気体の溶解度とヘンリーの法則

気体の溶解度が温度が高いほど小さくなることと、ヘンリーの法則（一定温度で溶ける気体の物質量は、その気体の分圧に比例する。溶けた気体の体積はその圧力のもとで測ると一定）を使って、記述の正誤を判定できる。アンモニアのように非常によく溶ける気体では成り立ちにくいことも判定できる

前提

固体の溶解度と再結晶（高校化学溶液の性質（知識））
分圧の法則とモル分率（高校化学物質の状態と気体（知識））

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分圧の法則とモル分率（高校化学物質の状態と気体（知識））

説明

酸素や窒素などの気体がどれだけ水に溶けるかは、温度と圧力で変わります。この技能では、気体の溶解度が温度が高いほど小さくなることと、溶ける気体の物質量がその気体の分圧に比例するというヘンリーの法則を理解し、気体の溶解について述べた文の正誤を判定できるようになります。炭酸飲料の栓を開けると泡が出る、温めた水から気泡が出る、といった身近な現象の説明にも使います。

なぜそうしてよいのか

気体が水に溶けている状態では、気体の分子が水面から水の中に入る動きと、水の中から気体側へ飛び出す動きがつり合っています。温度を上げると水中の気体分子の熱運動が激しくなり、水分子との引き合いを振り切って飛び出しやすくなるので、つり合ったときに溶けている量は少なくなります。つまり固体の多くとは逆に、気体の溶解度は温度が高いほど小さくなります。温めた水の中に小さな泡が出てくるのは、溶けきれなくなった空気が出てくるためです。

一方、温度を一定にして、水に接している気体の圧力（混合気体ならその気体の分圧）を大きくすると、水面に当たる分子の数が増え、水に入る分子が増えます。その結果、つり合ったときに溶けている量も圧力に比例して増えます。これがヘンリーの法則です：「温度が一定なら、一定量の溶媒に溶ける気体の物質量（質量）は、その気体の分圧に比例する」。混合気体では、各気体がそれぞれ自分の分圧に応じて溶けます。

溶けた気体の量を体積で表すときは注意が必要です。圧力を 2 倍にすると溶ける物質量は 2 倍になりますが、それを「その圧力（2 倍の圧力）のもとで」測った体積は、ボイルの法則で半分に縮むので、結局もとと同じ体積になります（ $V = \frac{n R T}{P}$ で $n$ と $P$ がともに 2 倍）。一方、標準状態など一定の圧力に換算した体積で表せば、物質量と同じく圧力に比例して 2 倍になります。なお、この法則は溶解度が小さく、水と反応しない気体（ $O_{2}$ 、 $N_{2}$ 、 $H_{2}$ など）でよく成り立ち、アンモニア $N H_{3}$ や塩化水素 $HCl$ のように水に非常によく溶ける気体では成り立ちにくくなります。

手順

温度についての記述なら、「気体の溶解度は温度が高いほど小さい」に照らして判定する
圧力についての記述なら、温度一定のとき、溶ける気体の物質量（質量）はその気体の分圧に比例する、に照らして判定する（混合気体では全圧ではなく分圧を使う）
体積についての記述なら、どの圧力で測った体積かを確かめる: 溶けたときの圧力のもとで測れば圧力によらず一定、標準状態などに換算すれば圧力に比例する
気体の種類を確かめる: $N H_{3}$ や $HCl$ のように水に非常によく溶ける気体では、ヘンリーの法則は成り立ちにくい

例題

気体の水への溶解について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア一定量の水に溶ける酸素の物質量は、水と接する酸素の圧力が一定なら、温度が高いほど多くなる。
イ温度を一定に保ち、水と接する酸素の圧力を 2 倍にすると、一定量の水に溶ける酸素の物質量も 2 倍になる。
ウ温度を一定に保ち、水と接する窒素の圧力を 2 倍にしても、溶けた窒素の体積を標準状態（ $0^{\circ} C$ 、 $1.013 \times 1 0^{5} Pa$ ）に換算した値は変わらない。
エアンモニアのように水に非常によく溶ける気体でも、ヘンリーの法則はよく成り立つ。

例題の解答

ア: 手順 1 を使う。気体の溶解度は温度が高いほど小さいので、溶ける酸素は少なくなる。誤り。

イ: 手順 2 を使う。温度一定で、溶ける気体の物質量は圧力に比例するので、圧力を 2 倍にすれば物質量も 2 倍になる。正しい。

ウ: 手順 3 を使う。溶ける窒素の物質量は 2 倍になるので、標準状態という一定の圧力に換算した体積も 2 倍になる。変わらないのは「溶けたときの圧力のもとで測った体積」である。誤り。

エ: 手順 4 を使う。アンモニアのように水に非常によく溶ける気体では、ヘンリーの法則は成り立ちにくい。誤り。

よって正しいのはイ。

答え:

イ

よくある誤り

固体と同じように、気体も温度が高いほどよく溶けるとしてしまう誤り。正しくは、気体の溶解度は温度が高いほど小さい。水を温めると溶けていた空気が泡となって出てくる
混合気体（例えば空気）が接しているとき、全圧に比例して各気体が溶けるとしてしまう誤り。正しくは、それぞれの気体の分圧に比例する。全圧 $1.0 \times 1 0^{5} Pa$ で酸素の体積百分率が $20 %$ なら、酸素の溶ける量は分圧 $2.0 \times 1 0^{4} Pa$ で決まる
「溶ける気体の体積は圧力に比例する」と、測る圧力を区別せずに覚えてしまう誤り。正しくは、物質量は圧力に比例するが、溶けたときの圧力のもとで測った体積は $V = \frac{n R T}{P}$ で $n$ と $P$ がともに 2 倍になるので一定。標準状態に換算した体積なら圧力に比例する
どの気体にもヘンリーの法則がよく成り立つとしてしまう誤り。正しくは、 $N H_{3}$ や $HCl$ のように水に非常によく溶ける気体では成り立ちにくく、 $O_{2}$ ・ $N_{2}$ のように溶解度の小さい気体でよく成り立つ

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
水に対する気体の溶解度について述べた文として最も適当なものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。ただし、水の量は一定とする。
- ア　水に溶けにくい気体の水への溶解度は、温度が高いほど大きくなる。
- イ　温度が一定のとき、水に溶ける窒素の物質量は、水に接している窒素の圧力に比例する。
- ウ　温度が一定のとき、水に接している酸素の圧力を 2 倍にすると、水に溶ける酸素の物質量は $\frac{1}{2}$ 倍になる。
- エ　アンモニアのように水に非常によく溶ける気体でも、ヘンリーの法則はよく成り立つ。

この技能を使う問題

難易度 4（国公立二次の標準レベル）

水への溶解度が小さく、水と反応しない気体 X がある。温度を一定に保ったまま、一定量の水に気体 X だけを接触させて、十分に時間をおいて溶解平衡にした。次に、温度を同じに保ったまま、水に接している気体 X の圧力をはじめの 2 倍にして、再び溶解平衡にした。

圧力を 2 倍にしたとき、水に溶けている気体 X の物質量は、はじめと比べて（ a ）。また、水に溶けている気体 X の体積を、そのときの温度と、そのとき水に接している気体 X の圧力のもとで測った値に換算すると、はじめと比べて（ b ）。

空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、次のア〜カから 1 つ選べ。ただし、気体 X は理想気体とみなせるものとする。

	a	b
ア	2 倍になる	2 倍になる
イ	変わらない	2 倍になる
ウ	$\frac{1}{2}$ 倍になる	変わらない
エ	2 倍になる	変わらない
オ	変わらない	変わらない
カ	2 倍になる	$\frac{1}{2}$ 倍になる

この技能の次に学べること

ヘンリーの法則と溶ける気体の物質量（高校化学溶液の性質）