亨利定律,是由威廉·亨利所發現的一個氣體的定律。
亨利定律的公式為:
- 其中:
- 為氣體的分壓;
- 為溶於溶劑內的體積莫耳濃度;
- 為亨利常數,其單位為L-atm/mol,atm/莫耳分率 或是 Pa-m3/mol;
取自然對數後,這個公式會讓我們更容易了解。
某些氣體的常數如下:
- 氧氣 (O2) : 769.2 L-atm/mol;
- 二氧化碳 (CO2) : 29.4 L-atm/mol;
- 氫氣 (H2) : 1282.1 L-atm/mol;
當這些氣體溶解於S.T.P.的水中時,其選用之濃度表示法應為體積莫耳濃度,L為溶液的升數;atm為溶液上的氣體分壓;mol為溶於溶劑中的莫耳數。值得注意的是:亨利常數的k值會隨著溶劑和溫度變化。
亨利定律與拉烏爾定律都和其蒸氣壓的成分對濃度有關。且我們可以以更簡單的方式替換式子中的莫耳濃度為莫耳分率。當選用的是莫耳分率而不是體積莫耳濃度時,k值與其單位均會改變。
- 亨利定律:
- 拉烏爾定律:
兩者間不同處在於,p*是某一物質的平衡蒸氣壓,因此亨利常數kH是不同於p*的值。另外,亨利定律是由混合相中實驗所產生而非純物質。
如果此溶液為理想溶液(雖然幾乎都不是),則所有的成分均會遵守拉烏爾定律。在大部分的反應系統中,只有稀薄溶液才可以適用。在這種情況下,溶質遵守亨利定律;而溶劑遵守拉烏爾定律。偏莫耳量的集合公式可以證明此種關係。
下列有許多不同的亨利常數表達法:
表 1: 不同形式的亨利定律與其常數(於298K下的水溶液)
方程式: |
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單位: |
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─
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氧 |
1.3 E-3 |
769.23 |
4.259 E4 |
3.180 E-2
|
氫 |
7.8 E-4 |
1282.05 |
7.099 E4 |
1.907 E-2
|
二氧化碳 |
3.4 E-2 |
29.41 |
0.163 E4 |
0.8317
|
氮 |
6.1 E-4 |
1639.34 |
9.077 E4 |
1.492 E-2
|
氦 |
3.7 E-4 |
2702.7 |
14.97 E4 |
9.051 E-3
|
氖 |
4.5 E-4 |
2222.22 |
12.30 E4 |
1.101 E-2
|
氬 |
1.4 E-3 |
714.28 |
3.955 E4 |
3.425 E-2
|
一氧化碳 |
9.5 E-4 |
1052.63 |
5.828 E4 |
2.324 E-2
|
其中:
- = 每一公升中所含的摩爾數
- = 溶液的升數
- = 未溶解於溶劑中的氣體分壓,以大氣壓表示
- = 溶液中的莫耳分率
- = 大氣壓(絕對壓力)
這些常數的表達方式只是原來常數的倒數而已,如同上表中各項的比較。既然不同形式的kH值都可以當作亨利常數的表達方式,因此在研讀這類資料時,應該更加留意亨利定律的形式。
另一點,亨利定律的適用範圍有限制,他只適用於微溶的狀態下。因此,越是不理想的情況下,其對濃度的依存性就越小,也就越不符合。
他也只適用於未發生化學反應的溶液中。二氧化碳就是個例子,它與水混合會迅速反應成碳酸。
當溫度改變的時候,亨利常數隨即改變。這也就是爲什麽人們喜歡將它稱作亨利係數的原因。下列即是溫度與亨利常數的關係:
其中 (Theta) 指的是標準溫度(298K)。
下面列出了上列方程式的一些常數C值(以凱氏溫標為單位)
表 2: C的值
氣體 |
氧 |
氫 |
二氧化碳 |
氮 |
氦 |
氖 |
氬 |
一氧化碳
|
C |
1700 |
500 |
2400 |
1300 |
230 |
490 |
1300 |
1300
|
氣體的溶解度會隨著溫度的增加而越來越小。像加熱溶有氮氣的水從25 °C 至 95 °C,其溶解度會下降成原來的43%,當加熱的時候,C值也跟著改變了,因此C值也可以計作:
其中 為溶解熱;R為理想氣體常數。
在地球物理學中亨利定律表示惰性氣體溶解在矽酸中的量。用法如:
其中:
- 下標m 為融化的量
- 下標g 為氣體的狀態
- 為密度
- 為溫標的倒數
- 為波茲曼常數
- 和 為溶質在這兩個狀態裏的過量的化學位能。