9.12. Розчинність газів у рідинах

Повітря трохи розчинне у воді; за кімнатної температури (20°C) і тиску 1 атм в 1 л води розчиняється 19,0 мл повітря. (Кількість повітря, розчиненого у воді, зменшується з підвищенням температури.) Коли тиск збільшують удвічі, розчинність повітря також збільшується вдвічі. Таку пропорційність між розчинністю повітря та його тиском відображає закон Генрі*, який можна сформулювати так: за сталої температури парціальний тиск одного з компонентів розчину в газовій фазі, що перебуває в рівновазі з розчином, пропорційний концентрації цього компонента в розчині (в області низької концентрації).

Це відповідає твердженню, що розчинність газу в рідині пропорційна парціальному тиску цього газу.

Розчинність атмосферного азоту** у воді за 0°C і 1 атм дорівнює 23,54 мл·л^-1, а розчинність кисню за тих самих умов дорівнює 48,89 мл·л^-1. У повітрі міститься 79% N₂ і 21% O₂ за об'ємом. Який склад має розчинене повітря?

Розв'язання. Розчинності азоту та кисню за (парціальних тисків 0,79 і 0,21 атм дорівнюють відповідно 0,79×23,54=18,60 мл·л^-1 і 0,21×48,89 =40,27 або 10,27 (на думку редакції сайту) мл·л^-1. Звідси можна визначити склад розчиненого повітря:

$\frac{18,60}{18,60 + 10,27}=64,4$ % азоту і $\frac{10,27}{18,60 + 10,27}=35,6$ % = кисню.

Розчинність більшості газів у воді за порядком величини не відрізняється від розчинності повітря. Винятком є гази, які хімічно сполучаються з водою або сильно дисоціюють на іони; до них належать CO₂ (розчинність 1713 мл·л^-1 за 0°C), H₂S (4670 мл·л^-1 за 0°C), а також SO₂ і NH₃, які мають виняткову високу розчинність.

Якщо водний розчин йоду збовтати з хлороформом, то більша частина йоду перейде в хлороформ. Відношення концентрації йоду в цих двох фазах, яке називають коефіцієнтом розподілу, залишається сталим в області малих концентрацій розчиненої речовини в кожній фазі. Для йоду в хлороформі та у воді за кімнатної температури цей коефіцієнт дорівнює 250; звідси випливає, що під час збовтування розчину йоду в хлороформі з водою або розчину йоду у воді з хлороформом, коли досягнуто рівноваги, концентрація йоду у фазі хлороформу буде в 250 разів перевищувати концентрацію йоду у водній фазі.

З розгляду різних рівноваг випливає, що коефіцієнт розподілу розчиненої речовини між двома розчинниками дорівнює відношенню розчинностей цієї речовини (у вигляді кристалічної, рідкої або газоподібної фази) у двох розчинниках, якщо розчинності невеликі.

Метод збовтування розчину з розчинником, що не змішується з ним, широко застосовують в органічній хімії, а особливо в хімії природних сполук, у тих випадках, коли потрібно виділити з розчину одну або кілька розчинених речовин. У неорганічній хімії цей метод знаходить інше застосування — для визначення концентрації тієї чи іншої речовини. Так, йод сполучається з йодид-іоном і утворює трийодид-іон:  I₂ + I^- → I₃^- Концентрацію молекулярного йоду I₂ у розчині, що містить I₂ і I₃^-, можна визначити збовтуванням із хлороформом, подальшим аналізом розчину йоду в хлороформі та діленням установленої таким чином концентрації на коефіцієнт розподілу. (Трийодид-іон у хлороформі не розчиняється.)

* Закон відкрив англійський хімік Вільям Генрі (1775—1836).

** Атмосферний азот містить 98,8% N₂ і 1,2% Ar.