气体在液体中的溶解度以及液体在液体中的溶解度(二元溶液、理想溶液)

Solubility of Gas in Liquids and Solubility of Liquids in Liquids (Binary solutions, Ideal solutions)

2020年4月17日Ankur Choudhary (noreply@blogger.com)AI 专业翻译

气体在液体中的溶解度

液体根据多种因素溶解气体,这些因素包括:
⦁ 含有盐分
⦁ 温度
⦁ 压力
⦁ 与溶剂发生的化学反应
⦁ 气体中含有不同数量的分子。

盐的存在

当溶解气体被溶解在溶液中时,通常会使用盐类电解质(例如 NaCl)和/或非电解质(例如蔗糖)来提取这些气体。
⦁ “盐析(SALTING OUT)”与这种模式密切相关。

温度

随着温度的升高,气体的溶解度会降低。
随着温度的升高,气体分子获得更多的动能,这导致它们之间的化学键断裂,从而使气体从溶液中逸出。
例如,碳酸饮料中的气体在温度升高时会更快地逸出。

压力

⦁ 当压力增加时,气体的溶解度也会增加。
在压力较高的环境中,气体分子会更频繁地与溶剂表面发生碰撞(即更强的溶剂化作用),从而导致溶解度增加。

亨利定律

气体的溶解度在压力较高时受亨利定律的影响。
亨利定律指出:在平衡状态下,气体在溶液上方的分压等于溶液中溶解气体的浓度,前提是溶液的温度和体积密度保持不变。
⦁ 如果从溶液上方的总压力中减去溶剂的蒸气压,就可以计算出该气体的分压。
溶解气体C2的浓度、未溶解气体的分压以及溶解气体的浓度分别以每升溶剂中的克数来表示。

可以将亨利的关系表示为 C2 = σp。

σ=1/k;其中 k 为溶解度系数。

气体分子的质量

⦁ 当气体分子的质量增加时,其溶解度通常也会增加。
⦁ 气体中分子的质量越大,这些气体分子与溶剂中的分子之间的伦敦-德拜力(London-Debye forces)就越强。

液体在液体中的溶解度

只有少数几种溶质是不能被水溶解的,这使得水成为一种普遍的溶剂。物质是否能够溶解在水或其他溶液中,取决于多种因素。

分子的溶解性是由于溶质分子与溶剂分子之间形成了新的化学键。溶解度是指在已知温度下,溶质能够在已知溶剂浓度中最大程度地分散的数量。除了溶解度之外,溶质还根据其在溶剂中的溶解能力进行分类。要被认为是可溶的,溶液必须能够在100毫升溶剂中溶解0.1克或更多的溶质。对于微溶性物质来说,这意味着溶解的化合物浓度低于0.1克。因此,溶解度可以用数值来表示,例如用克/升(g/L)作为单位。

溶解度是一个可变因素,它决定了可以制备出多种不同类型的溶液。在特定温度下,当溶质达到一定量时,可溶性物质会完全溶解在溶剂中。相比之下,过饱和溶液在相同温度下溶解到某一浓度后,会出现盐析或沉淀现象。

以下因素会影响溶解度:

根据物质的物理和化学性质,它们可以在水中溶解。此外,还有一些条件可以影响溶解过程,例如温度、压力以及连接颗粒的化学键类型或作用力等变量。

⦁ 温度
温度可以调整以提高溶解度。当温度高于20°C或100°C时,溶质在水中的溶解度会更高。通过升高温度,原本难溶的物质也可以完全溶解。然而,对于气体而言,温度对溶解度的影响则相反:温度升高时,气体物质会膨胀并从溶剂中逸出。

⦁ 力量与纽带
相似的物质通常能够溶解在相似的物质中。不同分子之间的分子间作用力和化学键类型存在很大差异,因此它们的溶解性也各不相同。与相似的物质相比,不同物质之间的溶解性往往更难以预测。例如,水是一种极性溶剂,乙醇作为极性溶质可以很容易地溶解在水中。

⦁ 压力
与固体和液体相比,气体物质受压力的影响要大得多。分压的增加也会提高气体溶解的概率。一个例子就是二氧化碳在高压下被装入汽水瓶中。

二元溶液

在二元溶液中,两种液体是完全互溶的,因为它们的混合物是均匀的。二元溶液的沸点因所使用的溶液类型而异。下面总共提到了三种二元溶液的类型:

案例1:某些成分的二元溶液的沸点应低于其纯化后的对应物质的沸点。

二元溶液的沸点应高于第二种情况下所用清洁液体的沸点。

案例3:所有组分的二元溶液的沸点应介于清洁液体的沸点与相应二元溶液的沸点之间。

理想解决方案

在化学热力学的众多应用中,包括对对撞机特性的研究,理想溶液的概念是基础性的。理想溶液的焓值为零(ΔH_solution = 0),溶液的焓值越接近零,其理想程度就越高。当混合物进行混合时,吉布斯能的变化仅由混合物的熵决定(ΔS_solution),因为混合过程本身不涉及焓的变化。

拉乌尔定律

拉乌尔定律指出,溶剂在溶液上方产生的蒸气压随温度的升高而增加,其增加量等于相同温度下纯溶剂产生的蒸气压增加量。当某种固体或液体处于特定温度时,其上方的蒸气与该物质所处的固态或液态处于动态平衡状态。当固体或液体在平衡状态下蒸发时,气体的凝结速率与其蒸发速率相等。

亨利定律

1803年,威廉·亨利提出了关于气体的最早定律之一——亨利定律,其内容如下:

“在恒定温度下,当气体与液体处于平衡状态时,该气体在液体中的分压与其溶解在液体中的量成正比。”

气体在液体中的溶解度可以用这样一个规律来表达:气体在液体上的分压与其溶解度之间存在直接关系。

理想解决方案的特征

理想的解决方案通常具备以下特点:
⦁ 拉乌尔定律主要适用于这些物质,因为它们通常遵循这一定律。组分A的分压(PB)等于PB0乘以A的摩尔分数(xA),组分B的分压(PA)等于PA0乘以B的摩尔分数(xB)。PA0和PB0各自的蒸气压可以通过这些表达式计算得出。你可以将xA和xB理解为组分A和B的摩尔分数。
在同一系统中,两种组分之间存在理想的混合焓值,即混合焓 = 0。当这两种纯组分混合时既不释放也不吸收热量时,显然已经形成了理想的溶液。
⦁ 混合体积 = 0(Δmix V = 0)——这意味着混合后的总体积与各组分的原始体积相等。当两种组分混合时,其中一种组分会压缩或膨胀另一种组分,从而导致总体积为零。
溶剂之间的相互作用几乎与溶质与溶剂之间的相互作用完全相同。

这些例子展示了如何实现理想的解决方案。
⦁ SiCl4 和 CCl4
⦁ 氯苯和溴苯
⦁ n-丁基溴化物和n-丁基氯化物
⦁ 氯乙烷和溴乙烷


📌 本文由 AI 翻译自 pharmaguideline.com,仅供内部参考查看英文原文