8.12. Растворимость газов в жидкостях.

Не существует принципиальной разницы между растворами газов в жидкостях и растворами жидкостей в жидкостях. Обычно растворение газов в жидкостях сопровождается уменьшением объема системы и выделением теплоты, близкой по величине к теплоте конденсации газа в жидкость. Водные растворы газов (Н₂, СО, N₂, O₂, CH₄) ведут себя как бесконечно разбавленные растворы, поскольку даже при очень высоких давлениях их растворимость мала. Закон Генри был установлен опытным путем именно при изучении растворимости газов в жидкостях: растворимость газов в жидкости прямо пропорциональна их парциальным давлениям:

, . (8.65)

Константа Генри зависит от природы растворителя, растворенного газа и температуры. Согласно (8.65), чем больше константа Генри k, тем меньше растворимость данного газа при данном давлении. В таблице приведены значения константы Генри k при растворении в воде некоторых газов при Т = 298,15 К (парциальное давление газа выражено в атмосферах, концентрация газа – в мольных долях).

Таблица. Константы Генри для растворов газов

в воде (*бензоле) при 298.15 К.

Газ	k, бар	Газ	k, атм
H2	70658	CO2	1645
N2	85658	CH4	41316
O2	56579	СН4*	562
CO	57105

Отметим, что кислород примерно в 1,5 раза больше растворим в воде, чем азот (при одинаковых парциальных давлениях).

Сопоставление растворимости различных газов в одинаковых условиях с образованием реальных растворов не обнаруживает простых закономерностей. Однако можно отметить, что:

– полярные газы легче растворяются в полярных растворителях, чем в неполярных, и наоборот («подобное растворяется в подобном»);

– чем выше критическая температура неполярных газов, тем больше их растворимость в неполярных жидкостях;

–газы с большей температурой кипения обладают и большей растворимостью (при одинаковых давлениях); газы с низкими температурами кипения (He, H₂, N₂, Ne) мало растворимы в жидкостях;

– растворимость газа, химически взаимодействующего с растворителем (например, в водных растворах H₂S, CO₂, HCl, NH₃), больше растворимости невзаимодействующих с растворителем газов (О₂, N₂);

– если в одном растворителе одновременно растворяются два газа, невзаимодействующие химически друг с другом и с растворителем, то они не оказывают влияние на растворимость друг друга.

При небольших давлениях растворимость газов в жидкостях обычно уменьшается с повышением температуры (константа Генри увеличивается с ростом температуры). При высоких давлениях растворимость газов в жидкости может и увеличиваться с ростом температуры (например, при растворении H₂, He, Ne в органических растворителях или H₂ в жидком аммиаке). В ряде случаев зависимость растворимости газа в жидкости от температуры проходит через минимум.

Количественно зависимость растворимости газа в жидкости от температуры можно описать уравнением:

, (8.66)

где H_S – изменение энтальпии при переходе 1 моль газа из газообразного состояния в состояние насыщенного жидкого раствора (последняя теплота растворения газа).

При низких температурах обычно H_S < 0 и растворимость газа x₂ уменьшается с ростом температуры:

.

При высоких температурах H_S > 0 и растворимость газа x₂ увеличивается с ростом температуры. Для температуры, при которой H_S = 0, растворимость данного газа в жидкости будет минимальной.

Растворимость газов в воде обычно уменьшается при добавлении других растворимых веществ, в частности, электролитов (так называемое «высаливание»). Влияние концентрации электролита в растворе на растворимость газов выражается следующим соотношением, предложенным Сеченовым:

, (8.67)

где С₀ – растворимость данного газа в чистой воде при заданной температуре; С – растворимость газа при той же температуре в растворе электролита; C' – концентрация раствора электролита; b – эмпирическая постоянная, зависящая от природы газа и электролита и температуры.