이상 용액

액체 혼합물에서 물질의 몰분율( x_A)과 부분 증기압(P_A) 사이 관계식에서 라울 법칙, P_A = x_A P_A^*이 모든 몰분율에서 성립되는 용액을 말한다. 일반적인 경우 용매 A와 용질 B 모두에게 라울 법칙이 항상 성립하기 어렵다. 그러나 용액을 이루는 각 성분 사이에 작용하는 힘이 성분의 종류에 관계 없이 서로 같을 때 이상 용액을 형성할 것으로 예측할 수 있다. 예를 들어 톨루엔(메틸벤젠)과 벤젠처럼 분자 구조가 비슷한 물질로 이루어진 용액의 경우, 라울 법칙이 모든 몰분율 영역에서 근사적으로 성립하여 이상 용액이라고 할 수 있다. ¹⁾

분자구조가 비슷한 물질 혼합물의 증기압

목차

대부분의 실제 용액은 이상적으로 행동하지 않는다. 만약 아세톤과 물로 이루어진 용액이 있다면 두 분자들이 수소 결합을 할 수 있기 때문에 두 성분 모두 순수한 상태보다는 용액으로부터 탈출하려는 경향이 낮을 것으로 예상할 수 있다. 이처럼 용매가 용질과 특별한 친화력을 가지면 라울 법칙으로부터 음의 편차가 생긴다.

반대로 용질과 용매 사이의 인력이 순수한 액체에서의 인력보다 약한 경우도 가정할 수 있다. 이 경우 용액에 있는 분자들은 쉽게 증발하기 때문에 라울 법칙으로부터 양의 편차가 관찰된다. 극성인 에탄올과 비극성인 헥세인으로 이루어진 용액이 그 예이다.

대부분의 실제 용액은 라울 법칙을 만족하지 않지만, 용질의 농도가 매우 낮은 묽은 용액의 경우, 용매의 증기 압력은 라울 법칙을 따르고, 용질은 헨리 법칙을 따르는 경우가 있다. 이를 이상적 묽은 용액(ideal dilute solution)이라고 부르며, 증기압과 액체에 녹아 있는 용질의 양을 화학 퍼텐셜을 이용하여 열역학적으로 쉽게 설명할 수 있다.

실제 용액에서 용질 B의 농도가 낮을 경우, 용질 B의 증기압은 그 몰분율에 비례하기는 하지만, 그 비례 상수가 순수한 상태에서의 증기압과 같지 않다. 이를 헨리(William Henry)가 실험적으로 처음 확인하였고, 다음의 헨리 법칙(Henry's Law)으로 표현하였다.

P_B = x_B K_B

여기서 x_B는 용질 B의 몰분율이고, K_B는 압력의 단위를 가지는 비례 상수이다.

1. Peter Atkins, Physical Chemistry, 10th ed., Oxford University Press, London, UK (2014)