0℃,101.3KPa时,1kg水中可溶解0.0448L的氧气,则氧气在水中的亨利常数为( )x10^6KPaA. 2.8B. 1.0C. 1.8D. 0.5
A. 2.8
B. 1.0
C. 1.8
D. 0.5
题目解答
答案
解析
本题考查亨利定律的应用。解题思路是先根据理想气体状态方程求出氧气的物质的量,再计算氧气在水中的物质的量浓度,最后利用亨利定律求出亨利常数。
步骤一:计算氧气的物质的量
已知在$0^{\circ}C$($T = 273.15K$),$101.3kPa$($p = 101.3kPa$)时,氧气的体积$V = 0.0448L$。
根据理想气体状态方程$pV = nRT$(其中$R$为理想气体常数,$R = 8.314J\cdot mol^{-1}\cdot K^{-1}$),可得氧气的物质的量$n$为:
$n=\frac{pV}{RT}=\frac{101.3\times10^{3}Pa\times0.0448\times10^{-3}m^{3}}{8.314J\cdot mol^{-1}\cdot K^{-1}\times273.15K}$
$=\frac{101.3\times0.0448}{8.314\times273.15}mol\approx2\times10^{-3}mol$
步骤二:计算氧气在水中的物质的量浓度
已知水的质量$m = 1kg$,水的密度近似为$1000kg/m^{3}$,则水的体积$V_{水}=\frac{m}{\rho}=\frac{1kg}{1000kg/m^{3}} = 1\times10^{-3}m^{3}=1L$。
氧气在水中的物质的量浓度$c$为:
$c=\frac{n}{V_{水}}=\frac{2\times10^{-3}mol}{1L}=2\times10^{-3}mol/L$
步骤三:根据亨利定律计算亨利常数
亨利定律表达式为$p = k_{x}x$($p$为气体的分压,$k_{x}$为亨利常数,$x$为气体在溶液中的摩尔分数),也可表示为$p = k_{c}c$($k_{c}$为以物质的量浓度表示的亨利常数)。
本题中氧气的分压$p = 101.3kPa$,物质的量浓度$c = 2\times10^{-3}mol/L$,则亨利常数$k_{c}$为:
$k_{c}=\frac{p}{c}=\frac{101.3kPa}{2\times10^{-3}mol/L}=5.065\times10^{4}kPa\cdot L/mol$
将其转化为以$10^{6}kPa$为单位:
$k_{c}=5.065\times10^{4}kPa\cdot L/mol=0.5065\times10^{6}kPa\cdot L/mol\approx0.5\times10^{6}kPa\cdot L/mol$
但是这里我们发现没有这个选项,我们重新用$p = k_{x}x$来计算。
水的物质的量$n_{水}=\frac{m}{M}=\frac{1000g}{18g/mol}\approx55.56mol$
氧气的物质的量$n = 2\times10^{-3}mol$
氧气的摩尔分数$x=\frac{n}{n + n_{水}}\approx\frac{2\times10^{-3}mol}{2\times10^{-3}mol + 55.56mol}\approx3.6\times10^{-5}$
根据$p = k_{x}x$,可得亨利常数$k_{x}=\frac{p}{x}=\frac{101.3kPa}{3.6\times10^{-5}}\approx2.8\times10^{6}kPa$