Larutan ideal

Diagram tekanan uap (p, x) dari campuran benzena/toluena (suatu campuran ideal) pada 20 °C

Dalam kimia, suatu larutan ideal atau campuran ideal adalah suatu larutan dengan sifat termodinamika yang serupa dengan campuran gas ideal. Entalpi pencampuran dari larutan ini adalah nol seperti halnya perubahan volume pada pencampuran menurut definisi; semakin mendekati nol entalpi pencampurannya, semakin "ideal" perilaku larutan tersebut. Tekanan uap larutan mematuhi hukum Raoult, dan koefisien aktivitas masing-masing komponen (yang mengukur penyimpangan dari idealitasnya) sama dengan satu.

Konsep larutan ideal sangat penting dalam termodinamika kimia dan aplikasinya, seperti penggunaan sifat koligatif.

Tinjauan

Idealnya suatu larutan serupa dengan idealnya gas, dengan perbedaan penting bahwa interaksi intermolekuler pada cairan bagitu kuat dan tidak bisa diabaikan begitu saja layaknya gas ideal. Sebagai gantinya diasumsikan bahwa kekuatan rata-rata dari interaksi sama antara semua molekul larutan.

Secara lebih formal, untuk campuran molekul A dan B, interaksi antara atom tetangga yang tidak sejenis (U_AB) dan yang sejenis U_AA serta U_BB harus memiliki rerata kekuatan yang sama, yaitu, 2 U_AB = U_AA + U_BB dan interaksi jarak jauh harus nol (atau setidaknya tidak dapat dibedakan). Jika kekuatan molekulnya sama antara AA, AB dan BB, yaitu, U_AB = U_AA = U_BB, maka larutannya secara otomatis ideal.

Jika molekulnya hampir identik secara kimiawi, misalnya, 1-butanol dan 2-butanol, maka larutannya akan hampir ideal. Karena energi interaksi antara A dan B hampir sama, maka terjadi perubahan energi (entalpi) yang sangat kecil bila zatnya bercampur. Semakin berbeda sifat A dan B, semakin kuat larutannya diharapkan menyimpang dari keidealannya.

Definisi

Contoh sederhana dari campuran non-ideal antara dua cairan A dan B. Dalam contoh ini, daya tarik antara molekul A dan B mirip dengan antara B dan B, namun interaksi AA (panah merah) sangat tidak disukai (repulsif) berdasarkan perbandingan. Pada konsentrasi A yang lebih tinggi, interaksi A-A menjadi lebih sering terjadi, sehingga koefisien aktivitas A (energi bebas per molekul A) meningkat.

Definisi yang berbeda dari larutan ideal telah diusulkan. Definisi yang paling sederhana adalah bahwa larutan ideal adalah larutan yang setiap komponennya (i) mematuhi hukum Raoult $p_{i}=x_{i}p_{i}^{*}$ untuk seluruh komponen. Disini $p_{i}$ adalah tekanan uap komponen i di atas larutan, $x_{i}$ adalah fraksi molnya dan $p_{i}^{*}$ adalah tekanan uap dari zat murni i pada suhu yang sama.

Definisi ini bergantung pada tekanan uap yang merupakan properti terukur secara langsung, setidaknya untuk komponen yang mudah menguap. Sifat termodinamika kemudian dapat diperoleh dari potensial kimia μ (atau energi bebas Gibbs parsial molar g) dari setiap komponen, yang diasumsikan diberikan oleh rumus gas ideal

$\mu (T,p_{i})=g(T,p_{i})=g^{\mathrm {u} }(T,p^{u})+RT\ln {\frac {p_{i}}{p^{u}}}$.

Tekanan rujukan $p^{u}$ dapat ditulis sebagai $P^{0}$ = 1 bar, atau sebagai tekanan campuran untuk memudahkan operasi.

Dalam mensubstitusi nilai $p_{i}$ dari Hukum Raoult,

$\mu (T,p_{i})=g^{\mathrm {u} }(T,p^{u})+RT\ln {\frac {p_{i}^{*}}{p^{u}}}+RT\ln x_{i}=\mu _{i}^{*}+RT\ln x_{i}$.

Persamaan ini untuk potensial kimia dapat digunakan sebagai definisi alternatif untuk larutan ideal.

Namun, uap di atas larutan mungkin tidak benar-benar berperilaku sebagai campuran gas ideal. Oleh karena itu beberapa penulis mendefinisikan larutan ideal sebagai salah satu komponen yang mematuhi analogitas hukum Raoult $f_{i}=x_{i}f_{i}^{*}$,

Disini $f_{i}$ adalah fugasitas komponen $i$ dalam larutan dan $f_{i}^{*}$ adalah fugasitas $i$ sebagai zat murni. Karena fugasitas didefinisikan dalam persamaan

$\mu (T,P)=g(T,P)=g^{\mathrm {u} }(T,p^{u})+RT\ln {\frac {f_{i}}{p^{u}}}$

definisi ini mengarah pada nilai ideal dari potensial kimia dan sifat termodinamika lainnya bahkan ketika komponen di atas larutan bukanlah gas ideal. Pernyataan yang setara menggunakan aktivitas termodinamika, dan bukan fugasitas.

Contoh

Diagram kesetimbangan uap-cair dari campuran azeotropik etanol/air.

Menurut Teori Gibbs campuran gas yang sempurna adalah larutan ideal; hal ini termasuk dalam definisi gas sempurna: memang, dalam gas yang sempurna, interaksi antara molekul semuanya identik, karena nilainya nol. Campuran gas nyata yang berperilaku rendah karena gas sempurna merupakan larutan ideal, misalnya udara.

Campuran larutan nyata dari molekul dengan struktur dan ukuran yang serupa memiliki perilaku yang mendekati larutan ideal:

• campuran parafin linear C₅ sampai C₈,
• campuran benzena, toluena, xilena,
• campuran alkohol, sebagai contoh etanol dengan propanol.

Sebaliknya, jika pencampuran 1 liter air dengan 1 liter etanol memberi volume total sekitar 1,92 liter. Volume idealnya $V^{id}$ menjadi 2 liter, karenanya terdapat kontraksi pada campuran: molekul air dan etanol menarik lebih kuat daripada molekul cairan murninya. Oleh karena itu, campuran etanol-air bukanlah larutan ideal, ia merupakan larutan azeotropik yang hukum Raoult tidak mampu menggambarkannya.

Non-idealitas

Penyimpangan dari idealitas dapat digambarkan dengan penggunaan fungsi Margules atau koefisien aktivitas. Parameter Margules tunggal mungkin cukup untuk menggambarkan sifat larutan jika penyimpangan dari idealitas sedikit; larutan seperti itu disebut biasa.

Berbeda dengan larutan ideal, di mana volume benar-benar aditif dan pencampuran selalu lengkap, volume larutan non-ideal tidak, secara umum, jumlah sederhana dari volume komponen cairan murni dan kelarutan tidak dijamin selama rentang komposisi keseluruhan. Dengan pengukuran kerapatan aktivitas termodinamika komponen dapat ditentukan.

Lihat pula

• Koefisien aktivitas
• Hukum Raoult
• Fungsi Margules
• Fugasitas
• Koefisien virial