亨利定律,是由威廉·亨利所发现的一个气体的定律。
亨利定律的公式为:
- 其中:
- 为气体的分压;
- 为溶于溶剂内的体积摩尔浓度;
- 为亨利常数,其单位为L-atm/mol,atm/摩尔分数 或是 Pa-m3/mol;
取自然对数后,这个公式会让我们更容易了解。
某些气体的常数如下:
- 氧气 (O2) : 769.2 L-atm/mol;
- 二氧化碳 (CO2) : 29.4 L-atm/mol;
- 氢气 (H2) : 1282.1 L-atm/mol;
当这些气体溶解于S.T.P.的水中时,其选用之浓度表示法应为体积摩尔浓度,L为溶液的升数;atm为溶液上的气体分压;mol为溶于溶剂中的摩尔数。值得注意的是:亨利常数的k值会随着溶剂和温度变化。
亨利定律与拉乌尔定律都和其蒸气压的成分对浓度有关。且我们可以以更简单的方式替换式子中的摩尔浓度为摩尔分数。当选用的是摩尔分数而不是体积摩尔浓度时,k值与其单位均会改变。
- 亨利定律:
- 拉乌尔定律:
两者间不同处在于,p*是某一物质的平衡蒸气压,因此亨利常数kH是不同于p*的值。另外,亨利定律是由混合相中实验所产生而非纯物质。
如果此溶液为理想溶液(虽然几乎都不是),则所有的成分均会遵守拉乌尔定律。在大部分的反应系统中,只有稀薄溶液才可以适用。在这种情况下,溶质遵守亨利定律;而溶剂遵守拉乌尔定律。偏摩尔量的集合公式可以证明此种关系。
下列有许多不同的亨利常数表达法:
表 1: 不同形式的亨利定律与其常数(于298K下的水溶液)
方程: |
|
|
|
|
单位: |
|
|
|
─
|
氧 |
1.3 E-3 |
769.23 |
4.259 E4 |
3.180 E-2
|
氢 |
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
|
氩 |
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:
- = 每一升中所含的摩尔数
- = 溶液的升数
- = 未溶解于溶剂中的气体分压,以大气压表示
- = 溶液中的摩尔分数
- = 大气压(绝对压强)
这些常数的表达方式只是原来常数的倒数而已,如同上表中各项的比较。既然不同形式的kH值都可以当作亨利常数的表达方式,因此在研读这类资料时,应该更加留意亨利定律的形式。
另一点,亨利定律的适用范围有限制,他只适用于微溶的状态下。因此,越是不理想的情况下,其对浓度的依存性就越小,也就越不符合。
他也只适用于未发生化学反应的溶液中。二氧化碳就是个例子,它与水混合会迅速反应成碳酸。
当温度改变的时候,亨利常数随即改变。这也就是为什么人们喜欢将它称作亨利系数的原因。下列即是温度与亨利常数的关系:
其中 (Theta) 指的是标准温度(298K)。
下面列出了上列方程的一些常数C值(以凯氏温标为单位)
表 2: C的值
气体 |
氧 |
氢 |
二氧化碳 |
氮 |
氦 |
氖 |
氩 |
一氧化碳
|
C |
1700 |
500 |
2400 |
1300 |
230 |
490 |
1300 |
1300
|
气体的溶解度会随着温度的增加而越来越小。像加热溶有氮气的水从25 °C 至 95 °C,其溶解度会下降成原来的43%,当加热的时候,C值也跟着改变了,因此C值也可以计作:
其中 为溶解热;R为理想气体常数。
在地球物理学中亨利定律表示惰性气体溶解在硅酸中的量。用法如:
其中:
- 下标m 为融化的量
- 下标g 为气体的状态
- 为密度
- 为温标的倒数
- 为玻尔兹曼常数
- 和 为溶质在这两个状态里的过量的化学势能。