Бабочки, конечно, ничего не знают о змеях. Зато о них знают птицы, охотящиеся на бабочек. Птицы, плохо распознающие змей, чаще становятся...

Если octo на латыни «восемь», то почему октава содержит семь нот?

Октавой называется интервал между двумя ближайшими одноименными звуками: до и до, ре и ре и т. д. С точки зрения физики «родство» этих...

Почему важных особ называют августейшими?

В 27 году до н. э. римский император Октавиан получил титул Август, что на латыни означает «священный» (в честь этого же деятеля, кстати,...

Чем пишут в космосе

Известная шутка гласит: «NASA потратило несколько миллионов долларов, чтобы разработать специальную ручку, способную писать в космосе....

Почему основа жизни - углерод?

Известно порядка 10 миллионов органических (то есть основанных на углероде) и лишь около 100 тысяч неорганических молекул. Вдобавок...

Почему кварцевые лампы синие?

В отличие от обычного стекла, кварцевое пропускает ультрафиолет. В кварцевых лампах источником ультрафиолета служит газовый разряд в парах ртути. Он...

Почему дождь иногда льет, а иногда моросит?

При большом перепаде температур внутри облака возникают мощные восходящие потоки. Благодаря им капли могут долго держаться в воздухе и...

Растворение газов в жидкостях почти всегда сопровождается выделением теплоты (энтальпия ДЯраств

Иногда растворение газа сопровождается поглощением теплоты, например растворение благородных газов в некоторых органических растворителях. В этом случае повышение температуры увеличивает растворимость газа.

Газ, как и многие другие вещества, не растворяется в жидкости беспредельно. 11ри некоторой концентрации газа X устанавливается равновесие:

11ри растворении газа в жидкости происходит значительное уменьшение объема системы. Поэтому повышение давления, согласно принципу Ле Шателье, должно приводить к смещению равновесия вправо, т.е. к увеличению растворимости газа. Если газ малорастворим в данной жидкости и давление невелико, то растворимость газа пропорциональна его давлению. 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 (X) - концентрация газа в насыщенном растворе, моль/л; р (X) - давление газа X над раствором, Па; Я г (X) - постоянная Генри для газа X, моль-л " Па 1 .

Константа Генри зависит от природы газа, растворителя и температуры. В табл. 8.3 представлены константы Генри для некоторых газов, растворенных в воде, при 298 К.

Закон Генри справедлив лишь для сравнительно разбавленных растворов, при невысоких давлениях и отсутствии химического взаимодействия между молекулами растворяемого газа и растворителя. Так, СО2 и NH3 вступают в химическое взаимодействие с водой, а НО диссоциирует в воде, что резко повышает растворимость этих газов. При очень высоких давлениях растворимость газа может достигнуть максимума, поскольку в этом случае изменение объема жидкости вследствие растворения в ней газа становится соизмеримым с объемом растворенного газа.

Таблица 8.3

Константы Генри для газов, растворенных в воде (298 К)

	А|(Х). моль-л" 1 нИа " 1		А|(Х), моль-л"-нИа " 1

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 индивидуальных свойств других компонентов.

Иначе говоря, в случае растворения смеси газов в жидкости в математическое выражение закона Генри (8.1) вместо р (X) подставляют парциальное давление р, данного компонента.

Под парциальным давлением р, компонента понимают часть общего давления Ровш газовой смеси, которая обусловлена этим компонентом:

Пример. Воздух представляет собой смесь, состоящую в основном из трех газов: 78% азота, 21% кислорода и 1% аргона (по объему). Определите концентрацию азота в воде при 298 К, если постоянная Генри равна 6,13* 10 4 моль-л "-Па.

Так как воздух содержит 78% азота по объему, парциальное давление азота в воздухе при 101 325 Па составляет 79 033,5 Па (объемная доля азота равна молярной доле азота, отсюда р(Ыг) = А>бщО,78). Из закона Дальтона следует, что c(N 2) = *KN2) * Р(М 2), отсюда c(N 2) = 6,13-10~ 9 -79 033,5 = 4,84-10^ моль/л.

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.

Математическое выражение закона Сеченова имеет следующий вид:

где с(Х) - растворимость газа X в присутствии электролита; со (X) - растворимость газа X в чистом растворителе; с э - концентрация электролита; К с - константа Сеченова, зависящая от природы газа, электролита и температуры.

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 ею растворяющая способность.

Рис. 8.2.

а - растворение газа в жидкости. б - растворение газа в крови; р(Х|)- парцналь- нос давление вещества Х| в газе, с(Х|) - кон- центрация ттого вещества в растворе. Р т - давление газовой дыхательной смеси

Закон Генри:

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

С(Х) = Кг(Х) Р(Х)

С(Х) – концентрация газа в насыщенном растворе, моль \ л

Кг(Х) – константа Генри, зависит от природы, растворителя и температуры, моль \ л

Р(Х) – давление, Па

Закон генри лежит в основе кессонной болезни (у водолазов). При погружении происходит увеличение давления, а следовательно и растворимости газа в крови. При быстром подъеме с больших глубин происходит мгновенное выделение пузырьков газа за счет резкого уменьшения растворимости из-за падения давления. Пузырьки закупоривают кровеносные сосуды, что приводит к тяжелому поражению тканей и даже гибели.

Закон Дальтона:

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

Pi = Pобщ χ(Xi)

Pi – парциальное давление компонента Xi

Pобщ – общее давление газовой смеси

χ(Xi) – молярная доля i-того компонента

при лечении газовой гангрены и ряда других заболеваний, при которых накапливаются микробы в омертвевших тканях, больных помещают в барокамеры с повышенным давлением кислорода в воздухе. При этом улучшается снабжение тканей кислородом, сто дает хорошие результаты.

Закон Сеченова:

Растворимость газов в жидкостях в присутствии электролитов понижается, происходит высаливание газов

С(Х) = С 0 (Х) е -Кс С э

С(Х) – растворимость газа Х в присутствии электролита

С 0 (Х) – растворимость газа Х в чистом растворителе

С э – концентрация электролита

Кс – константа Сеченова (зависит от природы газа, электролита, температуры)

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 углекислого газа в крови.

Коллигативные свойства разбавленных растворов. Давление пара над раствором, причины его уменьшения. Расчет давления пара над раствором (закон Рауля). Относительное понижение давления пара над раствором.

Некоторые свойства раствора зависят от теплового движения частиц, то есть определяются не природой компонентов, а количеством растворенных частиц. К ним относятся: понижение упругости пара растворителя над раствором, осмотическое давление, повышение температуры кипения, понижение температуры замерзания раствора.

1) давление пара над раствором.

Пар, находящийся в равновесии с жидкостью называют насыщенным. Давление такого пара называют давлением или упругостью насыщенного пара чистого растворителя. При данной температуре давление насыщенного чистого растворителя остается постоянным – ТД характеристика растворителя. При повышенной температуре давление насыщенного пара над растворителем повышается по принципу Ле-Шателье. Если в летучий растворитель (вода, спирт) внести нелетучее растворенное вещество (сахароза), то концентрация растворителя уменьшается, следовательно, уменьшается число частиц растворителя, переходящих в газовую фазу и давление пара растворителя падает.

В 1886 году Рауль сформулировал закон :

Давление пара раствора, содержащего нелетучее растворенное вещество, прямо пропорционально молярной доле растворителя

Р = Кр χ(Х1)

Р – давление пара над раствором, Па

Кр – константа Рауля, Па

χ(Х1) – молярная доля растворителя Х1, которая равна:

χ(Х1) = n(X1) \ (n(X1) + n(X2))

N(X1) и n(X2) – количество растворителя и растворенного вещества

если χ(Х1) = 1 , то Кр = Р 0 (давление пара чистого растворителя) Р = Р 0 χ(Х1)

χ(Х1) = 1 - χ(Х2) Р = Р 0 χ(1 - χ(Х2))

χ(Х2) = (Р 0 – Р) \ Р 0

Р 0 – давление пара над чистым растворителем, Па

Р – давление пара растворителя над раствором нелетучего вещества, Па

Р 0 – Р – абсолютное понижение давления пара над раствором, Па

(Р 0 – Р) \ Р 0 – относительное понижение давления пара над раствором, Па

(Р 0 – Р) = ∆Р

Закон Рауля справедлив только для идеальных растворов, то есть растворов, образование которых не сопровождается химическим взаимодействием и изменением объема.

25 . повышение температуры кипения растворов. Формулы расчета. Эбулиометрическая константа, эбулиометрический метод определения молярной массы растворенного вещества.

Зависимость растворимости газов в жидкости определяется законом Генри :

«Растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна парциальному давлению газа при постоянной температуре».

Условием рановесного распределения вещества между газом и жидкостью является равенство химических потенциалов между жидкой и газовой фазами:

Химический потенциал описывается уравнением:

C =Г· P – закон Генри.

Г - постоянная Генри, C – мольная доля растворенного вещества.

Уравнение применимо для идеальных растворов. Если происходит диссоциация или ассоциация:

C n =Г· P

n-коэффициент, учитывающий изменение числа частиц в растворе.

Вообще, при растворении газа в жидкости устанавливается равновесие:

Газ + Жидкость = Насыщенный раствор газа в жидкости

При этом объем системы существенно уменьшается. Следовательно, повышение давления должно приводить к смещению равновесия вправо, т. е. к увеличению растворимости газа; и наоборот.

Растворимость газа в жидкости зависит от ряда факторов : природа растворителя и растворимого вещества, давления, газовой фазы и температуры.

Наибольшее влияние на растворимость газов в жидкостях оказывает природа веществ. Так, в 1 литре воды при t = 18 °C и P = 1 атм. растворяется 0.017 л. азота, 748.8 л. аммиака или 427.8 л. хлороводорода. Аномально высокая растворимость газов в жидкостях обычно обусловливается их специфическим взаимодействием с растворителем – образованием химического соединения (для аммиака) или диссоциацией в растворе на ионы (для хлороводорода). Газы, молекулы которых неполярны, растворяются, как правило, лучше в неполярных жидкостях – и наоборот. Зависимость растворимости газов от давления выражается законом Генри (Генри–Дальтона). Газы, способные к специфическому взаимодействию с растворителем, данному закону не подчиняются.

Растворимость газов в жидкостях существенно зависит от температуры ; количественно данная зависимость определяется уравнением Клапейрона–Клаузиуса (здесь X – мольная доля газа в растворе, λ – тепловой эффект растворения 1 моля газа в его насыщенном растворе):

Как правило, при растворении газа в жидкости выделяется теплота (λ < 0), поэтому с повышением температуры растворимость уменьшается. Растворимость газов в жидкости сильно зависит от концентрации других растворенных веществ.

Зависимость растворимости газов от концентрации электролитов в жидкости выражается формулой Сеченова (X и X o – растворимость газа в чистом растворителе и растворе электролита с концентрацией C):

Таким образом, суммируя вышесказанное можно сделать следующие выводы. Поскольку растворение газов в воде представляет собой экзотермический процесс, их растворимость с повышением температуры уменьшается. Если оставить в теплом помещении стакан с холодной водой, то внутренние стенки его покрываются пузырьками газа - это воздух, который был растворен в воде, выделяется из нее вследствие нагревания. Значит, простым кипячением воды можно удалить из воды весь растворенный в ней воздух. Также процесс растворения подчиняется принципу Ле Шателье.

Количество газа, растворённого в единице объёме раствора называется растворимостью: м 3 /м 3 , г/л, моль/л и т. д.

Растворимость газа в жидкости определяет способность чистого газового компонента или смеси газов образовывать с жидкостью гомогенные растворы.

Растворимость газа увеличивается с ростом давления :

Р, мм рт. ст. 102 390 874 1160

G, г/л 2.74 10,6 24,0 31,6

Газ в силу большой летучести не может растворятся в жидкости бесконечно и уже при небольшой концентрации устанавливается равновесие "раствор-газ", при этом не просто раствор, а насыщенный раствор при данных р и Т.

Процесс растворения идеального газа при сравнительно невысоких давлениях, в отсутствие химического взаимодействия газа с жидкостью, описывается законом Генри (Уильям, англ. учён. 1774-1836), открытом им в 1803 году, который гласит: "Количество растворённого в жидкости газа прямо пропорционально его давлению над раствором при постоянной температуре".

где К - константа Генри, 1/ Па, 1/ бар, 1/атм;

р - общее давление, Па, бар, атм.

В случае, когда растворяется чистый газ (один компонент), то величина р будет равна общему давлению, а если растворяется смесь газов, то величина р будет характеризует парциальное давление (р i) растворённого компонента газа в жидкости:

Закон Генри является частным случаем общего закона Дальтона .

Закон Дальтона : р = å р i

Парциальное давление компонента в смеси газов рассчитывается по формуле:

p i = p общ ×х i , (3)

где p i - парциальное давление i-го компонента;

p общ - общее давление газовой смеси;

Выражение (2) - выражение закона Генри-Дальтона.

V Г /V Ж Þ V 2 ® объёмная доля растворённого газа, которая для идеального газа равна мольной доли (х 2 ) Þ следствие закона Авогадро . х 2 = К Г? р 2 .

Выражение закона Генри-Дальтона записывается в виде:

(4)

где х i - мольная доля растворённого газа.

К i - константа Генри i-го компонента газа;

p i - парциальное давление i-го компонента газа в смеси.

Уравнение (4) иная форма, с которой мы знакомились для предельно разбавленных растворов (ПРР). В реальных предельно разбавленных растворах для растворителя (х 1) выполняется закон Рауля, а для растворенного жидкого вещества (х 2) - закон Генри.

Для ПРР растворов жидкостей в жидкостяхсо сравнимыми давлениями насыщенных паров Генри экспериментально обнаружил, что при низких концентрациях давление пара растворённого вещества пропорционально его мольной доле

р 2 = k Г? х 2 . (5)

где k Г - эмпирическая константа (константа Генри), имеющая размерность давления. Если сравнить выражение 5 с законом Рауля (з-н Рауля Þ ), то следует, что k Г @

Но коэффициент пропорциональности отличен от давления насыщенного пара чистого вещества: k Г ¹ р о i

Константа Генри определяется как тангенс угла наклона касательной к экспериментальной кривой зависимости давления пара от состава раствора при х 2 ®0.

Константа Генри определяется экстраполяцией опытных данных:

k Г = lim çр 2 / х 2 ç при х 2 ®0.

При х 2 ®1, k Г ® р о 2 , и мы получим закон Рауля.

Сравним эти две формы (4)

р 2 = k Г? х 2 . (5) Откуда следует Þ К = 1/ k Г.

На практике растворимость газа принято выражать не в мольных долях, а в объёмных единицах по выражению (1): , . (6)

Отношение растворимости к давлению (при T = const) есть константа Генри:

И она имеет физический смысл коэффициента растворимости при парциальном давлении газа равном единице, 1 бар, 1 МПа, 1 атм.

Мерой растворимости газа в жидкости является коэффициент растворимости (a ), который характеризует количество растворённого в жидкости (растворе) газа при данных термобарических (р и Т) условиях:

a = (V Г /V р) р, Т, (7)

где a - коэффициент растворимости газа (коэффициент Бунзена ), м 3 /м 3 .

Аналитическое выражение закона Генри термодинамическим методом можно получить на основе уравнения Гиббса-Дюгема:

, (8)

где х 1 и х 2 - мольные доли растворителя (1 - жидкость) и растворённого вещества (2 - газ);

m 1 и m 2 - химические потенциалы растворителя и растворённого вещества.

Химические потенциалы можно определить по следующим выражениям:

и , (9)

где р 1 и р 2 - парциальные растворителя и растворённого газа.

Продифференцировав выражения (9), получим дифференциалы от химических потенциалов:

и . (10)

Подставляем выражение (4.10) в исходное уравнение Гиббса-Дюгема (8):

Выделяем dlnp 2 из уравнения (11):

. (12)

Это уравнение можно преобразовать к такому виду:

. (13)

Парциальное давление пара с идеальными свойствами для растворителя можно определить по закону Рауля и выразить его через давление насыщенного пара:

Продифференцируем (14) по х 1: , подставим его в (13) и получим следующее уравнение:

или . (15)

Берём неопределённый интеграл от уравнения (15) с введением константы интегрирования lnk, где k Г - константа Генри:

(16)

После потенцирования выражения (4.16) получаем уравнение закона Генри :

р 2 = k Г ×х 2 . (17)

На основе этого уравнения закон Генри гласит : "При постоянной температуре парциальное давление летучего (газообразного) компонента (р 2) прямо пропорционально его мольной доле в жидкости (х 2)".

Эта формулировка закона Генри применима для случая, когда растворённое газообразное вещество развивает бо¢льшую упругостью пара (р о Г) по сравнению с упругостью пара чистого растворителя (р о р), что характерно для газов. При этом оба вещества раствора (газ и растворитель) химически инертны. Размерность величины k Г в уравнении (17) такая же как и парциального давления.

Растворимость газов в жидкостях прямо пропорциональна парциальному давлению газа (р г) над поверхностью жидкости: .

Константа Генри постоянна для i-го вещества при данной температуре, а при изменении температуры её значение меняется по экспоненциальному закону. Значения величин К для разных систем приводятся в справочниках по термодинамическим свойствам веществ.

В общем случае, константа Генри зависит от природы газа, природы растворителя и температуры .

В области высоких давлений (выше 1¸1.2 МПа) или когда свойства газового раствора неидеальны , что может проявляться при сравнительно высоких концентрациях растворённого газа в растворителе, то в выражении закона Генри вместо давлений используют величины фугитивностей:

f г /К г = х г и f г = g f × p г, (18)

где f г - фугитивность (летучесть) газа;

g f - коэффициент фугитивности, зависящий от р и Т.

Принцип Ле Шателье . На термодинамическую систему, находящуюся в состоянии устойчивого равновесия, могут воздействовать внешние факторы, выводящие её из этого состояния. Реакцию системы на эти воздействия можно качественно определить на основе принципа Ле Шателье-Брауна, предложенного в 1884 году французским химиком Анри Луи Ле Шателье (1850-1936 г.г.) и обоснованного в 1887 году немецким физиком Карлом Фердинандом Брауном (1850-1918 г.г.): "Внешние воздействия, выводящие термодинамическую систему из состояния устойчивого равновесия, вызывают в ней протекание процессов, которые уменьшают влияние этих внешних возмущений".