ТЕМА 3. РАСТВОРЫ ГАЗОВ В ЖИДКОСТЯХ

3.1. Способы выражения растворимости газов

Газ, находящийся в контакте с жидкостью, растворяется в ней. Этот процесс называется абсорбцией. Обратный процесс выделения газа из жидкости называется десорбцией.

Раствор становится насыщенным, когда скорость абсорбции будет равна скорости десорбции. Растворимость газов в жидкостях измеряется концентрацией насыщенного раствора, которая может быть выражена любым способом: массовой концентрацией, молярной концентрацией, молярной долей и т.д.

Например, растворимость газов в воде часто выражают массовым коэффициентом растворимости (q): в граммах на 100 грамм воды при общем давлении газа (Р_газ) и паров воды (Р_Н2О), равном 101325 Па:

Р_общ = Р_газ+ Р_Н2О = 101325 Па

Иногда растворимость газов характеризуют коэффициентом абсорбции (a). Он показывает, какой объем газа, приведенный к нормальным условиям, растворяется в одном объеме жидкости при данной температуре (Т) и давлении газа, равном 1атм.

Например, если в 1 литре жидкости растворяется m₀ грамм газа при давлении газа, равном Р_газ = 1атм, и температуре Т, то коэффициент абсорбции (a_Т) равен:

[ ] (4.1)

где 22,4 литра – объем 1 моля газа при нормальных условиях; n = – число молей газа, растворенных в 1 литре воды при температуре Т; М – молярная масса газа в г/моль.

Растворимость газов в жидкостях изменяется в широких пределах и зависит в первую очередь от природы газа и природы растворителя.

Например, растворимость природных газов в воде невелика. Растворимость их в нефти примерно в сотни раз больше, причем, увеличивается с возрастанием молярной массы и плотности газа и, наоборот, уменьшается с увеличением молярной массы и плотности нефти.

Растворимость газов зависит также от температуры, давления газа и концентрации растворенных в жидкости каких-либо веществ.

Зависимость растворимости газов от давления

При растворении газов в жидкостях их объем сокращается, поэтому в соответствии с принципом Ле-Шателье увеличение давления должно увеличивать и растворимость газов.

Количественно зависимость растворимости газов от давления выражается законом Генри: растворимость газа при постоянной температуре пропорциональна его давлению над жидкостью.

Уравнение закона Генри

с = kР (4.2)

где с – растворимость газа (концентрация насыщенного раствора); Р – давление газа над жидкостью; k – коэффициент пропорциональности (константа Генри), зависящий от природы газа и жидкости, от температуры, но не зависящий от давления.

Размерность константы Генри: k = с/Р [концентрация / давление]. Таким образом, численное значение константы зависит от способа выражения концентрации.

Закон Генри выполняется для идеальных растворов. В реальных растворах он соблюдается тем лучше, чем меньше растворимость газа и меньше его давление над жидкостью. Газы, взаимодействующие с жидкостью, закону Генри не подчиняются. Для смеси газов Дальтон установил, что растворимость отдельных компонентов газовой смеси прямо пропорциональна их парциальным давлениям и почти не зависит от присутствия других газов.

Закон Генри позволяет вычислять растворимость газов при различных давлениях. Например, если растворимость газа в воде при температуре Т и общем давлении газа и паров воды Р₀ = 101325 равна q_т(г / 100г Н₂О) Па, то закон Генри можно записать следующим образом:

q_т = k_т´Р_газ = k_Т´(Р₀ – Р_Н2О) (4.3)

где Р_Н2О– давление паров воды при температуре Т, а давление газа равно

Р_газ = Р₀ – Р_Н2О.

Откуда константа Генри будет равна:

(4.4)

При каком-то произвольном значении давления газа Р в 100г Н₂О при температуре Т растворится следующее количество (m_Т) грамм газа:

m_т = k_т´Р_газ = (4.5)

Если растворимость газа выразить через его объем V, приведенный к нормальным условиям, растворяющийся в единице объема жидкости при температуре Т и давлении газа Р_газ, то закон Генри можно записать следующим образом:

V = k_Т´Р_газ (4.6)

При давлении газа, равном Р_газ = Р₀ = 101325 Па, объем V растворенного газа равен коэффициенту абсорбции, то есть V = a_Т = k_Т´Р₀. Откуда

k_Т = (4.7)

Тогда уравнение (4.6) запишется следующим образом:

V = a_Т (4.8)

В этом случае константу Генри называют объемным коэффициентом растворимости. Он показывает, какой объем газа (приведенный к нормальным условиям) растворяется в единице объема жидкости при увеличении давления на единицу.

3.3. Зависимость растворимости газов от температуры

При увеличении температуры растворимость газов в соответствии с принципом Ле-Шателье уменьшается, так как все газы растворяются с выделением тепла (DН_рас< 0).

Зависимость константы Генри от температуры выражается следующим уравнением:

ln k_Т = (4.9)

где DН_рас – дифференциальная теплота растворения газа в насыщенном растворе; С – постоянная интегрирования. Это уравнение получается в результате интегрирования уравнения Клапейрона – Клаузиуса.

Для двух температур Т₁ и Т₂ уравнение (4.9) может быть записано следующим образом:

ln (4.10)

После подстановки в (4.10) уравнения (4.4) получается следующая зависимость:

ln (4.11)

где Р₁=101325-Р_Н2О(Т_!) и Р₂=101325-– Р_Н2О(Т₂) - давления газа при Т₁и Т₂.

Если в (4.10) подставить уравнение (4.7), то получается зависимость:

ln (4.12)

Решение типовых задач

Задача 1. Растворимость метана СН₄ в воде при 30°С и общем давлении метана и паров воды Р₀=101325 Па равна q=1.90´10^{-3 г / 100г Н}₂О. Давление паров воды при 30°С равно Рн₂о=4242 Па. Вычислите коэффициент абсорбции метана при 30°С.

Решение. 1). Вычислим, какая масса метана растворится в 100 граммах воды при 30°С и давлении метана Р_газ=101325 Па. По уравнению (4.5)

В 1 литре воды растворится метана в 10 раз больше, то есть m₀ = 1,98´10^{-2 грамм.}

2). Вычислим, сколько молей метана растворится в 1 литре воды при 30°С и давлении метана Р_газ=101325 Па:

n = СН₄

М = 16,0 г/моль – молярная масса метана.

3). По уравнению (4.1) вычислим коэффициент абсорбции метана при 30°С, то есть объем, который займут при нормальных условиях n молей метана:

a = V₀ = 22.4´n =22,4´1,24´10^-3 = 2,78´10^-2[ ]

Задача 2. Какой объем СО₂, приведенный к нормальным условиям, растворится в 1м³ воды при 30°С, если давление СО₂равно Рсо₂=2атм? Чему равна массовая концентрация с₁(мас.%) газа в полученном растворе? Коэффициент абсорбции СО₂при 30°С равн a = 0,664.

Решение. Объём растворённого газа вычислим по уравнению (4.8):

V = a_Т = 0,664´ =1,33 м³.

Масса растворённого газа в 1м³ воды равна:

m (СО₂) =

М=44,0 ´10^-3кг/моль – молярная масса СО₂. Тогда массовая концентрация с₁(мас.%) газа в полученном растворе будет равна:

с₁(мас.%) =

Задача 3.Под каким давлением надо растворять Н₂S, чтобы получить при 30°С раствор с концентрацией 5%(мас.)? Растворимость Н₂S при 30°С равна q = =0,298 г/100гН₂О.

Решение. В 100 граммах 5% раствора содержится 5 грамм сероводорода и 95 г воды. Тогда на 100 г воды в этом растворе приходится: m=(5´100)/95=5,26 г Н₂S. Чтобы получить 5% раствор давление Н₂S должно быть равно (4.5):

Р _Н2S= m ´ 17,1´10⁵Па.

Задача. 4. В 1м³ воды растворили СО₂ с образованием насыщенного раствора. Раствор нагревают от 30°С до 50°С. Какой объем при нормальных условиях займет выделившийся из воды газ? Общее давление газа и паров воды сохраняется постоянным и равным 101325 Па.

Растворимость диоксида углерода равна:

q(30°С)=0,125 г/100гН₂О и q(50°С)=0,076 г/100гН₂О

Решение.В 1м3 воды при 30°С растворяется m(30°С)= q(30°С) ´10⁴=1,25´10³г СО₂, а при 50°С – m(50°С)= q(50°С) ´10⁴=7.6´10²г СО₂. Таким образом, из 1м³ раствора выделится:

Dm = 1,25´10³ - 7.6´10² = 4,9´10²г СО₂

При нормальных условиях 4,9´10²г СО₂ займут объем:

V=22.4´n=22.4´Dm/М_СО2=22,4´ 2.5´10² литров = 0,25 м³

Задача 5.Вычислите теплоту растворения сероводорода Н₂S в интервале температур

30°-50°С. Растворимость сероводорода при 30°С равна q₁= 0,298 г/100гН₂О, а при 50°С равна q₂= 0,188 г/100гН₂О. Давление Н₂S при 30°С равно Р₁= 97083Па, а при 50°С - Р₂= 88995Па.

Решение.Теплоту растворения можно вычислить по уравнению (4.11):

DН_рас = ln

DН_рас = ´ = -1,52´10⁴Дж/моль

Задача 6.Используя значение теплоты растворения DН_рас, вычисленное в задаче 5, рассчитайте растворимость Н₂S при Т₃=313 К. Сравните полученный результат с табличным значением растворимости q(40°С)=0,236 г/100гН₂О, Р₃(Н₂S)=93950Па.

Решение. Из уравнения (4.11):

ln q(40°С) = ln q(30°С) + ln +

= ln 0,298 + ln - -1,436

откуда q(40°С) = 0,238 г/100гН₂О, что совпадает табличным значением с точностью до 1%.

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 3718; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!