Растворимость аммиака в различных растворителях

(при 0°С и р=>1 атм, или 101,325 кПа)

Растворитель	Вода	Метиловый спирт	Этиловый спирт	Диэтиловый спирт	Толуол
Растворимость в 100 г растворителя	87,5	42,0	25,0	2,0	0,048

 

Растворимость газов в значительной мере зависит oт температуры. При повышении   температуры   растворимость их уменьшается, а при понижении увеличивается. Так, при 0°С в 100 мл воды растворяется 180 мл диоксида углерода, а при 20°С — только 89 мл. Растворение газов почти всегда сопровождается выделением теплоты, поэтому, согласно принципу Ле Шателье, повышение температуры понижает  их  растворимость. Повышение  температуры способствует и увеличению энтропии; в этом случае будет растворяться меньшее количество газа, ибо энтропия вещества в газообразном состоянии выше, чем в жидкости.

Зависимость растворимости газов от давления определяется законом Генри (1803), согласно которому растворимость данного газа в жидкости при постоянной температуре прямо пропорциональна его давлению над жидкостью:         

 

С_ж = kp,                       (V. 4)

 

где С_ж — концентрация газа в жидкости; р — давление     газа над раствором; k — коэффициент пропорциональности.

Коэффициент k зависит от природы газа и растворите­ля, но не зависит от давления. Например, в 100 г воды при 20° С и давлении 1 атм (101,325 кПа) растворяются 0,169 г диоксида углерода. При увеличении давления вдвое количество растворяющегося газа тоже удваива­ется и становится равным 0,338 г.

При увеличении давления вдвое плотность газа также вырастает вдвое и 0,338 г этого газа занимают тот же объем, что и 0,169 г его при 1 атм (101,325 кПа). Следо­вательно, объем газа, растворяющегося в данном объеме жидкости, не зависит от давления. Отношение концентра­ции растворенного в жидкости газа С_ж к концентрации его над раствором С_г при постоянной температуре есть величина постоянная:

 

                              (V.5)

 

На зависимости растворимости газов от температуры и давления основано приготовление и хранение шипучих напитков.

Растворимость жидкостей. При растворении жидко­сти в жидкости возможны три случая: а) неограниченная растворимость; б) ограниченная растворимость; в) прак­тическая нерастворимость.

Взаимная растворимость жидкостей зависит прежде всего от их химического строения. Чаще всего она тем выше, чем ближе химическая природа смешиваемых веществ, согласно правилу: «подобное растворяется в по­добном». Это означает, что полярные вещества обычно растворимы в полярных, а неполярные — в неполярных. По этой причине вода (полярная жидкость) —хороший растворитель для полярных жидкостей (этиловый спирт, укcусная кислота), а бензол (неполярная жидкость) — хороший растворитель для жиров (неполярных).

Ограниченная растворимость наблюдается при смешивании жидкостей с различной полярностью, например анилин — вода, диэтиловый эфир — вода, фенол — вода. При ограниченной растворимости каждая из жидкостей растворяется в другой до какого-то предела, в результа­те образуется двухслойная гетерогенная система. Так, при смешении анилина с водой образуется два слоя: верхний — насыщенный раствор анилина в воде и нижний — насыщенный раствор воды в анилине. В смеси анилина и воды при 20°С содержится анилина в водном слое 3,3%, а воды в анилиновом слое 5%. С повышением температуры их взаимная растворимость увеличивается и при 168°C (и выше) обе жидкости смешиваются в лю­бых соотношениях, а граница между слоями исчезает. Такая температура называется критической температу­рой растворения. При этой температуре состав обоих сло­ев становится одинаковым: 48,6% анилина и 51,4% во­ды.

Критическую температуру растворения иногда исполь­зуют для проведения аналитических определений. Напри­мер, чтобы отличить маргарин от коровьего масла, по­скольку критические температуры растворения их сильно отличаются друг от друга.

Примером практически нерастворимых жидкостей мо­жет служить смесь масла с водой или ртути с водой как жидкостей с резко различной природой (полярная во­да — неполярное масло).

Особый интерес представляет растворимость различ­ных веществ в двухслойных системах, состоящих из двух практически нерастворимых жидкостей. Если, например, к системе, состоящей из воды и чётыреххлористого угле­рода, прибавить небольшое количество иода, который хорошо растворяете в ССl₄ и плохо растворяется в воде, то после взбалтывания иод будет содержаться в обоих слоях жидкости. При этом содержание иода в воде C₁ в несколько раз меньше содержания иода в чётыреххлористом углероде С₂. При введении дополнительных коли­честв иода концентрация его в жидкостях увеличивается (в пределах, ограниченных его растворимостью в этих растворителях). Однако соотношение концентраций C₁/С₂ практически остается неизменным. Если изменять соот­ношение между взятыми растворителями прибавлением воды или ССl₄, то и в этом случае отношение концентра­ций остается прежним и постоянным, т. е.

 

                               (V.6)

 

где K — постоянная величина, называемая коэффициен­том распределения. Таким образом, отношение концент­раций вещества, распределяющегося между двумя несмешивающимися жидкостями, является для каждой тем­пературы величиной постоянной, не зависящей от абсолютных и относительных количеств каждого из раст­ворителей и распределяемого вещества. Эта зависимость называется законом распределения.

Закон распределения позволяет найти более выгод­ные условия процесса экстрагирования. Экстрагирование (экстракция) — это метод извлечения растворенного ве­щества взбалтыванием с другим несмешивающимся растворителем, в котором данное вещество растворяется го­раздо лучше. При экстрагировании никогда не удается извлечь вещество полностью. Как показывает опыт, пол­нота экстрагирования выше, если раствор обрабатывать многократно малыми порциями растворителя, отделяя каждый раз полученный экстракт от первоначального раствора, чем при однократной обработке раствора сразу большой порцией растворителя.

Экстракция применяется во многих областях промыш­ленности и лабораторных исследованиях. На экстракции основано извлечение сахара из свеклы, масел из семян, многих веществ при обработке пищевых продуктов (пас­серование овощей).

 Растворимость твердых веществ. Процесс растворения твердых веществ в жидкостях состоит в разрушении кристаллической решетки и диффузии вещества в объем. При этом под влиянием растворителя от поверхности твердого вещества постепенно отрываются отдельные мо­лекулы или ионы и равномерно распределяются по всему объему раствора.

На скорость растворения влияет площадь поверхности соприкосновения: чем она больше, тем быстрее идет растворение. Вторым фактором, влияющим на скорость растворения, является температура, повышение которой (за редкими исключениями) увеличивает скорость растворения.         

Самопроизвольное растворение твердых веществ, как правило, идет медленно, поэтому скорость их растворе­ния увеличивают измельчением растворяемого вещества, перемешиванием и повышением температуры раствора.

Растворимость твердых тел зависит от природы растворителя и растворяемого вещества. Так, ионные и по­лярные вещества, как правило, хорошо растворяются в полярных растворителях (соли в воде). А неполярные вещества лучше растворяются в неполярных растворите­лях (каучук в бензоле), и наоборот, полярные вещества плохо растворяются в неполярных растворителях.

Растворимость твердых веществ всегда ограничена, Это значит, что в данном объеме жидкости может раствориться строго определенное количество твердого вещества. По растворимости в воде твердые вещества под­разделяются на растворимые: сахароза, фруктоза, хло­рид натрия и др.; малорастворимые: гидроксид кальция, хлорид свинца и др.; практически нерастворимые: суль­фат бария» карбонат кальция и т. п. Абсолютно нераст­воримых веществ в природе не существует.

По мере увеличения концентрации раствора скорость растворения уменьшается, так как начинает протекать обратный процесс — кристаллизация. Если растворитель соприкасается с большим количеством растворяемого ве­щества, то через некоторое время раствор становится насыщенным.

В насыщенном растворе протекает одновременно два противоположных процесса: растворение и кристаллиза­ция. При постоянной температуре скорость растворения и скорость кристаллизации равны.

Концентрация насыщенного раствора при постоянной температуре есть величина постоянная. Эта концент­рация и характеризует растворимость данного ве­щества.

Можно получить и пересыщенные растворы, т. е. та­кие, концентрация которых больше концентрации насы­щенного при данных условиях раствора. Такие растворы получают осторожным и медленным охлаждением нена­сыщенных растворов, концентрация которых близка к насыщению. При этом растворимость вещества понижа­ется и концентрация его окажется большей, чем в его на­сыщенном растворе при такой же температуре. Эти раст­воры представляют собой системы, находящиеся в. кажущемся равновесии (ΔG>0), поэтому они очень не­устойчивы. Достаточно встряхивания, попадания пыли или кристаллов этого же вещества, как в растворе происходит мгновенная кристаллизация: избыток растворен­ного вещества выпадает в осадок и раствор становится насыщенным.