Растворимость газов. 
Общая химия

Все газы растворяются в жидкостях, причем процесс растворения всегда оказывается экзотермическим. Это легко понять: молекулы газа ни с чем не связаны, затрата энергии на разрыв каких-либо химических связей отсутствует. Из этого следует, что растворимость газов уменьшается при повышении температуры. Если оставить в теплом помещении стакан с холодной водой, то на внутренней поверхности стакана через некоторое время появляются пузырьки газа — это воздух, который был растворен в воде, выделяется из нее вследствие нагревания. Кипячением можно удалить из воды весь содержащийся в ней воздух или другие газы.

Газообразное вещество отличается от жидкого и твердого еще и тем, что не имеет постоянной концентрации в собственной фазе. При изменении давления изменяется содержание газа в единице объема. Это влияет на равновесие между жидкостью и газом, и таким образом, растворимость газа зависит от давления. О том, какова взаимосвязь между давлением и растворимостью газа, можно сделать вывод самостоятельно, зная, что при откупоривании бутылки с газированным напитком наблюдается бурное выделение пузырьков газа.

Представим себе замкнутый сосуд, в котором установилось равновесие между газообразным веществом и его раствором в жидкости:

газообразное вещество X вещество X в растворе.

При увеличении давления газа за счет добавления его в сосуд равновесие сместится так, что давление несколько понизится — часть газа перейдет в раствор, и концентрация вещества в растворе увеличится. Следовательно, увеличится растворимость. Зависимость растворимости газа от давления подчиняется закону Генри.

Растворимость газа в жидкости пропорциональна давлению газа над поверхностью жидкости.

В природных водах всегда присутствует растворенный воздух, иначе говоря, все газы, имеющиеся в воздухе, растворяются и в воде. Па растворимость отдельно взятого газа не влияет давление, создаваемое другими газами. Например, парциальное давление кислорода в воздухе составляет 21 кПа. Остальные 80,3 кПа приходятся на давление азота и других газов и влияют на их растворимость, но не на растворимость кислорода. Закон растворимости газов был уточнен Дальтоном и носит название закона Генри — Дальтона.

Растворимость газа X в жидкости пропорциональна парциальному давлению данного газа над поверхностью жидкости:

Коэффициент растворимости к зависит от температуры; каждый газ имеет свое значение к.

Зависимость растворимости газа от его парциального давления используется для насыщения жидкости тем или иным газом. Струю газа пропускают (барботируют) через жидкость. Газ растворяется в соответствии с созданным давлением, и одновременно удаляются все другие растворенные газы.

В одном литре воды при О °С и давлении углекислого газа 101,3 кПа растворяется 3,35 г этого газа. Можно увеличить давление газа вдвое, тогда и растворимость газа увеличится вдвое — до 6,7 г/л. При удвоенном давлении эта масса в виде газа занимает тот же объем, что и 3,35 г при первоначальном давлении, так как масса газа в данном объеме при данной температуре пропорциональна давлению:

Таким образом, оказывается, что объемная растворимость газа не зависит от давления. Она зависит от температуры и природы газа. Поэтому растворимость газа наиболее удобно выражать через объемный коэффициент растворимости К_у. Численно он равен объему газа, растворяющемуся в единице объема жидкости при данной температуре. В табл. 12.1 приведены объемные коэффициенты растворимости некоторых газов в воде. Газы с K_v < 1 считаются малорастворимыми (0₂, Н₂, N₂, СН₄, благородные газы); умеренно растворимые газы (С0₂, H₂S, С1₂) имеют K_v, не сильно превышающий 1; у хорошо растворимых газов (NH₃, S0₂) K_v> 1.

Таблица 12.1

Объемные коэффициенты растворимости газов в воде.

Пример 12.11. В замкнутый сосуд объемом 2 л помещены 1 л воды и углекислый газ под давлением 101,3 кПа при 0 °C. Каким станет давление С0₂ после насыщения воды этим газом?

Решение. В таблице 12.1 находим объемный коэффициент растворимости С0₂: K_v= 1,713. В данной системе растворение такого объема газа эквивалентно расширению газа до конечного объема 1 л + 1,713 л = 2, 713 л. Давление газа уменьшится в соответствии с законом Бойля — Мариотта: