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12.9:

理想溶液

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化学
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Ideal Solutions

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In a solution, there are three major attractive intermolecular forces: attractions between the solvent molecules, attractions between the solute molecules, and attractions between the solute and the solvent molecules. If the strength of each of the three types of interactions are similar in magnitude, the solution is called an ideal solution. An ideal solution obeys Raoult’s law at all concentrations.  For an ideal solution with two volatile components, such as toluene and benzene, the partial vapor pressure of each component will be given by Raoult’s law as a product of the vapor pressure of the pure component and its mole fraction. In a given solution, the mole fraction for toluene is 0.4 and the mole fraction for benzene is 0.6. As the vapor pressures of the pure toluene and pure benzene are 22 and 75 torr, respectively, the partial pressures of toluene and benzene in this solution will be 8.8 and 45 torr, respectively. The total vapor pressure is the sum of the partial pressure of each component and is equal to 54 torr. For such an ideal solution, a plot of vapor pressure against mole fraction yields a straight line. When the intermolecular forces within a solution are not uniform, the solution deviates from Raoult’s law and is called non-ideal. If the solvent-solute interactions in a solution are weaker than the solvent–solvent interactions, as in the case of a benzene and methanol solution, the solute will allow more solvent particles to escape into the gaseous state than in the pure solvent. Thus, vapor pressure would tend to be greater than that predicted by Raoult’s law. Such solutions show a positive deviation from Raoult’s law. Conversely, in a solution with strong solute-solvent interactions, the solute will prevent the solvent from vaporizing and the vapor pressure of the solution will be less than that predicted by Raoult’s law.  This is observed in an aqueous solution of acetone and chloroform, where strong hydrogen bonding between the two leads to a negative deviation from Raoult’s law.

12.9:

理想溶液

ラウールの法則によれば、溶液中の溶媒の部分蒸気圧は、純粋な溶媒の蒸気圧に溶液中のモル分率を乗じたものと等しいか、同一です。しかし、ラウールの法則は、理想的な溶液に対してのみ有効です。溶液が理想的であるためには、溶媒と溶質の相互作用が、溶媒と溶媒、溶質と溶質の相互作用と同じくらいの強さでなければなりません。これは、溶質と溶媒の両方が、純粋な状態にあるときと同じ量のエネルギーを使って気相に逃げ込むことを示唆しています。これは、ベンゼンとトルエン、ヘキサンとヘプタンのように、溶液の異なる成分が化学的に類似している場合にのみ成立します。

多くの溶液は均一な引力を持っていないため、蒸気圧はラウールの法則で予測される圧力からずれてしまいます。例えば、エタノールを水に溶かすと、水の分子とエタノールの分子の間に強い引力が働きます。この引力は、溶液表面からの水分子の揮発を遅らせようとします。しかし、溶液が十分に希釈されていれば、表面にはより多くの水分子が存在することになります。これらの表面の水分子の中には、エタノール分子に囲まれていないものもあり、純水の場合と同じ速度で気相に逃げることができます。このような希薄溶液の場合、理想的な挙動に近づいているといいます。

非理想溶液の場合、ラウールの法則から正または負にずれます。 負のずれは、蒸気圧がラウールの法則による予想よりも低い場合に起こります。水と塩酸の溶液が負のずれを示すのは、水と塩酸の間の水素結合により、表面の水分子が容易に気化しないためです。

逆に、溶質-溶質、溶媒-溶媒の各成分の分子間の引力が、溶媒と溶質の間の引力よりも大きい場合には、正のずれが生じます。このような溶液では、両方の成分が容易に気相に逃げることができます。正の偏差の例としては、ベンゼンとメタノールの溶液があります。これはベンゼンとメタノールの間の分子間力は、純粋なメタノールの場合よりも弱いからです。

おすすめの記事

  1. Bertrand, Gary L., and Claude Treiner. "Raoult's law as applied to binary solvent mixtures." Journal of solution chemistry 13, no. 1 (1984): 43-49.
  2. Raoult, F. M. "General law of the vapor pressure of solvents." Comptes Rendus 104 (1887): 1430-3.