A lei de Henry é um princípio fundamental em química e física que estabelece uma importante relação entre a concentração de um gás numa solução e a sua pressão parcial no espaço acima da solução.
Nomeada em homenagem ao químico britânico William Henry, que a propôs pela primeira vez no século XIX, esta lei tem sido uma ferramenta crucial para a compreensão e manipulação do comportamento de gases dissolvidos em líquidos.
Definição da lei de Henry
A lei de Henry descreve como a concentração de um gás dissolvido em um líquido é diretamente proporcional à pressão parcial do gás na fase gasosa acima da solução. Em outras palavras, a uma temperatura constante, a concentração de um gás numa solução aumenta linearmente com a pressão do gás.
A definição desta lei é válida apenas em condições ideais, ou seja, quando não existem interações significativas entre as moléculas do gás e as moléculas do solvente, e quando a temperatura permanece constante. Em condições reais, podem ocorrer desvios da Lei de Henry devido a interações moleculares e mudanças de temperatura.
Fórmula
Essa relação é expressa pela equação:
C=k*P
Onde:
-
C é a concentração do gás na solução que geralmente é expressa em molaridade (moles por litro), então a unidade comum é molar (M)
-
P é a pressão parcial do gás na fase gasosa acima da solução expressa em atmosferas (atm)
-
k é a constante de Henry, que depende da natureza do gás, do solvente e da temperatura. A constante de Henry terá unidades de M/atm.
Constante de Henry
A constante de Henry (k) é uma constante específica para cada gás e solvente a uma determinada temperatura. Representa a razão entre a concentração de um gás dissolvido em um líquido e sua pressão parcial na fase gasosa acima da solução.
Abaixo está uma tabela com exemplos de constantes de Henry para algumas substâncias comuns na água a 25°C:
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Substância |
Fórmula química |
Constante de Henry (k) em água a 25°C (M/atm) |
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Oxigênio |
O₂ |
1,3×10 −3 |
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Dióxido de carbono |
CO₂ |
3,3 x 10 -2 |
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Azoto |
N₂ |
6,1×10 −4 |
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Hidrogênio |
H₂ |
7,6 x 10 -4 |
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Amônia |
NH₃ |
5,6×10 −2 |
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Metano |
CH₄ |
1,2×10 −3 |
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Dióxido de enxofre |
SO₂ |
5,6×10 −2 |
Exemplos
Aqui estão alguns exemplos da Lei de Henry em ação:
Exemplo 1: Oxigênio dissolvido em água
Suponha que temos um recipiente com água a 25°C e estamos expondo a superfície da água ao ar atmosférico, que contém oxigênio (O₂) a uma pressão parcial de 0,21 atm (a fração molar de oxigênio no ar).
De acordo com a lei de Henry, a concentração de oxigênio dissolvido na água aumentará diretamente proporcional à pressão parcial do oxigênio. Se a constante de Henry para o oxigênio na água for 1,3×10 −3 M/atm (conforme mencionado na tabela acima), podemos calcular a concentração de oxigênio na água:
Concentração de O₂ = k * P
Concentração de O₂ = (1,3×10 −3 M/atm) * (0,21 atm) = 2,73×10 −4 M
Portanto, a concentração de oxigênio dissolvido na água será de aproximadamente 2,73×10 −4 moles por litro.
Exemplo 2: Dióxido de carbono numa bebida gaseificada
Em uma bebida carbonatada como o refrigerante, o dióxido de carbono (CO₂) se dissolve no líquido sob alta pressão durante o processo de carbonatação. À medida que a lata ou garrafa é aberta, a pressão na bebida diminui e o CO₂ começa a escapar na forma de bolhas.
A quantidade de CO₂ dissolvida na bebida segue a lei de Henry. Quanto maior a pressão sobre a bebida (como quando ela está hermeticamente fechada), maior será a concentração de CO₂ dissolvido. Quando a pressão é liberada (abrindo a lata), o CO₂ é liberado na forma de bolhas.
Exemplo 3: Solubilidade do nitrogênio em água
O nitrogênio (N₂) é outro gás que mostra a lei de Henry em ação. Em baixas temperaturas e altas pressões, o nitrogênio pode dissolver-se na água em quantidades significativas.
Por exemplo, no fabrico de refrigerantes, utiliza-se azoto líquido a alta pressão para impregnar líquidos com azoto dissolvido. À medida que a pressão diminui, o nitrogênio é liberado, o que pode criar bolhas e efeitos visuais interessantes.
Aplicações científicas
A lei de Henry tem uma ampla gama de aplicações em vários campos, incluindo química, biologia, engenharia química e geologia.
Algumas de suas aplicações mais notáveis incluem:
- Química analítica – Na química analítica, é usada para determinar a concentração de um gás específico em uma amostra líquida.
- Biologia e fisiologia : neste campo aplica-se a lei dos gases ideais e da respiração. Por exemplo, no sangue humano, a concentração de oxigênio dissolvido e dióxido de carbono segue a lei de Henry, que é essencial para o transporte de oxigênio dos pulmões para os tecidos e para a eliminação do dióxido de carbono.
- Engenharia química : Na indústria química e de processos, é utilizada para projetar e operar sistemas de absorção e dessorção de gases.
- Geologia : Na geologia é aplicado ao estudo da solubilidade de gases em líquidos geológicos, como a solubilidade de gases em águas subterrâneas.
Limitações e desvios da lei de Henry
Apesar da sua utilidade, a lei de Henry tem limitações importantes.
Uma das principais limitações é que não é válido em todas as temperaturas e pressões. Em altas pressões e baixas temperaturas, as interações entre as moléculas do gás e o solvente tornam-se significativas, o que pode resultar em desvios significativos da lei.
Além disso, alguns gases podem apresentar solubilidade limitada em certos solventes devido à formação de reações químicas ou à ocorrência de mudanças de fase.