Định luật Henry: Phương trình, Độ lệch, Ứng dụng
Định luật Henry nói rằng ở nhiệt độ không đổi, lượng khí hòa tan trong chất lỏng tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần của nó trên bề mặt chất lỏng.
Nó được đưa ra vào năm 1803 bởi nhà vật lý và hóa học người Anh William Henry. Định luật của nó cũng có thể được giải thích theo cách này: nếu áp lực lên chất lỏng càng tăng thì lượng khí hòa tan trong nó càng lớn.
Ở đây khí được coi là chất tan của dung dịch. Không giống như chất tan rắn, nhiệt độ có ảnh hưởng tiêu cực đến độ hòa tan của nó. Do đó, khi nhiệt độ tăng, khí có xu hướng thoát ra khỏi chất lỏng dễ dàng hơn về phía bề mặt.
Điều này là do sự gia tăng nhiệt độ cung cấp năng lượng cho các phân tử khí, chúng va chạm với nhau tạo thành bong bóng (hình trên cùng). Sau đó, những bong bóng này vượt qua áp lực bên ngoài và thoát khỏi sin lỏng.
Nếu áp suất bên ngoài rất cao và chất lỏng vẫn mát, các bong bóng sẽ được hòa tan và chỉ một vài phân tử khí sẽ "ám ảnh" bề mặt.
Phương trình luật của Henry
Nó có thể được biểu thị bằng phương trình sau:
P = K H ∙ C
Trong đó P là áp suất riêng phần của khí hòa tan; C là nồng độ của khí; và K H là hằng số của Henry.
Cần phải hiểu rằng áp suất riêng phần của một chất khí là riêng lẻ tạo ra một loại phần còn lại của tổng hỗn hợp khí. Và tổng áp lực không lớn hơn tổng áp lực từng phần (Luật Dalton):
P Tổng = P 1 + P 2 + P 3 + ... + P n
Số lượng các loài khí tạo nên hỗn hợp được đại diện bởi n . Ví dụ, nếu trên bề mặt chất lỏng có hơi nước và CO 2, n bằng 2.
Độ lệch
Đối với các chất khí hòa tan kém trong chất lỏng, giải pháp gần đúng theo lý thuyết của Henry về chất tan.
Tuy nhiên, khi áp suất cao, sự sai lệch so với Henry xảy ra, bởi vì giải pháp ngừng hành xử như một sự pha loãng lý tưởng.
Nó có nghĩa là gì? Rằng các tương tác chất tan - chất tan và chất tan - dung môi bắt đầu có tác dụng riêng. Khi dung dịch được pha loãng, các phân tử khí được "độc quyền" bao quanh bởi dung môi, coi thường những cuộc gặp gỡ có thể xảy ra giữa chúng.
Do đó, khi giải pháp không còn lý tưởng, sự mất hành vi tuyến tính được quan sát trong biểu đồ P i vs X i .
Để kết luận về khía cạnh này: định luật Henry xác định áp suất hơi của chất tan trong dung dịch loãng lý tưởng. Trong khi đối với dung môi, luật của Raoult áp dụng:
P A = X A ∙ P A *
Độ hòa tan của chất khí trong chất lỏng
Khi một chất khí được hòa tan tốt trong một chất lỏng, như đường trong nước, nó không thể được phân biệt với môi trường, do đó tạo thành một dung dịch đồng nhất. Nói cách khác: không quan sát thấy bong bóng trong chất lỏng (hoặc tinh thể đường).
Tuy nhiên, sự hòa tan hiệu quả của các phân tử khí phụ thuộc vào một số biến số như: nhiệt độ của chất lỏng, áp suất ảnh hưởng đến nó và bản chất hóa học của các phân tử này so với các chất lỏng.
Nếu áp suất bên ngoài rất cao, khả năng khí xâm nhập vào bề mặt chất lỏng tăng lên. Và mặt khác, các phân tử khí hòa tan khó khăn hơn để vượt qua áp lực sự cố để thoát ra bên ngoài.
Nếu hệ thống khí lỏng bị khuấy trộn (như xảy ra ở biển và trong các máy bơm không khí bên trong bể), việc hấp thụ khí được ưa chuộng.
Và, bản chất của dung môi ảnh hưởng đến sự hấp thụ của khí như thế nào? Nếu nó là cực, giống như nước, nó sẽ thể hiện ái lực đối với các chất tan cực, nghĩa là đối với những khí có thời điểm lưỡng cực vĩnh viễn. Trong khi nếu nó không phân cực, chẳng hạn như hydrocarbon hoặc chất béo, nó sẽ thích các phân tử khí cực
Ví dụ, amoniac (NH 3 ) là một loại khí rất dễ hòa tan trong nước do tương tác bởi các liên kết hydro. Trong khi hydro (H 2 ), có phân tử nhỏ là cực, tương tác yếu với nước.
Ngoài ra, tùy thuộc vào trạng thái của quá trình hấp thụ khí trong chất lỏng, các trạng thái sau có thể được thiết lập trong chúng:
Chưa bão hòa
Chất lỏng không bão hòa khi có thể hòa tan nhiều khí hơn. Điều này là do áp suất bên ngoài lớn hơn áp suất bên trong của chất lỏng.
Bão hòa
Chất lỏng thiết lập sự cân bằng trong độ hòa tan của khí, có nghĩa là khí thoát ra ở cùng tốc độ mà nó đi vào chất lỏng.
Nó cũng có thể được nhìn thấy như sau: nếu ba phân tử khí thoát ra không khí, ba người khác sẽ trở lại chất lỏng cùng một lúc.
Quá bão hòa
Chất lỏng được siêu bão hòa với khí khi áp suất bên trong của nó cao hơn áp suất bên ngoài. Và, trước một sự thay đổi tối thiểu trong hệ thống, nó sẽ giải phóng khí hòa tan dư thừa cho đến khi cân bằng được phục hồi.
Ứng dụng
- Định luật Henry có thể được áp dụng để tính toán sự hấp thụ khí trơ (nitơ, heli, argon, v.v.) trong các mô khác nhau của cơ thể người và cùng với lý thuyết của Haldane là cơ sở của các bảng giải nén.
- Một ứng dụng quan trọng là độ bão hòa khí trong máu. Khi máu không bão hòa, khí sẽ hòa tan trong đó, cho đến khi nó bão hòa và ngừng hòa tan hơn. Một khi điều này xảy ra, khí hòa tan trong máu đi vào không khí.
- Việc khí hóa nước ngọt là một ví dụ về luật của Henry được áp dụng. Nước giải khát đã hòa tan CO 2 dưới áp lực cao, do đó duy trì từng thành phần kết hợp tạo nên nó; và ngoài ra, nó giữ được hương vị đặc trưng lâu hơn nhiều.
Khi chai soda được mở ra, áp lực lên chất lỏng giảm, giải phóng áp lực ngay lập tức.
Bởi vì áp lực lên chất lỏng bây giờ thấp hơn, độ hòa tan của CO 2 giảm xuống và thoát ra môi trường (nó có thể được nhận thấy trong sự gia tăng của bong bóng từ đáy).
- Khi một thợ lặn xuống độ sâu lớn hơn, nitơ hít vào không thể thoát ra vì áp lực bên ngoài ngăn cản nó, hòa tan trong máu của từng cá nhân.
Khi thợ lặn nhanh chóng nổi lên bề mặt, nơi áp suất bên ngoài trở nên ít hơn, nitơ bắt đầu nổi lên trong máu.
Điều này gây ra những gì được gọi là khó chịu giải nén. Chính vì lý do này mà các thợ lặn bắt buộc phải bay lên từ từ, để nitơ thoát ra khỏi máu chậm hơn.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của việc giảm oxy phân tử (O 2 ) hòa tan trong máu và các mô của người leo núi hoặc người thực hành các hoạt động liên quan đến việc ở lại lâu dài ở độ cao, cũng như ở những người ở những nơi khá cao.
- Nghiên cứu và cải tiến các phương pháp được sử dụng để tránh các thảm họa tự nhiên có thể gây ra bởi sự hiện diện của khí hòa tan trong các khối nước khổng lồ có thể được giải phóng một cách dữ dội.
Ví dụ
Định luật Henry chỉ áp dụng khi các phân tử ở trạng thái cân bằng. Dưới đây là một số ví dụ:
- Trong dung dịch oxy (O 2 ) trong dịch máu, phân tử này được coi là hòa tan kém trong nước, mặc dù độ hòa tan của nó tăng lên do hàm lượng hemoglobin cao trong đó. Do đó, mỗi phân tử hemoglobin có thể liên kết với bốn phân tử oxy được giải phóng trong các mô sẽ được sử dụng trong quá trình trao đổi chất.
- Năm 1986, có một đám mây carbon dioxide dày đặc đột nhiên bị trục xuất khỏi hồ Nyos (nằm ở Cameroon), làm nghẹt thở khoảng 1700 người và một số lượng lớn động vật, được giải thích theo luật này.
- Độ hòa tan mà một loại khí nhất định biểu hiện ở một loài chất lỏng thường tăng khi áp suất khí tăng, mặc dù ở áp suất cao có một số ngoại lệ nhất định, chẳng hạn như các phân tử nitơ (N 2 ).
- Định luật Henry không được áp dụng khi có phản ứng hóa học giữa chất hoạt động như chất tan và chất hoạt động như dung môi; Đó là trường hợp điện giải, chẳng hạn như axit hydrochloric (HCl).
