理論化学

気体の溶解度について

投稿日:8月 31, 2020 更新日:

今回は気体の溶解度についてかいせつするにゃ。計算問題が良く出てくるのでしっかり勉強するにゃ!

・気体の溶解について?

気体も溶媒には溶けます。身近なもので例えると炭酸飲料は二酸化炭素が溶けているものあります。よって気体にも溶解度があります。気体の溶解度は圧力が1.013×105Paのとき溶媒1Lに溶ける気体の物質量や質量、または、標準状態における体積で示します。溶解度は一般に温度が低く溶媒に接する気体の圧力高いほど高いです。これは温度が低い方が溶液中に存在する分子の熱運動が抑制され、溶媒分子と気体分子の間に働く分子間力のために多くの気体分子が溶媒中に存在することになります。また圧力が高い方が気体の分子が圧力の影響で溶液に押し込まれるので気体の圧力が高い方が溶解度が大きいです。

・ヘンリーの法則とは?

窒素や酸素など溶解度が小さい気体では一定温度で一定量の溶媒に溶解する質量はその気体の圧力(混合気体の場合は分圧)に比例します。これをヘンリーの法則といいます。

・まとめ

  • 気体の溶解度 温度が低いほど圧力が高いほど溶解度は大きくなる。
  • ヘンリーの法則 溶解度の小さい気体では気体の溶解度はその気体の圧力(混合気体では分圧)に比例する。

・演習問題

問題1. 20℃で1.0×105Paの窒素は水1.0Lに6.8×10-4mol溶ける、では20℃で6.0×105Paの窒素が水3.0Lに接している。このとき水に溶けている窒素の質量は何gか?N2=28

ヘンリーの法則より気体の溶解度(物質量)は圧力に比例することを思いだそう!

解答.考え方としてまず水にとけている物質量(mol)を求めて最後に窒素のモル質量をかければ答えが導ける。

1.0×105Paの窒素は水1.0Lに6.8×10-4溶けているので圧力が6.0×105Paにあがったので

6.8×10-4×(6.0×105Pa÷1.0×105Pa)=40.8×10-4

気体の溶解量は溶媒(水)の量にも比例するので

40.8×10-4×(3÷1)=122.4×10-4≑1.2×10-2mol

よって窒素のモル質量はN2=28g/molなので

28g/mol×1.2×10-2mol=0.336L≑0.34g

問題2. 1.0×105Paの酸素と窒素は℃の水1.0Lにそれぞれ48mL.24mL溶けるとする。いま2.0×105Paの空気(酸素:窒素=1:4(体積比)の混合気体)が0℃の水1.0Lと接している。このとき水に溶けた酸素と窒素の体積比を求めよ。

これは混合気体の問題だにゃ!気体の溶解度は混合気体では気体の分圧に比例することを思いだそう。また気体の溶解度は標準状態(0℃、圧力1.013×105Pa)における体積で表すにゃ。この問題の最初の分は標準状態のときを言っているにゃ。

解答. 気体の溶解度は混合気体では気体の分圧に比例するので

O2の分圧 2.0×105Pa×(1÷5)=0.4×105Pa

N2の分圧 2.0×105Pa×(4÷5)=1.6×105Pa

よってO2は分圧0.4×105Paで48mLとけて、N2は分圧1.6×105Paで24mLとけることがわかった。それぞれの体積を標準状態(0℃、圧力1.013×105Pa)に換算すると

O2=48×(0.4×105÷1×105)=19.2L

N2=24×(1.6×105÷1×105)=38.4L

よってO2:N2=19.2 : 38.4=1:2

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