Mitä ovat kolligatiiviset ominaisuudet?

Kolligatiivinen ominaisuus on kuvaava ominaisuus, jota käytetään liuoskemiassa. Yksinkertaisimmin kolligatiiviset ominaisuudet ovat niitä liuoksen ominaisuuksia, jotka riippuvat liuenneiden aineiden määrästä tietyssä liuoksessa, mutta eivät kyseisten liuenneiden molekyylien identiteetistä. On vain muutamia kolligatiivisia liuoksen ominaisuuksia: höyrynpaine, kiehumispisteen nousu, jäätymispisteen lasku ja osmoottinen paine. Kolligatiiviset ominaisuudet on määritelty vain ihanteellisille ratkaisuille.

Kemiassa liuokset määritellään liuenneesta aineesta tai liuenneesta aineesta ja liuottimesta tai liukenevasta aineesta. Esimerkiksi jos vähän ruokasuolaa liuotetaan veteen, suola on liuennut aine ja vesi on liuotin. Tämän liuoksen kolligatiiviset ominaisuudet ovat ominaisuuksia, jotka riippuvat vain suolamolekyylien lukumäärästä tai suolamolekyylien lukumäärän suhteesta liuotin- tai liuotinmolekyyleihin. Liuoksen kolligatiiviset ominaisuudet eivät riipu siitä, että liuenneena aineena on suola, tai mistään suolan ominaisuuksista. Kolligatiivinen ominaisuus on ominaisuus, joka minkä tahansa liuoksen kohdalla toimii samalla tavalla riippumatta siitä, sisältääkö liuos suolaa, sokeria tai mitä tahansa muuta mahdollista liukoista ainetta.

Liuoksen neljästä kolligatiivisesta ominaisuudesta höyrynpaine, kiehumispisteen nousu ja jäätymispisteen lasku liittyvät läheisesti toisiinsa. Raoultin laki kuvaa höyrynpaineen kolligatiivisena ominaisuutena. Raoultin laki sanoo pohjimmiltaan, että ihanteelliselle ratkaisulle kokonaisliuoksen höyrynpaine riippuu kunkin kemiallisen komponentin höyrynpaineesta sekä liuoksen kunkin kemiallisen komponentin mooliosuudesta. Käytännössä tämä suhde tarkoittaa sitä, että kun liuennutta ainetta lisätään liuokseen, höyrynpaineen muutos riippuu vain liuenneen aineen suhteesta liuotinmolekyyleihin. Jälleen kerran, koska se on kolligatiivinen ominaisuus, höyrynpaineen muutos ei riipu lisättävän liuenneen aineen identiteetistä.

Kiehumispisteen nousu ja jäätymispisteen lasku ovat kolligatiivisia ominaisuuksia, jotka muuttuvat yhdessä höyrynpaineen muutosten kanssa. Kun liuotinta lisätään liuokseen, liuenneet aineet alentavat liuottimen höyrynpainetta. Paineen muutos aiheuttaa vastaavan kiehumispisteen nousun ja liuoksen jäätymispisteen laskun. Toisin sanoen, kun liuosta lisätään liuokseen, liuos kiehuu nyt korkeammassa lämpötilassa ja jäätyy alemmassa lämpötilassa.

Osmoottinen paine on liuoksen neljäs kolligatiivinen ominaisuus. Osmoosi määritellään liuotinmolekyylien siirtymiseksi puoliläpäisevän kalvon läpi alueelle, joka sisältää suuremman määrän liuenneita aineita. Osmoottinen paine on paine, joka on kohdistettava puoliläpäisevän kalvon toiselle puolelle, jotta estetään liuottimen virtaaminen läpi. Ihanteellisen liuoksen osmoottinen paine vakiolämpötilassa on verrannollinen liuenneen aineen pitoisuuteen tai toisin sanoen riippuu vain liuenneen aineen määrästä.

Ratkaisun kolligatiiviset ominaisuudet voivat tuntua monimutkaisilta määritellä, mutta ne voidaan ymmärtää intuitiivisesti muutamien yleisten esimerkkien avulla. Monet kokit lisäävät suolaa kattilaan, joka on täynnä vettä keitettäessä pastaa, mikä saa pastan kypsymään nopeammin. Tämä toiminto hyödyntää kolligatiivista ominaisuutta. Suolan lisääminen nostaa veden kiehumispistettä, jolloin pasta kypsyy nopeammin korkeammassa veden lämpötilassa.
Myös kokit käyttävät yleisesti hyväkseen jäätymispisteen alenemista. Sekä sokeri että suola liukoisina aineina auttavat jäätelöä jäätymään. Jäätelön sokeri vaikuttaa lämpötilaan, jossa jäätelö jäätyy, ja suolavesi jäätelöastian ympärille luo kylmemmän ympäristön, jossa jäätelö jäätyy nopeammin.