Das Henry-Gesetz ist ein Grundprinzip der Chemie und Physik, das eine wichtige Beziehung zwischen der Konzentration eines Gases in einer Lösung und seinem Partialdruck im Raum über der Lösung herstellt.
Benannt nach dem britischen Chemiker William Henry, der es erstmals im 19. Jahrhundert vorschlug, war dieses Gesetz ein entscheidendes Instrument zum Verständnis und zur Manipulation des Verhaltens von in Flüssigkeiten gelösten Gasen.
Definition von Henrys Gesetz
Das Henry-Gesetz beschreibt, wie die Konzentration eines in einer Flüssigkeit gelösten Gases direkt proportional zum Partialdruck des Gases in der Gasphase über der Lösung ist. Mit anderen Worten: Bei einer konstanten Temperatur steigt die Konzentration eines Gases in einer Lösung linear mit dem Druck des Gases.
Die Definition dieses Gesetzes gilt nur unter idealen Bedingungen, das heißt, wenn es keine nennenswerten Wechselwirkungen zwischen den Gasmolekülen und den Lösungsmittelmolekülen gibt und die Temperatur konstant bleibt. Unter realen Bedingungen kann es aufgrund molekularer Wechselwirkungen und Temperaturänderungen zu Abweichungen vom Henryschen Gesetz kommen.
Formel
Dieser Zusammenhang wird durch die Gleichung ausgedrückt:
C = k * P
Wo:
- C ist die Konzentration des Gases in der Lösung, die normalerweise in Molarität (Mol pro Liter) ausgedrückt wird, daher ist die übliche Einheit molar (M).
- P ist der Partialdruck des Gases in der Gasphase über der Lösung, ausgedrückt in Atmosphären (atm).
- k ist die Henry-Konstante, die von der Art des Gases, dem Lösungsmittel und der Temperatur abhängt. Die Henry-Konstante hat die Einheit M/atm.
Henrys Konstante
Die Henry-Konstante (k) ist eine spezifische Konstante für jedes Gas und Lösungsmittel bei einer bestimmten Temperatur. Es stellt das Verhältnis zwischen der Konzentration eines in einer Flüssigkeit gelösten Gases und seinem Partialdruck in der Gasphase über der Lösung dar.
Nachfolgend finden Sie eine Tabelle mit Beispielen für Henry-Konstanten für einige häufig vorkommende Substanzen in Wasser bei 25 °C:
|
Substanz |
Chemische Formel |
Henry-Konstante (k) in Wasser bei 25°C (M/atm) |
|
Sauerstoff |
O₂ |
1,3×10−3 |
|
Kohlendioxid |
CO₂ |
3,3 x 10-2 |
|
Stickstoff |
N₂ |
6,1×10−4 |
|
Wasserstoff |
H₂ |
7,6 x 10-4 |
|
Ammoniak |
NH₃ |
5,6×10−2 |
|
Methan |
CH₄ _ |
1,2×10−3 |
|
Schwefeldioxid |
SO₂ |
5,6×10−2 |
Beispiele
Hier sind einige Beispiele für Henrys Gesetz in der Praxis:
Beispiel 1: In Wasser gelöster Sauerstoff
Angenommen, wir haben einen Behälter mit Wasser von 25 °C und setzen die Wasseroberfläche atmosphärischer Luft aus, die Sauerstoff (O₂) mit einem Partialdruck von 0,21 atm (dem Molenbruch des Sauerstoffs in der Luft) enthält.
Nach dem Henry-Gesetz steigt die Konzentration des gelösten Sauerstoffs im Wasser direkt proportional zum Sauerstoffpartialdruck. Wenn die Henry-Konstante für Sauerstoff in Wasser 1,3×10 −3 M/atm beträgt (wie in der Tabelle oben erwähnt), können wir die Sauerstoffkonzentration in Wasser berechnen:
O₂-Konzentration = k * P
O₂-Konzentration = (1,3×10 −3 M/atm) * (0,21 atm) = 2,73×10 −4 M
Daher beträgt die Konzentration an gelöstem Sauerstoff in Wasser etwa 2,73×10 −4 Mol pro Liter.
Beispiel 2: Kohlendioxid in einem kohlensäurehaltigen Getränk
In einem kohlensäurehaltigen Getränk wie Limonade löst sich Kohlendioxid (CO₂) während des Karbonisierungsprozesses unter hohem Druck in der Flüssigkeit. Beim Öffnen der Dose oder Flasche nimmt der Druck auf das Getränk ab und das CO₂ beginnt in Form von Blasen zu entweichen.
Die Menge des im Getränk gelösten CO₂ folgt dem Henryschen Gesetz. Je größer der Druck auf das Getränk ist (z. B. wenn es hermetisch verschlossen ist), desto höher ist die Konzentration an gelöstem CO₂. Wenn der Druck abgelassen wird (durch Öffnen der Dose), wird das CO₂ in Form von Blasen freigesetzt.
Beispiel 3: Löslichkeit von Stickstoff in Wasser
Stickstoff (N₂) ist ein weiteres Gas, das Henrys Gesetz in Aktion zeigt. Bei niedrigen Temperaturen und hohen Drücken kann sich Stickstoff in erheblichen Mengen in Wasser lösen.
Beispielsweise wird bei der Herstellung von Erfrischungsgetränken flüssiger Hochdruckstickstoff verwendet, um Flüssigkeiten mit gelöstem Stickstoff zu imprägnieren. Wenn der Druck abnimmt, wird Stickstoff freigesetzt, der Blasen und interessante visuelle Effekte erzeugen kann.
Wissenschaftliche Anwendungen
Das Henry-Gesetz hat ein breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Bereichen, darunter Chemie, Biologie, Chemieingenieurwesen und Geologie.
Zu den bemerkenswertesten Anwendungen gehören:
- Analytische Chemie – In der analytischen Chemie wird damit die Konzentration eines bestimmten Gases in einer flüssigen Probe bestimmt.
- Biologie und Physiologie : In diesem Bereich wird es auf das Gesetz der idealen Gase und der Atmung angewendet. Im menschlichen Blut beispielsweise folgt die Konzentration von gelöstem Sauerstoff und Kohlendioxid dem Henry-Gesetz, das für den Sauerstofftransport von der Lunge zu den Geweben und die Ausscheidung von Kohlendioxid wesentlich ist.
- Chemieingenieurwesen : In der Chemie- und Prozessindustrie dient es der Konstruktion und dem Betrieb von Gasabsorptions- und -desorptionsanlagen.
- Geologie : In der Geologie wird es auf die Untersuchung der Löslichkeit von Gasen in geologischen Flüssigkeiten angewendet, beispielsweise auf die Löslichkeit von Gasen im Grundwasser.
Einschränkungen und Abweichungen von Henrys Gesetz
Trotz seiner Nützlichkeit weist das Henry-Gesetz wichtige Einschränkungen auf.
Eine der Haupteinschränkungen besteht darin, dass es nicht bei allen Temperaturen und Drücken gültig ist. Bei hohen Drücken und niedrigen Temperaturen kommt es zu erheblichen Wechselwirkungen zwischen den Gasmolekülen und dem Lösungsmittel, was zu erheblichen Abweichungen vom Gesetz führen kann.
Darüber hinaus kann es bei einigen Gasen aufgrund der Bildung chemischer Reaktionen oder des Auftretens von Phasenänderungen zu einer eingeschränkten Löslichkeit in bestimmten Lösungsmitteln kommen.