La legge di Henry: perché l'acqua contiene gas disciolti (CO2 e ossigeno)

Formulata nel 1803 dal chimico inglese William Henry, la legge stabilisce che, a temperatura costante, la quantità di gas che si scioglie in un liquido è direttamente proporzionale alla pressione parziale di quel gas sopra il liquido. Detto in forma semplice: più alta è la pressione, più gas si dissolve. La formula sintetica è C = k * P, dove C è la concentrazione del gas disciolto, P la sua pressione parziale e k una costante che dipende dalla coppia gas-liquido e dalla temperatura.

La legge funziona perfettamente solo per gas poco solubili e a basse concentrazioni. Per gas che reagiscono con l'acqua, come l'anidride carbonica o l'ammoniaca, la realtà è un po' più complessa perché alla semplice dissoluzione si aggiunge una vera trasformazione chimica.

Una bottiglia di acqua frizzante è il caso scolastico più chiaro. In fabbrica si inietta CO2 sotto pressione, tipicamente intorno a 5-7 atmosfere: di conseguenza, una grande quantità di gas si scioglie nell'acqua. Quando apriamo il tappo, la pressione sopra il liquido crolla bruscamente fino al valore atmosferico e l'acqua non può più trattenere tutto quel gas: l'eccesso si libera sotto forma di bollicine.

La velocità con cui escono dipende dalla presenza di siti di nucleazione: piccole rugosità del vetro, polveri o cristalli di zucchero. Per questo se versate sale o zucchero in una coca-cola la schiuma esplode improvvisa: state offrendo migliaia di punti dove le bolle possono formarsi. La stessa logica spiega perché un'acqua minerale conservata bene in una bottiglia integra resta frizzante a lungo, mentre una volta aperta perde rapidamente l'effervescenza.

L'ossigeno presente nell'atmosfera per il 21% si scioglie in acqua secondo la stessa legge, ma in quantità molto minori rispetto alla CO2 perché è meno solubile. A 20 gradi e pressione atmosferica un litro d'acqua dolce contiene circa 9 mg di O2 disciolto. È una concentrazione modesta in termini assoluti, ma sufficiente a sostenere la vita di pesci, invertebrati e microalghe.

Quando un fiume si scalda d'estate o riceve un carico organico elevato, l'ossigeno disciolto cala rapidamente. I batteri decompositori lo consumano per ossidare la sostanza organica, e contemporaneamente la solubilità diminuisce per effetto della temperatura. Il risultato sono le morie di pesci che si verificano nei mesi più caldi, segnali visibili di un equilibrio rotto.

La legge di Henry parla a temperatura costante. Variando la temperatura, la costante k cambia: per quasi tutti i gas la solubilità in acqua diminuisce al crescere della temperatura. Questo spiega perché in una pentola che sta per bollire vediamo formarsi piccole bolle anche prima che il liquido inizi a ribollire: sono i gas disciolti che escono perché l'acqua calda non riesce più a trattenerli.

Sul lato opposto, l'acqua fredda contiene più gas. Per questo le acque dei torrenti di montagna, fredde e turbolente, ospitano specie come la trota, che richiedono concentrazioni elevate di ossigeno disciolto. Lo stesso principio guida gli impianti di acquacoltura: si raffredda e si ossigena l'acqua per massimizzare il benessere dei pesci allevati.

L'aria contiene oggi circa 420 ppm di CO2, valore in continua crescita. Una piccola quota si scioglie in tutte le acque esposte all'atmosfera secondo la legge di Henry, dando luogo all'equilibrio CO2 + H2O <-> H2CO3 <-> H+ + HCO3-. Il risultato è un leggero abbassamento del pH: senza CO2 disciolta un'acqua pura avrebbe pH 7, mentre nella realtà l'acqua piovana ha pH intorno a 5,6.

Negli oceani questo fenomeno è alla base dell'acidificazione marina osservata negli ultimi decenni, mentre nelle acque potabili contribuisce a definire la cosiddetta aggressività carbonica, parametro tecnico legato alla capacità dell'acqua di intaccare le tubazioni metalliche.

Capire la legge di Henry aiuta a interpretare alcuni piccoli misteri quotidiani. Le bollicine sui bicchieri appena riempiti non sono difetti, ma gas atmosferici che escono via via che l'acqua si scalda alla temperatura ambiente. Lo stesso aspetto bianco-lattiginoso che si vede a volte aprendo il rubinetto è dovuto a microbolle d'aria intrappolate dalla pressione di rete: sono innocue e scompaiono in pochi secondi.

Per valutare invece l'equilibrio chimico globale, comprensivo di gas disciolti, durezza e pH, è necessario un esame strumentale. Il kit di prelievo a domicilio con refertazione di laboratorio di Labservice consente di misurare ossigeno disciolto, anidride carbonica e indici di aggressività in maniera affidabile.