6.2. Многокомпонентные системы

Из гл. 4 нам известно, что смеси подразделяются на гомогенные (в этом случае они существуют в виде одной фазы) и гетерогенные. Гетерогенная смесь состоит из двух или нескольких фаз. В данном разделе будут обсуждаться фазовые равновесия в некоторых гетерогенных смесях. Однако химиков интересуют главным образом фазовые равновесия с участием гомогенных смесей, а

именно растворов. Мы подробно обсудим растворы трех типов:

растворы газов в жидкостях,

растворы жидкостей в жидкостях,

растворы твердых веществ в жидкостях.

Всякий раствор состоит по крайней мере из двух компонентов. Тот компонент, который имеется в растворе в большем количестве, называется растворителем. Компонент раствора, содержащийся в нем в меньшем количестве, называется растворенным веществом. Раствор, в котором при заданной температуре не может раствориться большее количество растворяемого вещества, называется насыщенным.

Насыщенный раствор находится в динамическом равновесии с нерастворившейся частью растворяемого вещества. Например, если поместить в воду избыточное количество хлорида натрия, образуется насыщенный раствор, в котором твердый хлорид натрия находится в динамическом равновесии с растворенным хлоридом натрия:

Для выражения состава раствора могут использоваться различные способы, в частности его можно выразить с указанием моляльности или мольной доли. Эти способы обсуждались в разд. 4.2.

РАСТВОРЫ ГАЗОВ В ЖИДКОСТЯХ

Для определения растворимости газа в жидкости можно воспользоваться коэффициентом абсорбции. Коэффициент абсорбции - это объем газа, приведенный к стандартным условиям (см. разд. 3.1), который растворим в единице объема жидкости при указанных температуре и давлении.

Коэффициент абсорбции зависит от следующих четырех факторов: 1) выбора растворяемого газа, 2) выбора жидкого растворителя, 3) температуры, 4) давления. В табл. 6.1 приведены значения коэффициентов абсорбции некоторых газов в воде при стандартных условиях. Они изменяются в широких пределах - от очень низких для практически нерастворимого гелия до очень высоких для сильнорастворимого аммиака.

Таблица 6.1. Коэффициент абсорбции некоторых газов в воде при стандартных условиях

Таблица 6.2, Коэффициенты абсорбции кислорода в различных растворителях при 293 К

Таблица 6.3. Растворимость аммиака в воде при разных температурах

Представление о влиянии выбора конкретной жидкости (растворителя) на растворимость какого-либо конкретного газа можно получить с помощью табл. 6.2, в которой указаны значения коэффициента абсорбции кислорода в разных жидкостях.

Влияние температуры

Как правило, растворимость газов в жидкостях уменьшается при повышении температуры. В качестве примера в табл. 6.3 приведены значения коэффициента абсорбции аммиака в воде при разных температурах. Рассмотрим подробнее следующее равновесие:

При 273 К коэффициент абсорбции кислорода в воде равен 0,05, а при 293 К он равен 0,03. Это объясняется тем, что обратная реакция в рассматриваемом равновесии эндотермична. Следовательно, по мере повышения температуры происходит поглощение тепловой энергии раствором, в результате чего равновесие смещается влево. И наоборот, процесс растворения газа в жидкости с образованием насыщенного раствора, как правило, является экзотермическим. Эта общая закономерность для растворов газов в жидкостях имеет, однако, некоторые исключения. Так, растворимость благородных газов в жидких углеводородах возрастает при повышении температуры. Процесс образования насыщенного раствора в данном случае является эндотермическим.

Влияние давления

Зависимость между растворимостью газа в жидкости и давлением определяется законом Генри. Согласно закону Генри, масса газа, растворенного в заданном объеме жидкости, с которой газ находится в равновесии при определенной температуре, пропорциональна давлению газа. Таким образом,

где К - коэффициент пропорциональности. Этот коэффициент представляет собой константу равновесия для растворения газа в жидкости,

Таким образом, растворимость газа в жидкости повышается при возрастании давления. Именно по этой причине водолазы вынуждены избегать быстрого подъема с глубины на поверхность (см. ниже). Закон Генри играет также важную роль в промышленности. При промышленном получении водорода с помощью процесса Боша (см. разд. 12.1) для удаления диоксида углерода из водорода газообразную смесь этих газов пропускают под высоким давлением через воду. При давлении порядка 50 атм диоксид углерода хорошо растворяется в воде и почти полностью удаляется из водорода.

Кессонная болезнь. Это болезненное состояние возникает у водолазов, когда они слишком быстро поднимаются с глубины, где находились под повышенным давлением, на поверхность, где нормальное атмосферное давление. При подъеме и уменьшении давления происходит одновременное уменьшение растворимости азота в крови. Это приводит к выделению пузырьков азота в кровеносной системе, что

вызывает сильные болевые ощущения. Кроме того, пузырьки азота препятствуют кровообращению в мелких кровеносных сосудах мозга и других частей тела.

Во избежание кессонной болезни водолазам приходится медленно возвращаться с глубины на поверхность или пользоваться при погружении вместо обычного воздуха смесью, содержащей 80% гелия и 20% кислорода. Гелий не вызывает кессонной болезни, поскольку его растворимость в крови (т. е. воде) гораздо меньше, чем у азота (см. табл. 6.1).