Secondo la legge di Henry a temperatura costante, la solubilità di un gas è direttamente proporzionale alla pressione che il gas esercita sulla soluzione
Ogni gas presente nell'atmosfera è in equilibrio con quello disciolto nell'acqua dell'oceano. Riveste un ruolo di particolare importanza la concentrazione dell'ossigeno fondamentale per la flora e la fauna marina la cui vita dipende dall'ossigeno disciolto che è indispensabile per la loro respirazione.
Quando un gas è a contatto con l'acqua una parte di esso si solubilizzerà e la quantità di gas disciolto a una data temperatura dipende dalla pressione parziale del gas stesso. La quantità di gas disciolto e la quantità di gas indisciolto sono in equilibrio tra loro. Ad esempio consideriamo il gas che si trova maggiormente presente nell'aria ovvero l'azoto. L'azoto in soluzione è in equilibrio con l'azoto presente nell'atmosfera e l'acqua secondo la reazione di equilibrio:
N2(aq) ⇄ N2(g) + H2O(l)
La costante relativa a questo equilibrio è data da:
Keq = [N2(g)][ H2O(l)] / [N2(ac)]
Dividendo ambo i membri per [H2O(l)] si ha:
Keq/[ H2O(l)]=[N2(g)] / [N2(aq)] = PN2(g)/ [N2(aq)] = KH
L'unità di misura di KH è atm/M
Valori di KH
I valori di KH vengono tabulati per molti gas:
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Gas |
KH atm/M |
Gas |
KH atm/M |
|
O2 |
769.23 |
He |
2702.7 |
|
H2 |
1282.05 |
Ne |
2222.22 |
|
CO2 |
29.41 |
Ar |
714.28 |
|
N2 |
1639.34 |
CO |
1052.63 |
I dati presenti nella tabella sono relativi all'equilibrio tra la fase gassosa e la fase acquosa.
Ad esempio per calcolare la concentrazione molare del gas presente in soluzione dall'equazione precedente si ha:
PN2(g)/KH = [N2(aq)]
Se si vuole calcolare la concentrazione di azoto disciolto in acqua, tenendo conto che l'azoto costituisce il 78% dell'aria per cui avrà una pressione parziale di 0.78 atm si ha:
0.78 atm / 1639.34 atm/M = 4.8 · 10-4 M
Ossigeno disciolto e legge di Henry
L'ossigeno disciolto nell'acqua proviene sia da quello contenuto nell'atmosfera che da quello prodotto dalla fotosintesi delle piante acquatiche. La concentrazione dell'ossigeno disciolto in acqua dovuto a quello disciolto dall'atmosfera in cui è contenuto il 21% di ossigeno è data dalla legge di Henry:
PO2(g)/KH = [O2(aq)]
0.21 atm/ 769.23 atm/M = 2.7 · 10-4 M
L'acqua sottostante l'interfaccia aria/acqua non si trova necessariamente in equilibrio con l'aria e può avere una concentrazione di ossigeno disciolto minore rispetto a quella calcolata, infatti la concentrazione dell'ossigeno nei laghi e nell'oceano diminuisce con la profondità.
Molti sono i fattori che determinano la concentrazione dell'ossigeno disciolto quali la temperatura e la pressione. Si ricordi, infatti, che la solubilità di un gas diminuisce all'aumentare della temperatura e aumenta all'aumentare della pressione. Inoltre la concentrazione di ossigeno disciolto aumenta durante le ore diurne quando gli organismi fotosintetici producono ossigeno. L'acqua usata per raffreddare i macchinari in uno stabilimento industriale e riversata ad una maggiore temperatura diminuisce la concentrazione di ossigeno disciolto. La combinazione di acque più calde, meno luce e quindi meno ossigeno disciolto rende impossibile la vita della fauna ittica in particolare:
- Modificando i movimenti naturali e le migrazioni
- Riducendo la quantità di cibo disponibile
- Impedendo lo sviluppo di larve e uova
BOD
Inoltre quando nelle acque è presente un carico inquinante biodegradabile i batteri, presenti naturalmente nell'acqua, danno vita a fenomeni di degradazione della sostanza organica e durante tale attività aerobica essi utilizzano l'ossigeno disciolto nell'acqua abbassandone la concentrazione. Dalla diminuzione della concentrazione di O2 si può quindi risalire alla quantità di materia organica presente che rappresenta l'inquinante organico sversato nell'acqua.
Uno dei test più in uso nella valutazione del carico inquinante di un'acqua è sicuramente il BOD ( Biochemical Oxygen Demand) in cui si valuta la quantità di ossigeno richiesto affinché le sostanze organiche siano degradate biologicamente dai batteri aerobi presenti. Quindi, indirettamente, è idonea a fornire una misura delle sostanze organiche nell'ipotesi che tanto maggiore è la concentrazione di queste ultime tanto maggiore sarà lo sviluppo dei microorganismi e conseguentemente anche il consumo di ossigeno necessario per la reazione biologica. Acque incontaminate hanno un BOD inferiore a 1 mg/L mentre un fiume moderatamente inquinato avrà un BOD compreso tra 2 e 8 mg/L mentre le acque di scarico non trattate hanno un BOD tra i 200 e i 600 mg/L.
