§ 6. Растворимость в воде неполярных газов

Если частицы растворенного вещества размещаются в пустотах структуры растворителя (атомы инертных газов, неполярные молекулы небольшого размера), то объем системы практически не увеличивается. Взаимодействие молекул растворителя с такими частицами происходит по типу межмолекулярной дисперсионной связи. Это взаимодействие, как правило, стабилизирует (усиливает) взаимодействие между частицами растворителя. При растворении веществ с образованием ионов различных солей или полярных молекул взаимодействие растворенных частиц с молекулами растворителя может как упорядочивать, так и разупорядочивать структуру растворителя.

Механизм растворения солей и атмосферных газов в воде различен: при растворении солей в воде происходит локальное разрушение структуры воды (если концентрация соли невелика), а при растворении неполярных веществ, молекулы которых могут свободно входить в пустоты «структуры» растворителя – усиление ее кристалличности. Это объясняется тем, что энергия связи неполярная молекула газа – молекула воды намного меньше, чем энергия связи Н₂О…Н₂О. Энергия связи ион – молекула воды, наоборот, намного больше энергии связи Н₂О…Н₂О. В работе [10] с помощью метода молекулярной динамики показано, что катион лития (Li⁺) жестко связан с четырьмя молекулами воды, образуя первичную гидратную оболочку (комплекс Li⁺(Н₂О)₄). Ион лития и гидратная оболочка перемещаются в пространстве как единое целое. По данным [10] энергия связи Li – Н₂О равна 180 кДж/моль, а по данным [11] – 144 Дж/моль, в то время как энергия связи Н₂О…Н₂О в линейном димере воды  24 кДж/моль. Отсюда следует, что ионы солей разрушают структуру воды, окружая себя водными молекулами, а молекулы неполярного газа, будучи не в состоянии вытеснить молекулы воды из тетраэдрической неупорядоченной сетки, внедряются в ее пустоты.

Высаливание газов в такой интерпретации процесса растворения солей объясняется уменьшением числа и размера пустот в структуре растворителя.

Увеличение концентрации (перенасыщенность) неполярного газа под действием избыточного давления, может приводить к усилению тетраэдричности структуры воды и увеличению энергии связи, что осложняет процесс растворения солей и способствует вытеснению их из объема воды. Именно так происходит вытеснение солей в опреснительных установках, работающих по газогидратному методу.

Экспериментальная часть

В данной работе для определения теплоты растворения используется простейшая калориметрическая установка, изображенная на рис. 4.

Рис. 4. Схема калориметра с магнитной мешалкой: 1 – сосуд Дьюара; 2 – пенопластовый корпус; 3 – термометр; 4 – воронка; 5 – магнитная мешалка; 6 – цилиндрический металлический стержень; 7 – ручка регулятора скорости; 8 – тумблер

Установка состоит из изолирующей системы и калориметрического сосуда, представляющий собой стеклянный сосуд Дьюара 1 с посеребренными изнутри двойными стенками, из пространства между которыми выкачан воздух, вследствие чего стенки сосуда почти не проводят теплоту. Изолирующей системой служит пенопластовый корпус 2, в верхней части которого имеются отверстия для термометра 3 и воронки 4, через которую в калориметр насыпают вещество. Калориметр устанавливают на магнитную мешалку 5, представляющую собой настольный лабораторный прибор, в корпус которого вмонтирован электродвигатель с подковообразным магнитом. При вращении этого магнита начинает вращаться цилиндрический металлический стержень 6, помещенный в сосуд Дьюара с водой. Вращением ручки регулятора скорости 7 по часовой стрелке увеличивают скорость оборотов и создают оптимальный режим перемешивания. Включение магнитной мешалки осуществляют при помощи тумблера 8.