ヘンリーの法則がわかりません。

質問

ヘンリーの法則のうち「一定量の液体に溶ける気体の体積は、、、同圧に換算すると→圧力に比例する。その圧力とすると→圧力に関係なき一定。」というものがまったく理解できません。

同圧に換算、その圧力とする、などの言葉の意味(日本語的な意味ではありません)がわかりません。圧縮されているなどの説明もありましたが理解できません。圧力に比例する(同圧に換算した場合だそうですが)のは感覚的にわかります。一定というのは感覚的にもわかりません。結果的に一定などという説明も受けましたが能力のない自分にはよく理解できません。

どなたか、低脳の僕にもわかるように教えてください。本当によろしくお願いします。

回答No.4

larme001 · ベストアンサー

ヘンリーの法則自体は
「同温度では溶解度の小さい気体の溶解度は圧力に比例する」ということです。
定量の溶媒に1atmで0.5molとけたとすれば、2atmで1.0atm,3atmで1.5molとけるということです。要するに「比例」しているんです。
しかし、溶解度を体積で表すと、厄介なことになります。なぜなら気体は測定する圧力によって変わるからです。ボイルの法則PV=一定であるように、厳密には圧力に反比例するのです。

これからどうなるかというと,上記の気体の溶解度は1atmで1リットルとけるとすると、2atmで2リットル、3atmで3リットルというのが「ヘンリーの法則」の言うとおりです。ですが、この1リットルとかは1atmで測られたものなのです。ですが、3atmで溶ける気体のリットル量を言うときにわざわざ1atmでの気体のリットル量で言うというのはおかしいですよね。そこで、「ボイルの法則」により気体の体積は圧力に対して反比例することをかんがえると、3atmで溶ける気体3リットル(1atmでの体積）は、"3atm"では「1リットル」でなければなりません。こう考えると、つまりP1(atm)で解けているP1下で測定した気体L1(リットル）は、P2(atm)で解けているP2下で測定した気体L2(リットル）と等しい。つまりL1=L2となるのです。ここでL1とL2の測定が行われた圧力条件がそれぞれP1,P2とことなることに注意してください。

以上のように気体の溶解度を体積で表現する場合ややこしいのでこの上なく分かりづらいです。これをモルなどの測定圧力によらないものに換算して計算すれば後は単なる比例（ヘンリーの法則）で処理できます。
一般的に気体の溶解度が溶媒リットルあたりL(リットル）(標準状態において）と与えられた場合,溶媒（気体の体積ではないことに注意）＝L3(リットル）、圧力＝P3(atm)において解ける気体の量n（mol)は
n=L/22.4(標準状態での体積）xL3xP3
で求められます。
あとは、聞かれた条件下で状態方程式にnを代入して解ける体積なりで答えればよいのです。

最後に、簡単にまとめておくと、
1.「ヘンリーの法則は溶解度は圧力に比例する」といっている。（ただし、同じ圧力で測定した場合）
2.溶解度が体積で与えられた場合、測定する圧力により体積が異なる点が話をややこしくする。
3.1.2をうまく処理する為には測定する圧力にかかわらず一定である物質量（モル)などで処理した後聞かれている条件下に戻すほうが間違えにくい。（状態方程式が絡む以上、計算はややめんどくさくなるが。）

ということです。

回答No.5

hachiji

先達のご回答を拝読しまして私のイメージで述べますと・・・
(1)まずピストンつきのシリンジ(注射器の先が詰まったもの)を想像します。
(2)この中に水少しと気体たくさんを入れてピストンを差して何も力を加えずに(これで1atm)シリンジ全体をシェイクします。(シェイクにより気体が水に飽和量まで溶け込むと無理やり仮定します。)
(3)このときピストンを見ると少し位置が下がっています。下がった分が気体が溶けた量のはずです。
(4)では次に新しいシリンジにさっきと同じ量の水と気体を入れて、ピストンを差して指で押して(力をかけて)、さっきの半分の目盛りにくるまで押し込みます(これで2atmのはず)。
(5)力一定にして(難しいですができるとします)この状態のままシリンジをシェイクして、ピストンを見ると下がった距離はさっきと全く同じです。「圧力に関係なく一定」です。
(6)今度は指を離してピストンにかけている力を放すと、ピストンは上がっていきます。(ここでも一旦水に溶けた気体は水から出ないものと仮定してます)
(7)上がりきったところを見てみますと、指で押す以前の位置からいくらか下がっています。
(8)その下がった距離は1atmでシェイクして下がった時の距離の2倍になっています。「同圧に換算すると圧力に比例」しました。
こんなイメージですが如何でしょうか？

回答No.3

ht1914

ヘンリーの法則の教科書での表現に無理があります。
気体は体積の変化が分かりやすいので溶解度を体積で表しています。でも体積は温度、圧力を変えると簡単に変わります。よく溶けるとは何をもって言っているのかがどこにも載っていないわけですから分からなくなるのです。おまけに「５０℃、３気圧で溶けた気体の体積を０℃、１気圧に換算して・・・」という文章が出てきたりするともうお手上げです。「圧力を２倍にすると２倍溶ける。溶ける気体の体積は圧力に無関係である」という文章も訳の分からないものですね。説明に苦労しました。
全て溶解度が体積で表されている事による混乱です。
化学の教科書には現象自体に対する理解を深める表現を用いる必要があると思います。現場で使いやすい表現というのを先に出してくるのはおかしいと思います。これが混ざってきているのですね。

２倍溶けるとはどういう事でしょうか。溶け込んでいる気体分子の数が２倍になることです。分子数で比較するということは物質量（単位はｍｏｌ）で比較するということと同じです。溶解度の表が物質量で表されていれば温度によってどの様に変化するかとか酸素と窒素で溶解度がどれくらい違うかは分かりやすいです。それを気体の体積は物質量に比例するからと言って体積にしてしまっています。体積は温度、圧力で変化するので混乱するのです。物質量で比較するためには体積を考える温度、圧力を共通にする必要があります。温度、圧力は２種類出てくるのです。まず溶かすための条件として出てきます。溶けた気体の量を比較するために共通の温度、圧力に持っていくときがもう一つです。この２つが混乱するのです。

私が高校に勤めていたとき気体の溶解度を物質量で表していた教科書は１つしかありませんでした。その教科書を選んだ理由は唯一この表でした。

回答No.2

koz7291

ヘンリーの法則の覚え方が複雑すぎると思います。
「(一定温度のもとで)気体の溶解度Cは、その気体の圧力pに比例する。すなわち、C=kp(kは比例定数)」
と覚えてはいかがでしょうか。
　ここで、「気体の溶解度」をどうやって表すか、のときに、圧力やら体積やらがかかわってきます。間違いのないのは、物質量で比較することですが、気体の量は、同温同圧(0 ℃・1 atmなど)の体積で表すことが多いので、ご質問のような表現が現れてくるのだと思います。上の覚え方の補足として、「気体の溶解度」を「一定量の液体に溶ける同温同圧の気体の体積」とすればよいと思います。

補足

no1,no2様、ありがとうございます。しかし自分の能力がないため、いまいち理解できません。

回答No.1

Ichitsubo

水に溶けている気体を全て取り出して容器に入れます。
体積を量りたいのですが、体積は圧力で変化するのはご存じですよね。ということで、圧力いくらで量った体積なのかを言う必要があります。

さて、まず気体を水に溶かしましょう。圧力をかけて水に押し込んでやりましょう。圧力Pで水に溶かしました。とけている気体を別の容器にとりだします。取り出された気体の圧力はP'でした。このときの体積はVでした。
今度は2倍の圧力で溶かします。やっぱり別の陽気に取り出します。取り出された気体の圧力はP'でした。このときの体積は2Vになります。
これが、「一定量の液体に溶ける気体の体積は、(測定時)同圧に換算すると→(溶解させたときの)圧力に比例する」と言う意味です。

さて、今度は溶かしたときの圧力で計ります。
圧力Pで溶かして、別の容器に取り出して圧力をPに調整して体積を量るとV'でした。
圧力2Pで溶かした物も、別の容器に取り出して圧力を2Pにして体積を量るとV'になります。
これが「一定量の液体に溶ける気体の体積は、(測定時と溶かしたときとを同じ)圧力とすると→圧力に関係なく一定。」と言う意味です。