La ley de Henry es un principio fundamental en la química y la física que establece una relación importante entre la concentración de un gas en una solución y su presión parcial en el espacio sobre la solución.
Nombrada en honor al químico británico William Henry, quien la propuso por primera vez en el siglo XIX, esta ley ha sido una herramienta crucial para comprender y manipular el comportamiento de los gases disueltos en líquidos.
Definición de la ley de Henry
La ley de Henry describe cómo la concentración de un gas disuelto en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial del gas en la fase gaseosa sobre la solución. En otras palabras, a una temperatura constante, la concentración de un gas en una solución aumenta linealmente con la presión del gas.
La definición de esta ley es válida solo en condiciones ideales, es decir, cuando no hay interacciones significativas entre las moléculas del gas y las moléculas del solvente, y cuando la temperatura se mantiene constante. En condiciones reales, las desviaciones de la Ley de Henry pueden ocurrir debido a interacciones moleculares y cambios en la temperatura.
Fórmula
Esta relación se expresa mediante la ecuación:
C = k * P
Donde:
-
C es la concentración del gas en la solución que suele expresarse en molaridad (moles por litro), por lo que la unidad común es molar (M)
-
P es la presión parcial del gas en la fase gaseosa sobre la solución expresada en atmósferas (atm)
-
k es la constante de Henry, que depende de la naturaleza del gas, el solvente y la temperatura. La constante de Henry tendrá unidades de M/atm.
Constante de Henry
La constante de Henry (k) es una constante específica para cada gas y solvente a una temperatura dada. Representa la proporción entre la concentración de un gas disuelto en un líquido y su presión parcial en la fase gaseosa sobre la solución.
A continuación, se muestra una tabla con ejemplos de constantes de Henry para algunas sustancias comunes en agua a 25°C:
|
Sustancia |
Fórmula química |
Constante de Henry (k) en agua a 25°C (M/atm) |
|
Oxígeno |
O₂ |
1.3×10−3 |
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Dióxido de carbono |
CO₂ |
3.3 x 10-2 |
|
Nitrógeno |
N₂ |
6.1×10−4 |
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Hidrógeno |
H₂ |
7.6 x 10-4 |
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Amoníaco |
NH₃ |
5.6×10−2 |
|
Metano |
CH₄ |
1.2×10−3 |
|
Dióxido de azufre |
SO₂ |
5.6×10−2 |
Ejemplos
Aquí tienes algunos ejemplos de la ley de Henry en acción:
Ejemplo 1: Oxígeno disuelto en agua
Supongamos que tenemos un recipiente con agua a 25°C y que estamos exponiendo la superficie del agua al aire atmosférico, que contiene oxígeno (O₂) a una presión parcial de 0.21 atm (la fracción molar del oxígeno en el aire).
Según la ley de Henry, la concentración de oxígeno disuelto en el agua aumentará de manera directamente proporcional a la presión parcial del oxígeno. Si la constante de Henry para el oxígeno en agua es de 1.3×10−3 M/atm (como se mencionó en la tabla anterior), podemos calcular la concentración de oxígeno en el agua:
Concentración de O₂ = k * P
Concentración de O₂ = (1.3×10−3 M/atm) * (0.21 atm) = 2.73×10−4 M
Por lo tanto, la concentración de oxígeno disuelto en el agua será de aproximadamente 2.73×10−4 moles por litro.
Ejemplo 2: Dióxido de carbono en una bebida carbonatada
En una bebida carbonatada como la soda, el dióxido de carbono (CO₂) se disuelve en el líquido bajo alta presión durante el proceso de carbonatación. A medida que se abre la lata o la botella, la presión sobre la bebida disminuye y el CO₂ comienza a escapar en forma de burbujas.
La cantidad de CO₂ disuelto en la bebida sigue la ley de Henry. Cuanto mayor sea la presión sobre la bebida (como cuando se sella herméticamente), mayor será la concentración de CO₂ disuelto. Cuando se libera la presión (al abrir la lata), el CO₂ se libera en forma de burbujas.
Ejemplo 3: Solubilidad del nitrógeno en agua
El nitrógeno (N₂) es otro gas que muestra la ley de Henry en acción. A bajas temperaturas y altas presiones, el nitrógeno puede disolverse en agua en cantidades significativas.
Por ejemplo, en la fabricación de bebidas gaseosas, se utiliza nitrógeno líquido a alta presión para impregnar líquidos con nitrógeno disuelto. A medida que la presión disminuye, el nitrógeno se libera, lo que puede crear burbujas y efectos visuales interesantes.
Aplicaciones científicas
La ley de Henry tiene una amplia gama de aplicaciones en diversos campos, incluyendo la química, la biología, la ingeniería química y la geología.
Algunas de sus aplicaciones más destacadas incluyen:
- Química analítica: en química analítica, se utiliza para determinar la concentración de un gas específico en una muestra líquida.
- Biología y fisiología: en este campo se aplica en la ley de los gases ideales y la respiración. Por ejemplo, en la sangre humana, la concentración de oxígeno y dióxido de carbono disueltos sigue la ley de Henry, lo que es fundamental para el transporte de oxígeno desde los pulmones hasta los tejidos y la eliminación de dióxido de carbono.
- Ingeniería química: En la industria química y de procesos, se utiliza para diseñar y operar sistemas de absorción y desorción de gases.
- Geología: en geología se aplica al estudio de la solubilidad de gases en líquidos geológicos, como la solubilidad de gases en aguas subterráneas.
Limitaciones y desviaciones de la ley de Henry
A pesar de su utilidad, la ley de Henry tiene limitaciones importantes.
Una de las principales limitaciones es que no es válida a todas las temperaturas y presiones. A altas presiones y bajas temperaturas, las interacciones entre las moléculas del gas y el solvente se vuelven significativas, lo que puede resultar en desviaciones significativas de la ley.
Además, algunos gases pueden experimentar una solubilidad limitada en ciertos solventes debido a la formación de reacciones químicas o la ocurrencia de cambios de fase.