Растворимость газов в жидкостях

Растворимость газов в жидкостях с повышением температуры уменьшается, так как увеличение кинетической энергии частиц приводит к тому, что молекулы газа легче покидают раствор, чем возвращаются в него.

Зависимость растворимости газов от давления выражается законом Генри: при заданной температуре концентрация растворенного газа прямо пропорциональна его парциальному давлению:

(6.16)

где С_i – концентрация газа в растворе; Р_i – парциальное давление газа, т. е. давление, которое оказывал бы газ на стенки сосуда, если бы один занимал весь объем; К_i – константа Генри, которая зависит от природы газа и растворителя, а ее численное значение определяется выбором единиц измерения давления и концентрации. Представим концентрацию газа в растворе (C_i) отношением количества вещества в жидком растворе (n_iж) к объему растворителя (V), а парциальное давление газа выразим из уравнения Клапейрона – Менделеева через его объем (V_г) и количество вещества в газовой фазе (n_iг):

(6.17)

Тогда из уравнения (6.16) следует:

(6.18)

При постоянной температуре (T = const) и давлении между жидким раствором и газовой фазой устанавливается равновесие, т. е.

и, следовательно, отношение объема газа к объему жидкости, в которой газ растворен, является постоянной величиной.

Растворимость газов обычно выражают коэффициентом абсорбции, т. е. отношением объема газа к объему растворителя, в котором газ растворен:

Пример 1. Определение массы газа в растворе по его растворимости. Сколько хлороводорода растворится в 100 л воды при 40 °С (313 К) и давлении 98625 Па, если растворимость HCl при этой температуре составляет 386 м³ на 1 м³ воды?

Решение. Определим объем хлороводорода в 100 л воды:

Молярная масса хлороводорода М_HCl = 36,5 г/моль. По уравнению Клапейрона – Менделеева

рассчитаем массу хлороводорода в 100 л воды:

Пример 2. Определение массовой доли газообразного вещества по коэффициенту абсорбции. Коэффициент абсорбции аммиака при 0 °С и Р = 1,01333×10⁵ Па равен 1300. Вычислить массовую долю NH₃ в растворе.

Решение. Молярная масса аммиака равна 17 г/моль. Определим массу 1300 м³ (1,3×10⁶ л) аммиака, содержащегося в 1 м³ воды, учитывая, что объем одного моля любого газа при указанных в задаче условиях, составляет 22,4 л/моль:

Определим массу раствора, принимая массу 1 м³ воды за 1000 кг:

Определим массовую долю аммиака в растворе:

Пример 3.Определение растворимости газовой смеси по коэффициентам абсорбции компонентов смеси. Газовая смесь содержит 21 % об. O₂ и 79 % об. N₂; коэффициенты абсорбции кислорода – 0,049 м³, азота – 0,0236 м³ на 1 м³ воды при 0°С и давлении 1,0133×10⁵ Па. Определить коэффициент абсорбции газовой смеси в воде при указанных условиях и объемные доли газовой смеси, растворенной в воде.

Решение. Определим парциальное давление газов. Общее давление газовой смеси Р = 1,01333×10⁵ Па = 1 атм. С учетом состава газовой смеси P(O₂) = 0,21 атм, P(N₂) = 0,79 атм.

Определим растворимость кислорода и азота в воде с учетом парциального давления, так как согласно закону Генри растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна парциальному давлению:

Определим растворимость газовой смеси в воде (коэффициент абсорбции):

Определим объемные доли кислорода и азота в газовой смеси, растворенной в воде: