12.9: Идеальные растворы

Согласно закону Рауля, парциальное давление пара растворителя в растворе раствор равно или равно давлению пара чистого растворителя, умноженному на его долю моль в раствор. Тем не менее, закон Рауля действителен только для идеальных решений. Для того чтобы раствор был идеальным, взаимодействие растворителей и растворителей должно быть столь же сильным, как взаимодействие растворителей и растворителей. Это говорит о том, что и растворённое вещество, и растворитель будут использовать такое же количество энергии, чтобы выйти на фазу пара, как когда они находятся в чистом состоянии. Это возможно только в том случае, если различные компоненты раствор химически схожи, как в случае с бензолом и толуеном или гексаном и гептаном.

Поскольку многие решения не имеют однородного силы притяжения, давление паров этих решений отклоняется от давления, прогнозируемого законом Рауля. Например, когда этанол растворяется в воде, между молекулами воды и молекулами этанола есть сильные аттракционы. Эти силы притяжения, как правило, замедляют потерю молекул воды с поверхности раствор. Однако, если раствор достаточно разбавлен, поверхность будет иметь больше молекул воды. Некоторые из этих молекул поверхностной воды могут быть не окружены молекулами этанола и все еще могут выйти в фазу пара с той же скоростью, что и в чистой воде. Говорят, что такие разбавленные решения подходят к идеальному поведению.

Для неидеальных решений отклонение от закона Рауля может быть либо отрицательным, либо положительным. Отрицательное отклонение происходит, когда давление паров ниже ожидаемого в соответствии с законом Рауля. раствор воды и соляной кислоты имеет отрицательное отклонение, так как водородные связи между водой и соляной кислотой препятствуют испарению поверхностных молекул воды с такой же легкостью.

В качестве альтернативы, положительное отклонение возникает, когда притяжение между молекулами каждого компонента, будь то растворитель-растворитель или растворитель, превышает притяжение между растворителем и растворённое вещество. В таких решениях оба компонента могут легко выйти в фазу пара. Примером положительного отклонения является раствор бензола и метанола, поскольку межмолекулярные силы между бензолом и метанолом слабее, чем в чистом метаноле.

В растворе существуют три основные силы межмолекулярного притяжения:притяжение между молекулами растворителя, притяжение между молекулами растворенного вещества и притяжение между растворенным веществом и молекулами растворителя. Если сила каждого из трех типов взаимодействий одинакова по величине, раствор называется идеальным. Идеальный раствор подчиняется закону Рауля при всех концентрациях.

Для идеального раствора с двумя летучими компонентами, такими как толуол и бензол, парциальное давление пара каждого компонента будет определяться законом Рауля как произведение давления пара чистого компонента и его мольной доли. В данном растворе мольная доля толуола составляет 0, 4, а мольная доля бензола составляет 0, 6. Так как давление паров чистого толуола и чистого бензола составляет 22 и 75 торр соответственно, парциальные давления толуола и бензола в этом растворе будут 8, 8 и 45 торр соответственно.

Общее давление пара складывается из парциальных давлений каждого компонента и равно 54 торр. Для такого идеального раствора график зависимости давления пара от мольной доли представляет прямую линию. Когда межмолекулярные силы в растворе неоднородны, раствор отклоняется от закона Рауля и называется неидеальным.

Если взаимодействия растворитель-растворенное вещество в растворе слабее, чем взаимодействия растворитель-растворитель, как в случае раствора бензола и метанола, растворенное вещество позволит большему количеству частиц растворителя уйти в газообразное состояние, чем в чистом растворителе. Таким образом, давление пара будет больше, чем предсказывается законом Рауля. Такие растворы показывают положительное отклонение от закона Рауля.

И наоборот, в растворе с сильным взаимодействием растворенного вещества и растворителя растворенное вещество будет препятствовать испарению растворителя, и давление пара раствора будет меньше, чем предсказывается законом Рауля. Это наблюдается в водном растворе ацетона и хлороформа, где сильная водородная связь между ними приводит к отрицательному отклонению от закона Рауля.