Воздух несколько растворим в воде; при комнатной температуре (20°С) и давлении 1 атм в 1 л воды растворяется 19,0 мл воздуха. (Количество растворенного в воде воздуха уменьшается с повышением температуры.) При увеличении давления вдвое растворимость воздуха также увеличивается вдвое. Такую пропорциональность между растворимостью воздуха и его давлением отражает закон Генри*, который можно сформулировать следующим образом: при постоянной температуре парциальное давление одного из компонентов раствора в газовой фазе, находящейся в равновесии с раствором, пропорционально концентрации данного компонента в растворе (в области низкой концентрации).
Это соответствует утверждению, что растворимость газа в жидкости пропорциональна парциальному давлению данного газа.
Пример 9.5.
Растворимость атмосферного азота** в воде при 0°С и 1 атм равна 23,54 мл·л-1, а растворимость кислорода при тех же условиях равна 48,89 мл·л-1. В воздухе содержится 79% N2 и 21% О2 по объему. Какой состав имеет растворенный воздух?
Решение. Растворимости азота и кислорода при (Парциальных давлениях 0,79 и 0,21 атм соответственно равны 0,79×23,54=18,60 мл·л-1 и 0,21×48,89 =40,27 мл·л-1. Отсюда можно определить состав растворенного воздуха:
$\frac{18,60}{18,60 + 10,27}=64,4$ % азота и $\frac{10,27}{18,60 + 10,27}=35,6$ % = кислорода.
Растворимость большинства газов в воде по порядку величины не отличается от растворимости воздуха. Исключения составляют газы, которые химически соединяются с водой или сильно диссоциируют на ионы; к их числу относятся СО2 (растворимость 1713 мл·л-1 при 0°С), Н2S (4670 мл·л-1 при 0°С), а также SO2 и NH3, обладающие исключительно высокой растворимостью.
Распределение растворенного вещества между двумя растворителями
Если водный раствор иода взболтать с хлороформом, то большая часть иода перейдет в хлороформ. Отношение концентрации иода в этих двух фазах, называемое коэффициентом распределения, остается постоянным в области малых концентраций растворенного вещества в каждой фазе. Для иода в хлороформе и в воде при комнатной температуре этот коэффициент равен 250; отсюда следует, что при взбалтывании раствора иода в хлороформе с водой или раствора иода в воде с хлороформом при достижении равновесия концентрация иода в фазе хлороформа будет в 250 раз превышать концентрацию иода в водной фазе.
Из рассмотрения различных равновесий следует, что коэффициент распределения растворенного вещества между двумя растворителями равен отношению растворимостей данного вещества (в виде кристаллической, жидкой или газообразной фазы) в двух растворителях, если растворимости невелики.
Метод взбалтывания раствора с неемешивающимся растворителем широко применяется в органической химии и особенно в химии природных соединений в тех случаях, когда необходимо выделить одно или несколько растворенных веществ из раствора. В неорганической химии этот метод находит иное применение — для определения концентрации того или иного вещества. Так, иод соединяется с иодид-ионом и образует трииодид-ион: I2 + I- → I3- Концентрацию молекулярного иода I2 в растворе, содержащем I2 и I3-, можно определить взбалтыванием с хлороформом, последующим анализом раствора иода в хлороформе и делением установленной таким образом концентрации на коэффициент распределения. (Трииодид-ион в хлороформе не растворяется.)
* Закон открыт английским химиком Уильямом Генри (1775—1836).
** Атмосферный азот содержит 98,8% N2 и 1,2% Аr.