قانون هنري: المعادلة والانحراف والتطبيقات
ينص قانون هنري على أنه عند درجة حرارة ثابتة ، تتناسب كمية الغاز المذاب في سائل مع ضغطه الجزئي على سطح السائل.
افترض في عام 1803 من قبل الفيزيائي والكيميائي الإنجليزي وليام هنري. يمكن أيضًا تفسير قانونها على هذا النحو: إذا زاد الضغط على السائل ، زادت كمية الغاز المذاب فيه.
هنا يعتبر الغاز بمثابة المذاب في المحلول. على عكس المذاب الصلب ، فإن درجة الحرارة لها تأثير سلبي على ذوبانها. وبالتالي ، مع ارتفاع درجة الحرارة ، يميل الغاز إلى الهروب من السائل بسهولة نحو السطح.
وذلك لأن الزيادة في درجة الحرارة توفر الطاقة للجزيئات الغازية ، التي تتصادم مع بعضها البعض لتكوين فقاعات (الصورة العليا). ثم ، هذه الفقاعات تتغلب على الضغط الخارجي وتهرب من الجيب السائل.
إذا كان الضغط الخارجي مرتفعًا للغاية ، ويبقى السائل باردًا ، سيتم إذابة الفقاعات ولن يؤدي إلا عدد قليل من الجزيئات الغازية إلى "تطارد" السطح.
معادلة قانون هنري
يمكن التعبير عنها بالمعادلة التالية:
P = K H ∙ C
حيث P هو الضغط الجزئي للغاز المذاب ؛ C هو تركيز الغاز ؛ و K H هو ثابت هنري.
من الضروري أن نفهم أن الضغط الجزئي للغاز هو الذي يمارس بشكل فردي نوعًا من بقية خليط الغاز الكلي. والضغط الكلي ليس أكثر من مجموع كل الضغوط الجزئية (قانون دالتون):
P المجموع = P 1 + P 2 + P 3 + ... + P n
يمثل عدد الأنواع الغازية التي تشكل الخليط n . على سبيل المثال ، إذا كان هناك بخار ماء و CO 2 ، على سطح السائل ، فإن n تساوي 2.
الانحراف
بالنسبة للغازات القابلة للذوبان في السوائل بشكل سيئ ، يقترب المحلول من الامتثال المثالي لقانون هنري للذوبان.
ومع ذلك ، عندما يكون الضغط مرتفعًا ، يحدث انحراف عن هنري ، لأن الحل يتوقف عن التصرف كتخفيف مثالي.
ماذا يعني؟ أن التفاعلات المذابة الذائبة والمذيبات الذائبة تبدأ في أن يكون لها آثارها الخاصة. عندما يكون المحلول مخففًا جدًا ، فإن جزيئات الغاز محاطة "حصريًا" بالمذيبات ، وتحتقر المواجهات المحتملة فيما بينها.
لذلك ، عندما لا يكون الحل مثاليًا ، يتم ملاحظة فقد السلوك الخطي في الرسم البياني P i vs X i .
في الختام لهذا الجانب: يحدد قانون هنري ضغط بخار المادة المذابة في محلول مخفف مثالي. بالنسبة للمذيبات ، ينطبق قانون راولت على:
P A = X A ∙ P A *
ذوبان الغاز في السائل
عندما يذوب الغاز جيداً في سائل ، مثل السكر في الماء ، لا يمكن تمييزه عن البيئة ، وبالتالي تشكيل محلول متجانس. بمعنى آخر: لا توجد فقاعات في السائل (أو بلورات السكر).
ومع ذلك ، فإن المذيبات الفعالة للجزيئات الغازية تعتمد على بعض المتغيرات مثل: درجة حرارة السائل ، والضغط الذي يؤثر عليه ، والطبيعة الكيميائية لهذه الجزيئات مقارنة بتلك الموجودة في السائل.
إذا كان الضغط الخارجي مرتفعًا جدًا ، تزداد فرص اختراق الغاز لسطح السائل. ومن ناحية أخرى ، فإن التغلب على الجزيئات الغازية الذائبة يصعب التغلب عليها من خلال الضغط الحادث للهروب إلى الخارج.
إذا كان نظام الغاز السائل قيد التحريض (كما يحدث في البحر وفي مضخات الهواء داخل الخزان) ، فإن امتصاص الغاز مفضل.
وكيف تؤثر طبيعة المذيب على امتصاص الغاز؟ إذا كان قطبيًا ، مثل الماء ، فإنه سيُظهر تقارب الذرات القطبية ، أي تلك الغازات التي لها لحظة ثنائي القطب دائمة. بينما إذا كان غير قطبي ، مثل الهيدروكربونات أو الدهون ، فإنه يفضل الجزيئات الغازية أحادية القطب
على سبيل المثال ، الأمونيا (NH 3 ) عبارة عن غاز قابل للذوبان بشدة في الماء بسبب تفاعلات روابط الهيدروجين. بينما يتفاعل الهيدروجين (H 2 ) ، الذي يكون جزيئه الصغير ذو أبولار ، بضعف مع الماء.
أيضًا ، بناءً على حالة عملية امتصاص الغاز في السائل ، يمكن إنشاء الحالات التالية فيها:
غير المشبعة
السائل غير مشبع عندما يكون قادرًا على إذابة المزيد من الغاز. وذلك لأن الضغط الخارجي أكبر من الضغط الداخلي للسائل.
مشبع
يحدد السائل توازنًا في قابلية ذوبان الغاز ، مما يعني أن الغاز يهرب بنفس السرعة التي يدخل بها السائل.
ويمكن ملاحظة ذلك أيضًا على النحو التالي: إذا نجحت ثلاثة جزيئات غازية في الهواء ، ستعود ثلاث جزيئات أخرى إلى السائل في نفس الوقت.
فوق التشبع
يتم استبدال السائل بالغاز عندما يكون الضغط الداخلي أعلى من الضغط الخارجي. وقبل تغيير الحد الأدنى في النظام ، سيطلق الغاز الزائد الذائب حتى تتم استعادة التوازن.
تطبيقات
- يمكن تطبيق قانون هنري لحساب امتصاص الغازات الخاملة (النيتروجين والهيليوم والأرجون وما إلى ذلك) في أنسجة مختلفة من الجسم البشري ، وذلك إلى جانب نظرية هالدين هي أساس الجداول من الضغط.
- تطبيق مهم هو تشبع الغاز في الدم. عندما يكون الدم غير مشبع ، يذوب الغاز فيه ، حتى يشبع ويتوقف عن الذوبان. بمجرد حدوث ذلك ، يذهب الغاز المذاب في الدم إلى الهواء.
- تغويز المشروبات الغازية مثال على قانون هنري المطبق. أدت المشروبات الغازية إلى إذابة ثاني أكسيد الكربون تحت ضغوط عالية ، وبالتالي الحفاظ على كل مكون من المكونات مجتمعة ؛ وبالإضافة إلى ذلك ، فإنه يحتفظ بنكهة مميزة لفترة أطول بكثير.
عندما يتم الكشف عن زجاجة الصودا ، ينخفض الضغط على السائل ، مما يؤدي إلى إطلاق الضغط على الفور.
نظرًا لأن الضغط على السائل أقل الآن ، تنخفض قابلية ذوبان ثاني أكسيد الكربون وتهرب إلى البيئة (يمكن ملاحظته في ارتفاع الفقاعات من القاع).
- مع هبوط الغواص إلى أعماق أكبر ، لا يمكن للنيتروجين المستنشق الهرب لأن الضغط الخارجي يمنعه ويذوب في دم الفرد.
عندما يرتفع الغواص بسرعة إلى السطح ، حيث يقل الضغط الخارجي ، يبدأ النيتروجين في الظهور في الدم.
هذا يسبب ما يعرف بعدم الراحة في تخفيف الضغط. ولهذا السبب ، يُطلب من الغواصين أن يصعدوا ببطء ، بحيث يهرب النيتروجين ببطء أكثر من الدم.
- دراسة آثار انخفاض الأكسجين الجزيئي (O 2 ) المذاب في دم وأنسجة متسلقي الجبال أو ممارسي الأنشطة التي تنطوي على البقاء لفترات طويلة على ارتفاعات عالية ، وكذلك في سكان الأماكن المرتفعة جدًا.
- بحث وتحسين الأساليب المستخدمة لتجنب الكوارث الطبيعية التي يمكن أن تسببها وجود الغازات الذائبة في المسطحات المائية الضخمة التي يمكن إطلاقها بطريقة عنيفة.
أمثلة
لا ينطبق قانون هنري إلا عندما تكون الجزيئات في حالة توازن. فيما يلي بعض الأمثلة:
- في محلول الأكسجين (O 2 ) في سائل الدم ، يعتبر هذا الجزيء ضعيف الذوبان في الماء ، على الرغم من أن قابلية ذوبانه تزداد بسبب المحتوى العالي من الهيموغلوبين الموجود فيه. وبالتالي ، يمكن ربط كل جزيء من الهيموغلوبين بأربعة جزيئات من الأكسجين التي يتم إطلاقها في الأنسجة لاستخدامها في عملية التمثيل الغذائي.
- في عام 1986 ، كانت هناك سحابة كثيفة من ثاني أكسيد الكربون تم طردها فجأة من بحيرة نيوس (الواقعة في الكاميرون) ، مما أدى إلى اختناق حوالي 1700 شخص وعدد كبير من الحيوانات ، وهذا ما أوضحه هذا القانون.
- تزيد القابلية للذوبان التي يظهرها غاز معين في نوع سائل مع زيادة ضغط الغاز ، رغم وجود استثناءات معينة في ضغوط عالية ، مثل جزيئات النيتروجين (N 2 ).
- لا ينطبق قانون هنري عندما يكون هناك تفاعل كيميائي بين المادة التي تعمل كمذاب وما يعمل كمذيب ؛ هذا هو حال الشوارد ، مثل حمض الهيدروكلوريك (HCl).
