気体の溶解度に及ぼす圧力の影響:ヘンリーの法則
外圧は液体と固体の溶解度にほとんど影響しない。 これとは対照的に、ガスの溶解度は、溶液の上のガスの分圧が増加するにつれて増加する。, この点は図\(\PageIndex{4}\)に示されており、溶液中の溶存気体分子と溶液上の気相中の分子との間に確立される動的平衡に対する圧力の増加の効果を示してい 気相中の分子の濃度は圧力の増加とともに増加するので、平衡時の溶液中の溶存気体分子の濃度もより高い圧力でより高くなる。,
圧力とガスの溶解度との関係は、発見者であるイギリスの医師で化学者であるWilliam Henry(1775-1836)にちなんで命名されたHenryの法則によって定量的に記述される。
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ここで、
- \(C\)は平衡時の溶存ガスの濃度である。
- \(P\)は気体の分圧であり、
- \(k\)はヘンリーの法則の定数であり、気体、溶媒、温度の各組み合わせについて実験的に決定されなければならない。,
ガス濃度は任意の便利な単位で表すことができますが、モル濃度のみを使用します。 したがって、ヘンリーの法則の定数の単位はmol/(L·atm)=M/atmである。 20℃の水中のいくつかのガスの溶液に対するヘンリーの法則の定数の値は、表\(\PageIndex{1}\)に記載されています。
表\(\PageIndex{1}\)のデータが示すように、与えられた圧力での水中の溶存ガスの濃度は、その物理的性質に強く依存する。 一連の関連物質については、分子量が大きくなるにつれて分散力が増加する。, したがって、グループ18の要素の中で、ヘンリーの法則の定数はHeからNe、Arにスムーズに増加します。 表はまた、\(O_2\)が\(N_2\)とほぼ二倍の可溶性であることを示しています。 ロンドン分散力はこのような大きな違いを説明するには弱すぎるが、\(O_2\)は常磁性であり、したがって\(N_2\)よりも分極可能であり、その高い溶解度を説明する。
水と反応するガスはヘンリーの法則に従わない。
ヘンリーの法則は重要なアプリケーションを持っています。, 例えば、炭酸飲料が\(CO_2\)の下で1気圧より大きい圧力で瓶詰めされたため、炭酸飲料が開かれるとすぐに\(CO_2\)の泡が形成される。 びんが開くとき、解決の上の\(CO_2\)の圧力は急速に低下し、分解されたガスの一部は泡として解決から脱出します。 ヘンリーの法則はまた、スキューバダイバーが圧縮空気を呼吸している場合、ダイビング後にゆっくりと表面に上昇するように注意しなければならない理 水の下のより高い圧力で、空気からのより多くのN2はダイバーの内部液体で分解する。, ダイバーがあまりにも速く上昇すると、急速な圧力変化によりN2の小さな泡が体全体に形成され、これは”曲がり”と呼ばれる状態になります。”これらの気泡ができるブロック血液の流れを通じて、微小血があまりにも大きな痛みをとも証明致命的な場合があります。
水中の\(O_2\)に対するヘンリーの法則の定数が低いため、水中の溶存酸素のレベルはヒトを含む多細胞生物のエネルギー需要を支えるには低すぎ, 内部流体中の\(O_2\)濃度を増加させるために、生物は\(O_2\)に可逆的に結合する高度に可溶性の担体分子を合成する。 例えば、ヒト赤血球にはヘモグロビンと呼ばれるタンパク質が含まれており、これは\(O_2\)と特異的に結合し、肺から組織への輸送を促進し、そこで食物分子を酸化してエネルギーを供給するために使用される。 正常な血液中のヘモグロビンの濃度は約2.2mmであり、各ヘモグロビン分子は四つの\(O_2\)分子に結合することができる。, 血清中の溶解\(O_2\)の濃度は37℃（正常体温）でわずか0.010mMであるが、総溶解\(O_2\)濃度は8.8mmであり、ヘモグロビンなしで可能であるよりもほぼ千倍 全血の緊急代替用としてふっ素化アルカンをベースとした合成酸素担体を開発した。 寄付された血液とは異なり、これらの”血液代替物”は冷凍を必要とせず、長い貯蔵寿命を有する。, \(O_2\)に対するそれらの非常に高いヘンリーの法則の定数は、通常の血液中のそれらに匹敵する溶存酸素濃度をもたらす。
