Mis on Raoult'i seadus keemias?
Keemias, eriti lahuste ja segude füüsikaliste omaduste uurimisel, on oluline mõiste, mida sageli kasutatakse aine aururõhu muutumise selgitamiseks teise ainega segamisel. Seda mõistet tuntakse Raoult'i seadusena. See seadus on aluseks mitmesuguste igapäevaste nähtuste ja tööstusprotsesside, näiteks parfüümide valmistamise, alkoholi puhastamise ja destilleerimise tööpõhimõtete mõistmisele. See artikkel käsitleb Raoult'i seaduse definitsiooni, valemit, rakendusnäiteid, tingimusi ja piiranguid.
Raoult'i seaduse mõistmine
Raoult'i seadus on seadus, mis sätestab, et ideaalses lahuses oleva komponendi osaline aururõhk on võrdeline selle komponendi molaarfraktsiooniga lahuses. Selle seaduse pakkus esmakordselt välja prantsuse keemik François-Marie Raoult 19. sajandi lõpus lahuste omadusi uurides.
Lihtsamalt öeldes aitab Raoult'i seadus vastata küsimusele: "Kui lahustit segatakse teise ainega, kuidas muutub lahusti aururõhk?" Vastus: lahusti aururõhk väheneb vastavalt segus oleva lahusti osakaalule.
Raoult'i seaduse valem
Ideaalse lahendi korral, mis koosneb kahest komponendist (näiteks A ja B), saab Raoult'i seaduse kirjutada järgmiselt:
\[
P_A = X_A ≈ P_A^0
\]
Teave:
– \(P_A \) = komponendi A osaline aururõhk lahuses
– \(X_A \) = komponendi A mooliosa lahuses
– \(P_A^0 \) = puhta komponendi A aururõhk (samal temperatuuril)
Kui lahuses on kaks komponenti, mis mõlemad on lenduvad (kergesti aurustuvad), siis lahuse kogu aururõhku väljendatakse järgmiselt:
\[
P_{kokku} = P_A + P_B = X_A ≤ P_A^0 + X_B ≤ P_B^0
\]
Seega on lahuse kogu aururõhk iga komponendi osalise aururõhu summa.
Moolimurru mõiste Raoult'i seaduses
Moolifraktsioon on komponendi moolide arvu ja kõigi komponentide moolide koguarvu suhe lahuses. Valem on:
\[
X_A = \frac{n_A}{n_A + n_B}
\]
Teave:
– \(n_A \) = komponendi A moolide arv
– \(n_B \) = komponendi B moolide arv
Moolifraktsiooni väärtus jääb alati vahemikku 0 kuni 1. Kui komponendi moolifraktsioon on suur, on ka selle panus lahuse aururõhule suur.
Raoult'i seaduse arvutamise näide
Näiteks valmistatakse lahus komponentidest A (lahusti) ja B (lenduv lahustunud aine). On teada, et:
– \(X_A = 0{,}7 \)
– \(P_A^0 = 100 \) mmHg
Siis on A osaline aururõhk lahuses:
\[
P_A = X_A ∫P_A^0 = 0{,}7 ∫100 = 70 ∫mmHg
\]
See tähendab, et lahusti A aururõhk langeb pärast lahuses segamist 100 mmHg-lt (puhtalt) 70 mmHg-ni.
Kui B on samuti lenduv, näiteks \(X_B = 0{,}3 \) ja \(P_B^0 = 50 \) mmHg:
\[
P_B = 0{,}3 \cdot 50 = 15 \text{ mmHg}
\]
Seega on lahuse kogu aururõhk:
\[
P_{kokku} = 70 + 15 = 85 mmHg
\]
Raoult'i seaduse ja aururõhu vähenemise vaheline seos
Üks Raoult'i seaduse kuulsamaid rakendusi on aururõhu languse selgitamine, kui lenduvale lahustile lisatakse mittelenduvat lahustunud ainet. Kuna mittelenduv lahustunud aine ei panusta aururõhule, on lahuse aururõhk madalam kui puhtal lahustil.
Praktikas, kui lahuse pind on "täidetud" lahustunud aine osakestega, väheneb gaasifaasi pääsevate lahustimolekulide arv. Järelikult väheneb aururõhk. See nähtus on lahuste kolligatiivsete omaduste aluseks, näiteks:
– aururõhu langus
– keemistemperatuuri tõus
– külmumispunkti depressioon
– osmootne rõhk
Raoult'i seaduse rakendamise tingimused (ideaalne lahendus)
Kõik lahendid ei järgi Raoult' seadust ideaalselt. See seadus kehtib kõige paremini ideaalsete lahendite puhul, nimelt lahenduste puhul, mis vastavad järgmistele tingimustele:
1. Sarnaste ja erinevate molekulide vaheline tõmbejõud on peaaegu sama.
Näiteks on jõud A–A, B–B ja A–B vahel suhteliselt võrdsed.
2. Lahuses olevate komponentide vahel keemilist reaktsiooni ei toimu.
3. Segamine ei põhjusta olulisi mahu muutusi.
4. Püsiv temperatuur (aururõhk sõltub suuresti temperatuurist, seega arvutused tehakse samal temperatuuril).
Ideaalsusele lähenevate lahenduste näideteks on tavaliselt sarnase struktuuri ja polaarsusega ainete segud, näiteks mõned süsivesinike segud.
Kõrvalekalded Raoult'i seadusest
Praktikas kalduvad paljud reaalsed lahendid Raoult'i seadusest kõrvale. Need kõrvalekalded jagunevad järgmiselt:
1. Positiivne hälve
Tekib siis, kui lahuse aururõhk on suurem kui Raoult'i seaduse järgi ennustatud. See tähendab, et erinevate molekulide (A–B) vahelised interaktsioonid on nõrgemad kui sarnaste molekulide (A–A või B–B) vahelised interaktsioonid. Molekulid aurustuvad kergemini, suurendades aururõhku. Levinud näide: teatud koostisega etanooli ja vee segu omab sellist käitumist ja võib moodustada aseotroopi.
2. Negatiivne hälve
Tekib siis, kui auru kogurõhk on väiksem kui Raoult'i seaduse järgi ennustatud. See juhtub siis, kui A–B atraktiivsed jõud on tugevamad, mistõttu molekulid püsivad vedelas faasis paremini ja aurustuvad väiksema tõenäosusega. Näiteks atsetooni ja kloroformi segu näitab tugevate interaktsioonide (nt vesiniksidemete) tõttu negatiivset hälvet.
Raoult'i seaduse roll destilleerimisel ja tööstuses
Raoult'i seadus on vedelate segude, eriti destilleerimise, eraldamisprotsesside kavandamisel ülioluline. Destilleerimine kasutab ära komponentide lenduvuse erinevusi. Mõistes iga komponendi osalist aururõhku, saavad teadlased ja insenerid ennustada lahuse kohal moodustunud auru koostist.
Tegelikud rakendused hõlmavad järgmist:
– alkoholi puhastamine joogi- ja farmaatsiatööstuses
– nafta töötlemine fraktsioneeriva destilleerimise teel
– lenduvate ainete segu sisaldavate parfüümide ja essentside tootmine
– keemiatehnika aur-vedelik tasakaalu arvutustes
Raoult'i seaduse piirangud
Kuigi Raoult'i seadus on väga kasulik, on sellel mitmeid piiranguid, nimelt:
– pole täpne tugevate interaktsioonidega lahuste puhul (nt elektrolüüdilahused, domineerivate vesiniksidemetega lahused)
– ei sobi väga kõrgete kontsentratsioonide jaoks mitteideaalsetes süsteemides
– ei suuda aseotroopsete lahuste käitumist seletada ilma lisamõisteteta (nt aktiivsuskordajad)
Paljudel juhtudel kasutavad teadlased ennustuste täpsemaks muutmiseks parandusi, näiteks aktiivsuskoefitsiente (lahuse termodünaamikas).
Järeldus
Raoult'i seadus on lahusekeemia põhiprintsiip, mis sätestab, et ideaalses lahuses on komponendi osaline aururõhk otseselt proportsionaalne selle moolifraktsiooniga. See seadus võimaldab meil mõista aururõhu alanemist, ennustada segu kogu aururõhku ja selgitada mitmesuguseid eraldusprotsesse, näiteks destilleerimist. See seadus sobib aga kõige paremini ideaalsete lahuste jaoks ja sellest võib kõrvale kalduda reaalsetes lahustes, kus on tugevad või keerulised molekulaarsed interaktsioonid.
Soovi korral võin aidata luua ka artikli lihtsama versiooni põhikooli- ja keskkooliõpilastele või põhjalikuma versiooni, mis käsitleb aktiivsuskoefitsiente ja faasidiagramme.
