Растворимость газов в жидкостях

Абсорбция – поглощение газа или растворенного вещества жидкостью или твердым телом. Поглощаемое вещество (абсорбат) растворяется в поглотителе (абсорбент), равномерно распределяясь по всему его объему. Таким ообразом, абсорбция аналогична растворению, чем отличается от адсорбции – процесса поглощения газов или растворенных веществ поверхностью поглотителя. Количественной мерой абсорбции газов в жидкостях служит коэффициент абсорбции (коэффициент растворимости):

Коэффициент абсорбции Бунзена α: объем газа, приведенного к нормальным условиям (t = 0°C и p = 1 атм), растворенного в единице объема жидкости при данной температуре и парциальном давлении газа, равном 1 атм.

V_г° / V_ж = αp,

где V_г° / V_ж – приведенный к нормальным условиям объем газа, растворенного в единице объема жидкости, α – коэффициент абсорбции Бунзена, p – парциальное давление газа.

Коэффициент абсорбции Ван-Слайка α_o: объем газа в миллилитрах, приведенного к нормальным условиям (t = 0°C и p = 1 атм), растворенного в 1 мл объема жидкости при данной температуре и парциальном давлении газа, равном 1 атм.

V_г° / V_ж = α_op,

где V_г° / V_ж – приведенный к нормальным условиям объем газа в миллилитрах, растворенного в 1 мл жидкости, α_o – коэффициент абсорбции Ван-Слайка, p – парциальное давление газа.

Коэффициент абсорбции Оствальда β (или растворимость S): объем газа, измеренный в условиях эксперимента (без приведения к нормальным условиям), растворенного в единице объема жидкости при тех же условиях.

V_г / V_ж = β,

где V_г / V_ж – объем газа, растворенного в единице объема жидкости, β – коэффициент абсорбции Оствальда.

Связь между коэффициентами абсорбции Оствальда и Бунзена выражается следующим выражением:

β = T273·α

Величина абсорбции газов жидкостями зависит от природы газа и жидкости, парциального давления газа и температуры. В соответствии с законом Генри:

C₂ = k_Hp₂, где – константа Генри.

При постоянной температуре молярная концентрация газа в данной жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором.

Необходимо отметить, что закон Генри применим только для идеальных и реальных предельно разбавленных растворов и невысоких давлений.

При абсорбции смеси газов степень растворимости каждого газа согласно закону Дальтона пропорциональна его парциальному давлению над раствором.

В растворах солей абсорбция газов меньше, чем в чистых растворителях. В 1892 году Сеченов установил соотношение между концентрацией соли C в растворе и растворимостью газа S:

S = S_oe^–kC, где S_o – растворимость газа в чистом растворителе, k – коэффициент высаливания, зависящий от природы соли, газа, растворителя и температуры.


Задачи по теме:

1. Один литр 0,25 молярного водного раствора KI растворяет 46,49 см³ кислорода при 0°C. Коэффициент растворимости кислорода в чистой воде при той же температуре равен 0,0492. Плотность раствора – 1,027 г/см³. Каким количеством воды гидратирован 1 моль KI в указанном растворе?
   
   Решение:
   
   Масса одного литра водного раствора KI равна 1,027·1000 = 1027 г. В этом количестве раствора содержится 0,25·146 = 36,5 г KI и (1027 – 36,5) = 990,5 г воды.
   
   Если 0,0492 л кислорода растворяются в 1000 г воды, то для растворения 0,04649 л кислорода нужно 945 г воды.
   
   Таким образом, из 990,5 г воды в водном растворе KI 945 г воды участвуют в растворении кислорода и (990,5 – 945) = 45,5 г воды участвуют в гидратации соли. Следовательно, если для гидратации 0,25 молей KI необходимо 45,5 г воды, то для гидратации одного моля KI – 182 г воды, т. е. около 10 молей.
   
   Ответ:  1 моль KI в указанном растворе гидратирован 10 молями воды.
   
   
2. На сколько миллиграммов уменьшится равновесное содержание кислорода в каждом литре верхнего слоя воды природного водоема при увеличении температуры приземного воздуха с 5 до 25°С, если парциальное давление кислорода при этом остается постоянным? Концентрация кислорода соответствует средним для приземного слоя значениям, давление воздуха – стандартным значениям. Парциальным давлением паров воды можно пренебречь.
   
   Решение:
   
   Равновесное содержание кислорода С_О2, растворенного в верхнем слое природного водоема, в соответствии с законом Генри определяется парциальным давлением кислорода p_O2 и значением константы Генри k_H, зависящей от температуры:
   
   С_О2 = k_Hp_О2.
   
   Поскольку парциальное давление кислорода остается постоянным, различие значений равновесных концентраций кислорода при температурах 5 и 25°С определяется лишь изменением константы Генри в зависимости от температуры. В этой связи можно записать:
   
   ΔС_О2 = С_О2′ – С_О2′′ = (k_H′ – k_H′′)·p_О2,
   
   где С_О2′ и С_О2′′ – равновесные значения концентраций кислорода, а k_H′ и k_H′′ – значения константы Генри при температурах 5 и 25°С соответственно. В справочнике находим: k_H′ = 0,00191 моль/(л·атм) и k_H′′ = 0,0013 моль/(л·атм).
   
   Парциальное давление кислорода находим следующим образом:
   
   p_О2 = P·φ_О2 = 1·0,2095 = 0,2095 атм,
   
   где φ_О2 – объемная доля кислорода в приземном слое воздуха. Отсюда различие равновесных значений концентраций кислорода равно:
   
   ΔС_О2 = (0,00191 – 0,0013)·0,2095 = 1,28·10^–4 моль/л.
   
   или
   
   ΔС_О2 = 1,28·10^–4·32·10³ = 4,1 мг/л.
   
   Ответ:  содержание кислорода в каждом литре воды уменьшится на 4,1 мг.

Закон распределения Нернста, экстракция

Растворимость твердых тел в жидкостях