Kas ir Raoult likums ķīmijā?
Ķīmijā, īpaši šķīdumu un maisījumu fizikālo īpašību pētījumos, ir svarīgs jēdziens, ko bieži izmanto, lai izskaidrotu, kā mainās vielas tvaika spiediens, sajaucot to ar citu vielu. Šis jēdziens ir pazīstams kā Raulta likums. Šis likums ir pamats dažādu ikdienas parādību un rūpniecisko procesu, piemēram, smaržu ražošanas, spirta attīrīšanas un destilācijas darbības principu, izpratnei. Šajā rakstā tiks apspriesta Raulta likuma definīcija, tā formula, piemērošanas piemēri, apstākļi, kādos tas tiek piemērots, un ierobežojumi.
Raulta likuma izpratne
Raulta likums ir likums, kas nosaka, ka ideālā šķīdumā esošas sastāvdaļas tvaika parciālais spiediens ir proporcionāls šīs sastāvdaļas mola daļai šķīdumā. Šo likumu pirmo reizi ierosināja franču ķīmiķis Fransuā-Marija Raulta 19. gadsimta beigās, pētot šķīdumu īpašības.
Vienkārši sakot, Raulta likums palīdz atbildēt uz jautājumu: "Ja šķīdinātāju sajauc ar citu vielu, kā mainās šķīdinātāja tvaika spiediens?" Atbilde: šķīdinātāja tvaika spiediens samazināsies atkarībā no šķīdinātāja proporcijas maisījumā.
Raulta likuma formula
Ideālam risinājumam, kas sastāv no divām komponentēm (piemēram, A un B), Raulta likumu var uzrakstīt šādi:
\[
P_A = X_A ≈ P_A^0
\]
Informācija:
– \(P_A \) = A komponenta daļējais tvaika spiediens šķīdumā
– \(X_A \) = komponenta A mola daļa šķīdumā
– \(P_A^0 \) = tīras A komponentes tvaika spiediens (tajā pašā temperatūrā)
Ja šķīdumā ir divi komponenti, kas abi ir gaistoši (viegli iztvaiko), tad šķīduma kopējo tvaika spiedienu izsaka kā:
\[
P_{kopā} = P_A + P_B = X_A ∫P_A^0 + X_B ∫P_B^0
\]
Tādējādi šķīduma kopējais tvaika spiediens ir katras sastāvdaļas daļējā tvaika spiediena summa.
Mola daļas jēdziens Raulta likumā
Molu daļa ir komponenta molu skaita attiecība pret visu komponentu molu kopējo skaitu šķīdumā. Formula ir šāda:
\[
X_A = \frac{n_A}{n_A + n_B}
\]
Informācija:
– \(n_A \) = komponenta A molu skaits
– \(n_B \) = komponenta B molu skaits
Mola daļai vienmēr ir vērtība no 0 līdz 1. Ja komponenta mola daļa ir augsta, tās ieguldījums šķīduma tvaika spiedienā ir arī liels.
Raulta likuma aprēķina piemērs
Piemēram, šķīdumu pagatavo no komponentiem A (šķīdinātāja) un B (gaistošās vielas). Ir zināms, ka:
– \(X_A = 0{,}7 \)
– \(P_A^0 = 100 \) mmHg
Tad A parciālais tvaika spiediens šķīdumā ir:
\[
P_A = X_A ∫P_A^0 = 0{,}7 ∫100 = 70 ∫mmHg
\]
Tas nozīmē, ka šķīdinātāja A tvaika spiediens pēc sajaukšanas šķīdumā samazinās no 100 mmHg (tīrā šķīdumā) līdz 70 mmHg.
Ja B ir arī gaistošs, piemēram, \(X_B = 0{,}3 \) un \(P_B^0 = 50 \) mmHg:
\[
P_B = 0{,}3 \cdot 50 = 15 \text{ mmHg}
\]
Tātad šķīduma kopējais tvaika spiediens ir:
\[
P_{kopā} = 70 + 15 = 85 \text{ mmHg}
\]
Saistība starp Raulta likumu un tvaika spiediena samazināšanos
Viens no slavenākajiem Raulta likuma pielietojumiem ir tvaika spiediena samazināšanās izskaidrošana, kad gaistošu šķīdinātāju papildina ar neizšķīstošu vielu. Tā kā neizšķīstošā viela neveicina tvaika spiedienu, šķīduma tvaika spiediens ir zemāks nekā tīram šķīdinātājam.
Praksē, kad šķīduma virsma ir "piepildīta" ar izšķīdušās vielas daļiņām, samazinās šķīdinātāja molekulu skaits, kas var izplūst gāzes fāzē. Līdz ar to samazinās tvaika spiediens. Šī parādība ir pamatā šķīdumu koligatīvajām īpašībām, piemēram:
- tvaika spiediena samazināšanās
– viršanas temperatūras paaugstināšanās
– sasalšanas punkta pazemināšanās
- osmotiskais spiediens
Raulta likuma piemērošanas nosacījumi (ideāls risinājums)
Ne visi risinājumi perfekti atbilst Raulta likumam. Šis likums vislabāk attiecas uz ideāliem risinājumiem, proti, risinājumiem, kas atbilst šādiem nosacījumiem:
1. Pievilkšanās spēks starp līdzīgām un atšķirīgām molekulām ir gandrīz vienāds.
Piemēram, spēki starp A–A, B–B un A–B ir relatīvi vienādi.
2. Šķīdumā starp komponentiem nenotiek ķīmiska reakcija.
3. Sajaukšana neizraisa būtiskas tilpuma izmaiņas.
4. Nemainīga temperatūra (tvaika spiediens ir ļoti atkarīgs no temperatūras, tāpēc aprēķini tiek veikti tajā pašā temperatūrā).
Ideālitātei tuvojas šķīdumu piemēri, un tie parasti ir vielu maisījumi ar līdzīgu struktūru un polaritāti, piemēram, daži ogļūdeņražu maisījumi.
Atkāpes no Raulta likuma
Praksē daudzi reāli risinājumi atšķiras no Raulta likuma. Šīs novirzes iedala:
1. Pozitīva novirze
Rodas, ja šķīduma kopējais tvaika spiediens ir lielāks nekā paredz Raulta likums. Tas nozīmē, ka mijiedarbība starp dažādām molekulām (A–B) ir vājāka nekā mijiedarbība starp līdzīgām molekulām (A–A vai B–B). Molekulas iztvaiko vieglāk, palielinot tvaika spiedienu. Bieži sastopams piemērs: etanola un ūdens maisījums noteiktā sastāvā uzrāda šo uzvedību un var veidot azeotropu.
2. Negatīva novirze
Rodas, ja kopējais tvaika spiediens ir mazāks nekā paredz Raulta likums. Tas notiek, kad A–B pievilkšanās spēki ir spēcīgāki, tāpēc molekulas vairāk "noturas" šķidrajā fāzē un mazāk ticams, ka tās iztvaikos. Piemēram, acetona un hloroforma maisījumam ir negatīva novirze spēcīgas mijiedarbības (piemēram, ūdeņraža saišu) dēļ.
Raulta likuma loma destilācijā un rūpniecībā
Raulta likums ir ļoti svarīgs šķidru maisījumu atdalīšanas procesu, īpaši destilācijas, izstrādē. Destilācijā tiek izmantotas komponentu gaistamības atšķirības. Izprotot katra komponenta daļējo tvaika spiedienu, zinātnieki un inženieri var paredzēt virs šķīduma veidotā tvaika sastāvu.
Reāli pielietojumi ietver:
– spirta attīrīšana dzērienu un farmācijas rūpniecībā
– naftas pārstrāde, izmantojot frakcionētu destilāciju
– smaržu un esenču ražošana, izmantojot gaistošu vielu maisījumus
– ķīmiskā inženierija tvaika-šķidruma līdzsvara aprēķinos
Raulta likuma ierobežojumi
Lai gan Raulta likums ir ļoti noderīgs, tam ir vairāki ierobežojumi, proti:
– nav precīzs šķīdumiem ar spēcīgu mijiedarbību (piemēram, elektrolītu šķīdumiem, šķīdumiem ar dominējošām ūdeņraža saitēm)
– nav piemērots ļoti augstām koncentrācijām neideālās sistēmās
– nevar izskaidrot azeotropus veidojošu šķīdumu uzvedību bez papildu jēdzieniem (piemēram, aktivitātes koeficientiem)
Daudzos gadījumos zinātnieki izmanto korekcijas, piemēram, aktivitātes koeficientus (šķīduma termodinamikā), lai prognozes padarītu precīzākas.
Secinājums
Raulta likums ir šķīduma ķīmijas pamatprincips, kas nosaka, ka komponenta parciālais tvaika spiediens ideālā šķīdumā ir tieši proporcionāls tā mola daļai. Šis likums ļauj mums izprast tvaika spiediena pazemināšanos, prognozēt maisījuma kopējo tvaika spiedienu un izskaidrot dažādus atdalīšanas procesus, piemēram, destilāciju. Tomēr šis likums ir vispiemērotākais ideāliem šķīdumiem un no tā var novirzīties reālos šķīdumos ar spēcīgām vai sarežģītām molekulārām mijiedarbībām.
Ja vēlaties, varu arī palīdzēt izveidot vienkāršāku raksta versiju pamatskolas/vidusskolas skolēniem vai padziļinātāku versiju ar aktivitātes koeficientu un fāžu diagrammu apspriešanu.
