§ 6. Растворимость газов

Взаимная растворимость газов неограниченна. Это означает, что при смешивании нескольких газов они образуют однородный газообразный раствор, независимо от количественного соотношения. Такого рода процессы очень часто наблюдаются в повседневной жизни (например, запах быстро распространяется в помещении, куда внесли открытый флакон духов).

Растворимость газа в жидкости зависит от природы газа, растворителя, температуры и при постоянной температуре прямо пропорциональна парциальному давлению p‾_B газа B над раствором (закон Генри). Этот закон верен только для небольших давлений (не более 0,1 МПа).

Для газов, химически взаимодействующих с растворителем, например, для систем HCl − H₂O и NO₂ − H₂O закон Генри не выполняется, так как эти газы практически необратимо взаимодействуют с водой, вступая в реакции:

HCl(г) + H₂O = Cl⁻ + H₃O⁺ ,
2NO₂(г) + 2H₂O = HNO₂ + H₃O⁺ + NO₃⁻

Для систем NH₃ − H₂O и CO₂ − H₂O, в водной фазе которых происходят процессы обратимого протолиза (см. ниже):

NH₃(г) + H₂O NH₃ · H₂O NH₄⁺ + OH⁻
CO₂(г) + 2H₂O CO₂ · H₂O + H₂O HCO₃⁻ + H₃O⁺

закон Генри приближенно выполняется лишь в той области концентраций, в которой степень протолиза невелика. Для абсолютного большинства газов изменение энтальпии при растворении в воде имеет отрицательное значение (ΔH° < 0, процесс экзотермический). Другими словами, тепловой эффект растворения газов в воде положителен:

B(г) + H₂O = B(р) + Q

Например, для O₂, H₂ и N₂ значения ΔH°(298 К) при растворении в воде равны соответственно −12,1, −3,8 и −10,5 кДж/моль. В этом случае Q_{растворения} составляет соответственно 12,1, 3,8 и 10,5 кДж/моль.

В соответствии с принципом Ле Шателье увеличение температуры вызывает уменьшение растворимости газов в жидкости (рис. 2), поскольку их растворение − процесс экзотермический.

Рис. 2. Зависимость растворимости некоторых газов в воде от температуры

Газы растворяются в органических растворителях лучше, чем в воде. Растворимость газов в воде уменьшается при добавлении к раствору солей, ионы которых более прочно связываются с молекулами воды, чем молекулы газа, понижая тем самым его растворимость.