在饱和食盐水中能溶解多少氯气

 在化学实验中有这样一个比较普遍的观点。由于氯气在水中有较大的溶解度，所以不宜用排水集气法来收集。但是考虑到同离子效应，在饱和食盐水中就可以使用这个方法来收集氯气了。

这个观点似乎并没有理论上的，也就是化学计算所得数据的支撑。

解决这个问题的方法，似乎要从氯气在水中溶解情况的计算来入手。要是能解决这个问题，氯气在饱和食盐水中溶解情况的计算就会迎刃而解。

一、氯气在水中溶解度计算

氯气在水中溶解的情况，应该用如下的（1）式来描述。

Cl₂(g)+H₂O=H⁺+Cl^-+HClO……（1）

这是一个氧化还原反应。可以从其平衡常数与两个相关电对标准电极电势间的关系，很方便地得到该平衡常数的具体数值。

为此，查出φ°(Cl₂/Cl^-)=1.3583V，φ°(HClO/Cl₂)=1.63V。

由于与该反应对应的能斯特方程为，

而平衡时，上式左端的数值为“0”，对数符号中的各项则都是平衡浓度及平衡分压。由它们计算出来的数值，实际上就是平衡常数。所以有，

由此可解得，K=2.6×10^-5。

对于式（1）来说，这个平衡常数的物理意义是十分清楚的。那就是

在知道这个平衡常数数值的情况下，就可以知道该体系中各物种的浓度了。

当保持环境中氯气的分压始终为1.0 atm时，可以将该平衡常数直接开三次方。也就是平衡时溶液中有，[H⁺]=[Cl^-]=[HClO]=0.030（mol•L^-1）。

由此可知，常温下（298K）有0.030 mol•L^-1的氯分子参与了这个歧化反应。

但是，在这个水溶液中还有一部分氯分子没有参与这个歧化反应。要想计算出这部分氯分子的浓度，就还需要知道氯气在水中溶解度的实测值。

当然这个溶解度的实测数值，在许多化学手册或教材中都可以查找到。实测的数据为0.091 mol•L^-1（见下表左列最上端的数据）。

这样就可以知道，溶解了但未参与歧化的水合氯分子的浓度，[Cl₂]=0.091-0.030=0.061（mol•L^-1）。

这些数值，也就是下表中。最左列3个数据的由来 ^[1]。

可见，这个计算结果与实测数据能够吻合。

二、氯气在饱和食盐水中溶解度计算

当然，上面的计算还告诉人们，对于如下的反应（只是把式（1）中的Cl₂(g)，换成了Cl₂(aq)），

Cl₂(aq)+H₂O=H⁺+Cl^-+HClO……（2）

从水合氯分子的角度来看，该反应平衡常数K*的数值应该是，

在饱和食盐水中氯气溶解的最终情况，既要满足式（1）的平衡，也要满足式（2）的平衡。

查得，NaCl在常温下的溶解度为，36.0g/100gH₂O，约为6.2 mol•L^-1。

也就是，在饱和食盐水中原来就有[Cl^-]=6.2（mol•L^-1）。且该数值大到，基本不会受氯气溶解的影响。

这样，从式（1）的平衡常数，就有

考虑到，溶液中还必须有[H⁺]与[HClO]相等，可解得[H⁺]=[HClO]=2.0×10^-3（mol•L^-1）。

将这些数据再代入式（2）的平衡常数关系式。就有

由此，可以求出溶液中水合氯分子的浓度，[Cl₂(aq)]=0.058（mol•L^-1）。

氯气在饱和食盐水中的总浓度为，[Cl₂(aq)]+[HClO]=0.058+2.0×10^-3=0.060（mol•L^-1）。

这个数值还是不小的。与氯气在纯水中的溶解度“0.091mol•L^-1”相比较，也只是减少了三分之一。

所以，用“同离子效应”来解释“氯气在饱和食盐水中不会溶解”，是不合适的。

在饱和食盐水中的同离子效应，只不过把氯气的溶解损失降低了一些。且降低的并不多，只是降低到用纯水收集时的三分之二。

参考文献

    [1] 北京师范大学等校. 无机化学（第三版）.高等教育出版社. 1992年