§3. Жидкие растворы. Закон Рауля. Закон Генри.

Жидкими растворами называются молекулярные смеси двух или нескольких веществ, находящиеся в жидком состояние.

Если одно вещество в растворе присутствует в значительно большем количестве, чем другое, то оно называется растворителем, а другие – растворенными веществами. Если раствор содержит только два вещества, он называется бинарным.

Вещества, входящие в раствор, часто характеризуют так называемой молярной концентрацией, определяемой как отношение числа молей этого вещества в растворе к общему числу молей:

(8.3.1)

Ясно, что q₁ + q ₂= 1.

Молярная концентрация показывает долю атомов (молекул) данного вещества в общем числе молекул (атомов). Действительно,

, (8.3.2)

где N₁ ,N₂ - число атомов соответствующего вещества.

Раствор может быть получен либо в результате смешения различных жидкостей, либо в результате растворения в жидкости твердых веществ. В первом случае жидкости (например, спирт, вода) смешиваются в любых пропорциях. А при растворении твердых веществ (например, сахар в воде) обычно существует предел концентрации, выше которой вещество уже не растворяется. Максимальная равновесная концентрация называется растворимостью. Растворимость зависит от давления и температуры.

Механизм растворения сводится к разрыву связей между молекулами каждого из исходных веществ и к образованию новых связей между молекулами, находящимися в растворе. Во многих случаях при растворении происходит разрыв связей не только между молекулами, но и между составными частями (например, у солей и щелочей происходит разделение молекул на ионы).

На разъединение молекул и их частей при растворении обычно затрачивается определенная энергия - теплота растворения. Из-за этого процесс растворения в некоторых случаях, когда молекулы или их части, образовавшиеся при растворении, объединяются в комплексы (энергетически более выгодные), то может выделяться теплота растворения (например, при растворении кислоты в воде).

Растворы, теплота растворения которых равна нулю, называются идеальными растворами. Ясно, что в этих растворах характер взаимодействия между молекулами растворенного вещества и растворителя такой же, как и между молекулами растворителя. Поэтому замена некоторого числа молекул растворенного вещества на такое же число молекул растворителя и наоборот не приводит к изменению характера взаимодействия в идеальном растворе.

Из условия равновесия на границе между насыщенным паром и раствором следует, что давление насыщенных паров растворителя над раствором во столько раз меньше их давления над чистым растворителем, во сколько раз уменьшается молярная концентрация растворителя:

(8.3.3)

– это закон Рауля, где р₁₀ – давление насыщенных паров над чистым растворителем, р₁ – давление насыщенных паров растворителя над раствором. Аналогичное соотношение имеет место для насыщенных паров растворяемого вещества.

(8.3.4)

В общем виде закон Рауля можно записать:

, (8.3.5)

где i = 1,2.

Закон Рауля выполняется только для идеальных растворов или для слабых неидеальных растворов, если речь идет о парах растворителя. Закон Рауля можно прочитать справа налево:

, (8.3.6)

где = 1/ р₂₀, т.е. молярная концентрация вещества в растворе пропорциональна давлению газа этого вещества над жидкостью (раствором). В такой интерпретации этот закон носит название закона Генри.

Именно поэтому, например, если мы хотим получить газированную воду, то углекислый газ надо подводить к ней под большим давлением.