12.6: Właściwości fizyczne wpływające na rozpuszczalność

Roztwory gazów w cieczach

Jak w przypadku każdego roztworu, na rozpuszczalność gazu w cieczy wpływają przyciągające siły międzycząsteczkowe pomiędzy substancjami rozpuszczonymi i rozpuszczalnikami. Jednak w przeciwieństwie do substancji stałych i ciekłych, nie ma przyciągania międzycząsteczkowego między cząsteczkami substancja rozpuszczona-substancja rozpuszczona, gdy gazowa substancja rozpuszczona rozpuszcza się w ciekłym rozpuszczalniku. Dzieje się tak ponieważ atomy lub cząsteczki tworzące gaz są znacznie od siebie oddalone i podlegają znikomym interakcjom. W konsekwencji interakcje substancja rozpuszczona-rozpuszczalnik są jedynym czynnikiem energetycznym wpływającym na rozpuszczalność. Na przykład rozpuszczalność tlenu w wodzie jest około trzy razy większa niż rozpuszczalność helu (istnieją większe siły dyspersji między wodą a większymi cząsteczkami tlenu), ale 100 razy mniejsza niż rozpuszczalność chlorometanu, CHCl3 (polarne cząsteczki chlorometanu doświadczają dipol-dipol przyciąganie do cząsteczek wody polarnej). Podobnie należy zauważyć, że rozpuszczalność tlenu w heksanie, C6H14, jest około 20 razy większa niż w wodzie, ponieważ istnieją większe siły dyspersji pomiędzy tlenem i większymi cząsteczkami heksanu.

Temperatura jest kolejnym czynnikiem wpływającym na rozpuszczalność, przy czym rozpuszczalność w gazie zwykle maleje wraz ze wzrostem temperatury. Ta odwrotna zależność między temperaturą a stężeniem rozpuszczonego gazu jest odpowiedzialna za jeden z głównych skutków zanieczyszczenia termicznego wód naturalnych.

Na rozpuszczalność gazowej substancji rozpuszczonej wpływa również ciśnienie cząstkowe substancji rozpuszczonej w gazie, na działanie którego wystawiony jest roztwór. Rozpuszczalność gazu wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia.

W przypadku wielu substancji rozpuszczonych w postaci gazowej związek między rozpuszczalnością Sgas i ciśnieniem cząstkowym Pgas jest proporcjonalny:

gdzie kH jest stałą proporcjonalności zależną od tożsamości gazowej substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika oraz od temperatury roztworu. Jest to matematyczne stwierdzenie prawa Henry’ego: ilość gazu doskonałego, który rozpuszcza się w określonej objętości cieczy, jest wprost proporcjonalna do ciśnienia gazu.

Rozpuszczalność substancji rozpuszczonej to maksymalna ilość, która rozpuści się w danej ilości rozpuszczalnika w określonej temperaturze. Oznacza to, że z definicji temperatura wpływa na rozpuszczalność większości substancji.

W przypadku większości substancji rozpuszczonych w stanie stałym ich rozpuszczalność w wodzie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury roztworu, chociaż istnieją wyjątki, takie jak siarczan cezu.

Wraz ze zmianami temperatury rozpuszczalność różnych substancji wzrasta w różnym tempie. Na przykład rozpuszczalność azotanu potasu gwałtownie wzrasta wraz z temperaturą, podczas gdy rozpuszczalność chlorku potasu zmienia się bardzo nieznacznie.

Gdy roztwór zawierający mieszaninę azotanu potasu i chlorku potasu jest podgrzewany, a następnie powoli schładzany do dziesięciu stopni, krystaliczny osad będzie zawierał więcej azotanu potasu, ponieważ jest mniej rozpuszczalny w niskich temperaturach.

Ta technika separacji jest znana jako krystalizacja frakcyjna.

W przeciwieństwie do substancji rozpuszczonych w stanie stałym, rozpuszczalność gazów w wodzie zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury.

Jeśli zlewka z zimną sodą zostanie podgrzana do temperatury pokojowej, soda szybko się spłaszcza. Dzieje się tak, ponieważ rozpuszczalność dwutlenku węgla zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury.

Rozpuszczalność gazów zależy również od ciśnienia. Im wyższe ciśnienie gazu nad cieczą, tym bardziej rozpuszczalny jest gaz w cieczy.

Ten związek między ciśnieniem a rozpuszczalnością gazu jest określony ilościowo przez prawo Henry'ego, które mówi, że rozpuszczalność gazu jest równa stałej prawa Henry'ego pomnożonej przez ciśnienie.

Podczas produkcji sody dwutlenek węgla rozpuszcza się w roztworze cukru pod wysokim ciśnieniem. Powyższe ciśnienie pozwala na nasycenie roztworu dwutlenkiem węgla.

Tak więc, gdy puszka po napoju jest otwierana, możemy usłyszeć znajomy trzask, gdy ciśnienie jest zwalniane i zobaczyć, jak wiele pęcherzyków tworzy się, gdy gazowy dwutlenek węgla ucieka z roztworu.