12.9: Ideale Lösungen

Nach dem Gesetz von Raoult ist der Partialdampfdruck eines Lösungsmittels in einer Lösung gleich oder identisch mit dem Dampfdruck des reinen Lösungsmittels multipliziert mit seinem Molenbruch in der Lösung. Allerdings gilt das Gesetz von Raoult nur für ideale Lösungen. Damit eine Lösung ideal ist, muss die Wechselwirkung zwischen Lösungsmittel und gelöstem Stoff genauso stark sein wie die Wechselwirkung zwischen Lösungsmittel und Lösungsmittel oder gelöstem Stoff. Dies deutet darauf hin, dass sowohl der gelöste Stoff als auch das Lösungsmittel die gleiche Energiemenge verbrauchen würden, um in die Dampfphase zu gelangen, als wenn sie sich in ihrem reinen Zustand befinden. Dies ist nur möglich, wenn die verschiedenen Bestandteile der Lösung chemisch ähnlich sind, wie im Fall von Benzol und Toluol oder Hexan und Heptan.

Da viele Lösungen keine gleichmäßigen Anziehungskräfte aufweisen, weicht der Dampfdruck dieser Lösungen von dem durch das Raoult-Gesetz vorhergesagten Druck ab. Wenn beispielsweise Ethanol in Wasser gelöst wird, kommt es zu einer starken Anziehung zwischen den Wassermolekülen und den Ethanolmolekülen. Diese Anziehungskräfte neigen dazu, den Verlust von Wassermolekülen von der Oberfläche der Lösung zu verlangsamen. Wenn die Lösung jedoch ausreichend verdünnt ist, befinden sich auf der Oberfläche mehr Wassermoleküle. Einige dieser Oberflächenwassermoleküle sind möglicherweise nicht von Ethanolmolekülen umgeben und können dennoch mit der gleichen Geschwindigkeit in die Dampfphase entweichen wie in reinem Wasser. Man sagt, solche verdünnten Lösungen nähern sich dem idealen Verhalten an.

Bei nicht idealen Lösungen kann die Abweichung vom Raoultschen Gesetz entweder negativ oder positiv sein. Die negative Abweichung tritt auf, wenn der Dampfdruck niedriger ist als der aufgrund des Raoultschen Gesetzes erwartete. Eine Lösung aus Wasser und Salzsäure weist eine negative Abweichung auf, da die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wasser und Salzsäure verhindern, dass die Oberflächenwassermoleküle so leicht verdampfen.

Alternativ tritt eine positive Abweichung auf, wenn die Anziehungskraft zwischen den Molekülen jeder Komponente, entweder gelöster Stoff-gelöster Stoff oder Lösungsmittel-Lösungsmittel, größer ist als die Anziehungskraft zwischen dem Lösungsmittel und dem gelösten Stoff. In solchen Lösungen können beide Komponenten leicht in die Dampfphase entweichen. Ein Beispiel für eine positive Abweichung ist eine Lösung aus Benzol und Methanol, da die intermolekularen Kräfte zwischen Benzol und Methanol schwächer sind als in reinem Methanol.

In einer Lösung gibt es drei wichtige intermolekulare Anziehungskräfte: Anziehungskräfte zwischen den Lösungsmittelmolekülen, Anziehungskräfte zwischen den gelösten Molekülen und Anziehungskräfte zwischen dem gelösten Stoff und den Lösungsmittelmolekülen.

Wenn die Stärke jeder der drei Arten von Wechselwirkungen in ihrer Größe ähnlich groß ist, wird die Lösung als ideale Lösung bezeichnet.

Eine ideale Lösung gehorcht dem Raoultschen Gesetz in allen Konzentrationen.

Für eine ideale Lösung mit zwei flüchtigen Komponenten, wie Toluol und Benzol, wird der Dampfpartialdruck jeder Komponente nach dem Raoultschen Gesetz als Produkt aus dem Dampfdruck der reinen Komponente und ihrem Molenbruch angegeben.

In einer gegebenen Lösung beträgt der Molenbruch für Toluol 0,4 und der Molenbruch für Benzol 0,6. Da die Dampfdrücke des reinen Toluols und des reinen Benzols 22 bzw. 75 Torr betragen, betragen die Partialdrücke von Toluol und Benzol in dieser Lösung 8,8 bzw. 45 Torr.

Der Gesamtdampfdruck ist die Summe des Partialdrucks jeder Komponente und beträgt 54 Torr.

Für eine solche ideale Lösung ergibt ein Diagramm des Dampfdrucks gegen den Molenbruch eine gerade Linie.

Wenn die intermolekularen Kräfte innerhalb einer Lösung nicht gleichmäßig sind, weicht die Lösung vom Raoultschen Gesetz ab und wird als nicht-ideal bezeichnet.

Wenn die Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und gelöstem Stoff in einer Lösung schwächer sind als die Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und Lösungsmittel, wie im Fall einer Benzol- und Methanollösung, lässt der gelöste Stoff mehr Lösungsmittelpartikel in den gasförmigen Zustand entweichen als im reinen Lösungsmittel.

Daher wäre der Dampfdruck tendenziell größer als vom Raoultschen Gesetz vorhergesagt. Solche Lösungen zeigen eine positive Abweichung vom Raoultschen Gesetz.

Umgekehrt verhindert der gelöste Stoff in einer Lösung mit starken Wechselwirkungen zwischen gelöstem Stoff und Lösungsmittel das Verdampfen des Lösungsmittels und der Dampfdruck der Lösung ist geringer als der nach dem Raoultschen Gesetz vorhergesagte.

Dies wird in einer wässrigen Lösung von Aceton und Chloroform beobachtet, wo eine starke Wasserstoffbindung zwischen den beiden zu einer negativen Abweichung vom Raoultschen Gesetz führt.