2. Розчинність газів та твердих речовин
Процес розчинення твердих речовин у рідинах можна пояснити таким чином: під впливом розчинника від поверхні твердої речовини відри-ваються окремі іони чи молекули і рівномірно розподіляються по усьому об’єму. Цьому процесу сприяють високі температури, оскільки при низь-ких температурах величина ентропійного фактора ТS не досягає значення ентальпійного фактора H і G 0. Розчин, що знаходиться у рівновазі з розчиненою речовиною і містить максимально можливу за даних умов кількість цієї речовини, називається насиченим (G = 0). Кількісно роз-чинність речовин виражають концентрацією насиченого розчину. Най-частіше її виражають коефіцієнтом розчинності – максимальною кількістю грамів речовини, яку можна розчинити у 100 г розчинника при даній температурі.
Розчинність твердих та газоподібних речовин у рідинах залежить від того, чи є розчинена речовина і розчинник полярними чи неполярними речовинами (взаємна розчинність відносно велика), або ж одна із них є полярною, а інша – неполярною (взаємна розчинність незначна). Мірою полярності молекули є дипольний момент , який дорівнює добутку абсолютної величини ефективного заряду диполя на його довжину l (від-стань між центрами тяжіння позитивних і негативних зарядів):
= l . (105)
Якщо речовина має дипольний момент менший за 5 10-30 Кл м, вона вважається малополярною. В табл. 16 наведені значення дипольних мо-ментів молекул речовин, які дуже часто застосовуються в практиці хіміч-них і медико-біологічних досліджень розчинників.
Таблиця 16. Значення дипольних моментів молекул для деяких
розчинників при температурі 298 К
Речовина |
10-30 Кл м |
Ацетон СН3СОСН3 |
9,8 |
Вода Н2О |
6,1 |
Етиловий спирт С2Н5ОН |
5,6 |
Диетиловий ефір (C2H5)2O |
3,9 |
Гліцерин CН2ОНСНОНСН2ОН |
0,9 |
Хлороформ СНCl3 |
3,8 |
Толуол С6Н5СН3 |
1,3 |
Полярні розчинники добре розчиняють тверді і газоподібні речовини, неполярні – можуть слугувати гарними розчинниками для більшості речо-вин неполярного та мало полярного характеру.
Білки, які є найважливішими складовими частинами живих організмів, належать до високомолекулярних сполук. Багатоатомні молекули білків, що знаходяться у рідких середовищах живих організмів, мають дипольний момент, що складає 10-27-10-28 Кл м. Гідратація білків і перехід їх у стан колоїдного чи істинного розчину обумовлені наявністю в їхній структурі великої кількості полярних груп.
Розчинність різноманітних речовин в одному і тому ж розчиннику мо-же змінюватись у широких межах. Якщо розчинність речовини при кім-натній температурі (298 К) перевищує 10 г на 100 г розчинника, її вважа-ють добре розчинною; якщо розчинність знаходиться в межах 0,01-1 г на 100 г розчинника, тоді речовина важкорозчинна; при розчинності менше 0,01 г на 100 г розчинника речовину вважають практично нерозчинною.
Якщо тверда речовина при розчиненні у будь-якому рідкому розчин-нику не утворює міцних хімічних сполук, процес розчинення буде супро-воджуватись поглинанням тепла і, у відповідності з принципом Ле-Шательє, розчинність цієї речовини з підвищенням температури буде зростати (рис. 36).
Розчинність у рідинах газів майже завжди пов’язана з виділенням теп-лоти (H 0). У цьому випадку, у відповідності з принципом Ле-Шательє, відбувається зниження розчинності газу з підвищенням температури (рис. 37). Якщо розчинена речовина – газ, а розчинник – рідина, тоді
|
|
Рис. 36. Криві розчинності твердих речовин |
Рис. 37. Залежність розчинності газів від температури при 101,3 кПа |
утворення розчину супроводжується значним зменшенням об’єму системи. У відповідності з цим, розчинність газів у рідинах помітно зростає зі збіль-шенням тиску. Ця залежність визначається законом Генрі: при постійній температурі розчинність газу пропорційна його парціальному тиску, тобто:
с = k p, (106)
де с – концентрація газу у насиченому розчині; p – парціальний тиск; k – константа Генрі, що характеризує природу розчиненої речовини.
Розчинність газів у рідинах характеризують коефіцієнтом абсорбції – це об’єм газу в мл, приведений до нормальних фізичних умов (Т0 = 273 К; Р0 = 101 325 Па), розчинений в 1 мл даної рідини при відповідній темпе-ратурі і парціальному тиску цього газу.
Розчинність газів у розчинах електролітів та інших речовин, схильних до гідратації, завжди менша, ніж у чистому розчиннику. Зокрема, у плазмі крові загальний вміст електролітів у нормі знаходиться на рівні 154 мекв/л (табл. 17).
Таблиця 17. Розчинність кисню, азоту та карбон(IV) оксиду
у чистій воді і в плазмі крові при 311 К
Розчинений газ |
Розчинність, об’ємні частки |
|
у воді |
у плазмі крові |
|
Кисень |
0,0263 |
0,0255 |
Азот |
0,0137 |
0,0135 |
Карбон(IV) оксид |
0,387 |
0,381 |
Взаємозв’язок між розчинністю газу у воді S0 і розчинністю його у роз-чині електроліту S із концентрацією розчиненої речовини встановив ро-сійський фізіолог І.М. Сеченов (1859):
.
(107)
Із математичного вираження закону Сеченова випливає, що розчин-ність газів у водних розчинах тим менша у порівнянні з розчинністю у чистій воді, чим більша концентрація розчинених у ній речовин.
Закони Генрі і Сеченова складають основу процесів обміну газів між організмом людини і зовнішнім середовищем. Зокрема, закон Генрі дозво-ляє пояснити причини виникнення кесонної хвороби у водолазів та пілотів. Останнє пояснюється тим, що під час перебування людини у середовищі з підвищеним тиском кров і тканини насичуються азотом, а при переході в середовище з більш низьким тиском відбувається виділення надлишкової кількості розчинених газів, які не встигають здійснити дифузію із крові через легені назовні і утворюють газові пробки, що призводить до заку-порювання і розриву кровоносних капілярів, накопичення бульбашок газу у підшкірній жировій клітчатці, у кістках, суглобах, тканинах нервової сис-теми.