В соответствии с законом генри давление. Растворение газов в жидкостях. Закон Генри. где М(х) – мольная масса вещества х

Растворы газов в жидкостях

Газы могут растворяться в жидкостях, образуя жидкие растворы. В связи с незначительной растворимостью газов их растворы можно отнести к разбавленным.

Количественно растворение газов в жидкостях можно выразить различным способом: при помощи мольной доли растворенного газа Nг или концентрации, а также при помощи коэффициента растворимости.

Коэффициент растворимости равен отношению объема растворенного газа Vг [л или м3], приведенного к давлению 1,013*105 Па (1 атм), к объему растворителя Vp [л или м3]:

Коэффициент растворимости зависит от температуры.

Коэффициент растворимости (а следовательно, и растворимость газов) уменьшается с ростом температуры и изменяется в довольно широких пределах, что объясняется различием в механизмах растворения разных газов.

Растворение газа в жидкости происходит либо в результате межмолекулярного взаимодействия молекул газа и жидкости, либо является следствием химической реакции между молекулами растворителя и растворенного вещества.

Кислород растворяется в воде в результате межмолекулярного взаимодействия, что объясняет его относительно плохую растворимость в воде. Подобная незначительная растворимость в воде характерна для многих, в том числе и благородных, газов (Не, Ne, H2, СН4 и др.).

Растворению диоксида углерода (СО2) способствует межмолекулярное взаимодействие в сочетании с химической реакцией, приводящей к образованию угольной кислоты (СО2 + Н2О H2CO3).

Растворимость газов зависит не только от природы растворяемого вещества, но и от свойств растворителя. Так, растворимость азота в этаноле и ацетоне почти в 10 раз превышает его растворимость в воде.

Равновесие в системе жидкость-газ динамическое: какое-то количество молекул газа испаряется из раствора, такое же количество растворяется.

При установлении подобного равновесия при определенных температуре и давлении жидкость насыщена газом. Растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна парциальному давлению газа над поверхностью жидкости pг.

В соответствии с законом Генри для разбавленных растворов, к которым относятся растворы газов, можно записать

,

где kт – коэффициент пропорциональности, или константа Генри, в данном случае для растворов газов; Nг – мольная доля растворенного газа.

Константа Генри измеряется в Па и так же, как и коэффициент растворимости, определяет содержание газа в растворе.

Выражение для определения мольной доли растворенного газа:

Две формулировки закона Генри применительно к раствору газов в жидкостях:

1) парциальное давление газа над поверхностью его раствора прямо пропорционально мольной доле растворенного газа.2) мольная доля растворенного газа (или концентрация растворенного газа) пропорциональна парциальному давлению газа над раствором.

Согласно закону Генри, с увеличением давления растут растворимость и концентрация растворенного газа. Закон Генри справедлив для сильно разбавленных растворов газов, близких к идеальным.

Так, при растворении даже таких плохо растворимых в воде газов, как аргон, закон Генри остается справедливым для относительно низких температур и давлений до 5 атм.

В области высоких давлений и сравнительно больших концентраций закон Генри можно выразить следующим образом:

,

где fг – фугитивность, или летучесть, газа

Растворимость газов снижается в присутствии электролитов, что объясняется процессом сольватации. Молекулы растворителя прочнее связываются с ионами электролитов, нежели с растворенными молекулами газа; значительная часть молекул растворителя используется для создания сольватной оболочки и выключается из участия в растворении газов.

Количественно снижение растворимости газов в присутствии электролитов определяется выражением:

,

где хо и х – растворимости газа в воде и растворе электролита, выраженные в одних и тех же единицах; kэ – эмпирический коэффициент, зависящий от природы газа и электролита, а также от температуры; с – концентрация электролита.

Снижение растворимости газа в присутствии солей и выделение при этом пузырьков газа называют высаливанием. Примером высаливания служит выделение пузырьков газа при добавлении в пиво щепотки соли.

Причину изменения растворимости газов в зависимости от температуры можно уяснить, если обратиться к уравнению Клаузиуса-Клапейрона:

,

где Нр – тепловой эффект процесса растворения газа в жидкости.

раствор эвтектика газ жидкость

Следует отметить, что фазовое равновесие между газом и жидкостью существует в ограниченной области температур и давлений.

Состав двухкомпонентных систем описывается диаграммами состава (рис.1 и 2) и определяется значениями мольных долей компонентов, отлагаемых на оси абсцисс. Состав трехкомпонентной системы изображают в виде графиков. Наиболее распространенный из них – равносторонний треугольник (рис.3).

Рис.3. Графическое изображение состава трехкомпонентной системы

Каждая сторона этого треугольника отражает состав двухкомпонентной системы аналогично оси абсцисс рис.1 и 2. Любая точка внутри треугольника характеризует состав трехкомпонентной системы, и наоборот, определенному составу системы соответствует одна точка внутри треугольника.

Рассмотрим в качестве примера состав системы в точке Р. Для этой цели из точки Р проведем три прямые, параллельные сторонам треугольника. Эти прямые на сторонах треугольника будут отсекать отрезки, длина которых в соответствии с принятым масштабом определяет содержание каждого компонента. В соответствии с рис.3 NА = 0,4; NВ = 0,2 и NС = 0,4 или в процентах 40,20 и 40%.

Третий компонент D может быть введен в двухкомпонентную систему из двух несмешивающихся жидкостей А и В. Когда вводится относительно небольшое количество третьего компонента и он распределяется в обеих фазах одинаково, а диссоциации и ассоциации молекул не происходит, то третий компонент распределяется в двух жидких фазах в определенной пропорции, т.е.

,

где , – концентрации компонента D в жидкости А и В соответственно.

Постоянную kр в уравнении называют коэффициентом распределения.

В случае диссоциации (распада молекул) или ассоциации (образования ассоциатов из молекул) размеры частиц в разных растворителях будут различными. В подобных случаях – уравнение теряет смысл, и можно воспользоваться более общим выражением для коэффициента распределения:

,

где n – постоянная для данного растворителя.

После логарифмирования уравнения получим:

Закон распределения в логарифмической форме позволяет по известным значениям и графическим путем определить lgkp и n.

В производстве часто возникает необходимость извлечь вещество из раствора, удалить из него примеси или повысить концентрацию растворенного вещества. В этих случаях прибегают к экстракции.

Экстракцией называют извлечение из многокомпонентного раствора одного или нескольких компонентов с помощью растворителя, обладающего избирательной способностью растворять только подлежащие экстрагированию компоненты.

Экстракцию широко применяют в промышленности, в том числе и пищевой. При помощи экстракции происходит извлечение необходимых веществ: сахара из свеклы, растительного масла из семечек и др.

На основе закона распределения можно рассчитать эффективность экстракции в зависимости от свойств растворителя и экстрагируемого вещества. Коэффициент распределения характеризует возможность выделения растворенного вещества.

Коэффициент распределения будет равен: , где с1 – концентрация вещества, оставшегося в системе после первой экстракции; с2 – концентрация вещества, удаляемого из системы в результате экстракции.

Концентрации с1 и с2 можно выразить следующим образом:

,

где mo, m1 – массы экстрагируемого вещества до и после экстракции; mo – m1 – масса вещества, удаляемого в результате первой экстракции; V1, V2 – объем растора, подвергшегося экстракции, и объем растворителя, используемого для экстракции.

Для более полного извлечения экстрагируемого вещества при ограниченном объеме растворителя экстракцию следует проводить не сразу всем количеством растворителя, а несколькими малыми порциями примерно одного и того же объема.

Page 3

Источник: https://studbooks.net/2276098/matematika_himiya_fizika/rastvory_gazov_zhidkostyah

Физическая химия

Сохрани ссылку в одной из сетей:

Отношениерастворимости газа к давлению припостоянной температуре являетсяпостоянной величиной6(растворимость чаще всего выражаетсяв г/ли обозначается q):

 =K' (VI,1)

ВеличинаК' можетслужить мерой растворимости газа вжидкости.

Уравнение(VI,1) является выражением закона Генри,найденного (1803) опытным путем.

Нетрудновидеть, что уравнение (VI,1) есть иная форма уже рассмотренногоранее уравнения Рауля-Генри (V,4):

Если дляраствора газа соблюдается уравнение(V,4), то такой раствор, в соответствии сранее сказанным, является предельноразбавленным раствором. Для негосправедлив закон Рауля и все закономерностидля этих растворов, рассмотренные вглаве V.

Выразимвесовое количество mгазрастворенногогаза, находящегося во всем объёме Vраствора,через объём, занимаемый газом при техже температуре и давлении. По уравнениюКлапейрона – Менделеева:

откуда следует, что

,

где  –молекулярная масса газа и Vгаз –его объём.

Подставивв уравнение (VI,1) значение

получим:

(VI,1а)

сокращаявеличину Pиобъединяя постоянные величины, получаем:

(VI,2)

Отношение ,называемоекоэффициентомрастворимости газа, независит от давления (для идеальных ипредельно разбавленных растворовидеальных газов). Величина показывает, сколько объёмов газарастворяется в одном объёме растворапри данной температуре (объем газаизмеряется при тех же значениях Ти P,прикоторых установилось равновесиегаз-раствор).

Растворимостьгаза можетбыть выражена также в объёмах газа,приведенных к 0°С:

(VI,3)

Величинаназывается коэффициентомпоглощения газа и,так же как ,не зависит от давления газа (в границахприменимости закона Генри).

По значению коэффициентарастворимости можно найти концентрациюрастворенного газа, выраженную в любыхединицах.

Идеальнаярастворимость газа, т. е. растворимостьего в идеальном растворе, может бытьвычислена по закону Рауля – Генри(для Р =1 атм),еслисчитать приближенно газ идеальнымиположить P2 =1 атм:

x = (VI,4)

где -давление насыщенного пара сжиженногогаза7при той же температуре, при которойопределяется растворимость.

Из уравнения(VI,4) вытекает, что идеальная растворимостьгаза не зависит от природы растворителя.Её зависимость от давления выражаетсяграфически прямой линией.

В растворах,близких к идеальным, а тем более врастворах с положительными отклонениямидавление растворенного газа резковозрастает с увеличением его концентрации(велико) и уже при малых значенияхпоследней достигает внешнего давления(например, 1 атм).

Поэтомурастворимость (выраженная в мольныхдолях) газов, образующих идеальныерастворы или растворы с положительнымиотклонениями, при обычных давленияхмала. Значительно больше растворимостьгазов, образующих растворы с отрицательнымиотклонениями.

Этоположение иллюстрирует рис.

14, из котороговидно, что кривая P2 =f(x)дляраствора с положительными отклонениямиот закона Рауля пересекает изобару Р =1 атмприменьших концентрациях, чем прямая P2=xдляидеального раствора, и тем более, чемкривая P2 =f(x)для раствора с отрицательными отклонениями.Следовательно, и растворимости газовв соответствующих растворах

xпол.< xид.< xотр.

Рис.14.Парциальное давление газа над егорастворами.

Таблица4. Растворимость некоторых газов при20°С и 1 атм

Как видноиз таблицы, растворимость так называемыхпостоянных газов (Н2,N2,О2)мала (сотые и десятые доли мольныхпроцентов).

Газы с полярными молекуламисравнительно мало растворимы в неполярныхи малополярных жидкостях.

Большиеотрицательные отклонения и, соответственно,очень большие растворимости СO2и NH3в водных растворах обусловлены, с однойстороны, химическим взаимодействием сводой, сильно уменьшающим количествосвободных молекул СO2и NH3в растворе, и, с другой стороны, гидратациейэтих молекул, за счёт чего значительнопонижается их летучесть.

Растворение газов в жидкостяхсопровождается, как правило, выделениемтеплоты. Исключением являются растворыводорода и инертных газов в органическихрастворителях, которые образуются споглощением теплоты.

§ 3. Зависимостьрастворимости газов от температуры

Растворимостьгазов при данном давлении, как правило,уменьшается с ростом температуры. Этолегко предвидеть: величина P°2растетс повышением температуры, поэтому кривыепарциального давления газа и прямаяидеального парциального давления(рис.14) с повышением температурыувеличивают свой наклон, а значениярастворимости при заданном давлениипадают.

§ 4. Влияние третьегокомпонента на растворимость газов

Присутствиев растворе третьего компонента влияетна растворимость газов. Так в солевыхрастворах растворимость газов, какправило, меньше, чем в чистой воде8.Например, коэффициент растворимости()хлора при 20°С в чистой воде и в 26% номрастворе NaClравен соответственно 2,3 и 0,3.

Зависимость растворимости газав водном растворе соли от концентрациисоли выражается формулой И. М. Сеченова(1892).

(VI,5)

где хи x0 –соответственно мольная доля газа всолевом растворе с концентрацией солиС имольная доля в растворе в чистой воде(при одинаковых давлении газа итемпературе); k –константа,характерная для данной соли.

Высаливающеевлияние отдельных ионов растет с ихзарядом и уменьшается с увеличениемрадиуса.

Оно объясняется в основномтем, что ионы притягивают молекулы водыи не притягивают неполярные и слабополяризуемые молекулы малорастворимыхгазов, в результате чего проявляетсяэффект «высаливания» молекул газа израствора, увеличиваетсялетучесть растворённого газа, т. е,растёт положительное отклонение отзакона Рауля и падает растворимость.

§ 5. Совместнаярастворимость нескольких газов

При небольших давлениях (в областизакона Генри) компонент газовой смесирастворяется в жидкости независимо отдругих компонентов (в соответствии сосвоим парциальным давлением и коэффициентомрастворимости).

Состав растворенной газовойсмеси отличается от состава газовойсмеси над раствором. Относительноесодержание более растворимых газов врастворе будет больше, чем в газовойсмеси.

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

§1.Определение предмета коллоидной химии

Подколлоидной химией понимают наукуоповерхностныхявлениях и дисперсные системах9.Кповерхностным явлениям относятсяпроцессы, происходящие на границераздела фаз в межфазном поверхностномслое и возникающие в результатевзаимодействия контактирующих фаз.

Поверхностные явления обусловлены тем,что в поверхностных слоях на межфазныхграницах вследствие разного состава истроения соприкасающихся фаз исоответственно из-за различия в связяхповерхностных атомов и молекул состороны одной и другой фаз существуетненасыщенное поле межатомных,межмолекулярных сил.

По этой причине вповерхностных слоях вещество находитсяв особом состоянии, отличающемся посвойствам от его состояния в объемахфаз.

Однако,поверхностные явления сильнее всегопроявляются в телах с высокоразвитойповерхностью (раздробленных телах),которая придает им новые важные свойства.В таких телах бóльшая доля веществанаходится в коллоидном состоянии.

Ктелам с высокоразвитой поверхностьюотносятся плёнки, нити, капилляры, мелкиечастицы. Совокупность этих дисперсныхчастиц вместе со средой, в которой онираспределены, представляет собойдисперснуюсистему.

Дисперсные системы – наиболеетипичные и вместе с тем сложные объектыколлоидной химии, потому что в нихпроявляется все многообразие поверхностныхявлений, формирующих особые свойстваэтих систем.

Дисперсными системами являютсябольшинство окружающих нас реальныхтел, поэтому есть основания называтьнауку о поверхностных явлениях идисперсных системах физической химиейреальных тел.

Все тела, как правило, –это поликристал­лические, волокнистые,слоистые, пористые, сыпучие вещества,находящиеся в состоянии суспензий,паст, эмульсий, пен, пыли и т. д.

Почвы,нефть, облака, многие продукты промышленныхпроизводств, в том числе строительныематериалы, металлы, полимеры, бумага,ткани, продукты питания, – все этодисперсные системы, свойства которыхизучает коллоидная химия.

Таким образом, коллоидная химияизучает наиболее распространенное вприроде состояние тел – дисперсноесостояние и его превращения. Универсальностьдисперсного состояния, наличие внешнейповерхности у большинства реальных телопределяют фундаментальный и общенаучныйхарактер коллоидной химии.

Источник: https://gigabaza.ru/doc/29964-p7.html

Растворимость воздуха в воде. Деаэрация. Закон Генри. Коэффициенты Генри для воздуха

Источник: https://dpva.ru/Guide/GuideMedias/GuideAir/AirSolubilityInWater/