Растворимость газов в жидкостях подчиняется ряду закономерностей, из которых наиболее фундаментальной является зависимость концентрации газа от его парциального давления над раствором. Эта зависимость получила название закона Генри. Согласно закону Генри, при постоянной температуре растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна парциальному давлению этого газа.
Математически закон Генри выражается уравнением:
C = kH ⋅ p
где
Значение kH характеризует степень растворимости газа: чем меньше её величина, тем выше растворимость. Константа Генри является термодинамической величиной и изменяется при изменении температуры. Повышение температуры обычно приводит к уменьшению растворимости газов вследствие увеличения кинетической энергии молекул и ослабления межмолекулярных взаимодействий между молекулами газа и молекулами растворителя.
Для разных систем газ–жидкость kH может различаться на порядки. Например, углекислый газ растворяется в воде значительно лучше, чем азот, из-за наличия химического взаимодействия с растворителем.
Растворимость зависит от полярности молекул и возможности образования специфических взаимодействий. Полярные газы (например, аммиак, хлороводород, диоксид серы) обладают значительно большей растворимостью в воде, чем неполярные (кислород, азот, аргон). Это связано с возможностью образования водородных связей и реакций гидратации.
Природа растворителя также играет ключевую роль. В неполярных растворителях растворимость неполярных газов выше, чем в воде, что соответствует принципу «подобное растворяет подобное».
Температурный коэффициент растворимости газов объясняется термодинамическими закономерностями. Растворение газов в жидкостях сопровождается уменьшением энтропии системы, поэтому процесс протекает с отрицательным изменением энергии Гиббса только при определённых условиях. Увеличение температуры снижает устойчивость гидратных структур и приводит к уменьшению растворимости.
Закон Генри строго выполняется только для разбавленных растворов газов, где отсутствуют заметные химические взаимодействия между молекулами газа и растворителя. При высоких давлениях или в случаях образования устойчивых гидратов и комплексов наблюдаются отклонения.
Применение закона ограничивается также случаями, когда растворение не сопровождается реакцией. Если же газ реагирует с растворителем, например, CO2 в воде с образованием угольной кислоты, наблюдается повышенная растворимость по сравнению с расчётной.
Газированные напитки. При производстве газированных напитков используют зависимость растворимости углекислого газа от давления. Под давлением CO2 хорошо растворяется в воде и сиропах, а при открытии бутылки давление резко падает, что вызывает выделение газа.
Физиология дыхания. В биологических системах закон Генри объясняет транспорт газов в крови. Растворимость кислорода и углекислого газа в плазме определяется их парциальным давлением в альвеолах и сосудах. Именно на основе этого закона происходит газообмен между лёгкими и тканями.
Водолазная медицина. При погружении под воду повышается парциальное давление азота, что приводит к его растворению в крови и тканях организма. Быстрое всплытие вызывает резкое снижение давления и образование пузырьков азота, что приводит к кессонной болезни.
Химическая технология. В промышленности закон Генри применяется при проектировании процессов абсорбции газов жидкостями, при очистке газовых смесей, а также при контроле выбросов летучих соединений.
Экологические процессы. Растворимость атмосферных газов в водоёмах определяется законом Генри. Этот закон используется для оценки насыщения воды кислородом, содержания углекислого газа и других газов, что имеет прямое значение для гидробиологии и экологии.
Использование закона Генри позволяет прогнозировать поведение газов в растворах при изменении внешних условий. На его основе рассчитывают состав газо-жидкостных систем в промышленности, медицине и природных процессах. Закон Генри является фундаментальной основой изучения растворимости газов и широко применяется в химии, биологии, инженерии и экологии.