§ 30. Растворимость газов и жидкостей в воде

Определения и обозначения

Растворимость — способность вещества растворяться в растворителе. Обычно её выражают массой вещества, которая растворяется в заданной массе воды при определённой температуре. Это позволяет не просто сказать, что вещество растворяется хорошо или плохо, а сравнить его с другими веществами при одинаковых условиях.

Насыщенный раствор — раствор, в котором при данных условиях растворилось максимально возможное количество вещества. Если добавить ещё немного этого вещества, оно уже не растворится и может остаться на дне. Понятие помогает определить, достигнут ли предел растворения при выбранной температуре.

Ненасыщенный раствор — раствор, в котором растворённого вещества меньше, чем может раствориться при данных условиях. Поэтому добавленное вещество ещё способно перейти в раствор. Сравнение насыщенного и ненасыщенного растворов показывает, есть ли запас возможности для дальнейшего растворения.

Растворимость газа в воде — количество газа, способное раствориться в воде при заданных температуре и давлении. Для газов необходимо называть оба условия, потому что изменение любого из них может изменить количество газа в растворе. Это определение нужно, например, чтобы объяснить поведение газированной воды.

Как это устроено

Растворимость зависит от природы растворённого вещества и растворителя, потому что частицы разных веществ взаимодействуют неодинаково. Если взаимодействие частиц вещества с частицами воды достаточно сильное, вещество легче распределяется в воде. Поэтому одни газы и жидкости растворяются хорошо, а другие — плохо или почти не смешиваются с водой.

При повышении температуры растворимость большинства газов в воде уменьшается. Нагревание усиливает движение частиц газа, и частицы чаще получают возможность покинуть жидкость и перейти в воздух. Поэтому в тёплой воде при прочих равных условиях обычно остаётся меньше растворённого газа, чем в холодной.

Повышение давления газа над водой обычно увеличивает количество газа, переходящего в раствор. При большем давлении больше газовых частиц оказывается у поверхности жидкости и может проникнуть в неё. Когда давление снижается, часть растворённого газа выходит обратно; так появляются пузырьки при открывании газированной воды.

Растворимость жидкостей в воде определяется строением их частиц и тем, насколько хорошо эти частицы взаимодействуют с частицами воды. Некоторые жидкости могут равномерно смешиваться с водой в любых соотношениях. Другие взаимодействуют с ней слабо, поэтому разделяются на слои; это не обязательно означает, что им нужно лишь больше времени для растворения.

Значение растворимости имеет смысл только вместе с условиями, при которых его определили. Температура влияет на растворение многих веществ, а для газа существенно и давление над водой. Если сравнить числа, полученные при разных условиях, можно ошибочно решить, что одно вещество растворяется лучше другого.

Растворимость газов и жидкостей в воде и факторы, от которых она зависит

Сначала определите, с каким типом вещества имеете дело: для газов особенно важно давление, а для жидкостей — способность смешиваться с водой. Затем проверьте температуру и остальные условия сравнения. Таблица показывает общие закономерности, но конкретное значение зависит от самого вещества.

Разбор задач

Задача 1. Открытую бутылку газированной воды оставили на столе. Почему со временем из неё выходит газ? Нужно связать появление пузырьков не только с температурой напитка, но прежде всего с изменением условий над поверхностью воды.

1. До открытия газ находится над жидкостью под повышенным давлением, поэтому заметное количество газа удерживается в растворе.
2. При открывании давление над напитком становится ниже. При новом давлении прежнее количество газа уже не может оставаться растворённым.
3. Избыток газа покидает воду и собирается в пузырьки, которые поднимаются к поверхности.

Ответ: после открытия давление снижается, растворимость газа уменьшается, и часть углекислого газа выходит из напитка пузырьками. Если бутылку оставить открытой, газ будет постепенно уходить и дальше.

Задача 2. В двух одинаковых сосудах находится вода разной температуры; над водой поддерживают одинаковое давление одного и того же газа. В каком сосуде газа растворится больше? Поскольку давление и вид газа одинаковы, сравнить нужно влияние температуры.

1. В условии изменена только температура воды, а давление газа оставлено одинаковым.
2. Для большинства газов повышение температуры уменьшает растворимость, поскольку газовые частицы легче покидают воду.
3. Значит, больше газа растворится в сосуде с более холодной водой.

Ответ: газа больше растворится в холодной воде. Вывод верен при одинаковых прочих условиях и относится к обычной закономерности для большинства газов.

Задача 3. При заданных температуре и давлении растворимость газа равна 0,03 г на 100 г воды. Сколько газа может раствориться в 500 г воды, если условия не меняются? Здесь важно сравнить массы воды: 500 г в пять раз больше 100 г.

1. Запишем исходное соотношение: в 100 г воды растворяется 0,03 г газа.
2. Массу воды увеличили в 500 ÷ 100 = 5 раз, значит, во столько же раз увеличится масса растворённого газа.
3. Вычислим: 0,03 × 5 = 0,15 г.

Ответ: в 500 г воды может раствориться 0,15 г газа. Расчёт применим, пока температура и давление остаются такими же, как в условии.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что при нагревании растворимость любого вещества обязательно увеличивается. Такую мысль часто переносят на газы по аналогии с некоторыми твёрдыми веществами, но для большинства газов в воде действует обратная закономерность. Проверьте себя: если речь о газе, вспомните, что при нагревании его частицы легче покидают раствор.

Выделение газа из открытой газировки иногда объясняют только тем, что напиток нагрелся или охладился. При этом упускают главное изменение: после открытия давление над жидкостью падает. Чтобы проверить объяснение, спросите себя, что произошло с давлением при открывании бутылки и как оно влияет на растворимость газа.

Нельзя сравнивать значения растворимости, не проверив температуру и давление. Ошибка возникает, когда числа воспринимают как постоянные характеристики вещества, хотя для газов условия заметно меняют результат. Перед сравнением убедитесь, что совпадают температура, давление и масса воды, к которой отнесено значение.

Если две жидкости образовали отдельные слои, не всегда верно считать, что одна из них просто медленно растворяется. Причина может быть в том, что жидкости практически не смешиваются. Для проверки дайте смеси постоять и осторожно перемешайте её: если слои снова разделяются, вероятно, полного смешивания не происходит.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в растворимости, нужно знать, что такое раствор, растворитель и растворённое вещество. Также нужно представлять, что частицы вещества находятся в постоянном движении: это помогает объяснить переход газа между водой и воздухом. Эти знания связывают описание растворов с поведением частиц.

Растворимость связана с темами о влиянии температуры и давления на процессы в природе и технике. Она помогает понять газообмен в природных водоёмах: количество растворённого газа меняется вместе с условиями среды. Поэтому температура воды и давление важны для объяснения того, сколько газа может находиться в водоёме.

Что запомнить

• Растворимость характеризует, сколько вещества может раствориться при заданных условиях.
• Насыщенный раствор содержит максимально возможное при данных условиях количество растворённого вещества.
• Растворимость зависит от природы вещества и растворителя.
• При повышении температуры растворимость большинства газов в воде уменьшается.
• При повышении давления газа над водой его растворимость обычно увеличивается.
• Растворимость жидкостей в воде может различаться: от полного смешивания до практически полного несмешивания.