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Henry Gesetz Das nach dem englischen Chemiker William Henry beschreibt das Löslichkeitsverhalten von Gasen in Flüssigkei

Henry-Gesetz

Das Henry-Gesetz (nach dem englischen Chemiker William Henry) beschreibt das Löslichkeitsverhalten von Gasen in Flüssigkeiten.

Die Konzentration an Teilchen in der flüssigen Phase (hier blau dargestellt) hängt vom Partialdruck ab. Eine …
Erhöhung des Außendrucks (hier durch Einpressen eines Kolbens dargestellt) führt zu einem höheren Partialdruck der Gasphase und folglich zu einer höheren Konzentration.

Definition Bearbeiten

Das Henry-Gesetz besagt, dass der Partialdruck eines Gases über einer Flüssigkeit direkt proportional zur Konzentration des Gases in der Flüssigkeit ist. Die Proportionalität wird ausgedrückt durch die Henry-Konstante. Das Gesetz ist mit dem Prinzip von Le Châtelier vereinbar, denn auf eine äußere Druckzunahme wird das System mit einer Verkleinerung der Teilchenzahl des Gases reagieren (den Druck vermindern und somit dem „Zwang“ ausweichen).

Es gibt viele Möglichkeiten, die Henry-Konstante zu definieren. Diese lassen sich in zwei fundamentale Typen einteilen: Eine Möglichkeit ist es, die Flüssigphase in den Zähler und die Gasphase in den Nenner zu stellen. Daraus ergibt sich die Henry-Löslichkeitskonstante . Ihr Wert steigt mit der Löslichkeit. Alternativ können Zähler und Nenner getauscht werden, woraus sich die Henry-Flüchtigkeitskonstante ergibt. Ihr Wert steigt mit der Flüchtigkeit, sinkt also mit steigender Löslichkeit. Es gibt mehrere Varianten der beiden fundamentalen Typen, da es viele Wege gibt, die Zusammensetzung der Phasen zu beschreiben, z. B. Stoffmengenkonzentration ( mit Index l für engl. liquid), Molalität () und Stoffmengenanteil () für die Flüssigphase. Für die Gasphase können Stoffmengenkonzentration () und Partialdruck () verwendet werden. Die exakte Variante wird im Symbol der Henry-Konstante durch zwei hochgestellte Zeichen gekennzeichnet, die sich auf Zähler und Nenner beziehen. Zum Beispiel bezeichnet die Henry-Löslichkeitskonstante, die als definiert ist.

Henry-Löslichkeitskonstanten Hs Bearbeiten

Die Henry-Löslichkeitskonstante Hscp Bearbeiten

Atmosphärenchemiker definieren die Henry-Löslichkeitskonstante meist als:

Hier ist die Konzentration einer Substanz in der Flüssigphase und ihr Partialdruck in der Gasphase unter Gleichgewichtsbedingungen.

Die SI-Einheit für ist mol (m3·Pa)−1. Oft jedoch wird die Einheit M·atm−1 verwendet, da üblicherweise in M (1 M = 1 mol·dm−3) und in atm (1 atm = 101325 Pa) ausgedrückt wird.

Die dimensionslose Henry-Löslichkeitskonstante Hscc Bearbeiten

Die Henry-Löslichkeitskonstante kann auch als dimensionsloses Verhältnis zwischen der Flüssigphasenkonzentration und der Gasphasenkonzentration definiert werden:

Für ein ideales Gas ist die Umrechnung:

mit = Gaskonstante und = Temperatur. ist praktisch identisch mit dem Ostwald-Koeffizient (nach Wilhelm Ostwald, Formelzeichen L, manchmal auch λ).

Die Henry-Löslichkeitskonstante Hsxp Bearbeiten

Eine weitere Henry-Löslichkeitskonstante ist:

Hier ist der Stoffmengenanteil in der Flüssigphase. Für eine verdünnte, wässrige Lösung ist die Umrechnung zwischen und :

mit = Dichte von Wasser und = molare Masse von Wasser. Daraus folgt:

Die SI-Einheit für ist Pa−1. Häufig jedoch wird atm−1 benutzt.

Henry-Flüchtigkeitskonstanten Hv Bearbeiten

Die Henry-Flüchtigkeitskonstante Hvpc Bearbeiten

Oft wird die Henry-Flüchtigkeitskonstante als Quotient aus Partialdruck und Flüssigphasenkonzentration definiert:

Die SI-Einheit für ist Pa·m3·mol−1.

Die Henry-Flüchtigkeitskonstante Hvpx Bearbeiten

Eine weitere Henry-Flüchtigkeitskonstante ist:

Die SI-Einheit für ist Pa. Häufig jedoch wird atm benutzt.

Die dimensionslose Henry-Flüchtigkeitskonstante Hvcc Bearbeiten

Die Henry-Flüchtigkeitskonstante kann auch als dimensionsloses Verhältnis zwischen Gasphasenkonzentration einer Substanz und ihrer Flüssigphasenkonzentration definiert werden:

In der Umweltchemie wird diese Konstante oft als Luft-Wasser-Verteilungskoeffizient bezeichnet.

Werte der Henry-Konstanten Bearbeiten

Einige ausgewählte Henry-Konstanten sind in der folgenden Tabelle gezeigt. Eine große Sammlung von Henry-Konstanten ist hier verfügbar:

Henry-Konstanten für einige Gase in Wasser bei
Gas


O2 770 1.3e-3 4.3e4 3.2e-2
H2 1300 7.8e-4 7.1e4 1.9e-2
CO2 29 3.4e-2 1.6e3 8.3e-1
N2 1600 6.1e-4 9.1e4 1.5e-2
He 2700 3.7e-4 1.5e5 9.1e-3
Ne 2200 4.5e-4 1.2e5 1.1e-2
Ar 710 1.4e-3 4.0e4 3.4e-2
CO 1100 9.5e-4 5.8e4 2.3e-2

Einige Beispiele (Löslichkeit in H2O) für Henry-Konstanten organischer Substanzen sind:

Alkylbenzole (Butylbenzole – Benzol) = 0,1 … 1 mol/L·bar
Chlorbenzole (Hexachlorbenzol – Monochlorbenzol) = 0,1 … 2 mol/L·bar
Phthalsäureester = 1000 … 2000 mol/L·bar
Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) = 1 … 5000 mol/L·bar
aliphatische Kohlenwasserstoffe (C18-C5) = 0,0001 … 0,1 mol/L·bar
PCB = 1 … 100 mol/L·bar

Strenggenommen sind Henry-Konstanten nur für kleine Partialdrucke und für verdünnte Lösungen gültig. Zudem darf das gelöste Teilchen nicht mit dem Lösungsmittel reagieren, wie Kohlenstoffdioxid mit Wasser, da sonst das Gleichgewicht gestört wird.

Temperaturabhängigkeit der Henry-Konstante Bearbeiten

Die Henry-Konstante ist bei Temperaturänderungen nicht konstant, weswegen sie manchmal auch als Henry-Koeffizient bezeichnet wird. Es gibt mehrere Ansätze diese Abhängigkeit in Formeln zu fassen, ein einfaches Beispiel ist:

Hierbei steht der Index für die Normtemperatur (298,15 K). Die Konstante C kann folgendermaßen interpretiert werden:

wobei die Lösungsenthalpie und R die Gaskonstante ist.

Nachfolgende Tabelle listet einige Konstanten C ([C] = K) für die obige Formel auf:

Gas O2 H2 CO2 N2 He Ne Ar CO
C in K 1700 500 2400 1300 230 490 1300 1300

Es zeigt sich, dass die Löslichkeit von Gasen in Wasser bei steigender Temperatur abnimmt. Dieses beobachtet man beim Erhitzen von Wasser in einem Kochtopf, kleine Gasblasen bilden sich und steigen auf, lange bevor die Flüssigkeit siedet.

Anwendung im Tauchsport Bearbeiten

Mit dem relativ einfachen Henry-Gesetz lässt sich die Dekompressionskrankheit bei Tauchern erklären. Der Umgebungsdruck nimmt um etwa 1 bar pro 10 Meter Wassertiefe zu. Mit zunehmendem Partialdruck löst sich mehr Stickstoff zunächst im Blut, das ihn in die Peripherie transportiert. Dort diffundiert er vorzugsweise in Kompartimente mit hohem Fettanteil. Erfolgt das Auftauchen zu schnell bzw. ohne die evtl. notwendigen Dekompressionspausen, so ist die Rückdiffusion von Stickstoff (Gewebe → Blut → Lunge → Wasser) zu langsam, sodass er ausperlt. Findet dies im Gewebe statt, spricht man von Bends (Gelenkschmerzen), im Lungenkreislauf von Chokes (Atemproblemen) oder bei Blasenbildung in Arterien, die Hirn- oder Rückenmark versorgen, von Staggers (neurologischen Symptomen).

Siehe auch Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. William Henry: Experiments on the Quantity of Gases Absorbed by Water, at Different Temperatures, and under Different Pressures. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Band 93, 1. Januar 1803, S. 29–274, doi:10.1098/rstl.1803.0004, (Volltext).
  2. Rolf Sander: Compilation of Henry’s law constants (version 4.0) for water as solvent. In: Atmospheric Chemistry and Physics, Band 15, 2015, S. 4399–4981, doi:10.5194/acp-15-4399-2015.
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Veröffentlichungsdatum:
Das Henry Gesetz nach dem englischen Chemiker William Henry beschreibt das Loslichkeitsverhalten von Gasen in Flussigkeiten 1 Inhaltsverzeichnis 1 Definition 1 1 Henry Loslichkeitskonstanten Hs 1 1 1 Die Henry Loslichkeitskonstante Hscp 1 1 2 Die dimensionslose Henry Loslichkeitskonstante Hscc 1 1 3 Die Henry Loslichkeitskonstante Hsxp 1 2 Henry Fluchtigkeitskonstanten Hv 1 2 1 Die Henry Fluchtigkeitskonstante Hvpc 1 2 2 Die Henry Fluchtigkeitskonstante Hvpx 1 2 3 Die dimensionslose Henry Fluchtigkeitskonstante Hvcc 2 Werte der Henry Konstanten 3 Temperaturabhangigkeit der Henry Konstante 4 Anwendung im Tauchsport 5 Siehe auch 6 Weblinks 7 Einzelnachweise Die Konzentration an Teilchen in der flussigen Phase hier blau dargestellt hangt vom Partialdruck ab Eine Erhohung des Aussendrucks hier durch Einpressen eines Kolbens dargestellt fuhrt zu einem hoheren Partialdruck der Gasphase und folglich zu einer hoheren Konzentration Definition BearbeitenDas Henry Gesetz besagt dass der Partialdruck eines Gases uber einer Flussigkeit direkt proportional zur Konzentration des Gases in der Flussigkeit ist Die Proportionalitat wird ausgedruckt durch die Henry Konstante Das Gesetz ist mit dem Prinzip von Le Chatelier vereinbar denn auf eine aussere Druckzunahme wird das System mit einer Verkleinerung der Teilchenzahl des Gases reagieren den Druck vermindern und somit dem Zwang ausweichen Es gibt viele Moglichkeiten die Henry Konstante zu definieren Diese lassen sich in zwei fundamentale Typen einteilen Eine Moglichkeit ist es die Flussigphase in den Zahler und die Gasphase in den Nenner zu stellen Daraus ergibt sich die Henry Loslichkeitskonstante H s displaystyle H rm s nbsp Ihr Wert steigt mit der Loslichkeit Alternativ konnen Zahler und Nenner getauscht werden woraus sich die Henry Fluchtigkeitskonstante H v displaystyle H rm v nbsp ergibt Ihr Wert steigt mit der Fluchtigkeit sinkt also mit steigender Loslichkeit Es gibt mehrere Varianten der beiden fundamentalen Typen da es viele Wege gibt die Zusammensetzung der Phasen zu beschreiben z B Stoffmengenkonzentration c l displaystyle c rm l nbsp mit Index l fur engl liquid Molalitat b displaystyle b nbsp und Stoffmengenanteil x displaystyle x nbsp fur die Flussigphase Fur die Gasphase konnen Stoffmengenkonzentration c g displaystyle c rm g nbsp und Partialdruck p displaystyle p nbsp verwendet werden Die exakte Variante wird im Symbol der Henry Konstante durch zwei hochgestellte Zeichen gekennzeichnet die sich auf Zahler und Nenner beziehen Zum Beispiel bezeichnet H s c p displaystyle H rm s cp nbsp die Henry Loslichkeitskonstante die als c p displaystyle c p nbsp definiert ist Henry Loslichkeitskonstanten Hs Bearbeiten Die Henry Loslichkeitskonstante Hscp Bearbeiten Atmospharenchemiker definieren die Henry Loslichkeitskonstante meist als H s c p c l p displaystyle H rm s cp frac c rm l p nbsp Hier ist c l displaystyle c rm l nbsp die Konzentration einer Substanz in der Flussigphase und p displaystyle p nbsp ihr Partialdruck in der Gasphase unter Gleichgewichtsbedingungen Die SI Einheit fur H s c p displaystyle H rm s cp nbsp ist mol m3 Pa 1 Oft jedoch wird die Einheit M atm 1 verwendet da c l displaystyle c rm l nbsp ublicherweise in M 1 M 1 mol dm 3 und p displaystyle p nbsp in atm 1 atm 101325 Pa ausgedruckt wird Die dimensionslose Henry Loslichkeitskonstante Hscc Bearbeiten Die Henry Loslichkeitskonstante kann auch als dimensionsloses Verhaltnis zwischen der Flussigphasenkonzentration c l displaystyle c rm l nbsp und der Gasphasenkonzentration c g displaystyle c rm g nbsp definiert werden H s c c c l c g displaystyle H rm s cc frac c rm l c rm g nbsp Fur ein ideales Gas ist die Umrechnung H s c c H s c p R T displaystyle H rm s cc H rm s cp cdot RT nbsp mit R displaystyle R nbsp Gaskonstante und T displaystyle T nbsp Temperatur H s c c displaystyle H rm s cc nbsp ist praktisch identisch mit dem Ostwald Koeffizient nach Wilhelm Ostwald Formelzeichen L manchmal auch l Die Henry Loslichkeitskonstante Hsxp Bearbeiten Eine weitere Henry Loslichkeitskonstante ist H s x p x p displaystyle H rm s xp frac x p nbsp Hier ist x displaystyle x nbsp der Stoffmengenanteil in der Flussigphase Fur eine verdunnte wassrige Losung ist die Umrechnung zwischen x displaystyle x nbsp und c l displaystyle c rm l nbsp c l x ϱ H 2 O M H 2 O displaystyle c rm l approx x frac varrho H 2 O M H 2 O nbsp mit ϱ H 2 O displaystyle varrho H 2 O nbsp Dichte von Wasser und M H 2 O displaystyle M H 2 O nbsp molare Masse von Wasser Daraus folgt H s x p M H 2 O ϱ H 2 O H s c p displaystyle H rm s xp approx frac M H 2 O varrho H 2 O cdot H rm s cp nbsp Die SI Einheit fur H s x p displaystyle H rm s xp nbsp ist Pa 1 Haufig jedoch wird atm 1 benutzt Henry Fluchtigkeitskonstanten Hv Bearbeiten Die Henry Fluchtigkeitskonstante Hvpc Bearbeiten Oft wird die Henry Fluchtigkeitskonstante als Quotient aus Partialdruck und Flussigphasenkonzentration definiert H v p c p c l 1 H s c p displaystyle H rm v pc 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grosse Sammlung von Henry Konstanten ist hier 2 verfugbar Henry Konstanten fur einige Gase in Wasser bei T 298 15 K displaystyle T 298 15 K nbsp Gas H v p c p c a q displaystyle H rm v pc frac p c mathrm aq nbsp L a t m m o l displaystyle left tfrac mathrm L cdot mathrm atm mathrm mol right nbsp H s c p c a q p displaystyle H rm s cp frac c mathrm aq p nbsp m o l L a t m displaystyle left tfrac mathrm mol mathrm L cdot mathrm atm right nbsp H v p x p x displaystyle H rm v px frac p x nbsp a t m displaystyle left mathrm atm right nbsp H s c c c a q c g a s displaystyle H rm s cc frac c mathrm aq c mathrm gas nbsp O2 770 1 3e 3 4 3e 4 3 2e 2H2 1300 7 8e 4 7 1e 4 1 9e 2CO2 29 3 4e 2 1 6e 3 8 3e 1N2 1600 6 1e 4 9 1e 4 1 5e 2He 2700 3 7e 4 1 5e 5 9 1e 3Ne 2200 4 5e 4 1 2e 5 1 1e 2Ar 710 1 4e 3 4 0e 4 3 4e 2CO 1100 9 5e 4 5 8e 4 2 3e 2Einige Beispiele Loslichkeit in H2O fur Henry Konstanten organischer Substanzen sind Alkylbenzole Butylbenzole Benzol H s c p displaystyle H rm s cp nbsp 0 1 1 mol L barChlorbenzole Hexachlorbenzol Monochlorbenzol H s c p displaystyle H rm s cp nbsp 0 1 2 mol L barPhthalsaureester H s c p displaystyle H rm s cp nbsp 1000 2000 mol L barPolycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe PAK H s c p displaystyle H rm s cp nbsp 1 5000 mol L baraliphatische Kohlenwasserstoffe C18 C5 H s c p displaystyle H rm s cp nbsp 0 0001 0 1 mol L barPCB H s c p T displaystyle H rm s cp T nbsp 1 100 mol L barStrenggenommen sind Henry Konstanten nur fur kleine Partialdrucke und fur verdunnte Losungen gultig Zudem darf das geloste Teilchen nicht mit dem Losungsmittel reagieren wie Kohlenstoffdioxid mit Wasser da sonst das Gleichgewicht gestort wird Temperaturabhangigkeit der Henry Konstante BearbeitenDie Henry Konstante ist bei Temperaturanderungen nicht konstant weswegen sie manchmal auch als Henry Koeffizient bezeichnet wird Es gibt mehrere Ansatze diese Abhangigkeit in Formeln zu fassen ein einfaches Beispiel ist H s c p H s c p 8 exp C 1 T 1 T 8 displaystyle H rm s cp H rm s cp Theta cdot exp left C cdot left frac 1 T frac 1 T Theta right right nbsp Hierbei steht der Index 8 displaystyle Theta nbsp fur die Normtemperatur 298 15 K Die Konstante C kann folgendermassen interpretiert werden C D s o l v H R d ln H s c p d 1 T displaystyle C frac Delta mathrm solv H R frac d cdot ln left H rm s cp right d 1 T nbsp wobei D s o l v H displaystyle Delta mathrm solv H nbsp die Losungsenthalpie und R die Gaskonstante ist Nachfolgende Tabelle listet einige Konstanten C C K fur die obige Formel auf Gas O2 H2 CO2 N2 He Ne Ar COC in K 1700 500 2400 1300 230 490 1300 1300Es zeigt sich dass die Loslichkeit von Gasen in Wasser bei steigender Temperatur abnimmt Dieses beobachtet man beim Erhitzen von Wasser in einem Kochtopf kleine Gasblasen bilden sich und steigen auf lange bevor die Flussigkeit siedet Anwendung im Tauchsport BearbeitenMit dem relativ einfachen Henry Gesetz lasst sich die Dekompressionskrankheit bei Tauchern erklaren Der Umgebungsdruck nimmt um etwa 1 bar pro 10 Meter Wassertiefe zu Mit zunehmendem Partialdruck lost sich mehr Stickstoff zunachst im Blut das ihn in die Peripherie transportiert Dort diffundiert er vorzugsweise in Kompartimente mit hohem Fettanteil Erfolgt das Auftauchen zu schnell bzw ohne die evtl notwendigen Dekompressionspausen so ist die Ruckdiffusion von Stickstoff Gewebe Blut Lunge Wasser zu langsam sodass er ausperlt Findet dies im Gewebe statt spricht man von Bends Gelenkschmerzen im Lungenkreislauf von Chokes Atemproblemen oder bei Blasenbildung in Arterien die Hirn oder Ruckenmark versorgen von Staggers neurologischen Symptomen Siehe auch BearbeitenRaoultsches Gesetz Ostwald KoeffizientWeblinks BearbeitenVideo Berechnung der Sauerstoffgehalts von Wasser nach dem HENRYschen Gesetz Jakob Gunter Lauth SciFox 2013 zur Verfugung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek TIB doi 10 5446 15712 Einzelnachweise Bearbeiten William Henry Experiments on the Quantity of Gases Absorbed by Water at Different Temperatures and under Different Pressures In Philosophical Transactions of the Royal Society of London Band 93 1 Januar 1803 S 29 274 doi 10 1098 rstl 1803 0004 Volltext Rolf Sander Compilation of Henry s law constants version 4 0 for water as solvent In Atmospheric Chemistry and Physics Band 15 2015 S 4399 4981 doi 10 5194 acp 15 4399 2015 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Henry Gesetz amp oldid 233622336