान के निर्धारण में किया जाता है। विलयन में वियोजित होने वाले विलेय के आण्विक द्रव्यमान का मान उनके वास्तविक आण्विक द्रव्यमान से कम तथा संगुणित होने वाले विलेयों का आण्विक द्रव्यमान वास्तविक मान से अधिक प्राप्त होता है।

मात्रात्मक दृष्टि से, किसी विलेय के वियोजन अथवा संगुणन की मात्रा वान्ट हॉफ गुणक ’ $i$ ’ द्वारा व्यक्त की जा सकती है। इस गुणक को सामान्य मोलर द्रव्यमान एवं प्रायोगिक मोलर द्रव्यमान के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है।

अभ्यास

1.1 विलयन को परिभाषित कीजिए। कितने प्रकार के विभिन्न विलयन संभव हैं? प्रत्येक प्रकार के विलयन के संबंध में एक उदाहरण देकर संक्षेप में लिखिए।

Show Answer #missing

1.2 एक ऐसे ठोस विलयन का उदाहरण दीजिए जिसमें विलेय कोई गैस हो।

Show Answer #missing

1.3 निम्न पदों को परिभाषित कीजिए-

(i) मोल-अंश

(ii) मोललता

(iii) मोलरता

(iv) द्रव्यमान प्रतिशत

Show Answer #missing

1.4 प्रयोगशाला कार्य के लिए प्रयोग में लाया जाने वाला सांद्र नाइट्रिक अम्ल द्रव्यमान की दृष्टि से नाइट्रिक अम्ल का $68 \%$ जलीय विलयन है। यदि इस विलयन का घनत्व $1.504 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$ हो तो अम्ल के इस नमूने की मोलरता क्या होगी?

Show Answer #missing

1.5 ग्लूकोस का एक जलीय विलयन $10 \%(w / w)$ है। विलयन की मोललता तथा विलयन में प्रत्येक घटक का मोल-अंश क्या है? यदि विलयन का घनत्व $1.2 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$ हो तो विलयन की मोलरता क्या होगी?

Show Answer #missing

1.6 यदि $1 \mathrm{~g}$ मिश्रण में $\mathrm{Na} _{2} \mathrm{CO} _{3}$ एवं $\mathrm{NaHCO} _{3}$ के मोलों की संख्या समान हो तो इस मिश्रण से पूर्णतः क्रिया करने के लिए $0.1 \mathrm{M} \mathrm{HCl}$ के कितने $\mathrm{mL}$ की आवश्यकता होगी?

Show Answer #missing

1.7 द्रव्यमान की दृष्टि से $25 \%$ विलयन के $300 \mathrm{~g}$ एवं $40 \%$ के $400 \mathrm{~g}$ को आपस में मिलाने पर प्राप्त मिश्रण का द्रव्यमान प्रतिशत सांद्रण निकालिए।

Show Answer #missing

1.8 $222 .6 \mathrm{~g}$ एथिलीन ग्लाइकॉल, $\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{4}(\mathrm{OH}) _{2}$ तथा $200 \mathrm{~g}$ जल को मिलाकर प्रतिहिम मिश्रण बनाया गया। विलयन की मोललता की गणना कीजिए। यदि विलयन का घनत्व $1.072 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$ हो तो विलयन की मोलरता निकालिए।

Show Answer #missing

1.9 एक पेय जल का नमूना क्लोरोफॉर्म $\left(\mathrm{CHCl} _{3}\right)$ से, कैंसरजन्य समझे जाने की सीमा तक बहुत अधिक संदूषित है। इसमें संदूषण की सीमा $15 \mathrm{ppm}$ (द्रव्यमान में) है-

(i) इसे द्रव्यमान प्रतिशत में व्यक्त कीजिए।

(ii) जल के नमूने में क्लोरोफॉर्म की मोललता ज्ञात कीजिए।

Show Answer #missing

1.10 ऐल्कोहॉल एवं जल के एक विलयन में आण्विक अन्योन्यक्रिया की क्या भूमिका है?

Show Answer #missing

1.11 ताप बढ़ाने पर गैसों की द्रवों में विलेयता में, हमेशा कमी आने की प्रवृत्ति क्यों होती है?

Show Answer #missing

1.12 हेनरी का नियम तथा इसके कुछ महत्वपूर्ण अनुप्रयोग लिखिए।

Show Answer #missing

1.13 $ 6 .56 \times 10^{-3} \mathrm{~g}$ एथेन युक्त एक संतृप्त विलयन में एथेन का आंशिक दाब $1 \mathrm{bar}$ है। यदि विलयन में $5.00 \times 10^{-2} \mathrm{~g}$ एथेन हो तो गैस का आंशिक दाब क्या होगा?

Show Answer #missing

1.14 राउल्ट के नियम से धनात्मक एवं ऋणात्मक विचलन का क्या अर्थ है तथा $\Delta _{\text {मिश्रण }} \mathrm{H}$ के चिन्ह का इन विचलनों से कैसे संबंधित है?

Show Answer #missing

1.15 विलायक के सामान्य क्वथनांक पर एक अवाष्पशील विलेय का $2 \%$ जलीय विलयन का $1.004 \mathrm{bar}$ वाष्प दाब है। विलेय का मोलर द्रव्यमान क्या है?

Show Answer #missing

1.16 हेप्टेन एवं ऑक्टेन एक आदर्श विलयन बनाते हैं। $373 \mathrm{~K}$ पर दोनों द्रव घटकों के वाष्प दाब क्रमशः $105.2 \mathrm{kPa}$ तथा $46.8 \mathrm{kPa}$ हैं। $26.0 \mathrm{~g}$ हेप्टेन एवं $35.0 \mathrm{~g}$ ऑक्टेन के मिश्रण का वाष्प दाब क्या होगा?

Show Answer #missing

1.17 $300 \mathrm{~K}$ पर जल का वाष्प दाब $12.3 \mathrm{kPa}$ है। इसमें बने अवाष्पशील विलेय के एक मोलल विलयन का वाष्प दाब ज्ञात कीजिए।

Show Answer #missing

1.18 $114 \mathrm{~g}$ ऑक्टेन में किसी अवाष्पशील विलेय (मोलर द्रव्यमान $40 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$ ) की कितनी मात्रा घोली जाए कि ऑक्टेन का वाष्प दाब घट कर मूल का $80 \%$ रह जाए।

Show Answer #missing

1.19 एक विलयन जिसे एक अवाष्पशील ठोस के $30 \mathrm{~g}$ को $90 \mathrm{~g}$ जल में विलीन करके बनाया गया है। उसका $298 \mathrm{~K}$ पर वाष्प दाब $2.8 \mathrm{kPa}$ है। विलयन में $18 \mathrm{~g}$ जल और मिलाया जाता है जिससे नया वाष्प दाब $298 \mathrm{~K}$ पर $2.9 \mathrm{kPa}$ हो जाता है। निम्नलिखित की गणना कीजिए।

(i) विलेय का मोलर द्रव्यमान

(ii) $298 \mathrm{~K}$ पर जल का वाष्प दाब।

Show Answer #missing

1.20 शक्कर के $5 \%$ (द्रव्यमान) जलीय विलयन का हिमांक $271 \mathrm{~K}$ है। यदि शुद्ध जल का हिमांक $273.15 \mathrm{~K}$ है तो ग्लूकोस के $5 \%$ जलीय विलयन के हिमांक की गणना कीजिए।

Show Answer #missing

1.21 दो तत्व $\mathrm{A}$ एवं $\mathrm{B}$ मिलकर $\mathrm{AB} _{2}$ एवं $\mathrm{AB} _{4}$ सूत्र वाले दो यौगिक बनाते हैं। $20 \mathrm{~g}$ बेन्जीन में घोलने पर $1 \mathrm{~g} \mathrm{AB} _{2}$ हिमांक को $2.3 \mathrm{~K}$ अवनमित करता है। जबकि $1.0 \mathrm{~g} \mathrm{AB} _{4}$ से $1.3 \mathrm{~K}$ का अवनमन होता है। बेन्जीन के लिए मोलर अवनमन स्थिरांक $5.1 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1}$ है। $\mathrm{A}$ एवं $\mathrm{B}$ के परमाणवीय द्रव्यमान की गणना कीजिए।

Show Answer #missing

1.22 $300 \mathrm{~K}$ पर $36 \mathrm{~g}$ प्रति लीटर सांद्रता वाले ग्लूकोस के विलयन का परासरण दाब $4.98 \mathrm{bar}$ है। यदि इसी ताप पर विलयन का परासरण दाब 1.52 bar हो तो उसकी सांद्रता क्या होगी?

Show Answer #missing

1.23 निम्नलिखित युग्मों में उपस्थित सबसे महत्वपूर्ण अंतरआण्विक आकर्षण बलों का सुझाव दीजिए।

(i) $\mathrm{n}$-हेक्सेन व $\mathrm{n}$-ऑक्टेन

(ii) $\mathrm{I} _{2}$ तथा $\mathrm{CCl} _{4}$

(iii) $\mathrm{NaClO} _{4}$ तथा $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$

(iv) मेथेनॉल तथा ऐसीटोन

(v) ऐसीटोनाइट्राइल $\left(\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CN}\right)$ तथा ऐसीटोन $\left(\mathrm{C} _{3} \mathrm{H} _{6} \mathrm{O}\right)$

Show Answer #missing

1.24 विलेय-विलायक आकर्षण के आधार पर निम्नलिखित को $\mathrm{n}$-ऑक्टेन की विलेयता के बढ़ते क्रम में व्यवस्थित कीजिए$\mathrm{KCl}, \mathrm{CH} _{3} \mathrm{OH}, \mathrm{CH} _{3} \mathrm{CN}$, साइक्लोहेक्सेन।

Show Answer #missing

1.25 पहचानिए कि निम्नलिखित यौगिकों में से कौन से जल में अत्यधिक विलेय, आंशिक रूप से विलेय तथा अविलेय हैं।

(i) फ़ीनॉल

(ii) टॉलूईन

(iii) फार्मिक अम्ल

(iv) एथिलीन ग्लाइकॉल

(v) क्लोरोफॉर्म

(vi) पेन्टेनॉल

Show Answer #missing

1.26 यदि किसी झील के जल का घनत्व $1.25 \mathrm{~g} \mathrm{~mL}^{-1}$ है तथा उसमें $92 \mathrm{~g} \mathrm{Na}^{+}$आयन प्रति किलो जल में उपस्थित हैं। तो झील में $\mathrm{Na}^{+}$आयन की मोलरता ज्ञात कीजिए।

Show Answer #missing

1.27 अगर $\mathrm{CuS}$ का विलेयता गुणनफल $6 \times 10^{-16}$ है तो जलीय विलयन में उसकी अधिकतम मोलरता ज्ञात कीजिए।

Show Answer #missing

1.28 जब $6.5 \mathrm{~g}$, ऐस्पिरीन $\left(\mathrm{C} _{9} \mathrm{H} _{8} \mathrm{O} _{4}\right)$ को $450 \mathrm{~g}$ ऐसिटोनाइट्राइल $\left(\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CN}\right)$ में घोला जाए तो ऐस्पिरीन का ऐसीटोनाइट्राइल में भार प्रतिशत ज्ञात कीजिए।

Show Answer #missing

1.29 नैलॉर्फ़ीन $\left(\mathrm{C} _{19} \mathrm{H} _{21} \mathrm{NO} _{3}\right)$ जो कि मॉर्फीन जैसी होती है, का उपयोग स्वापक उपभोक्ताओं द्वारा स्वापक छोड़ने से उत्पन्न लक्षणों को दूर करने में किया जाता है। सामान्यतया नैलॉर्फ़ीन की $1.5 \mathrm{mg}$ खुराक दी जाती है। उपरोक्त खुराक के लिए $1.5 \times 10^{-3} \mathrm{~m}$ जलीय विलयन का कितना द्रव्यमान आवश्यक होगा?

Show Answer #missing

1.30 बेन्ज़ोइक अम्ल का मेथेनॉल में $0.15 \mathrm{~m}$ विलयन बनाने के लिए आवश्यक मात्रा की गणना कीजिए।

Show Answer #missing

1.31 ऐसीटिक अम्ल, ट्राइक्लोरोएसीटिक अम्ल एवं ट्राइफ्लुओरो एसीटिक अम्ल की समान मात्रा से जल के हिमांक में अवनमन इनके उपरोक्त दिए गए क्रम में बढ़ता है। संक्षेप में समझाइए।

Show Answer #missing

1.32 $ \mathrm{CH} _{3}-\mathrm{CH} _{2}-\mathrm{CHCl}-\mathrm{COOH}$ के $10 \mathrm{~g}$ को $250 \mathrm{~g}$ जल में मिलाने से होने वाले हिमांक का अवनमन परिकलित कीजिए। $\left(K _{a}=1.4 \times 10^{-3}, K _{f}=1.86 \mathrm{~K} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1}\right)$

Show Answer #missing

1.33 $ \mathrm{CH} _{2} \mathrm{FCOOH}$ के $19.5 \mathrm{~g}$ को $500 \mathrm{~g} \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ में घोलने पर जल के हिमांक में 1.0^ ${\circ} \mathrm{C}$ का अवनमन देखा गया। फ्लुओरोएसीटिक अम्ल का वान्ट हॉफ गुणक तथा वियोजन स्थिरांक परिकलित कीजिए।

Show Answer #missing

1.34 $293 \mathrm{~K}$ पर जल का वाष्प दाब $17.535 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ है। यदि $25 \mathrm{~g}$ ग्लूकोस को $450 \mathrm{~g}$ जल में घोलें तो $293 \mathrm{~K}$ पर जल का वाष्प दाब परिकलित कीजिए।

Show Answer #missing

1.35 $298 \mathrm{~K}$ पर मेथेन की बेन्जीन पर मोललता का हेनरी स्थिरांक $4.27 \times 10^{5} \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ है। $298 \mathrm{~K}$ तथा $760 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ दाब पर मेथेन की बेन्जीन में विलेयता परिकलित कीजिए।

Show Answer #missing

1.36 $100 \mathrm{~g}$ द्रव A (मोलर द्रव्यमान $140 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$ ) को $1000 \mathrm{~g}$ द्रव B (मोलर द्रव्यमान $180 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$ ) में घोला गया। शुद्ध द्रव $B$ का वाष्प दाब 500 Torr पाया गया। शुद्ध द्रव A का वाष्प दाब तथा विलयन में उसका वाष्प दाब परिकलित कीजिए यदि विलयन का कुल वाष्प दाब 475 Torr हो।

Show Answer #missing

1.37 $328 \mathrm{~K}$ पर शुद्ध ऐसीटोन एवं क्लोरोफॉर्म के वाष्प दाब क्रमशः $741.8 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ तथा $632.8 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ हैं। यह मानते हुए कि संघटन के सम्पूर्ण परास में ये आदर्श विलयन बनाते हैं, $p _{\text {कल }}, p _{\text {क्लोरोफार्म }}$, तथा $p _{\text {ऐसीटोन }}$ को $x _{\text {ऐसीटोन }}$ के फलन के रूप में आलेखित कीजिए। मिश्रण के विभिन्न संघटनों के प्रेक्षित प्रायोगिक आंकड़े निम्नलिखित हैं।

$100 \times\left(x _{\text {ऐसीटोन }}\right)$ 0 11.8 23.4 36.0 50.8 58.2 64.5 72.1
$\mathrm{p} _{\text {ऐसीटोन }} / \mathrm{mm} \mathrm{Hg}$ 0 54.9 110.1 202.4 322.7 405.9 454.1 521.1
$\mathrm{p} _{\text {क्लोरोफार्म }} / \mathrm{mm} \mathrm{Hg}$ 632.8 548.1 469.4 359.7 257.7 193.6 161.2 120.7

उपरोक्त आंकड़ों को भी उसी ग्राफ में आलेखित कीजिए और इंगित कीजिए कि क्या इसमें आदर्श विलयन से धनात्मक अथवा ऋणात्मक विचलन है?

Show Answer #missing

1.38 संघटनों के संपूर्ण परास में बेन्जीन तथा टॉलूईन आदर्श विलयन बनाते हैं। $300 \mathrm{~K}$ पर शुद्ध बेन्जीन तथा टॉलूईन का वाष्प दाब क्रमश: $50.71 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ तथा $32.06 \mathrm{~mm} \mathrm{Hg}$ है। यदि $80 \mathrm{~g}$ बेन्जीन को $100 \mathrm{~g}$ टॉलूईन में मिलाया जाये तो वाष्प अवस्था में उपस्थित बेन्जीन के मोल-अंश परिकलित कीजिए।

Show Answer #missing

1.39 वायु अनेक गैसों की मिश्रण है। $298 \mathrm{~K}$ पर आयतन में मुख्य घटक ऑक्सीजन और नाइट्रोजन लगभग $20 \%$ एवं $79 \%$ के अनुपात में हैं। 10 वायुमंडल दाब पर जल वायु के साथ साम्य में है। $298 \mathrm{~K}$ पर यदि ऑक्सीजन तथा नाइट्रोजन के हेनरी स्थिरांक क्रमशः $3.30 \times 10^{7} \mathrm{~mm}$ तथा $6.51 \times 10^{7} \mathrm{~mm}$ है, तो जल में इन गैसों का संघटन ज्ञात कीजिए।

Show Answer #missing

1.40 यदि जल का परासरण दाब $27^{\circ} \mathrm{C}$ पर 0.75 वायुमंडल हो तो 2.5 लीटर जल में घुले $\mathrm{CaCl} _{2}(i=2.47)$ की मात्रा परिकलित कीजिए।

Show Answer #missing

1.412 लीटर जल में $25^{\circ} \mathrm{C}$ पर $\mathrm{K} _{2} \mathrm{SO} _{4}$ के $25 \mathrm{mg}$, को घोलने पर बनने वाले विलयन का परासरण दाब, यह मानते हुए ज्ञात कीजिए कि $\mathrm{K} _{2} \mathrm{SO} _{4}$ पूर्णतः वियोजित हो गया है।

Show Answer #missing


Table of Contents