気体の溶解度（ヘンリーの法則・体積や圧力との関係・計算問題）

【プロ講師解説】このページでは『気体の溶解度（ヘンリーの法則を使った計算問題の解き方や体積や圧力との関係など）』について解説しています。解説は高校化学・化学基礎を扱うウェブメディア『化学のグルメ』を通じて6年間大学受験に携わるプロの化学講師が執筆します。

気体の溶解度

温度(高) ・圧力(小) → 溶解度(小)

Point!

気体の溶解度は温度が高いほど、圧力が小さいほど低くなる。

ヘンリーの法則

温度が一定のとき、気体の溶解度はその気体の圧力に比例する。これをヘンリーの法則という。

ヘンリーの法則は、水への溶解度が小さい（＝水との反応性が小さい）気体において成立する。（アンモニアNH₃や塩化水素HClなど水に溶けやすい気体には適用不可）

気体の溶解度計算（ヘンリーの法則を使った計算）

１種類の気体を溶解させるパターン

問題

0℃で酸素の圧力を2.0×10⁵Paにした。このとき2.0Lの水に溶ける酸素は何Lか。ただし、酸素は0℃、1.0×10⁵Paにおいて、水1.0Lに4.9×10^-2L溶けるものとする。

ヘンリーの法則より、気体の溶ける量は圧力に比例する。また、当然水量にも比例する。
したがって、この問題は次のような式を使って解くことができる。

基準の量 × 圧力比 × 水量比

Point!

\[
4.9×10^{-2}(L)×\color{#3ADF00}{ \frac{ 2.0×10^{5}(Pa) }{ 1.0×10^{5}(Pa) }}× \color{#01DFD7}{\frac{ 2.0(L) }{ 1.0(L) }}\\
≒0.20(L)
\]

２種類の気体を溶解させるパターン

問題

酸素と窒素が1:4の体積比で混合した標準状態（0℃、1.0×10⁵Pa）の空気がある。このとき、以下の問いに答えなさい。ただし、0℃、1.0×10⁵Paのもとで1.0Lの水に窒素は23mL、酸素は49mL溶けるものとする。

（１）この空気と接している水2.0Lに溶解している窒素の体積(mL)を求めよ。
（２）この空気と接している水3.0Lに溶解している酸素の物質量(mol)を求めよ。
（３）この空気と接している水10Lに溶解している窒素と酸素の質量比（N₂/O₂）を求めよ。

（１）

分圧・全圧・モル分率にある「分圧＝全圧×モル分率」の公式より、窒素の分圧は次のようになる。

\[
1.0×10^{5}×\frac{ 4 }{ 5 }
\]

したがって、次のような式をたてることができる。

\[
23(mL)×\color{#3ADF00}{ \frac{ 1.0×10^{5}(Pa)×\frac{ 4 }{ 5 } }{ 1.0×10^{5}(Pa) }}× \color{#01DFD7}{\frac{ 2.0(L) }{ 1.0(L) }}\\
≒37(mL)
\]

（２）
酸素の分圧を上と同様に求めると…

\[
1.0×10^{5}×\frac{ 1 }{ 5 }
\]

となる。
これを用いて式をたてると…

\[
\frac{ 49(mL)×\color{#3ADF00}{ \frac{ 1.0×10^{5}(Pa)×\frac{ 1 }{ 5 } }{ 1.0×10^{5}(Pa) }}× \color{#01DFD7}{\frac{ 3.0(L) }{ 1.0(L) }}}{ 22400(mL/mol) }\\
≒1.3×10^{-3}(mol)
\]

（３）
分母がO₂のg、分子がN₂のgになるように単位を揃えて約分すれば良い。

\[
\frac{w_{N_{2}}(g)}{w_{O_{2}}(g)}\\
=\frac{
\frac{ 23(mL)×\color{#3ADF00}{ \frac{ 1.0×10^{5}(Pa)×\frac{ 4 }{ 5 } }{ 1.0×10^{5}(Pa) }}× \color{#01DFD7}{\frac{ 10(L) }{ 1.0(L) }}}{ 22400(mL/mol) }×28(g/mol) }
{
\frac{ 49(mL)×\color{#3ADF00}{ \frac{ 1.0×10^{5}(Pa)×\frac{ 1 }{ 5 } }{ 1.0×10^{5}(Pa) }}× \color{#01DFD7}{\frac{ 10(L) }{ 1.0(L) }}}{ 22400(mL/mol) }×32(g/mol) }\\
≒1.6
\]

問題演習

問１

【】に当てはまる用語を答えよ。

気体の溶解度は【１（高or低）】温・【２（高or低）】圧で大きくなる。

【問１】解答/解説：タップで表示

解答：【１】低【２】高

気体は低温・高圧条件下で水によく溶ける。

問２

【】に当てはまる用語を答えよ。

温度が一定のとき、気体の溶解度はその気体の圧力に比例する。これを【１】の法則という。【１】の法則は、水への溶解度が【２（大きor小さ）】い気体において成り立つ。したがって、NH₃など水によく溶ける気体には当てはま【３（るorらない）】。

【問２】解答/解説：タップで表示

解答：【１】ヘンリー【２】小さ【３】らない