Равновесие между конденсатом и паром. Закон Рауля

 

Рассмотрим бесконечно разбавленные растворы, в которых содержание растворенного вещества очень мало по сравнению с содержанием растворителя. Свойства, присущие только бесконечно разбавленным растворам, большей частью сохраняются и при конечных концентрациях. Такие растворы в отношении растворителя являются идеальными. Тогда константа равновесия между конденсатом (идеальный раствор) и паром (идеальный газ) для вещества А определяется законом действующих масс. При фазовом переходе вещества А (испарении) уравнение химической реакции будет иметь вид: , а закон действующих масс запишется в виде: ,где К⁰ – константа равновесия; - парциальное давление пара вещества А; Х_А(ж) – молярная доля вещества А в жидкой фазе.

 

Если в сосуде находится чистый конденсат вещества А, т.е. молярная доля Х_А(ж) =1, то константа равновесия

 

,

 

где - давление пара вещества А над чистым конденсатом. Тогда, подставив в закон действующих масс вместо К⁰, получим закон Рауля:

 

.

 

Этот закон формулируется так: «Парциальное давление пара данного компонента над раствором равно давлению насыщенного пара над чистым конденсатом при данной температуре, умноженному на молярную долю этого компонента в жидкой фазе» (см. следующий рисунок).

 

На приведенном рисунке изображены графики зависимости парциальных давлений для термодинамической системы, состоящей из двух веществ: А и В, от молярных долей этих веществ в жидкой фазе Х_А(ж) и Х_В(ж): - закон Рауля для вещества А, - закон Рауля для вещества В.

Для реального газа вместо парциального давления используется , а для реального раствора вместо молярной доли x_i используется понятие активности a_i. Несовпадение коэффициента активности с единицей может служить мерой отклонения поведения раствора от идеального состояния так же, как отношение летучести к парциальному давлению служит мерой отклонения свойств реального газа от свойств идеального газа. При и могут использоваться модели идеального раствора (слабые растворы) и идеального газа. При выводе закона Рауля пар над жидкостью рассматривался как смесь идеальных газов. При этом общее давление смеси газов в системе определяется законом Дальтона, а растворитель в бесконечно разбавленном растворе ведет себя в парообразном состоянии как идеальный газ.

При Х_А(ж)→1 выполняется закон Рауля для вещества А, но при этом Х_В(ж)→0. Зависимость парциального давления от Х_В(ж) при Р, Т=const для растворенного вещества В является линейной: , и выражает собой закон Генри: «Растворимость газа пропорциональна давлению» (1802г.). который проявляется в некотором интервале концентраций для любого раствора, если при Х_В(ж)→0 летучесть растворенного вещества совпадает с его парциальным давлением. Это происходит в случае малого давления насыщенного пара, а газовая фаза представляет собой смесь идеальных газов.

В бесконечно разбавленном растворе парциальное давление (летучесть) растворителя вычисляется по закону Рауля, а парциальное давление (летучесть) растворенного вещества по закону Генри. Общее между этими законам то, что они устанавливают пропорциональность между парциальными давлениями раствора и его концентрацией. Однако существует и значительное различие между ними. В законе Рауля константой пропорциональности является парциальное давление растворителя в чистой фазе, а в законе Генри константа пропорциональности С не имеет физического смысла парциального давления чистого растворенного вещества, поскольку закон Генри – закон для бесконечного разбавленного раствора и его экстраполяция на конечные концентрации недопустима.