Henrys Gesetz: Gleichung, Abweichung, Anwendungen
Henrys Gesetz besagt, dass bei einer konstanten Temperatur die in einer Flüssigkeit gelöste Gasmenge direkt proportional zu ihrem Partialdruck auf der Oberfläche der Flüssigkeit ist.
Es wurde im Jahre 1803 vom englischen Physiker und Chemiker William Henry postuliert. Sein Gesetz kann auch so interpretiert werden: Wenn der Druck auf die Flüssigkeit zunimmt, ist die Menge des darin gelösten Gases umso größer.
Hier wird das Gas als gelöster Stoff der Lösung betrachtet. Im Gegensatz zu festen gelösten Stoffen wirkt sich die Temperatur negativ auf die Löslichkeit aus. Mit steigender Temperatur kann das Gas daher leichter aus der Flüssigkeit an die Oberfläche entweichen.
Dies liegt daran, dass der Temperaturanstieg die gasförmigen Moleküle mit Energie versorgt, die miteinander kollidieren und Blasen bilden (oberes Bild). Diese Blasen überwinden dann den äußeren Druck und entweichen aus dem flüssigen Sinus.
Wenn der Außendruck sehr hoch ist und die Flüssigkeit kühl bleibt, lösen sich die Blasen und nur wenige gasförmige Moleküle "verfolgen" die Oberfläche.
Henrys Gesetzesgleichung
Es kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
P = K H ∙ C
Wobei P der Partialdruck des gelösten Gases ist; C ist die Konzentration des Gases; und K H ist Henrys Konstante.
Es ist notwendig zu verstehen, dass der Partialdruck eines Gases derjenige ist, der individuell eine Art Rest des gesamten Gasgemisches ausübt. Und der Gesamtdruck ist nicht mehr als die Summe aller Partialdrücke (Daltonsches Gesetz):
P Gesamt = P 1 + P 2 + P 3 + ... + P n
Die Anzahl der gasförmigen Spezies, aus denen das Gemisch besteht, wird durch n dargestellt . Wenn sich beispielsweise auf der Oberfläche einer Flüssigkeit Wasserdampf und CO 2 befinden, ist n gleich 2.
Abweichung
Für Gase, die in Flüssigkeiten schlecht löslich sind, entspricht die Lösung idealerweise dem Henry-Gesetz für den gelösten Stoff.
Bei hohem Druck tritt jedoch eine Abweichung von Henry auf, da sich die Lösung nicht mehr wie eine ideale Verdünnung verhält.
Was bedeutet es Dass die Wechselwirkungen zwischen gelösten Stoffen und Lösungsmitteln ihre eigenen Auswirkungen haben. Wenn die Lösung stark verdünnt ist, sind die Gasmoleküle "ausschließlich" von Lösungsmittel umgeben, was die möglichen Begegnungen untereinander verachtet.
Wenn daher die Lösung nicht mehr ideal ist, wird der Verlust des linearen Verhaltens in dem Graphen P i gegen X i beobachtet .
Fazit zu diesem Aspekt: Das Henry-Gesetz bestimmt den Dampfdruck eines gelösten Stoffes in einer idealen verdünnten Lösung. Während für das Lösungsmittel gilt das Gesetz von Raoult:
P A = X A ∙ P A *
Löslichkeit eines Gases in der Flüssigkeit
Wenn ein Gas in einer Flüssigkeit wie Zucker in Wasser gut gelöst ist, kann es nicht von der Umgebung unterschieden werden und bildet so eine homogene Lösung. Mit anderen Worten: In der Flüssigkeit werden keine Blasen (oder Zuckerkristalle) beobachtet.
Die effiziente Solvatisierung gasförmiger Moleküle hängt jedoch von folgenden Variablen ab: der Temperatur der Flüssigkeit, dem Druck, der auf sie einwirkt, und der chemischen Natur dieser Moleküle im Vergleich zu denen der Flüssigkeit.
Wenn der Außendruck sehr hoch ist, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass das Gas die Oberfläche der Flüssigkeit durchdringt. Andererseits ist es für gelöste gasförmige Moleküle schwieriger, den einfallenden Druck zu überwinden, um nach außen zu entweichen.
Wenn das Flüssiggassystem bewegt wird (wie es im Meer und in den Luftpumpen im Tank geschieht), wird die Absorption von Gas begünstigt.
Und wie wirkt sich die Art des Lösungsmittels auf die Absorption eines Gases aus? Wenn es wie Wasser polar ist, zeigt es eine Affinität zu polaren gelösten Stoffen, dh zu den Gasen, die ein permanentes Dipolmoment aufweisen. Wenn es unpolar ist, wie Kohlenwasserstoffe oder Fette, werden unpolare gasförmige Moleküle bevorzugt
Beispielsweise ist Ammoniak (NH 3 ) ein Gas, das aufgrund von Wechselwirkungen durch Wasserstoffbrückenbindungen in Wasser sehr löslich ist. Während Wasserstoff (H 2 ), dessen kleines Molekül unpolar ist, schwach mit Wasser wechselwirkt.
In Abhängigkeit von dem Zustand des Gasabsorptionsprozesses in der Flüssigkeit können auch die folgenden Zustände darin hergestellt werden:
Ungesättigt
Die Flüssigkeit ist ungesättigt, wenn sie mehr Gas lösen kann. Dies liegt daran, dass der Außendruck größer ist als der Innendruck der Flüssigkeit.
Gesättigt
Die Flüssigkeit stellt ein Gleichgewicht in der Löslichkeit des Gases her, was bedeutet, dass das Gas mit der gleichen Geschwindigkeit entweicht, mit der es in die Flüssigkeit eintritt.
Es kann auch wie folgt gesehen werden: Wenn drei Gasmoleküle in die Luft entweichen, kehren drei andere gleichzeitig in die Flüssigkeit zurück.
Übersättigt
Die Flüssigkeit ist mit Gas übersättigt, wenn ihr Innendruck höher als der Außendruck ist. Und vor einer minimalen Änderung des Systems wird das überschüssige gelöste Gas freigesetzt, bis das Gleichgewicht wiederhergestellt ist.
Anwendungen
- Das Henry-Gesetz kann angewendet werden, um die Absorption von Inertgasen (Stickstoff, Helium, Argon usw.) in verschiedenen Geweben des menschlichen Körpers zu berechnen, die zusammen mit Haldanes Theorie die Grundlage der Tabellen bilden der Dekompression.
- Eine wichtige Anwendung ist die Gassättigung im Blut. Wenn das Blut ungesättigt ist, löst sich das Gas darin auf, bis es gesättigt ist und sich nicht mehr auflöst. Sobald dies geschieht, geht das im Blut gelöste Gas in die Luft.
- Die Vergasung von Erfrischungsgetränken ist ein Beispiel für das angewandte Henry-Gesetz. Erfrischungsgetränke haben CO 2 unter hohem Druck gelöst, wodurch jede der kombinierten Komponenten, aus denen es besteht, erhalten bleibt. und außerdem behält es den charakteristischen Geschmack viel länger bei.
Wenn die Getränkeflasche unbedeckt ist, nimmt der Druck auf die Flüssigkeit ab und der Druck wird sofort abgebaut.
Da der Druck auf die Flüssigkeit jetzt geringer ist, sinkt die Löslichkeit von CO 2 und entweicht in die Umwelt (dies kann am Aufsteigen von Blasen vom Boden bemerkt werden).
- Wenn ein Taucher in größere Tiefen abtaucht, kann der eingeatmete Stickstoff nicht entweichen, da der äußere Druck dies verhindert und sich im Blut des Individuums auflöst.
Wenn der Taucher schnell an die Oberfläche steigt, wo der äußere Druck abnimmt, beginnt Stickstoff im Blut aufzublasen.
Dies führt zu sogenannten Dekompressionsbeschwerden. Aus diesem Grund müssen Taucher langsam aufsteigen, damit der Stickstoff langsamer aus dem Blut entweicht.
- Untersuchung der Auswirkungen der Abnahme des molekularen Sauerstoffs (O 2 ), der im Blut und im Gewebe von Bergsteigern oder Praktikern von Tätigkeiten, die einen längeren Aufenthalt in großen Höhen erfordern, sowie von Bewohnern höherer Gebiete gelöst ist.
- Erforschung und Verbesserung der Methoden zur Vermeidung von Naturkatastrophen, die durch das Vorhandensein gelöster Gase in riesigen Gewässern verursacht werden können, die auf gewaltsame Weise freigesetzt werden können.
Beispiele
Henrys Gesetz gilt nur, wenn sich die Moleküle im Gleichgewicht befinden. Hier einige Beispiele:
- In der Sauerstoff (O 2 ) -Lösung der Blutflüssigkeit gilt dieses Molekül als schwer wasserlöslich, obwohl seine Löslichkeit aufgrund des hohen Hämoglobingehalts zunimmt. Somit kann jedes Hämoglobinmolekül an vier Sauerstoffmoleküle binden, die in den Geweben freigesetzt werden, um für den Stoffwechsel verwendet zu werden.
- 1986 wurde eine dicke Kohlendioxidwolke plötzlich aus dem Nyos-See (in Kamerun) ausgestoßen, die ungefähr 1700 Menschen und eine große Anzahl von Tieren erstickte, was durch dieses Gesetz erklärt wurde.
- Die Löslichkeit, die ein bestimmtes Gas in einer flüssigen Spezies zeigt, nimmt normalerweise mit steigendem Gasdruck zu, obwohl es bei hohen Drücken bestimmte Ausnahmen gibt, wie Stickstoffmoleküle (N 2 ).
- Henrys Gesetz ist nicht anwendbar, wenn eine chemische Reaktion zwischen dem Stoff, der als gelöster Stoff wirkt, und dem Stoff, der als Lösungsmittel wirkt, vorliegt. Dies ist der Fall bei Elektrolyten wie Salzsäure (HCl).
