La llei de Henry és un principi fonamental en la química i la física que estableix una relació important entre la concentració d'un gas en una solució i la seva pressió parcial a l'espai sobre la solució.
Nomenada en honor al químic britànic William Henry, que la va proposar per primera vegada al segle XIX, aquesta llei ha estat una eina crucial per comprendre i manipular el comportament dels gasos dissolts en líquids.
Definició de la llei de Henry
La llei d'Henry descriu com la concentració d'un gas dissolt en un líquid és directament proporcional a la pressió parcial del gas a la fase gasosa sobre la solució. En altres paraules, a una temperatura constant la concentració d'un gas en una solució augmenta linealment amb la pressió del gas.
La definició d'aquesta llei només és vàlida en condicions ideals, és a dir, quan no hi ha interaccions significatives entre les molècules del gas i les molècules del solvent, i quan la temperatura es manté constant. En condicions reals, les desviacions de la Llei de Henry poden passar a causa d'interaccions moleculars i canvis en la temperatura.
Fórmula
Aquesta relació s'expressa mitjançant l'equació:
C = k * P
On:
-
C és la concentració del gas en la solució que sol expressar-se en molaritat (mols per litre), per la qual cosa la unitat comuna és molar (M)
-
P és la pressió parcial del gas a la fase gasosa sobre la solució expressada en atmosferes (atm)
-
k és la constant de Henry, que depèn de la naturalesa del gas, el solvent i la temperatura. La constant de Henry tindrà unitats de M/atm.
Constant d'Henry
La constant de Henry (k) és una constant específica per a cada gas i solvent a una temperatura donada. Representa la proporció entre la concentració d'un gas dissolt en un líquid i la seva pressió parcial a la fase gasosa sobre la solució.
A continuació, es mostra una taula amb exemples de constants de Henry per a algunes substàncies comunes en aigua a 25°C:
|
Substància |
Fórmula química |
Constant d'Henry (k) en aigua a 25°C (M/atm) |
|
Oxigen |
O₂ |
1.3×10 −3 |
|
Diòxid de carboni |
CO₂ |
3.3 x 10-2 |
|
Nitrogen |
N₂ |
6.1×10−4 |
|
Hidrogen |
H₂ |
7.6x10-4 |
|
Amoníac |
NH₃ |
5.6×10 −2 |
|
Metà |
CH₄ |
1.2×10 −3 |
|
Diòxid de sofre |
SO₂ |
5.6×10 −2 |
Exemples
Aquí tens alguns exemples de la llei de Henry en acció:
Exemple 1: Oxigen dissolt en aigua
Suposem que tenim un recipient amb aigua a 25°C i estem exposant la superfície de l'aigua a l'aire atmosfèric, que conté oxigen (O₂) a una pressió parcial de 0.21 atm (la fracció molar de l'oxigen a l'aire).
Segons la llei d'Henry, la concentració d'oxigen dissolt a l'aigua augmentarà directament proporcionalment a la pressió parcial de l'oxigen. Si la constant d'Henry per a l'oxigen en aigua és de 1.3×10 −3 M/atm (com es va esmentar a la taula anterior), podem calcular la concentració d'oxigen a l'aigua:
Concentració d'O₂ = k * P
Concentració d'O₂ = (1.3×10 −3 M/atm) * (0.21 atm) = 2.73×10 −4 M
Per tant, la concentració d'oxigen dissolt a l'aigua serà d'aproximadament 2.73×10 −4 mols per litre.
Exemple 2: Diòxid de carboni en una beguda carbonatada
En una beguda carbonatada com la soda, el diòxid de carboni (CO₂) es dissol al líquid sota alta pressió durant el procés de carbonatació. A mesura que s'obre la llauna o l'ampolla, la pressió sobre la beguda disminueix i el CO₂ comença a fugir en forma de bombolles.
La quantitat de CO₂ dissolt a la beguda segueix la llei d'Henry. Com més gran sigui la pressió sobre la beguda (com quan se segella hermèticament), més gran serà la concentració de CO₂ dissolt. Quan s'allibera la pressió (en obrir la llauna), el CO₂ s'allibera en forma de bombolles.
Exemple 3: Solubilitat del nitrogen en aigua
El nitrogen (N₂) és un altre gas que mostra la llei de Henry en acció. A baixes temperatures i altes pressions, el nitrogen es pot dissoldre en aigua en quantitats significatives.
Per exemple, en la fabricació de begudes gasoses s'utilitza nitrogen líquid a alta pressió per impregnar líquids amb nitrogen dissolt. A mesura que la pressió disminueix, el nitrogen s'allibera, cosa que pot crear bombolles i efectes visuals interessants.
Aplicacions científiques
La llei de Henry té una àmplia gamma d'aplicacions a diversos camps, incloent la química, la biologia, l'enginyeria química i la geologia.
Algunes de les aplicacions més destacades inclouen:
- Química analítica : en química analítica, s'utilitza per determinar la concentració d'un gas específic en una mostra líquida.
- Biologia i fisiologia : en aquest camp s'aplica a la llei dels gasos ideals i la respiració. Per exemple, a la sang humana, la concentració d'oxigen i diòxid de carboni dissolts segueix la llei de Henry, cosa que és fonamental per al transport d'oxigen des dels pulmons fins als teixits i l'eliminació de diòxid de carboni.
- Enginyeria química En la indústria química i de processos, s'utilitza per dissenyar i operar sistemes d'absorció i desorció de gasos.
- Geologia : en geologia s'aplica a l'estudi de la solubilitat de gasos en líquids geològics, com la solubilitat de gasos en aigües subterrànies.
Limitacions i desviacions de la llei de Henry
Tot i la seva utilitat, la llei de Henry té limitacions importants.
Una de les principals limitacions és que no és vàlida a totes les temperatures i pressions. A altes pressions i baixes temperatures, les interaccions entre les molècules del gas i el solvent es tornen significatives, cosa que pot resultar en desviacions significatives de la llei.
A més, alguns gasos poden experimentar una solubilitat limitada en certs solvents a causa de la formació de reaccions químiques o l'ocurrència de canvis de fase.