La legge di Henry: equazione, deviazione, applicazioni
La legge di Henry afferma che a una temperatura costante, la quantità di gas disciolto in un liquido è direttamente proporzionale alla sua pressione parziale sulla superficie del liquido.
Fu postulato nell'anno 1803 dal fisico e chimico inglese William Henry. La sua legge può anche essere interpretata in questo modo: se aumenta la pressione sul liquido, maggiore è la quantità di gas disciolto in esso.
Qui il gas è considerato come il soluto della soluzione. A differenza del soluto solido, la temperatura ha un effetto negativo sulla sua solubilità. Quindi, all'aumentare della temperatura, il gas tende a sfuggire dal liquido più facilmente verso la superficie.
Questo perché l'aumento della temperatura fornisce energia alle molecole gassose, che si scontrano tra loro per formare bolle (immagine in alto). Quindi, queste bolle superano la pressione esterna e sfuggono dal seno liquido.
Se la pressione esterna è molto alta e il liquido rimane freddo, le bolle saranno solubilizzate e solo poche molecole gassose "perseguiteranno" la superficie.
Equazione di Henry's Law
Può essere espresso dalla seguente equazione:
P = K H ∙ C
Dove P è la pressione parziale del gas disciolto; C è la concentrazione del gas; e K H è la costante di Henry.
È necessario capire che la pressione parziale di un gas è quella che individualmente esercita una sorta di resto della miscela totale di gas. E la pressione totale non è più della somma di tutte le pressioni parziali (legge di Dalton):
P Totale = P 1 + P 2 + P 3 + ... + P n
Il numero di specie gassose che compongono la miscela è rappresentato dal n . Per esempio, se sulla superficie di un liquido ci sono vapore acqueo e CO 2, n è uguale a 2.
deviazione
Per i gas che sono poco solubili nei liquidi, la soluzione si avvicina idealmente alla legge di Henry per il soluto.
Tuttavia, quando la pressione è alta, si verifica una deviazione da Henry, perché la soluzione si ferma comportandosi come una diluizione ideale.
Cosa significa? Che le interazioni soluto-soluto e soluto-solvente inizino ad avere i loro effetti. Quando la soluzione è molto diluita, le molecole di gas sono "esclusivamente" circondate da solvente, disprezzando i possibili incontri tra loro.
Pertanto, quando la soluzione non è più ideale, la perdita del comportamento lineare è osservata nel grafico P i vs X i .
In conclusione a questo aspetto: la legge di Henry determina la tensione di vapore di un soluto in una soluzione diluita ideale. Mentre per il solvente si applica la legge di Raoult:
P A = X A ∙ P A *
Solubilità di un gas nel liquido
Quando un gas è ben disciolto in un liquido, come lo zucchero nell'acqua, non può essere distinto dall'ambiente, formando così una soluzione omogenea. In altre parole: non si osservano bolle nel liquido (o cristalli di zucchero).
Tuttavia, la solvatazione efficiente delle molecole gassose dipende da alcune variabili quali: la temperatura del liquido, la pressione che lo influenza e la natura chimica di queste molecole rispetto a quelle del liquido.
Se la pressione esterna è molto alta, aumentano le probabilità che il gas penetri nella superficie del liquido. E d'altra parte, le molecole gassose disciolte sono più difficili da superare la pressione incidente per sfuggire all'esterno.
Se il sistema gas-liquido è sotto agitazione (come accade nel mare e nelle pompe d'aria all'interno del serbatoio), l'assorbimento del gas è favorito.
E, in che modo la natura del solvente influisce sull'assorbimento di un gas? Se è polare, come l'acqua, mostrerà affinità per i soluti polari, cioè per quei gas che hanno un momento di dipolo permanente. Mentre se non è polare, come gli idrocarburi o i grassi, preferirà le molecole gassose apolari
Ad esempio, l'ammoniaca (NH 3 ) è un gas molto solubile in acqua a causa delle interazioni con i legami dell'idrogeno. Mentre l'idrogeno (H 2 ), la cui piccola molecola è apolare, interagisce debolmente con l'acqua.
Inoltre, a seconda dello stato del processo di assorbimento del gas nel liquido, in essi possono essere stabiliti i seguenti stati:
insaturi
Il liquido è insaturo quando è in grado di sciogliere più gas. Questo perché la pressione esterna è maggiore della pressione interna del liquido.
saturato
Il liquido stabilisce un equilibrio nella solubilità del gas, il che significa che il gas fuoriesce alla stessa velocità con cui entra nel liquido.
Può anche essere visto come segue: se tre molecole di gas sfuggono nell'aria, altre tre ritorneranno al liquido allo stesso tempo.
supersaturated
Il liquido è supersaturo di gas quando la sua pressione interna è superiore alla pressione esterna. E, prima di un minimo cambiamento nel sistema, rilascerà il gas disciolto in eccesso fino al ripristino dell'equilibrio.
applicazioni
- La legge di Henry può essere applicata per calcolare l'assorbimento di gas inerti (azoto, elio, argon, ecc.) In diversi tessuti del corpo umano e che insieme alla teoria di Haldane sono alla base delle tabelle di decompressione.
- Un'applicazione importante è la saturazione del gas nel sangue. Quando il sangue è insaturo, il gas si dissolve in esso, fino a quando non si satura e smette di dissolversi di più. Una volta che questo accade, il gas disciolto nel sangue va in aria.
- La gassificazione delle bevande analcoliche è un esempio della legge di Henry applicata. Le bevande analcoliche hanno sciolto la CO 2 ad alte pressioni, mantenendo così ciascuna delle componenti combinate che la compongono; e inoltre, mantiene il sapore caratteristico per molto più tempo.
Quando la bottiglia di soda è scoperta, la pressione sul liquido diminuisce, rilasciando immediatamente la pressione.
Poiché la pressione sul liquido è ora inferiore, la solubilità della CO 2 scende e si disperde nell'ambiente (si può notare nell'aumento delle bolle dal fondo).
- Quando un subacqueo scende a profondità maggiori, l'azoto inalato non può sfuggire perché la pressione esterna lo impedisce, dissolvendosi nel sangue dell'individuo.
Quando il subacqueo sale rapidamente in superficie, dove la pressione esterna diminuisce, l'azoto comincia a gonfiarsi nel sangue.
Ciò causa ciò che è noto come disagio da decompressione. È per questo motivo che i subacquei sono tenuti ad ascendere lentamente, in modo che l'azoto fuoriesce più lentamente dal sangue.
- Studio degli effetti della diminuzione dell'ossigeno molecolare (O 2 ) disciolti nel sangue e nei tessuti di alpinisti o praticanti di attività che comportano un soggiorno prolungato in alta quota, nonché in abitanti di luoghi piuttosto alti.
- Ricerca e miglioramento dei metodi utilizzati per evitare disastri naturali che possono essere causati dalla presenza di gas disciolti in enormi corpi idrici che possono essere rilasciati in modo violento.
Esempi
La legge di Henry si applica solo quando le molecole sono in equilibrio. Ecco alcuni esempi:
- Nella soluzione di ossigeno (O 2 ) nel fluido ematico, questa molecola è considerata scarsamente solubile in acqua, sebbene la sua solubilità aumenti a causa dell'alto contenuto di emoglobina in esso. Pertanto, ogni molecola di emoglobina può legarsi a quattro molecole di ossigeno che vengono rilasciate nei tessuti da utilizzare nel metabolismo.
- Nel 1986 ci fu una fitta nube di anidride carbonica che fu improvvisamente espulsa dal lago Nyos (situato in Camerun), soffocando circa 1700 persone e un gran numero di animali, come spiegato da questa legge.
- La solubilità che un certo gas si manifesta in una specie liquida di solito aumenta all'aumentare della pressione del gas, sebbene a pressioni elevate vi siano alcune eccezioni, come le molecole di azoto (N 2 ).
- La legge di Henry non è applicabile quando c'è una reazione chimica tra la sostanza che agisce come un soluto e quella che agisce come un solvente; Questo è il caso degli elettroliti, come l'acido cloridrico (HCl).
