Растворение газов и закон Генри
Закон Генри
Откройте бутылку газировки — и растворённый углекислый газ начнёт выходить пузырьками. В закрытой бутылке над напитком было давление \(\ce{CO2}\) около 4 бар; открыв её, мы снизили его до 0,0004 бар (столько \(\ce{CO2}\) в воздухе).
functionЗакон Генри
При постоянной температуре концентрация физически растворённого газа пропорциональна его парциальному давлению над раствором: \(c = k_Hp\).
Для кислорода в воде при 25 °C \(k_H = 1{,}3\cdot10^{-3}\) моль/(л·бар), для азота \(6{,}4\cdot10^{-4}\), для углекислого газа \(3{,}3\cdot10^{-2}\). Над водоёмом кислород находится под парциальным давлением 0,21 бар, отсюда \(c = 2{,}7\cdot10^{-4}\) моль/л, около 8,7 мг/л, — этим дышат рыбы.
infoИз истории и медицины
Закон открыл английский химик Уильям Генри в 1803 году. Он объясняет кессонную болезнь: на глубине водолаз дышит воздухом под большим давлением, и в крови растворяется много азота. При быстром подъёме давление падает, и азот выделяется пузырьками, как в открытой газировке. Поэтому водолазы поднимаются медленно, с остановками, а для больших глубин азот в дыхательной смеси заменяют гелием — он растворяется в крови хуже.
Разные записи одной константы
Закон Генри записывают минимум тремя способами: \(c = k_Hp\) (константа растворимости, моль/(л·бар)), \(p = K_Hx\) (константа летучести, бар), \(p = K^{\prime}_Hc\) (л·бар/моль). Это одна физика, но численные значения разные — и даже обратные величины. Перед расчётом обязательно проверьте, какая запись и какие единицы в условии.
Связь, например, для разбавленного водного раствора: \(c \approx 55{,}5x\) моль/л (в литре воды 55,5 моль), поэтому \(K_H = 55{,}5/k_H\). Для кислорода \(K_H = 55{,}5/1{,}3\cdot10^{-3} = 4{,}3\cdot10^{4}\) бар.
Реакции, температура и соль
Закон Генри относится только к физически растворённому газу. Если газ реагирует с водой, общая растворимость больше:
В щелочном растворе вторая реакция идёт почти нацело, и щёлочь поглощает \(\ce{CO2}\) «без остатка»; аммиак растворяется в воде в сотни раз лучше азота именно из-за реакции.
Растворение газов обычно экзотермично: при нагревании растворимость падает. Поэтому в тёплой воде рыбам не хватает кислорода, а нагретая вода «шипит» ещё до кипения. Соли уменьшают растворимость газов — «высаливание»: ионы связывают молекулы воды.
push_pinГлавное
Закон Генри: концентрация физически растворённого газа пропорциональна его парциальному давлению, \(c = k_Hp\). Константу записывают по-разному (\(c = k_Hp\) или \(p = K_Hx\)), и её численное значение зависит от выбранной записи и единиц. Реагирующий с водой газ (\(\ce{CO2}\), \(\ce{NH3}\)) растворяется сильнее: закон Генри относится только к физически растворённой форме. При нагревании и в солёной воде газы растворяются хуже.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.