Растворимость газов в жидкостях представляет собой процесс перехода молекул газа в жидкую фазу и образование однородной газожидкостной системы. Количество растворившегося газа определяется физико-химическими свойствами газа и растворителя, а также внешними условиями — давлением и температурой.
Растворимость газов в отличие от твердых веществ обычно невелика и характеризуется выраженной зависимостью от давления и температуры. Для количественной оценки используют коэффициент растворимости, выражающий объем или количество вещества газа, растворяющегося в определенном объеме жидкости при данных условиях.
Особенностью является установление динамического равновесия между молекулами газа, находящимися в жидкости, и молекулами, выходящими из нее в газовую фазу. Это равновесие подчиняется строгим термодинамическим законам.
Одним из фундаментальных принципов, описывающих растворимость газов, является закон Генри:
Количество газа, растворяющегося в жидкости при постоянной температуре, прямо пропорционально парциальному давлению этого газа над раствором.
Математически это выражается уравнением:
C = kH ⋅ p
где
Чем выше парциальное давление газа, тем большее его количество растворяется в жидкости.
Температура оказывает противоположное воздействие на растворимость газов по сравнению с твердыми веществами: повышение температуры приводит к уменьшению растворимости. Это объясняется эндотермичностью процесса десорбции — выделение газа из жидкости сопровождается поглощением тепла.
Например, в нагретой воде содержится значительно меньше кислорода, чем в холодной, что имеет биологическое значение для жизни водных организмов.
Растворимость определяется также химическим взаимодействием между газом и растворителем.
Физическое растворение характерно для инертных и малореакционноспособных газов, например азота, водорода, гелия. Их растворимость исключительно мала и объясняется только диффузией молекул в жидкость.
Химическое взаимодействие значительно увеличивает растворимость. Так, аммиак, хлороводород и диоксид серы образуют с водой устойчивые гидраты и ионные продукты. Растворимость таких газов не подчиняется закону Генри в чистом виде, поскольку протекают реакции:
NH3 + H2O ↔︎ NH4+ + OH−
CO2 + H2O ↔︎ H2CO3
В результате концентрация растворенного газа зависит не только от давления, но и от равновесий химических реакций.
Растворимость большинства газов растет прямо пропорционально давлению. Это объясняется увеличением числа молекул, проникающих в жидкость. Однако при очень высоких давлениях и особенно при взаимодействии газа с растворителем наблюдаются отклонения от закона Генри.
Растворимость газов в жидкостях имеет важное значение в природных и технических процессах.
Наличие растворенных веществ влияет на растворимость газов. В растворах электролитов растворимость газов уменьшается — явление «вытеснения» газа из раствора называется салтингаутом. Например, в морской воде концентрация растворенного кислорода меньше, чем в пресной воде при тех же условиях.
Растворимость газов подчиняется общим законам химического равновесия. Изменение свободной энергии Гиббса при переходе газа из газовой фазы в растворенную форму определяется выражением:
ΔG = ΔH − TΔS
где ΔH — энтальпия растворения, ΔS — энтропийный фактор. Отрицательное значение ΔG указывает на самопроизвольность процесса растворения.
Таким образом, растворимость газов в жидкостях является результатом совокупности физических факторов — давления и температуры, а также химических взаимодействий газа с растворителем.