Растворимость газов в жидкостях

Газы при соприкосновении с жидкостью способны растворять­ся в ней. Растворимость газов зависит от их природы, характера жидкости, а также от температуры и давления. Ниже приведены значения растворимости некоторых газов в воде при 291 К и дав­лении 0,1 МПа (объем газа в 1 объеме воды):

Таблица 4.1 Растворимость газов в воде

Высокая растворимость аммиака, хлористого водорода, дву­окиси серы и хлора объясняется их химическим взаимодействием с водой (например, NH₃ или SO₂) или диссоциацией на ионы (НСl).

Растворимость одних и тех же газов в различных растворите­лях разная. Ниже показана зависимость растворимости аммиака от природы растворителя (1 г NH₃ в 100 г растворителя):

Таблица 4.2 Растворимость аммиака в различных растворителях

Газы, молекулы которых неполярны, растворяются, как пра­вило, лучше в неполярных растворителях. И наоборот, в поляр­ных растворителях лучше растворяются газы, молекулы которых полярны.

Как видно, растворимость аммиака выше всего в воде — сильно полярной жидкости, в толуоле же — в неполярном растворителе — растворимость его ничтожна.

На растворимость газов большое влияние оказывают давление и температура. Зависимость растворимости газов от давления вы­ражается законом Генри (1803): растворимость данного газа в жидкости прямо пропорциональна его давлению над жидкостью, т. е.

где С — концентрация газа в жидкости; р — давление газа над раствором; К — коэффициент пропорциональности, зависящий от природы газа.

Взаимная растворимость жидкостей.

В зависимости от природы жидкости могут смешиваться друг сдругом в различных соотношениях: 1) смешиваются друг с дру­гом в любых соотношениях с образованием совершенно однородного раствора (вода и глицерин, вода и этиловый спирт); 2) обладают ограниченной растворимостью друг в друге (вода и анилин, вода и эфир); 3) практически нерастворимы друг в друге (вода и бен­зол, вода и ртуть).

Рассмотрим случай ограниченной растворимости на примере двойной системы анилин — вода. Если в пробирку налить немного анилина, прибавить примерно такое же количество воды и энергично встряхивать ее, пока не получится эмульсия, то после не­продолжительного отстаивания жидкость в пробирке образует два слоя: верхний — насыщенный раствор анилина в воде, нижний— насыщенный раствор воды в анилине.

Характерно, что для каждой температуры оба раствора имеют строго определенный равновесный состав, не изменяющийся от прибавления дополнительных количеств воды или анилина. По­вышение температуры ведет обычно к увеличению взаимной ра­створимости и может в конечном счете привести к неограниченному взаимному растворению компонентов друг в друге. Температура, при которой ограниченная растворимость переходит в неограни­ченную, называется критической температурой растворения.

Растворимость твердых веществ в жидкостях.

Растворимость твердых веществ также определяется природой растворителя и растворенного вещества и также зависит от тем­пературы. В отличие от растворимости газов растворимость твер­дых тел сравнительно мало изменяется с давлением.

В настоящее время установлен ряд правил о растворимости веществ, но они не обладают универсальностью, не свободны от раз­личного рода исключений и потому носят в большинстве случаев качественный характер. Например, замечено, что полярные ра­створители, как правило, хорошо растворяют полярные вещества и плохо — неполярные. Неполярные растворители, наоборот, хо­рошо растворяют неполярные вещества и плохо — полярные. В слу­чае, если один из компонентов раствора полярен, а второй неполярен, растворимость бывает незначительной.

Растворимость большинства твердых тел с повышением тем­пературы увеличивается. Однако бывают и исключения из этого правила. Так, растворимость СаСгО₄ и Са(ОН)₂ в воде с повы­шением температуры уменьшается. Изменение растворимости тел от температуры зависит, как показывает опыт, от теплового эф­фекта растворения. Согласно принципу Ле Шателье растворимость вещества увеличивается с температурой, если процесс растворе­ния данного вещества идет с поглощением теплоты. И наоборот, с повышением температуры уменьшается растворимость твердого вещества, если его растворение сопровождается выделением теп­лоты.

Зависимость растворимости от температуры обычно изображают в виде кривых растворимости. Резкий излом на кривой растворимости сульфата натрия соответствует превращению кри­сталлогидрата Na₂SO₄·10H₂O (который устойчив при температуре ниже 305,543 К) в безводный Na₂SO₄ (устойчивый при температуре выше 305,543 К). Растворение кристаллогидрата Na₂SO₄·10H₂O сопровождается поглощением теплоты, а растворение безводной соли идет с выделением теплоты.

Если соль способна к образованию кристаллогидратов, то хими­ческий состав и область существова­ния каждого кристаллогидрата можно сравнительно легко определить по ха­рактерным кривым растворимости: каждой точке перехода соответствует излом на кривой растворимости.

Изменением растворимости с тем­пературой часто пользуются для очист­ки веществ путем перекристаллизации. При остывании горячего насыщенного раствора какой-либо соли, загрязнен­ной посторонними примесями, значи­тельная часть этой соли выделится в осадок, а загрязняющие примеси оста­нутся в растворе, так как последний даже на холоде не будет насыщенным раствором по отношению к этим примесям. Подобным образом можно очищать любые твердые вещества, растворимость которых сильно зависит от температуры.

Если растворимость вещества мало изменяется с температурой, очистка его путем перекристаллизации становится невозможной. В этом случае насыщенный раствор очищают упариванием, т. е. удаляют из него часть воды. В процессе упаривания некоторая доля очищаемого вещества выкристаллизовывается, а примеси остаются в растворе.

Природные растворы

Вода, как известно, вследствие полярности ее молекул является хорошим рас­творителем для многих веществ. Она играет исключительно важную роль в гео­химических и гидрогеологических процессах земной коры. Природные воды ак­тивно участвуют в образовании и разрушении минералов. Вода растворяет твер­дые тела или вымывает из них растворимые компоненты. Растворяя газы атмосфе­ры и перенося их на громадные расстояния, вода выступает в роли регулятора со­става воздуха. Достаточно указать, что в воде океанов содержится в восемь раз больше диоксида углерода, чем в воздухе.

Все пресные воды (с содержанием сухого остатка от 1 г/л и менее), а также минерализованные воды (сухой остаток более 1 г/л) являются природными рас­творами. Это воды рек, озер, морей, океанов, почвенные и грунтовые воды, меж­пластовые, жильные, карстовые, так называемые «ювенильные» воды и т. п. По составу природные растворы являются исключительно сложными физико-химическими системами. Общее количество вод на Земле по приблизительным подсчетам составляет 2·10¹⁸ т, причем в морях и океанах сосредоточено около ³/₅ этого коли­чества, а ²/₅ приходится на льды суши, водяной пар атмосферы, а также на воду в составе твердых тел земной коры.

Следует отметить, что вода в природе выступает не только как растворитель. Многие природные реакции протекают с ее участием. При растворении многих ве­ществ в воде происходит химическое взаимодействие между ионами растворенно­го вещества и ионами Н⁺ и ОН^- воды, сопровождающееся образованием слабых кислот или слабых оснований. Эти реакции получили назва­ние «гидролитических». Именно в силу своей высокой активно­сти вода играет исключительно важную роль в химическом вы­ветривании горных пород. При­чем активность воды при взаи­модействии с горными порода­ми значительно возрастает в присутствии диоксида углерода. Этому фактору, как известно, академик В. Р. Вильямс прида­вал исключительно важное зна­чение в процессах почвообразо­вания.

Под постоянным воздействием воды, воздуха и резкой смены температур горные поро­ды дробятся. Воды дождей из­влекают из них растворимые составные части и вместе с не­растворимыми частицами, глав­ным образом песка и глины, уносят в реки. Здесь взвешен­ные частицы сортируются по плотности: сначала отлагается песок, а затем более мелкие глинистые частицы. В течение веков вдоль русла реки образу­ется мощная залежь, состоя­щая из песка и глины, а сама река вынуждена прокладывать себе новое русло. На обнажившемся старом русле под влиянием биологических и физико-химических факторов образуется почва и развивается наземная расти­тельность.

Почвенный раствор также является сложной природной системой. Как извест­но, растения усваивают питательные вещества в виде солей из почвенного раство­ра. Эти соли поступают в почвенный раствор из минералов, разложившихся ос­татков растений и животных, а также микроорганизмов. На составе почвенного раствора заметно сказывается внесение в почву органических, минеральных, органо-минеральных и бактериальных удобрений. Иногда в почве содержится и избы­ток легкорастворимых солей — хлоридов и сульфатов натрия и др., которые уг­нетающе действуют на растения. Для повышения плодородия таких почв необ­ходимо удалить этот избыток путем промывания или другими мелиоративными приемами. Как правило, в почвенном растворе засоленных почв содержится много ионов Сl^-, SO₄^2-, Ca²⁺, Mg²⁺ и Na⁺.

В связи с интенсивным развитием орошения в нашей стране в ряде мест прес­ных вод уже не хватает, и для орошения используют минерализованные воды, т. е. содержащие легкорастворимые соли. Практика показала, что минерализованные воды оказывают на почву как прямое воздействие, выражающееся в накоплении солей в корнеобитаемом слое выше допустимых пределов, так и косвенное, кото­рое состоит в ухудшении физических свойств почвы в результате процессов осолонцевания при поглощении из поливной воды катионов натрия. Исходя из этого наиболее важными показателями качества оросительной воды являются: сумма растворенных солей и содержание ионов натрия (иногда и калия). Все воды по опасности осолонцевания почвы под­разделяются на четыре класса по опасно­сти засоления почвы. Поскольку опасность осолонцевания представляет собой большую угрозу при поливе минерализованными водами по сравнению с опасностью засоления почвы, то главным критерием в оценке каче­ства воды для орошения является именно класс воды по опасности осолонцевания почвы