انحلالپذیری گاز در مایع: از نوشابه تا تنفس ماهی
انحلال پذیری گاز چیست و چگونه اندازهگیری میشود؟
تصور کنید یک لیوان آب سرد دارید. اگر آن را در هوای آزاد بگذارید، مقداری از گازهای هوا، به ویژه اکسیژن و نیتروژن، به آرامی در آن حل میشوند. به این پدیده، انحلال گاز در مایع میگویند. اما هر گازی به یک اندازه در آب حل نمیشود. مثلاً، گاز آمونیاک به راحتی در آب حل میشود، در حالی که گاز متان اینگونه نیست. انحلالپذیری گاز معیاری کمی برای بیان این تفاوت است. یک روش رایج برای بیان آن، استفاده از ضریب انحلال هنری۲ است که با نماد $k_H$ نشان داده میشود و رابطهی بین فشار جزئی۳ گاز در بالای مایع و غلظت آن در مایع را بیان میکند. قانون هنری به صورت زیر نوشته میشود:
که در آن:
$C$ غلظت گاز حلشده در مایع،
$k_H$ ضریب انحلال هنری (وابسته به دما، گاز و مایع)،
$P_{\text{gas}}$ فشار جزئی گاز در تعادل با مایع است.
مقدار $k_H$ برای گازهای مختلف متفاوت است. هرچه این ضریب بزرگتر باشد، انحلالپذیری گاز در آن مایع خاص بیشتر است.
عوامل اصلی مؤثر بر انحلالپذیری گازها
سه عامل اصلی مانند سه کلید، میزان حل شدن گاز در مایع را کنترل میکنند: ماهیت گاز و حلال، دما و فشار.
۱. ماهیت گاز و مایع (حلال): قطبیت۴ مولکولها نقش بزرگی بازی میکند. گازهای قطبی (مانند HCl یا NH_3) معمولاً در حلالهای قطبی مثل آب به خوبی حل میشوند. در مقابل، گازهای غیرقطبی (مانند متان CH_4) در حلالهای غیرقطبی مثل بنزین بهتر حل میشوند. این اصل را میتوان با قاعدهی سادهی «شبیه، شبیه را حل میکند» به خاطر سپرد.
۲. اثر دما: اثر دما بر انحلال گاز و جامد در مایع کاملاً متفاوت است. برای بیشتر گازها، افزایش دما باعث کاهش انحلالپذیری میشود. دلیلش این است که با افزایش دما، جنبش مولکولها بیشتر شده و پیوندهای ضعیف بین مولکولهای گاز و مایع راحتتر شکسته میشوند و گاز تمایل به خروج از مایع (مثل جوشیدن آب) پیدا میکند.
۳. اثر فشار: فشار، مهمترین عامل کنترلکننده برای گازهاست. طبق قانون هنری، در دمای ثابت، مقدار گازی که در یک حجم معین از مایع حل میشود، مستقیماً با فشار جزئی آن گاز در بالای مایع نسبت مستقیم دارد. این رابطه خطی است. مثال بارز آن، تولید نوشابههای گازدار است که تحت فشار بالای دیاکسیدکربن قرار میگیرند.
| نام گاز | فرمول شیمیایی | انحلالپذیری نسبی در آب (در شرایط استاندارد) | نمونهای از کاربرد یا اثر |
|---|---|---|---|
| آمونیاک | NH_3 | بسیار بالا | تهیه مواد شوینده و کودهای شیمیایی |
| دیاکسید کربن | CO_2 | متوسط | تولید نوشابه گازدار و فتوسنتز گیاهان آبزی |
| اکسیژن | O_2 | کم | تنفس ماهیها و دیگر آبزیان |
| نیتروژن | N_2 | خیلی کم | باعث ایجاد بیماری غواصی (نیتروژن نارکوسیس) میشود |
از نظریه تا عمل: انحلال گاز در طبیعت و صنعت
مثال ۱: تنفس زیر آب: ماهیها آبشش دارند تا اکسیژن محلول در آب را جذب کنند. در یک روز گرم تابستانی، چون انحلالپذیری اکسیژن در آب کاهش مییابد، ممکن است ماهیها به سطح آب بیایند تا هوای بیشتری کسب کنند. همچنین، در آکواریومها از پمپهای هوا استفاده میشود تا با ایجاد حباب و افزایش سطح تماس آب و هوا و نیز ایجاد جریان، اکسیژن بیشتری در آب حل شود.
مثال ۲: راز گاززدایی نوشابه: وقتی درب یک بطری نوشابه را باز میکنید، صدای فه میشنوید. این صدا به خاطر کاهش ناگهانی فشار بالای مایع است. فشار بالای دیاکسیدکربن که در کارخانه ایجاد شده بود، کاهش یافته و طبق قانون هنری، مقدار گاز محلول که در آن فشار پایدار بود، اکنون بیش از حد شده است. در نتیجه، حبابهای CO_2 به سرعت از مایع خارج میشوند. اگر نوشابه را گرم کنید، این خروج گاز سریعتر میشود، زیرا انحلالپذیری با افزایش دما کاهش مییابد.
مثال ۳: بیماری غواصان (خفگی): در اعماق دریا فشار آب بسیار زیاد است. هنگامی که غواص در این شرایط نفس میکشد، نیتروژن موجود در هوای تنفسی، طبق قانون هنری، به مقدار زیاد در خون و بافتهای بدنش حل میشود. اگر غواص خیلی سریع به سطح بیاید (کاهش سریع فشار)، نیتروژن مانند گاز داخل نوشابه، از حالت محلول خارج شده و در رگها و مفاصل حباب تشکیل میدهد که بسیار دردناک و خطرناک است. برای جلوگیری از این اتفاق، غواصان باید به آرامی و با توقفهای ایمنی (توقفهای کمفشار) به سطح بازگردند تا گاز به آرامی و بدون تشکیل حباب از بدن دفع شود.
پرسشهای متداول و اشتباهات رایج
پاورقی و واژهنامه
۱انحلالپذیری گاز (Gas Solubility): حداکثر مقدار گازی که در یک حجم معین از حلال در دمای خاص و تحت فشار مشخصی از آن گاز حل میشود.
۲ضریب انحلال هنری (Henry's Law Constant) – k_H: ثابت تناسب در قانون هنری که انحلالپذیری یک گاز خاص را در یک حلال خاص و دمای معین نشان میدهد.
۳فشار جزئی (Partial Pressure): فشاری که اگر یک گاز به تنهایی تمام حجم مخلوط گازی را در همان دما اشغال میکرد، اعمال مینمود.
۴قطبیت (Polarity): ویژگی یک مولکول که در آن توزیع نابرابر بار الکتریکی باعث ایجاد قطبهای مثبت و منفی میشود.
