Лекция 27. Газовые растворы

27.1. Растворы газов в жидкостях. Закон Генри и Генри – Дальтона.

27.2. Растворы газов в металлах и сплавах. Закон Сивертса.

27.1. Растворы газов в жидкостях. Закон Генри и Генри – Дальтона.

Растворимость газов. Растворимость газов в жидкостях зависит от их природы, природы растворителя, температуры и давления. Как правило, растворимость газов больше, если растворение сопровождается химическим взаимодействием его с растворителем и меньше, если при этом химического взаимодействия не происходит. Аммиак реагирует с водой с образованием гидроокиси аммония и в одном объеме воды его растворяется 748,8 объема, в то же время инертного газа гелия может раствориться всего лишь 0,0139 объема.

Зависимость растворимости газов от природы растворителя можно показать на следующих примерах. При одинаковых условиях в 100 г воды растворяется 87,5 г аммиака, а в 100 г этилового спирта – только 25 г. Растворимость газов в значительной мере зависит от температуры. При повышении температуры растворимость их уменьшается, а при понижении увеличивается. Так, при О⁰С в 100 мл воды растворяется 171 см³ углекислого газа, а при 20⁰С – только 87,8 см^3.

Растворимость газа зависит тоже от давления.

Давление мало сказывается на растворимости твердых тел и жидкостей, но существенно влияет на растворимость газов.

Если при испарении жидкости в пар переходят молекулы, обладающие повышенной (по сравнению со средней) кинетической энергией, то, очевидно, из газа в жидкий раствор должны переходить молекулы, обладающие пониженной кинетической энергией. Их доля тем меньше, чем выше температура, - поэтому растворимость газов уменьшается с температурой. При заданной температуре количество таких молекул пропорционально давлению газа. Следовательно, количество растворенного в жидкости газа должно быть пропорционально его давлению, что выражается законом Генри: при данной температуре концентрация растворенного газа пропорционально его парциальному давлению

С_i = К_iР_i, (5.11)

где С _i – концентрация газа в растворе; Р_i – его парциальное давление; К_i – константа Генри, которая зависит от природы газа и растворителя, а ее численное значение определяется выбором единиц давления и концентрации.

В то же время при данной температуре доля молекул, обладающих определенной кинетической энергией, не зависит от давления (пока газ можно считать идеальным), поэтому объем газа, растворяющегося в определенном объеме растворителя, не зависит от давления. (Например, в 100 г воды при 20^оС и давлении 760 мм рт. ст. растворяется 0,169 г углекислого газа. При увеличении давления вдвое масса растворяющегося газа тоже удваивается и становится равной 0,338 г. При увеличении давления вдвое плотность газа тоже увеличивается вдвое, так как 0,338 г этого газа при увеличении давления вдвое занимают тот же объем, что и 0,169 г его при 760 мм рт.ст. Следовательно, объем газа, растворяющегося в данном объеме жидкости, не зависит от давления).

Это обстоятельство прямо следует из закона Генри. Действительно, пусть в 1 л растворителя при температуре Т и давлении Р растворяется п моль газа. Объем растворившегося газа V_г равен

V_г = RT (5.12)

Из закона Генри следует, что С_р-р/Р = К, но С_р-р = п / РV_р-ль , откуда

п / РV_р-ль = К и п / Р = КV _р-ль.

При постоянной температуре V_р-ль = const, а значит, n/P = const и V_г = const ּ RT не зависит от давления. Поэтому растворимость газов в жидкостях характеризуют отношением объема газа к объему растворителя – обычно числом миллилитров газа, растворяющегося в 1 л растворителя.

Из закона Генри вытекает следствие: так как давление газа Р пропорционально его концентрации с_г в газовой фазе, то

с_г = К с_ж (5.13)

откуда

К= , (5.13а)

где с_г – концентрация газа в газовой фазе; с_ж – концентрация газа в жидкости, т.е. отношение концентрации данного газа над раствором к концентрации того же газа в жидкости, есть величина постоянная.

Как уже указывалось выше, константа Генри (К) зависит от температуры, природы компонентов раствора и способа выражения его состава.

После замены молярной концентрации (С) мольной долей (χ)растворённого вещества получим

χ_i = K_i P_i (5.14)

При этом К^/ _i отличается от К_i.

Газы подчиняются закону Генри при не очень высоких давлениях и притом лишь в случае, когда они не вступают в химическое взаимодействие с растворителем. При высоких давлениях, когда поведение всех газов заметно отличается от идеального, отклонения от закона Генри наблюдаются и в случае газов, химически не взаимодействующих с растворителем.

На практике обычно приходится работать не с чистыми газами, а с их смесями. Так как при низких давлениях и высоких температурах газовые смеси подчиняются закону Дальтона, действие закона Генри распространяют и на смеси газов:

при постоянной температуре растворимость каждого компонента идеальной газовой смеси в жидкости прямо пропорциональна его парциальному давлению в смеси газов над раствором.

Опыт показывает, что растворимость газов в жидкостях зависит не только от температуры и давления, но и от примесей, содержащихся в жидкости. Так, присутствие электролитов в воде сильно (до десятка раз) снижает растворимость газов в ней. Этим широко пользуются в лабораторной практике при приготовлении запорных жидкостей для газометров и аспираторов.

Дата добавления: 2014-01-04