家中的魚缸 會設置打氣系統 來增加水中的溶氧 讓魚蝦可以健康生長 魚塭中也會有電動打氣機 養殖曝氣管來增加空氣與水的接觸頻率 讓足夠的氧氣溶解在水中 如果魚缸或靜置的湖水沒有打氣系統 我們怎麼知道溶進去的氧氣有多少？ 又有什麼方法可以增加溶氧量呢？ 我們首先先來複習一下溶解度的定義： 定溫、定壓下 定量溶劑中 所能溶解溶質的最大量 即為該溫度下的溶解度 常以符號s 單位為M來表示 若溶質為固態或液態 則壓力對溶解度的影響很小 但若溶質為氣態時 壓力對溶解度的影響便極為顯著 舉例來說： 在一個放有定量溶劑的可壓縮密閉容器中 液面上充入一氧化碳氣體 在系統定溫、一氧化碳定壓的情況下 當每單位時間內 一氧化碳氣體從液相離開重回氣相的分子數 與一氧化碳從氣相溶進液相中的分子數相同時 稱為一氧化碳的溶解平衡 如果增加外界壓力以壓縮容器使其體積縮小 會使液面上的一氧化碳氣體壓力增加 此時一氧化碳氣體分子撞擊液面的機率上升 因而使一氧化碳氣體溶進液體內的數目增加 也就是指一氧化碳氣體的溶解度增加了 亦即當一氧化碳壓力增加時 一氧化碳氣體的溶解度會隨之增加 若在定溫下 改變液面上特定氣體的壓力 例如 氧氣 一氧化碳 氮氣 氦氣 並測得該氣體的溶解度 單位為M 可得此關係圖 由關係圖我們可以看出 氣體的溶解度與液面上該氣體的壓力成正比 根據這個實驗結果 英國化學家亨利在西元1803年 提出了亨利定律 內容為 在定溫下 難溶性的氣體溶質在溶劑中的溶解度 與液面上方該氣體的分壓成正比 其關係式如下 s＝kH×P 式子中 s表示 難溶性氣體在該溶劑中的溶解度 單位為M kH為亨利定律常數 此數值會因氣體或溶劑的種類 以及溫度不同而改變 溫度愈高 kH值愈小 P表示達溶解平衡時 液面上方該氣體的分壓 單位為atm 此亨利定律僅適用於難溶性氣體 例如 氧氣 一氧化碳 氮氣 氦氣 而溶解度較大 或會與溶劑起反應的氣體 例如 氯化氫 氨氣 二氧化硫 氯氣 硫化氫等氣體 皆不適用 氣體溶於液體的溶解度 與氣體的本性 溫度及壓力有關 此圖為1atm下 甲烷 氧氣 一氧化碳與氦氣 在不同溫度下 對水的溶解度曲線 當溫度升高 氣體的動能增加 氣體粒子進入液體後 也較容易逸出液體表面 又因為氣體溶於液體時為放熱反應 因此若提高液體的溫度 會更不利於氣體粒子溶解於液體中 故溫度上升會使氣體的溶解度變小 根據亨利定律所述 在定溫下 難溶性的氣體溶質在溶劑中的溶解度 單位 mol/L 與液面上方該氣體的分壓 單位 大氣壓 成正比 s正比於P 亦可說每單位體積的溶劑 溶解進去的氣體莫耳數與液面上氣體的分壓成正比 n正比於P 又氣體的莫耳數 n=W/M 且該氣體的分子量是一定值 故我們可以將此觀念延伸為 定溫下 定量溶劑中 所能溶解的難溶性氣體之質量W 與該氣體在液面上的壓力成正比 如關係圖所示 W正比於P 接著 我們令W=kP 將其代入PV＝nRT＝W/M RT中 故 PV＝kP/M RT 兩邊銷掉P之後 可得V＝kRT/M 由於k R T M均不變 故可知溶進去液體中的氣體體積V為定值 亦即 定溫下 定量溶劑所能溶解的難溶性氣體體積 與該氣體於液面上的壓力大小無關 接下來我們以實例來了解氣體壓力對溶解度的影響 若已知在25℃下 760毫米汞柱的氧氣在水中的溶解度為1.5×10^mol/L 如圖中的A瓶 則同溫下 密閉容器中有760毫米汞柱的空氣時 如圖中的B瓶 氧氣在水中的溶解度應為多少 假設氧氣在空氣中的體積含量百分率為20% 則B瓶中 氧氣的壓力為760×20% 又根據亨利定律 氣體的溶解度正比於該氣體在液面上的壓力 s正比於P 故此時B瓶中氧氣的溶解度s應為 1.5×10^×760×20%/760 = 3.0×10^ 試試看 你會了嗎 若在25℃下 1 atm的氧氣在100毫升的水中可以溶解4.80×10^ 克 其溶進的體積為18.33毫升 若溫度不變 則1 atm的空氣與200毫升的水達溶解平衡時 約可溶解多少克的氧氣 其體積為多少 假設氧氣在空氣中體積的含量百分率為20% 1 atm的空氣中有1×20%=0.2 atm的氧氣 根據亨利定律觀念的延伸 W正比於P 則此時100毫升的水可以溶解氧氣W=4.80×10^×0.2/1 =9.6×10^克 故200毫升的水 可以溶解氧氣W´=9.6×10^×2 =1.92×10^克 又溶進的氧氣體積與液面上該氣體的分壓無關 但因水量變為兩倍 故溶解的氧氣體積應為18.33×2=36.66毫升 在日常生活中 我們也會看到氣體的溶解度受到壓力影響的例子 例如 一般汽水瓶內所填充的二氧化碳壓力大約為2.8大氣壓 因此市售的密封汽水會含有很高濃度的二氧化碳氣體 當我們打開汽水瓶蓋的瞬間 汽水上方的高壓二氧化碳馬上衝出瓶外 使得壓力驟降 汽水中可溶解的二氧化碳量會隨之減少 因此原本溶於汽水中的二氧化碳便會不斷快速冒出 而在一個沒有打氣系統的靜置湖水 湖水的上方因為有空氣 而空氣中的氧氣會與湖水達到溶解平衡 故湖水中會有一定的溶氧量 只是若湖水的溫度上升 會降低溶進去的氧氣量 因此我們會禁止工業廢熱水的排放 以避免造成湖水或河川的水溫上升而降低氧氣的溶解度 導致水中生物因溶氧不足而死亡 因此化學知識也與生活息息相關 你說是嗎 我們來複習一下 這個單元學到的觀念 1. 在定溫下 難溶性的氣體溶質在溶劑中的溶解度 與液面上方該氣體的分壓成正比 此即為亨利定律 2. 我們可以將觀念延伸為 定溫下 難溶性的氣體溶質在溶劑中所溶解的質量 與液面上方該氣體的壓力成正比 但溶解的體積不變 3. 氣體溶解於液體時會放熱 故溫度愈高 氣體溶解度會下降 同學們 看完本單元你是否已經學會 亨利定律以及氣體溶解度的相關知識了呢 歡迎到留言區與我們分享你的學習心得喔 我們下次再見