6.4. Разбавленные растворы

Ввиду очень сложного характера взаимодействия компонентов в растворах, предсказать свойства растворов, исходя из свойств чистых компонентов, невозможно. Поэтому целесообразно сначала рассмотреть идеализированные случаи, в которых можно отделить главные черты явления от второстепенных. В связи с этим в теории растворов рассматриваются два основных типа идеальных растворов: бесконечно разбавленные растворы и совершенные растворы.

Если обозначить индексом 1 растворитель, а индексом i (i = 2, 3, 4 …) растворенное вещество, то разбавленный раствор можно определить как такой, в котором а Особенностью такого раствора является то, что молекулы растворенного вещества отделены друг от друга большим числом молекул растворителя. Поэтому в таком растворе имеет место только взаимодействие между растворенным веществом и растворителем, но не между молекулами растворенного вещества. Вследствие этого, если к разбавленному раствору при постоянной температуре добавлять растворитель, то при происходящем разбавлении раствора с увеличением его объема не будет изменяться ни энергия (U), ни энтальпия (H) системы раствор – растворитель:

подобно тому, как это имеет место в идеальном газе.

Вообще между веществами в состоянии бесконечно разбавленного раствора и в состоянии идеального газа существует аналогия. Растворенное вещество имеет тенденцию самопроизвольно распространяться в объеме растворителя подобно тому, как газ расширяется в пустоту. Тенденция газа к расширению, мерой которого является давление, описываемой уравнением Клапейрона, т. е. , определяется только увеличением энтропии при расширении, так как внутренняя энергия газа при этом остается постоянной. Подобно этому тенденция растворенного вещества распространяться в объеме раствора также обуславливается лишь увеличением энтропии, поскольку в разбавленном растворе молекулы растворенного вещества не взаимодействуют друг с другом.

Процесс разбавления разбавленного раствора аналогичен процессу расширения идеального газа. Эта аналогия заключается в том, что в обоих случаях внутренняя энергия остается постоянной, а вероятность пребывания молекулы в данном объеме пропорциональна объему. Такая аналогия между идеальным газом и разбавленным раствором позволяет найти выражение для химического потенциала растворенного вещества.

где – химический потенциал чистой жидкости при рассматриваемых температуре и давлении.

Если речь идет об идеальной газовой смеси, тои для химического потенциала i-го компонента используется соотношение

где – химический потенциал, равный химическому потенциалу чистого идеального газа i при единичном давлении.

При добавлении молекул растворенного вещества в разбавленный раствор, как отмечалось выше, происходит взаимодействие только между молекулами растворенного вещества и растворителя. Отсюда следует, что добавление каждой новой молекулы растворенного вещества в раствор сопровождается таким же приращением внутренней энергии (или энтальпии), как при введении ее в чистый растворитель.