Prawo Henry'ego

Każdy, kto słodzi kawę zapoznał się doświadczalnie ze zjawiskiem rozpuszczania. Cukier osładza całą objętość filiżanki z kawą (i innymi napojami) ponieważ rozpada się na tak małe cząsteczki, że nie mogą być dostrzeżone gołym okiem i zostają rozprowadzone po całej objętości cieczy. Od tej chwili cząsteczki ciała stałego (np. cukru) są zatrzymane w postaci molekuł wewnątrz cieczy.

Podobnie dzieje się z gazami. Wielu z nas doświadczyło, co się dzieje po szybkim otwarciu wcześniej wstrząśniętej butelki z wodą mineralną. Gaz w postaci bąbelków wydobywa się z całej objętości cieczy powodując gwałtowne rozpryskiwanie cieczy. Przekonuje nas to naocznie, że gaz znajdował się wewnątrz cieczy i pozostawał tam, dopóki nie zmieniły się warunki otoczenia

Stan ciekły jest pomiędzy stanem stałym i gazowym. Inaczej mówiąc wzajemne odległości pomiędzy molekułami cieczy są mniejsze niż w gazie i większe niż w ciele stałym (Za wyjątkiem niezwykłego zachowania wody w temp 4^oC ). Ta przestrzeń między cząsteczkami cieczy jest wystarczająca do penetracji przez gaz. Mówimy wtedy, że gaz rozpuszcza się w cieczy.

Interesujące jest to, że gaz, choć rozpuszczony w cieczy często zachowuje swoje właściwości. Chociaż molekuły gazu są kompletnie otoczone przez ciecz, wywiera on nadal ciśnienie tak jakby wewnątrz cieczy. Mówimy wtedy o tzw. prężności gazu.

Jak dużo gazu może rozpuścić się w cieczy zależy od wielu czynników. Pierwszym badaczem, który zajął się takimi zjawiskami był William Henry, angielski chemik i fizyk, bliski współpracownik Daltona.

W toku eksperymentów Henry doszedł do wniosku że

ilość gazu, która rozpuszcza się w cieczy w danej temperaturze jest proporcjonalna do ciśnienia parcjalnego tego gazu. Są więc dwa czynniki mające wpływ na rozpuszczalność gazu w danej cieczy: ciśnienie parcjalne i temperatura.

Wyobraźmy sobie pojemnik z wodą, w której nie jest rozpuszczony żaden gaz. Tak więc prężność gazu wynosi zero. W kontakcie ze środowiskiem gazowym, molekuły gazu natychmiast zaczną wnikać do cieczy przechodząc z prężności wyższej do niższej. Analogia z rozprężającym się powietrzem z butli po otwarciu zaworu jest właściwa. Wnikający w środowisko cieczy gaz zwiększa swą prężność, aż do momentu wyrównania ciśnienia. Zgodnie z prawem Daltona, ciśnienie wywołane przez gaz w cieczy jest niezależne od obecności innych gazów. Np. jeśli naczynie z cieczą jest umieszczone w czystym azocie, molekuły N₂ będą wnikać w ciecz aż prężność osiągnie poziom ciśnienia parcjalnego zewnętrznego gazu. Jeżeli zewnętrzne ciśnienie (całkowite) wzrośnie nagle z powodu dodania tlenu, nie wpłynie to na rozpuszczalność azotu. W takim przypadku tlen zacznie gwałtownie wnikać w ciecz aż do osiągnięcia równowagi.

Różnica między ciśnieniem parcjalnym gazu kontaktującego się z cieczą, a prężnością gazu w cieczy nazywana jest gradientem ciśnienia. Kiedy zwiększamy gradient ciśnienia, zwiększa się szybkość rozpuszczania gazu w cieczy. Powiększanie liczby molekuł wnikających w ciecz w procesie rozpuszczania zmniejsza gradient i spowalnia rozpuszczanie. Proces ten ustaje po osiągnięciu równowagi. Ta równowaga polega na tym, że ciągle ta sama liczba molekuł wnika w ciecz i ta sama z niej się wydostaje. Stan taki nazywamy nasyceniem.

Jeżeli gwałtownie zmiejszymy ciśnienie, gaz wydobywający się z rozpuszczalnika może przybrać postac babelków w cieczy

Powróćmy do naczynia z wodą i wyobraźmy sobie, że umieszczamy ją w komorze ciśnieniowej. Kiedy zwiększamy ciśnienie, zgodnie z prawem Henry'ego zwiększa się nasycenie wody gazami atmosferycznymi. Gaz rozpuszcza się w wodzie, aż do osiągnięcia równowagi ciśnień (nasycenia). Wyobraźmy sobie teraz, że zmniejszamy ciśnienie w komorze. Następuje wtedy zjawisko odwrotne do rozpuszczania. Mniejsze ciśnienie zewnętrzne oznacza, że gaz rozpuszczony w wodzie ma większą prężność niż ciśnienie zewnętrzne. Taką ciecz nazywamy przesyconą (supersaturated) czyli zawierającą więcej gazu niż może utrzymać pod danym ciśnieniem.

Ponieważ gaz dąży do osiągnięcia stanu równowagi, zaczyna się on wydobywać z cieczy, dążąc do zmniejszania gradientu ciśnienia. Dopóki redukcja ciśnienia odbywa się stopniowo i gradient ciśnienia nie jest zbyt duży, rozpuszczony gaz wydobywa się z roztworu bez tworzenia bąbelków. Jeśli wystąpi gwałtowny spadek ciśnienia zewnętrznego (duży gradient ciśnienia) proces desaturacji zachodzi tak szybko, że gaz zaczyna formować charakterystyczne bąbelki.

Tak dzieję się właśnie po wstrząśnięciu butelki z gazowanym napojem i gwałtownym otwarciu butelki.

Takie zjawisko może mieć fatalne skutki dla organizmu, z powodu rozpuszczenia azotu w tkankach podczas nurkowania.

Oprócz ciśnienia, kolejny czynnik - temperatura - ma wpływ na rozpuszczalność gazów. W fizjologii człowieka ten czynnik na ogół nie jest brany pod uwagę z powodu stałocieplności organizmu ludzkiego.

Bazując na budowie cząsteczkowej gazów i znając wpływ ciśnienia na ich zachowanie łatwiej zrozumieć wpływ temperatury na proces rozpuszczania.

Przypomnijmy sobie, że zwiększenie temperatury zwiększa ruchliwość cząstek cieczy. Ta większa ruchliwość zmniejsza efektywną przestrzeń między cząsteczkami cieczy, w którą molekuły gazu mogłyby wniknąć. Tak, więc przy wyższej temperaturze rozpuszczalność gazów maleje. Wyjaśnia to np. powstawanie małych bąbelków gazu zanim woda zacznie wrzeć podczas gotowania. To nie para wodna, lecz rozpuszczone w wodzie powietrze z powodu wzrostu temperatury próbuje wydostać się z cieczy.

Powracając do problemu rozpuszczania gazu w organizmie - mimo iż analogia z naczyniem z wodą jest niezła, jednak występuje tu kilka ważnych różnic.

Po pierwsze nie wszystkie tkanki absorbują gazy w jednakowy sposób. Współczynnik absorpcji zależy również od krążenia krwi w różnych tkankach (perfuzja). Ponadto różne gazy różnie rozpuszczają się w różnych tkankach, zaś tkanki różnie oddają gaz podczas odwrotnego procesu. Biorąc pod uwagę np. tą samą ilość krwi i ilość tkanki tłuszczowej, okazuje się, że pod tym samym ciśnieniem, tkanka tłuszczowa absorbuje więcej azotu. Podczas nurkowania różne tkanki absorbują różną ilość N₂. Gdyby poczekać odpowiednio długo wszystkie tkanki uległyby nasyceniu, jednak podczas nurkowania na ogół mamy ograniczony czas, więc jedne tkanki nasycają się bardziej, inne mniej.

Przewidzenie, jak gazy obojętne wnikają i opuszczają ciało jest bardzo skomplikowane, 
jednak modelowanie dekompresji opiera się na szacunkowej ocenie potwierdzanej wieloletnim
doświadczeniem.