Растворимость газов воде при повышении температуры

Растворимость газов

Растворимость газов зависит от природы газа и растворителя, от температуры и давления. Растворимость повышается, если между газом и растворителем возможно химическое взаимодействие. Например, при нормальных условиях в 1 л воды 0,002 г водорода и 875 г аммиака. Такие различия объясняются тем, что аммиак взаимодействует с молекулами воды с образованием водородных связей.

С повышением температуры растворимость газов уменьшается, а при понижении увеличивается. Так при 0 о С в 100 мл воды растворяется 180 мл диоксида углерода, а при 20 о С – только 89 мл.

Повышение температуры способствует увеличению энтропии, соответственно газа будет растворяться меньше. Кроме того, растворение газов, как правило, сопровождается выделением теплоты, поэтому в соответствии с правилом Ле-Шателье понижение температуры повышает их растворимость.

Зависимость растворения газа от давления определяется законом Генри (1803): растворимость газа в жидкости при постоянной температуре прямо пропорциональна его давлению над раствором:

где С – концентрация газа в жидкости; р – давление газа над раствором; k – коэффициент пропорциональности.

Закон Генри справедлив только для разбавленных растворов и низких давлений. Если газ взаимодействует с растворителем, то зависимость растворимости от давления имеет более сложный характер.

Понижение давления газа над раствором ведет к уменьшению растворимости газа и выделению его в виде пузырьков. Примером могут служить газированные напитки (фруктовые воды, шампанское) в которых под давлением растворен диоксид углерода. При открывании бутылки давление над жидкостью резко снижается и растворенный СО 2 интенсивно выделяется.

Источник

Неорганическая химия.

15. Растворимость газов в жидкостях. Законы Генри—Дальтона и Сеченова.

Растворение газов в жидкостях почти всегда сопро–вождается выделением теплоты. Поэтому раствори–мость газов с повышением температуры согласно принципу Ле Шателье понижается. Эту закономер–ность часто используют для удаления растворенных га–зов из воды (например СО2 ) кипячением. Иногда рас–творение газа сопровождается поглощением теплоты (например, растворение благородных газов в некото–рых органических растворителях). В этом случае повы–шение температуры увеличивает растворимость газа.

Газ не растворяется в жидкости беспредельно. При не–которой концентрации газа Х устанавливается равно–весие:

При растворении газа в жидкости происходит значи–тельное уменьшение объема системы. Поэтому повы–шение давления согласно принципу Ле Шателье долж–но приводить к смещению равновесия вправо, т. е. к увеличению растворимости газа. Если газ малораст–ворим в данной жидкости и давление невелико, то растворимость газа пропорциональна его давлению. Эта зависимость выражается законом Генри (1803г.): количество газа, растворенного при данной тем–пературе в определенном объеме жидкости, при равновесии прямо пропорционально давлению газа.

Закон Генри может быть записан в следующей форме:

Где – концентрация газа в насыщенном раство–ре, моль/л;

Р_(Х) – давление газа Х над раствором, Па;

К_r(Х) – постоянная Генри для газа Х, моль×л-1 × Па -1 .

Константа Генри зависит от природы газа, рас–творителя и температуры.

Закон Генри справедлив лишь для сравнительно раз–бавленных растворов, при невысоких давлениях и отсут–ствии химического взаимодействия между молекулами растворяемого газа и растворителем.

Закон Генри является частным случаем общего закона Дальтона. Если речь идет о растворении не одного газооб–разного вещества, а смеси газов, то растворимость каж–дого компонента подчиняется закону Дальтона: раство–римость каждого из компонентов газовой смеси при постоянной температуре пропорциональна парциаль–ному давлению компонента над жидкостью и не зави–сит от общего давления смеси и индивидуальности других компонентов.

Иначе говоря, в случае растворения смеси газов в жидкости в математическое выражение закона Генри вместо подставляют парциальное давление р! дан–ного компонента.

Под парциальным давлением компонента понимают долю давления компонента от общего давления газовой смеси:

Парциальное давление компонента рассчитывают по формуле.

Изучая растворимость газов в жидкостях в присутст–вии электролитов, русский врач-физиолог И. М. Сече–нов (1829—1905) установил следующую закономерность (закон Сеченова): растворимость газов в жидкостях в присутствии электролитов понижается; происходит высаливание газов.

Где р_i – парциальное давление компонента Х_i;

Р_общ – общее давление газовой смеси;

Х(Х_i) – молярная доля i-ого компонента.

Изучая растворимость газов в жидкостях в присутствии электролитов, русский враччфизиолог И. М. Сеченов (1829—1905) установил следующую закономерность (закон Сеченова): растворимость газов в жидкостях в присутствии электролитов понижается; происходит высаливание газов.

Источник

Растворимость газов в жидкостях.

Законы Генри, Дальтона и Сеченова.

Растворимость газов в жидкостях с повышением температуры согласно принципу Ле Шателье понижается. Эту закономерность часто используют для удаления растворенных газов из воды, например СО₂, кипячением.

Газ не растворяется в жидкости беспредельно. При некоторой концентрации газа устанавливается равновесие.

При растворении газа в жидкости происходит значительное уменьшение объема системы. Поэтому повышение давления, согласно принципу Ле Шателье, должно приводить к увеличению растворимости газа.

Эта зависимость выражается законом Генри (1803):

Количество газа, растворенного при данной температуре в определенном объеме жидкости, при равновесии прямо пропорционально давлению газа.

Закон Генри может быть записан в следующей форме:

где С_м — концентрация газа в насыщенном растворе, моль/л; p — давление газа над раствором, Па; k — постоянная Генри для газа, моль·л -1 ·Па -1 .

Константа Генри зависит от природы газа, растворителя и температуры.

Закон Генри справедлив лишь для сравнительно разбавленных растворов, при невысоких давлениях и отсутствии химического взаимодействия между молекулами растворяемого газа и растворителем. Например, СО₂ и NН₃ вступают в химическое взаимодействие с водой, а НСl диссоциирует в воде, что резко повышает растворимость этих газов.

Закон Генри является частным случаем общего закона Дальтона. Если речь идет о растворении не одного газообразного вещества, а смеси газов, то растворимость каждого компонента подчиняется закону Дальтона:

Растворимость каждого из компонентов газовой смеси при постоянной температуре пропорциональна парциальному давлению компонента над жидкостью и не зависит от общего давления смеси и индивидуальности других компонентов.

Изучая растворимость газов в жидкостях в присутствии электролитов, русский врач-физиолог И. М. Сеченов (1829—1905) установил следующую закономерность (закон Сеченова):

Растворимость газов в жидкостях в присутствии электролитов понижается; происходит высаливание газов.

Одной из причин, приводящей к уменьшению растворимости газов в присутствии электролитов, является гидратация (сольватация) ионов электролитов молекулами растворителя. В результате этого процесса уменьшается число свободных молекул растворителя, а, следовательно, понижается его растворяющая способность.

Биологическое значение законов Генри — Дальтона и Сеченова.

Законы Генри — Дальтона и Сеченова имеют большое практическое значение как в химии, так и в медицине. Изменение растворимости газов в крови при изменении давления могут вызывать тяжелые заболевания.

Кессонная болезнь, от которой обычно страдают водолазы, — проявление закона Генри. Если поднимать водолаза слишком быстро на поверхность, то давление в легких резко понижается и, следовательно, значительно понижается растворимость газов в плазме крови. Вследствие этого часть газов выделяется из крови в виде пузырьков. Эти пузырьки газов закупоривают мелкие сосуды в различных органах и тканях (эмболия), что может привести к тяжелому поражению тканей и даже гибели человека. Аналогичная картина может возникнуть и в результате резкого уменьшения давления при разгерметизации скафандров летчиков-высотников, кабин самолетов и спускаемых аппаратов.

В последнее время при лечении газовой гангрены и ряда других заболеваний, при которых накапливаются микробы в омертвевших тканях, применяют гипербарическую оксигенацию, т. е. помещают больных в барокамеры с повышенным давлением кислорода в воздухе. При этом улучшается снабжение тканей кислородом, и во многих случаях такой способ лечения дает хорошие результаты.

Проявлением закона Генри — Дальтона и моделью эмболии является образование обильной пены при откупоривании бутылки шампанского или газированной воды. Здесь имеет место понижение растворимости и выделение углерода диоксида СО₂ при понижении его парциального давления.

В соответствии с законом Сеченова не только электролиты, но и белки, липиды и другие вещества, содержание которых в крови может меняться в известных пределах, оказывают существенное влияние на растворимость кислорода и углерода диоксида в крови.

Коллигативные свойства разбавленных растворов.

Свойства растворов в сравнении со свойствами растворителя: понижение давления пара, повышение температуры кипения, понижение температуры замерзания, осмотическое давление, — называют коллигативными (коллективными), т.е. связанными друг с другом, поскольку они обусловлены общими причинами и зависят главным образом от числа растворенных частиц.

При внесении в растворитель некоторого вещества меняются свойства не только растворяемого вещества, но и свойства растворителя. Для свойств растворителя удобно использовать понятие идеального раствора.

Идеальным называют раствор, образование которого не сопровождается химическим взаимодействием, изменением объема и тепловым эффектом.

В идеальном растворе энергии взаимодействия между частицами растворителя; между частицами растворенного вещества, между частицами растворителя и частицами растворенного вещества одинаковы.

Законы Рауля.

Французский физико-химик Ф. М. Рауль (1830—1901) первым провел измерения, которые позволили сформулировать законы, описывающие влияние растворенного вещества на физические свойства растворителя.

1-ый закон Рауля.Если в замкнутый сосуд поместить чистый растворитель, то через некоторое время в системе установится динамическое равновесие, когда число частиц, испаряющихся с поверхности жидкости за единицу времени, равно числу частиц, переходящих в жидкость из газовой среды.

Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называют насыщенным.

При определенной температуре давление насыщенного пара чистого растворителя — величина постоянная.

Если в летучий растворитель (спирт, вода и т. д.) внести нелетучее растворяемое вещество, например сахарозу, концентрация растворителя в образовавшемся растворе уменьшится, следовательно, уменьшится число частиц растворителя, переходящих в газовую фазу. Это означает, что давление насыщенного пара над раствором нелетучего вещества должно стать меньше, чем над чистым растворителем: чем концентрированнее раствор, тем ниже давление пара растворителя над раствором.

Источник

Растворимость

Растворимость (Р, χ или k_s) – это характеристика насыщенного раствора, которая показывает, какая масса растворенного вещества может максимально раствориться в 100 г растворителя. Размерность растворимости — г/ 100 г воды. Поскольку мы определяем массу соли, которая приходится на 100 г воды, в формулу растворимости добавляем множитель 100:

здесь m_р.в. – масса растворенного вещества, г

m_р-ля – масса растворителя, г

Иногда используют обозначение коэффициент растворимости k_S.

Задачи на растворимость, как правило, вызывают сложности, так как эта физическая величина для школьников не очень привычна.

Растворимость веществ в различных растворителях меняется в широких пределах.

В таблице приведена растворимость некоторых веществ в воде при 20 o С:

Растворимость, г на 100 г H₂O

Растворимость, г на 100 г H₂O

От чего же зависит растворимость веществ? От ряда факторов: от природы растворенного вещества и растворителя, от температуры и давления. В справочных таблицах предлагается вещества делят на хорошо растворимые, малорастворимые и нерастворимые. Такое деление очень условное, поскольку абсолютно нерастворимых веществ нет. Даже серебро и золото растворимы в воде, однако их растворимость настолько мала, что можно пренебречь ей.

Зависимость растворимости от природы растворенного вещества и растворителя*

Растворимость твердых веществ в жидкостях зависит от структуры твердого вещества (от типа кристаллической решетки твердого вещества). Например , вещества с металлическими кристаллическими решетками (железо, медь и др.) очень мало растворимы в воде. Вещества с ионной кристаллической решеткой, как правило, хорошо растворимы в воде.

Есть замечательное правило: “подобное хорошо растворяется в подобном”. Вещества с ионным или полярным типом связи хорошо растворяются в полярных растворителях. Например , соли хорошо растворимы в воде. В то же время неполярные вещества, как правило, хорошо растворяются в неполярных растворителях.

Большинство солей щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде. Хорошо растворимы почти все нитраты, нитриты и многие галогениды (кроме галогенидов серебра, ртути, свинца и таллия) и сульфаты (кроме сульфатов щелочноземельных металлов, серебра и свинца). Для переходных металлов характерна небольшая растворимость их сульфидов, фосфатов, карбонатов и некоторых других солей.

Растворимость газов в жидкостях также зависит от их природы. Например, в 100 объемах воды при 20 o С растворяется 2 объема водорода, 3 объема кислорода. В тех же условиях в 1 объеме Н₂О растворяется 700 объемов аммиака.

Влияние температуры на растворимость газов, твердых веществ и жидкостей*

Растворение газов в воде вследствие гидратации молекул растворяемого газа сопровождается выделением теплоты. Поэтому при повышении температуры растворимость газов понижается.

Температура различным образом влияет на растворимость твердых веществ в воде. В большинстве случаев растворимость твердых веществ возрастает с повышением температуры. Например , растворимость нитрата натрия NaNO₃ и нитрата калия КNO₃ при нагревании увеличивается (процесс растворения протекает с поглощением теплоты). Растворимость NaCl при увеличении температуры возрастает незначительно, что связано с почти нулевым тепловым эффектом растворения поваренной соли.

Влияние давления на растворимость газов, твердых веществ и жидкостей*

На растворимость твердых и жидких веществ в жидкостях давление практически не оказывает влияния, так как изменение объема при растворении невелико. При растворении газообразных веществ в жидкости происходит уменьшение объема системы, поэтому повышение давления приводит к увеличению растворимости газов. В общем виде зависимость растворимости газов от давления подчиняется закону У. Генри (Англия, 1803 г.): растворимость газа при постоянной температуре прямо пропорциональна его давлению над жидкостью.

Закон Генри справедлив лишь при небольших давлениях для газов, растворимость которых сравнительно невелика и при условии отсутствия химического взаимодействия между молекулами растворяемого газа и растворителем.

Влияние посторонних веществ на растворимость*

В присутствии в воде других веществ (солей, кислот и щелочей) растворимость газов уменьшается. Растворимость газообразного хлора в насыщенном водном растворе поваренной соли в 10 раз меньше. Чем в чистой воде.

Эффект понижения растворимости в присутствии солей называется высаливанием. Понижение растворимости обусловлено гидратацией солей, что вызывает уменьшение числа свободных молекул воды. Молекулы воды, связанные с ионами электролита, уже не являются растворителем для других веществ.

Примеры задач на растворимость

Задача 1. Массовая доля вещества в насыщенном растворе равна 24% при некоторой температуре. Определите коэффициент растворимости этого вещества при данной температуре.

Решение:

Для определения растворимости вещества примем массу раствора равной 100 г. Тогда масса соли равна:

Масса воды равна:

m_воды = m_р-ра – m_р.в. = 100 — 24 = 76 г

χ = m_р.в./m_р-ля⋅100 = 24/76⋅100 = 31,6 г вещества на 100 г воды.

Еще несколько аналогичных задач:

2. Массовая доля соли в насыщенном растворе при некоторой температуре равна 28,5%. Определите коэффициент растворимости вещества при этой температуре.

3. Определите коэффициент растворимости нитрата калия при некоторой температуре, если массовая доля соли при этой температуре равна 0,48.

4. Какая масса воды и соли потребуется для приготовления 500г насыщенного при некоторой температуре раствора нитрата калия, если его коэффициент растворимости при этой температуре равен 63,9г соли в 100г воды?

Ответ: 194,95 г

5. Коэффициент растворимости хлорида натрия при некоторой температуре составляет 36г соли в 100г воды. Определите молярную концентрацию насыщенного раствора этой соли, если плотность раствора 1,2 г/мл.

6. Какая масса соли и 5% раствора её потребуется для приготовления 450г насыщенного при некоторой температуре раствора сульфата калия, если его коэффициент растворимости при этой температуре равен 439г/1000г воды?

7. Какая масса нитрата бария выделится из раствора, насыщенного при 100ºС и охлаждённого до 0ºС, если во взятом растворе было 150мл воды? Коэффициент растворимости нитрата бария при температурах 0ºС и 100ºС равен соответственно 50г и 342г в 100г воды.

8. Коэффициент растворимости хлорида калия при 90ºС равен 500г/л воды. Сколько граммов этого вещества можно растворить в 500г воды при 90ºС и какова его массовая доля в насыщенном растворе при этой температуре?

9. В 500г воды растворено при нагревании 300г хлорида аммония. Какая масса хлорида аммония выделится из раствора при его охлаждении до 50ºС, если коэффициент растворимости соли при этой температуре равен 50г/л воды?

Источник