Rastvorljivost gasova u tecnostima
Upisao Brainman u May 08 2007 02:03:04


Rastvorljivost gasova u te?nostima


Rastvorljivost gasova u te?nostima zavisi od prirode rastvara?a, prirode gasa koji se rastvara(tablica 1), temperature i od pritiska gasa.

Rastvorljivost se uglavnom izražava kao zapremina gasa koji se rastvori u jedinici zapremine rastvara?a na odre?enoj temperaturi

Ψ = V(gasa) / V(rastvara?)


Gasovite supstance ?iji molekuli nisu polarni, kao što su, na primer, vodonik, azot, metan i plemeniti gasovi, vrlo malo se rastvaraju u te?nostima. To je posledica slabih interakcija izme?u ?estica supstance koja se rastvara i molekula nepolarnog ili polarnog rastvara?a. Te slabe interakcije su tipa indukovani dipol-indukovani dipol kada je rastvara? nepolaran, a tipa indukovani dipol-dipol kada je rastvara? polaran. One nisu dovoljne da se savladaju me?umolekulske sile izme?u molekula nepolarnog rastvara?a (indukovani dipol-indukovani dipol), odnosno, izme?u molekula polarnog rastvara?a (dipol-dipol).

Tablica 1. Uticaj prirode gasa i te?nog rastvara?a na rastvorljivost gasa

Gas

Rastvara?

Vrsta interakcije

Rastvorljivost

Primer

nepolaran

nepolaran

ind.dipol-ind.dipol

mala

H2 u benzenu

polaran

ind.dipol-dipol

mala

H2 u vodi

polaran

nepolaran

dipol-ind.dipol

mala

NH3 u benzenu

polaran

dipol-dipol

velika

NH3 u alkoholu

Ja?ina indukovanog dipola zavisi od sposobnosti molekula gasa da bude polarizovan., a na nju uti?u broj elektrona, pa indirektno i masa molekula. Zato rastvorljivost gasovotih nepolarnih supstanci raste sa porastom njihove molarne mase, i to kako u nepolarnim rastvara?ima, tako i u polarnim.(tablica 2)

Tablica 2. Rastvorljivost gasova ?iji su molekuli nepolarni, na 0˚C i 101 kPa

Gas

Molarna masa

(g/mol)

Rastvorljivost (g/100g rastvara?a)

voda

benbzen

He

4,00

1,68?10-4

3,36?10-4

H2

2,01

1,92?10-4

6,72?10-4

N2

28,01

29,4?10-4

205,8?10-4

O2

31,99

69,5?10-4

695,0?10-4

Ar

39,95

101?10-4

404,0?10-4

Blaga odstupanja se mogu primetiti kod He i Ar jer su oni, kao i svi inertni gasovi u atomskom obliku. Ve?a rastvorljivost vodonika od helijuma ( M(H2) < M(He) ) posledica je ve?e polarizabilnosti molekula H2 od atoma He.

Gasovite supstance, ?iji su molekuli polarni, imaju u nepolarnim rastvara?ima približno istu, uglavnom malu rastvorljivost, zbog relativno slabe interakcije Dipol-indukovani dipol. Te interakcije su slabije od interakcija indukovani dipol-idnukovani dipol izme?u nepolarnih molekula rastvara?a. Nasuprot tome, u polarnim rastvara?ima, zbog znatno ja?e interakcije izme?u dipola rastvorene supstance i rastvara?a, obi?no dolazi u ve?oj meri do rastvaranjapolarne gasovite supstance(tablica 3)

Tablica 3. Rastvorljivost gasovitih polarnih supstanci u vodi na 0˚C i standardnom pritisku

Gas

Dipolni moment (C m)

Rastvorljivost (g/100g vode)

NH3

4,90?10-31

89,5

SO2

5,42?10-31

0,7066

CO

0,30?10-31

0,0044

Odstupanje kod amonijaka dolazi usled pojave vodoni?nih veza.

Kao polovni rastvara? za gasove obi?no se koristi voda. Izme?u polarnih molekula rastvorenih gasovitih stupstanci i polarnih molekula vode dolazi do interakcije dipol-dipol koja može biti i vrlo jaka. Usled tih interakcija može da do?e do heteroliti?kog razlaganja polarne kovalentne veze u polarnom molekulu rastvorene supstance(npr. HCl, H2S). Sem toga, mo?e da do?e i do uspostavljanja vodoni?ne veze izme?u molekula rastvorene supstance i molekula vode, pa je zato, na primer, rastvorljivost amonijaka u vodi izuzetno velika u pore?enju sa gasovima iste polarnosti (npr. SO2).

Rastvorljivost gasova u te?nostima opada sa porastom temperature, jer sa pove?anjem energije molekula rastvara?a i rastvorene supstance usled zagrevanja, molekuli gasa lakše mogu da savladaju me?umolekulske privla?ne sile u rstvoru. Zagrevanjem do klju?anja mogu se prakti?no potpuno ukloniti rastvoreni gasovi, pa se taj postupak primenjuje, na primer, kada je iz vode potrebno da se uklone ugljen-dioksid i kiseonik.

Na rastavorljivost gasa u te?nom rastvara?u uti?e pritiska gasa; sa pove?anjem pritiska gasa, raste njegova rastvorljivost. Kada je u pitanju rastvaranje smeše gasova, rastvorljivost svakog pojedinog gasa iz smeše zavisi od njegovog parcijalnog pritiska. Ukoliko je gasovita supstanca slabo rastvorljiva u datom rastvara?u, na odre?enoj temperaturi, zavisnost izme?u koli?ine rastvorenog gasa i njegovog pritiska je linearna. Ta zavisnost je definisana Henrijevim zakonom(Henry): Na konstantnoj temperaturi molski udeo gasa (x) u rastvoru direktno je srazmeran parcijlanom pritisku gasa iznad rastvora (p):

x = K ? p

U ovoj jedna?ini K je kontsanta proporcionalnosti. Njena jedinica je Pa -1.

Henrijev zakon ne važi za jako rastvorljive gasove, niti za gasove pod visokim pritiskom.

Pošto je prema Henrijevom zakonu na datoj temperaturi molski udeo gasa u rastvoru srazmeran parcijalnom pritisku gasa iznad rasvora, i njegova rastvorljivost, izražena zapreminskim odnosom(Ψ), srazmerna je parcijalnom pritisku:

Ψ = KΨ ? p

Konstanta proporcionalnosti KΨ naziva se Bunzenov apsorpcioni koeficijent (Bunsen),

a njena jedinica je Pa -1.

KΨ = Ψ / p


Za datu gasovitu supstancu i dati rastvara? to je konstantna veli?ina na odre?enoj temperaturi (Tablica 4) i predstavlja rastvorljivost datog gasa u odre?enom rastvara?u, ako je parcijalni pritisak gasa iznad rastvora jednak standardnom pritisku.

Tablica 4. Bunzenov apsorpcioni koeficijent KΨ za neke gasove

Gas

KΨ ( kPa -1 )

0 ˚C

15 ˚C

H2

0,0022

0,0019

N2

0,0024

0,0018

O2

0,0049

0,0034

CO2

0,1713

0,1019

HCl

50,6

45,8

NH3

130,0

80,2


Ugljena kiselina i njene soli

Zbog nastanka i jonizacije ugljene kiselne, rastvor CO2 u vodi ima kiselu reakciju. Me?utim, samo mali deo (oko 0,4%) rastvorenog CO2 prelazi u H2CO3, dok se ostatak nalazi u obliku hidratisanih molekula CO2.

CO
2(aq) + H2O ↔ H2CO3(aq) Kc= 0,0019

Ugljena kiselina je slaba dvoprotonska kiselina ( Ka,1 = 2,5?
10-4 i Ka,2 = 4,8?10-11 ) i gradi dva niza soli karbonate i hidrohenkarbonate (?bikarbonate?). Svi karbonati su teško rastvorni u vodi (uz izuzetak Na2CO3, K2CO3 i Tl2CO3). Otuda se u prirodi mogu na?i velika ležišta karbonata zemnoalkalnih metala [najvažniji su kalcit, CaCO3, dolomit, CaMg(CO3)2 ] koji formiraju kre?nja?ke stene. Nasuprot karbonatima, svi hidrogenkarbonati su rastvorljivi u vodi. Jedino je rastvorljivost NaHCO3 relativno mala ? 10g na 100g vode. U vodenim rastvorima dolazi do hidrolize i karbonat-jona i hidrogenkarbonat-jona. Jon HCO3- je amfolit, ali sa nešto izraženijim baznim svojstvima. Natrijum-hidrogenkarbonat, NaHCO3 ili ?soda-bikarbona? upotrebljava se kao blago sredstvo za neutralizaciju kiselina.

Ravnoteža izme?u CO32- i HCO3- jona može da se prikaže slede?o, jedna?inom:

CO32- + CO2(g) + H2O 2HCO3-

Ova ravnoteža je važna za razumevanje odnosa karbonata i hidrogen-karbonata, odnosno za laboratorijsko i industrijsko dobijanje ovih soli i za objašnjenje procesa koji se dešavaju u prirodi. Uvo?enje CO2 u suspenziju ili rastvor nekog karbonata prevodi ovu so u (rastvorljivi) hidrogenkarbonat. S druge strane, zagrevanjem ?vrstih ili rastvorenih hidrogenkarbonata, dolazi do ?isterivanja? CO2 iz sistema i prelaska u karbonate. Zbog toga pod uticajem CO2 iz vazduha u prirodi neprestalno dolazi do sporog rastvaranja karbonata na jednim i njegovog taloženja na drugim mestima. Istovremeno, baš iz navedenih procesa ratvaranja soli i njihovih ravnoteža u vodenim rastvorima, prirodne vode, kao i voda za pi?e, uvek sadrže izvesne koli?ine jona Ca2+, Mg2+ i HCO3-.

Rezerve ugljenika na Zemlji rastu slede?im redosledom:

Atmosfera < biosfera < HCO3- rastvoren u vodi(morima) < sedimentne kre?nja?ke stene

Vazduh, gasoviti omota? Zemlje


Smeša gasova bez ukusa i mirisa.
U prizemnim
slojevima atmosfere sastoji se od:
78,2% azota
20,8% kiseonika
0,9% argona
0,038% ugljen-dioksida
                                                                      

 Kiseonik

Kao nepolarni molekul, O2 se slabo rastvara u vodu. Rastvorljivost kiseonika u vodi je 31cm3 po litru, na temperaturi od 0˚C i standardnom pritisku. To je relativno malo, ali ipak dovoljno za održavanje života u hidrosferi.

 

Zaklju?ak

Iz tablice 4, može se videti da ugljen-dioksid ima 30 puta ve?u rastvorljivost u vodi od kiseonika.

Ugljen-dioksid se u vodi rastvara i sa njom gradi ugljenu kiselinu. Me?utim ta kiselina je veoma slaba, i ne može znatno oboriti pH vrednost sistema. Me?utim, to malo je sasvim dovoljno da može ostaviti trajne posledice po živi svet akvarijuma.

Iz podataka za sastav vazduha u atmosferi imamo podataka da u toj smeši gasova imamo 550 puta više kiseonika od ugljen-dioksida, pa prema Henrijevom zakonu i podacima iz tablice 4 vidimo da ?e u uzorku destiolovane vode uvek biti više kiesonika nego ugljen-dioksida.

 U veoma razblaženim sistemima, kakav su prirodna staništa vodenih organizama (reke i mora) CO2 i O2 ne uti?u me?usobno na rastvorljivost.

Me?utim u holandskim i aquascaping akvarijumima gde imamo ogromne koncentracije ovih gasova, koje su iznad rastvorljivosti i gde je sistem prezasi?en, ovi zakoni ne važe i me?usoban uticaj gasova na pojedina?ne rastvorljivosti nije mogu?e utvrditi koriš?enjem ovih zakona.

Dodavanja CO2 u sisteme u kojima imam u podlozi odre?ene koli?ine nerastvornih karbonata nije poželjno za životinjeske organizme akvarijuma. Njegovim dodavanjem dolazi do rastvaranja karbonata i pove?anja koli?ine rastvornih hidrogenkarbonata u sistemu, što uti?e na drasti?no pove?anje karbonatne tvrdo?e sistema.



Literaratura:

Opšta Hemija I deo, M.Dragojevi?, M.Popovi?, S.Stevi?, V.Š?epanovi? Beograd 1999

Hemija Elementata, Dejan Poleti Beograd 2000

Hemijsko-Tehnološki Leksikon, Veljko Kosti?, Ljiljana Kosti? Beograd 1980



Tekst odradio:

Aleksandar Radmanovac

Maj 2007 god.