Wirkung von Druck auf die Löslichkeit von Gasen: Henrys Gesetz
Äußerer Druck hat sehr wenig Einfluss auf die Löslichkeit von Flüssigkeiten und Feststoffen. Im Gegensatz dazu nimmt die Löslichkeit von Gasen zu, wenn der Partialdruck des Gases über einer Lösung zunimmt., Dieser Punkt ist in Abbildung \(\pageIndex{4}\) dargestellt, die den Effekt eines erhöhten Drucks auf das dynamische Gleichgewicht zwischen den gelösten Gasmolekülen in Lösung und den Molekülen in der Gasphase über der Lösung zeigt. Da die Konzentration von Molekülen in der Gasphase mit zunehmendem Druck zunimmt, ist die Konzentration von gelösten Gasmolekülen in der Lösung im Gleichgewicht auch bei höheren Drücken höher.,
Die Beziehung zwischen Druck und Löslichkeit eines Gases wird quantitativ durch Henrys Gesetz beschrieben, das nach seinem Entdecker benannt ist, dem englischen Arzt und Chemiker William Henry (1775-1836):
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wobei
- \(C\) die Konzentration des gelösten Gases im Gleichgewicht ist.,
- \(P\) ist der Partialdruck des Gases und
- \(k\) ist die Henry-Gesetzkonstante, die experimentell für jede Kombination von Gas, Lösungsmittel und Temperatur bestimmt werden muss.,
Obwohl die Gaskonzentration in beliebigen Einheiten ausgedrückt werden kann, verwenden wir ausschließlich Molarität. Die Einheiten der Henry-Gesetzkonstante sind daher mol / (L·atm) = M/atm. Werte der Henry-Gesetz-Konstanten für Lösungen mehrerer Gase in Wasser bei 20°C sind in Tabelle \(\pageIndex{1}\) aufgeführt.
Wie die Daten in Tabelle \(\pageIndex{1}\) zeigen, hängt die Konzentration eines gelösten Gases in Wasser bei einem gegebenen Druck stark von seinen physikalischen Eigenschaften ab. Für eine Reihe verwandter Substanzen nehmen die Dispersionskräfte mit zunehmender Molekularmasse zu., So nehmen unter den Elementen der Gruppe 18 die Henry-Gesetzkonstanten reibungslos von He nach Ne nach Ar zu. Die Tabelle zeigt auch, dass \(O_2\) fast doppelt so löslich ist wie \(N_2\). Obwohl die Dispersionskräfte zu schwach sind, um einen so großen Unterschied zu erklären, ist \(O_2\) paramagnetisch und daher polarisierbarer als \(N_2\), was seine hohe Löslichkeit erklärt.
Gase, die mit Wasser reagieren, gehorchen nicht Henrys Gesetz.
Henrys Gesetz hat wichtige Anwendungen., Zum Beispiel bilden sich Blasen von \(CO_2\), sobald ein kohlensäurehaltiges Getränk geöffnet wird, weil das Getränk unter \(CO_2\) bei einem Druck von mehr als 1 atm abgefüllt wurde. Wenn die Flasche geöffnet wird, sinkt der Druck von \(CO_2\) über der Lösung schnell und ein Teil des gelösten Gases entweicht als Blasen aus der Lösung. Henrys Gesetz erklärt auch, warum Taucher darauf achten müssen, nach einem Tauchgang langsam an die Oberfläche aufzusteigen, wenn sie Druckluft einatmen. Bei den höheren Drücken unter Wasser löst sich mehr N2 aus der Luft in den inneren Flüssigkeiten des Tauchers auf., Wenn der Taucher zu schnell aufsteigt, führt die schnelle Druckänderung dazu, dass sich kleine Blasen von N2 im ganzen Körper bilden, ein Zustand, der als „die Biegungen“ bekannt ist.“Diese Blasen können den Blutfluss durch die kleinen Blutgefäße blockieren, große Schmerzen verursachen und sich in einigen Fällen sogar als tödlich erweisen.
Aufgrund der niedrigen Henry-Gesetzkonstante für \(O_2\) im Wasser sind die Gehalte an gelöstem Sauerstoff im Wasser zu niedrig, um den Energiebedarf mehrzelliger Organismen, einschließlich des Menschen, zu decken., Um die \(O_2\) Konzentration in inneren Flüssigkeiten zu erhöhen, synthetisieren Organismen hochlösliche Trägermoleküle, die \(O_2\) reversibel binden. Zum Beispiel enthalten menschliche rote Blutkörperchen ein Protein namens Hämoglobin, das spezifisch \(O_2\) bindet und seinen Transport von der Lunge zu den Geweben erleichtert, wo es verwendet wird, um Lebensmittelmoleküle zu oxidieren, um Energie bereitzustellen. Die Konzentration von Hämoglobin im normalen Blut beträgt etwa 2,2 mM, und jedes Hämoglobinmolekül kann vier \(O_2\) Moleküle binden., Obwohl die Konzentration von gelöstem \(O_2\) im Blutserum bei 37°C(normale Körpertemperatur) nur 0,010 mM beträgt, beträgt die Gesamtkonzentration von gelöstem \(O_2\) 8,8 mm, fast tausendmal größer als ohne Hämoglobin. Synthetische Sauerstoffträger auf Basis fluorierter Alkane wurden für den Einsatz als Notfallersatz für Vollblut entwickelt. Im Gegensatz zu gespendetem Blut benötigen diese „Blutersatzstoffe“ keine Kühlung und sind lange haltbar., Ihre sehr hohen Henry-Gesetz-Konstanten für \(O_2\) führen zu gelösten Sauerstoffkonzentrationen, die mit denen im normalen Blut vergleichbar sind.
