Растворимость газов в жидкостях

Законы Генри, Дальтона и Сеченова.

Растворимость газов в жидкостях с повышением температуры согласно принципу Ле Шателье понижается. Эту закономерность часто используют для удаления растворенных газов из воды, например СО₂, кипячением.

Газ не растворяется в жидкости беспредельно. При некоторой концентрации газа устанавливается равновесие.

При растворении газа в жидкости происходит значительное уменьшение объема системы. Поэтому повышение давления, согласно принципу Ле Шателье, должно приводить к увеличению растворимости газа.

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:

С_м = k·p

где С_м — концентрация газа в насыщенном растворе, моль/л; p — давление газа над раствором, Па; k — постоянная Генри для газа, моль·л^-1·Па^-1.

Константа Генри зависит от природы газа, растворителя и температуры.

Закон Генри справедлив лишь для сравнительно разбавленных растворов, при невысоких давлениях и отсутствии химического взаимодействия между молекулами растворяемого газа и растворителем. Например, СО₂ и NН₃ вступают в химическое взаимодействие с водой, а НСl диссоциирует в воде, что резко повышает растворимость этих газов.

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 индивидуальности других компонентов.

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.

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 его растворяющая способность.

Биологическое значение законов Генри — Дальтона и Сеченова.

Законы Генри — Дальтона и Сеченова имеют большое практическое значение как в химии, так и в медицине. Изменение растворимости газов в крови при изменении давления могут вызывать тяжелые заболевания.

Кессонная болезнь, от которой обычно страдают водолазы, — проявление закона Генри. Если поднимать водолаза слишком быстро на поверхность, то давление в легких резко понижается и, следовательно, значительно понижается растворимость газов в плазме крови. Вследствие этого часть газов выделяется из крови в виде пузырьков. Эти пузырьки газов закупоривают мелкие сосуды в различных органах и тканях (эмболия), что может привести к тяжелому поражению тканей и даже гибели человека. Аналогичная картина может возникнуть и в результате резкого уменьшения давления при разгерметизации скафандров летчиков-высотников, кабин самолетов и спускаемых аппаратов.

В последнее время при лечении газовой гангрены и ряда других заболеваний, при которых накапливаются микробы в омертвевших тканях, применяют гипербарическую оксигенацию, т. е. помещают больных в барокамеры с повышенным давлением кислорода в воздухе. При этом улучшается снабжение тканей кислородом, и во многих случаях такой способ лечения дает хорошие результаты.

Проявлением закона Генри — Дальтона и моделью эмболии является образование обильной пены при откупоривании бутылки шампанского или газированной воды. Здесь имеет место понижение растворимости и выделение углерода диоксида СО₂ при понижении его парциального давления.

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 углерода диоксида в крови.

 

Коллигативные свойства разбавленных растворов.

Свойства растворов в сравнении со свойствами растворителя: понижение давления пара, повышение температуры кипения, понижение температуры замерзания, осмотическое давление, - называют коллигативными (коллективными), т.е. связанными друг с другом, поскольку они обусловлены общими причинами и зависят главным образом от числа растворенных частиц.

При внесении в растворитель некоторого вещества меняются свойства не только растворяемого вещества, но и свойства растворителя. Для свойств растворителя удобно использовать понятие идеального раствора.

Идеальным называют раствор, образование которого не сопровождается химическим взаимодействием, изменением объема и тепловым эффектом.

В идеальном растворе энергии взаимодействия между частицами растворителя; между частицами растворенного вещества, между частицами растворителя и частицами растворенного вещества одинаковы.

Законы Рауля.

Французский физико-химик Ф. М. Рауль (1830—1901) первым провел измерения, которые позволили сформулировать законы, описывающие влияние растворенного вещества на физические свойства растворителя.

1-ый закон Рауля. Если в замкнутый сосуд поместить чистый растворитель, то через некоторое время в системе установится динамическое равновесие, когда число частиц, испаряющихся с поверхности жидкости за единицу времени, равно числу частиц, переходящих в жидкость из газовой среды.

Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называют насыщенным.

При определенной температуре давление насыщенного пара чистого растворителя — величина постоянная.

Если в летучий растворитель (спирт, вода и т. д.) внести нелетучее растворяемое вещество, например сахарозу, концентрация растворителя в образовавшемся растворе уменьшится, следовательно, уменьшится число частиц растворителя, переходящих в газовую фазу. Это означает, что давление насыщенного пара над раствором нелетучего вещества должно стать меньше, чем над чистым растворителем: чем концентрированнее раствор, тем ниже давление пара растворителя над раствором.

В 1886 г. Рауль сформулировал закон: