Prawo Henry'ego: równanie, odchylenie, zastosowania
Prawo Henry'ego stwierdza, że przy stałej temperaturze ilość gazu rozpuszczonego w cieczy jest wprost proporcjonalna do jego ciśnienia cząstkowego na powierzchni cieczy.
Został postulowany w roku 1803 przez angielskiego fizyka i chemika Williama Henry'ego. Jego prawo można również interpretować w ten sposób: jeśli ciśnienie cieczy wzrasta, tym większa ilość rozpuszczonego w niej gazu.
Tutaj gaz jest uważany za substancję rozpuszczoną w roztworze. W przeciwieństwie do substancji rozpuszczonej, temperatura ma negatywny wpływ na jej rozpuszczalność. Tak więc, wraz ze wzrostem temperatury, gaz ma tendencję do łatwiejszego wydostawania się z cieczy w kierunku powierzchni.
Wynika to z faktu, że wzrost temperatury dostarcza energię cząsteczkom gazowym, które zderzają się ze sobą tworząc pęcherzyki (górny obraz). Następnie pęcherzyki te pokonują ciśnienie zewnętrzne i uciekają z płynnego sinusa.
Jeśli ciśnienie zewnętrzne jest bardzo wysokie, a ciecz pozostaje chłodna, pęcherzyki zostaną rozpuszczone i tylko kilka gazowych cząsteczek „prześladuje” powierzchnię.
Równanie prawa Henry'ego
Można to wyrazić za pomocą następującego równania:
P = K H ∙ C
Gdzie P jest ciśnieniem cząstkowym rozpuszczonego gazu; C oznacza stężenie gazu; a KH jest stałą Henry'ego.
Konieczne jest zrozumienie, że ciśnienie cząstkowe gazu jest tym, które indywidualnie wywiera rodzaj reszty całej mieszaniny gazów. A całkowite ciśnienie nie jest większe niż suma wszystkich ciśnień cząstkowych (prawo Daltona):
P Razem = P 1 + P 2 + P 3 + ... + P n
Liczba gatunków gazowych tworzących mieszaninę jest reprezentowana przez n . Na przykład, jeśli na powierzchni cieczy znajduje się para wodna i CO2, n jest równe 2.
Odchylenie
W przypadku gazów, które są słabo rozpuszczalne w cieczach, rozwiązanie jest zbliżone do idealnie zgodnego z prawem Henry'ego dla substancji rozpuszczonej.
Jednakże, gdy ciśnienie jest wysokie, występuje odchylenie od Henry'ego, ponieważ roztwór przestaje zachowywać się jak idealne rozcieńczenie.
Co to znaczy? To, że oddziaływanie substancji rozpuszczonej i rozpuszczonej-rozpuszczalnika zaczyna mieć swoje własne skutki. Gdy roztwór jest bardzo rozcieńczony, cząsteczki gazu są „wyłącznie” otoczone rozpuszczalnikiem, gardząc możliwymi spotkaniami między sobą.
Dlatego, gdy rozwiązanie nie jest już idealne, na wykresie P i vs X i obserwuje się utratę zachowania liniowego.
Podsumowując ten aspekt: prawo Henry'ego określa ciśnienie pary substancji rozpuszczonej w idealnym rozcieńczonym roztworze. W przypadku rozpuszczalnika obowiązuje prawo Raoulta:
P A = X A ∙ P A *
Rozpuszczalność gazu w cieczy
Gdy gaz jest dobrze rozpuszczony w cieczy, takiej jak cukier w wodzie, nie można go odróżnić od środowiska, tworząc w ten sposób jednorodny roztwór. Innymi słowy: w cieczy (lub kryształach cukru) nie obserwuje się żadnych pęcherzyków.
Skuteczna solwatacja cząsteczek gazowych zależy jednak od pewnych zmiennych, takich jak: temperatura cieczy, ciśnienie, które na nią wpływa i chemiczna natura tych cząsteczek w porównaniu z cieczą.
Jeśli ciśnienie zewnętrzne jest bardzo wysokie, szanse na przenikanie gazu przez powierzchnię cieczy wzrastają. Z drugiej strony, rozpuszczone cząsteczki gazowe są trudniejsze do pokonania ciśnienia padającego, aby wydostać się na zewnątrz.
Jeśli układ ciecz-gaz jest w trakcie mieszania (jak to ma miejsce w morzu i pompach powietrza wewnątrz zbiornika), preferowana jest absorpcja gazu.
A jak natura rozpuszczalnika wpływa na absorpcję gazu? Jeśli jest polarny, jak woda, będzie wykazywał powinowactwo do polarnych substancji rozpuszczonych, to znaczy do tych gazów, które mają stały moment dipolowy. Jeśli jest niepolarny, taki jak węglowodory lub tłuszcze, preferuje apolarne cząsteczki gazowe
Na przykład amoniak (NH 3 ) jest gazem bardzo dobrze rozpuszczalnym w wodzie z powodu oddziaływań wiązań wodorowych. Podczas gdy wodór (H2), którego mała cząsteczka jest niepolarna, słabo oddziałuje z wodą.
Ponadto, w zależności od stanu procesu absorpcji gazu w cieczy, można ustalić w nich następujące stany:
Nienasycony
Ciecz jest nienasycona, gdy jest w stanie rozpuścić więcej gazu. Dzieje się tak, ponieważ ciśnienie zewnętrzne jest większe niż ciśnienie wewnętrzne cieczy.
Nasycone
Ciecz zapewnia równowagę w rozpuszczalności gazu, co oznacza, że gaz ucieka z taką samą prędkością, z jaką wchodzi do cieczy.
Można to również zobaczyć w następujący sposób: jeśli trzy cząsteczki gazu uciekną do powietrza, trzy inne powrócą do cieczy w tym samym czasie.
Przesycone
Ciecz jest przesycona gazem, gdy jej ciśnienie wewnętrzne jest wyższe niż ciśnienie zewnętrzne. A przed minimalną zmianą w systemie uwolni nadmiar rozpuszczonego gazu do momentu przywrócenia równowagi.
Aplikacje
- Prawo Henry'ego można zastosować do obliczenia absorpcji gazów obojętnych (azotu, helu, argonu itp.) W różnych tkankach ludzkiego ciała, które wraz z teorią Haldana są podstawą tabel dekompresji.
- Ważnym zastosowaniem jest nasycenie gazu we krwi. Gdy krew jest nienasycona, gaz rozpuszcza się w niej, dopóki nie nasyci się i przestanie się rozpuszczać. Gdy to nastąpi, rozpuszczony gaz we krwi idzie w powietrze.
- Zgazowanie napojów bezalkoholowych jest przykładem zastosowanego prawa Henry'ego. Napoje bezalkoholowe mają rozpuszczony CO2 pod wysokim ciśnieniem, utrzymując w ten sposób każdy z połączonych składników, które go tworzą; a ponadto dłużej zachowuje charakterystyczny smak.
Gdy butelka z wodą sodową zostaje odkryta, ciśnienie cieczy zmniejsza się, natychmiast uwalniając ciśnienie.
Ponieważ ciśnienie cieczy jest teraz niższe, rozpuszczalność CO 2 spada i ucieka do środowiska (można to zauważyć przy wzroście pęcherzyków od dołu).
- Gdy nurek schodzi na większą głębokość, wdychany azot nie może uciec, ponieważ zewnętrzne ciśnienie zapobiega temu, rozpuszczając się w krwi jednostki.
Gdy nurek szybko wznosi się na powierzchnię, gdzie ciśnienie zewnętrzne staje się mniejsze, azot zaczyna pękać we krwi.
Powoduje to tzw. Dyskomfort dekompresyjny. Z tego powodu nurkowie muszą powoli wznosić się, aby azot mógł wydostawać się wolniej z krwi.
- Badanie wpływu spadku tlenu cząsteczkowego (O 2 ) rozpuszczonego we krwi i tkankach alpinistów lub praktykujących czynności, które wiążą się z przedłużonym pobytem na dużych wysokościach, a także u mieszkańców dość wysokich miejsc.
- Badania i ulepszenia metod stosowanych w celu uniknięcia klęsk żywiołowych, które mogą być spowodowane obecnością rozpuszczonych gazów w ogromnych zbiornikach wodnych, które mogą zostać uwolnione w gwałtowny sposób.
Przykłady
Prawo Henry'ego ma zastosowanie tylko wtedy, gdy cząsteczki są w równowadze. Oto kilka przykładów:
- W roztworze tlenu (O 2 ) w płynie krwi ta cząsteczka jest uważana za słabo rozpuszczalną w wodzie, chociaż jej rozpuszczalność wzrasta ze względu na wysoką zawartość hemoglobiny w niej. Tak więc każda cząsteczka hemoglobiny może wiązać się z czterema cząsteczkami tlenu, które są uwalniane w tkankach do wykorzystania w metabolizmie.
- W 1986 r. Z jeziora Nyos (położonego w Kamerunie) nagle wydostała się gęsta chmura dwutlenku węgla, dusząc około 1700 osób i dużą liczbę zwierząt, co zostało wyjaśnione przez to prawo.
- Rozpuszczalność, którą manifestuje pewien gaz w postaci ciekłej, zwykle wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia gazu, chociaż przy wysokich ciśnieniach istnieją pewne wyjątki, takie jak cząsteczki azotu (N 2 ).
- Prawo Henry'ego nie ma zastosowania, gdy zachodzi reakcja chemiczna między substancją działającą jako substancja rozpuszczona a substancją działającą jak rozpuszczalnik; Tak jest w przypadku elektrolitów, takich jak kwas chlorowodorowy (HCl).
