Przesycenie - Supersaturation

W przypadku roztworu chemicznego przesycenie występuje , gdy stężenie substancji rozpuszczonej przekracza stężenie określone wartością równowagi rozpuszczalności . Najczęściej termin ten odnosi się do roztworu ciała stałego w cieczy. Przesycone rozwiązanie jest w stanie metastabilnym ; można go doprowadzić do równowagi, zmuszając nadmiar substancji rozpuszczonej do oddzielenia się od roztworu. Termin ten można również odnosić do mieszaniny gazów.

Historia

Rozpuszczalność Na 2 SO 4 w wodzie w funkcji temperatury.

Wczesne badania tego zjawiska prowadzono z siarczanem sodu , znanym również jako sól glaubera, ponieważ niezwykle rozpuszczalność tej soli w wodzie może spadać wraz ze wzrostem temperatury. Wczesne badania podsumował Tomlinson. Wykazano, że krystalizacja przesyconego roztworu nie wynika po prostu z jego mieszania (poprzednie przekonanie), ale z wejścia materii stałej i działania jako miejsce „początkowe” dla tworzenia się kryształów, obecnie nazywanych „nasionami”. Rozwijając to, Gay-Lussac zwrócił uwagę na kinematykę jonów soli oraz charakterystykę pojemnika mającą wpływ na stan przesycenia. Udało mu się również rozszerzyć liczbę soli, z którymi można otrzymać roztwór przesycony. Później Henri Löwel doszedł do wniosku, że zarówno jądra roztworu, jak i ścianki pojemnika mają katalizujący wpływ na roztwór powodujący krystalizację. Wyjaśnienie i dostarczenie modelu dla tego zjawiska było zadaniem podjętym przez nowsze badania. Désiré Gernez przyczynił się do tych badań, odkrywając, że jądra muszą mieć tę samą sól, która jest krystalizowana, aby promować krystalizację.

Wystąpienie i przykłady

Stały osad, ciekły rozpuszczalnik

Roztwór związku chemicznego w cieczy ulegnie przesyceniu, gdy zmieni się temperatura nasyconego roztworu . W większości przypadków rozpuszczalność spada wraz ze spadkiem temperatury; w takich przypadkach nadmiar substancji rozpuszczonej szybko oddzieli się od roztworu w postaci kryształów lub amorficznego proszku. W kilku przypadkach występuje odwrotny efekt. Przykład siarczanu sodu w wodzie jest dobrze znany i dlatego został wykorzystany we wczesnych badaniach rozpuszczalności.

Rekrystalizacja to proces stosowany do oczyszczania związków chemicznych. Mieszaninę zanieczyszczonego związku i rozpuszczalnika ogrzewa się do rozpuszczenia związku. Jeśli pozostało jakieś stałe zanieczyszczenie, jest ono usuwane przez filtrację . Gdy temperatura roztworu zostanie następnie obniżona, na krótko staje się on przesycony, a następnie związek krystalizuje aż do osiągnięcia równowagi chemicznej w niższej temperaturze. Zanieczyszczenia pozostają w supernatancie . W niektórych przypadkach kryształy nie tworzą się szybko i roztwór pozostaje przesycony po ochłodzeniu. Dzieje się tak, ponieważ istnieje bariera termodynamiczna dla tworzenia kryształu w ciekłym ośrodku. Zwykle przezwycięża się to, dodając maleńki kryształ związku rozpuszczonego do przesyconego roztworu, proces znany jako „zaszczepianie”. Innym powszechnie stosowanym procesem jest pocieranie pręcikiem o bok naczynia szklanego zawierającego roztwór w celu uwolnienia mikroskopijnych cząstek szkła, które mogą działać jako centra zarodkowania. W przemyśle wirowanie służy do oddzielania kryształów od cieczy supernatantu.

Niektóre związki i mieszaniny związków mogą tworzyć długotrwałe przesycone roztwory. Węglowodany są klasą takich związków; Bariera termodynamiczna dla tworzenia kryształów jest dość wysoka ze względu na rozległe i nieregularne wiązania wodorowe z rozpuszczalnikiem, wodą. Na przykład, chociaż sacharozę można łatwo rekrystalizować, jej produkt hydrolizy, znany jako „ cukier inwertowany ” lub „złoty syrop” jest mieszaniną glukozy i fruktozy, która występuje jako lepka, przesycona ciecz. Czysty miód zawiera węglowodany, które mogą krystalizować przez kilka tygodni.

Podczas próby krystalizacji białka można napotkać przesycenie.

Substancja rozpuszczona w postaci gazowej, ciekły rozpuszczalnik

Rozpuszczalność gazu w cieczy wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia gazu. Gdy ciśnienie zewnętrzne jest redukowane, nadmiar gazu wychodzi z roztworu.

Napoje gazowane są wytwarzane przez poddanie płynu działaniu dwutlenku węgla pod ciśnieniem. W szampanie CO 2 jest produkowany naturalnie w końcowej fazie fermentacji . Po otwarciu butelki lub puszki uwalniany jest gaz w postaci bąbelków.

Uwolnienie gazu z krwiobiegu może spowodować, że nurek głębinowy po powrocie na powierzchnię będzie cierpieć na chorobę dekompresyjną (znaną również jako zakręty). Może to być śmiertelne, jeśli uwolniony gaz dostanie się do serca.

Rozpuszczone gazy mogą być uwalniane podczas poszukiwań ropy, gdy następuje strajk. Dzieje się tak, ponieważ ropa w skale roponośnej znajduje się pod znacznym ciśnieniem ze strony skały leżącej powyżej, co pozwala na przesycenie ropy w stosunku do rozpuszczonych gazów.

Powstawanie cieczy z mieszaniny gazów

Cloudburst jest skrajnym forma wytwarzania płynnej wody z przesyconej mieszaniny powietrza i pary wodnej w atmosferze . Przesycenie w fazie gazowej jest związane z napięciem powierzchniowym cieczy poprzez równanie Kelvina , efekt Gibbsa-Thomsona i efekt Poyntinga .

International Association for the Properties of Water and Steam ( IAWS ) zapewnia specjalne równanie dla energii swobodnej Gibbsa w obszarze metastabilnej pary wody w swoim poprawionym wydaniu dotyczącym IAPWS Industrial Formulation 1997 dla właściwości termodynamicznych wody i pary . Wszystkie właściwości termodynamiczne dla obszaru metastabilnej pary wody można wyprowadzić z tego równania za pomocą odpowiednich relacji właściwości termodynamicznych do energii swobodnej Gibbsa.

Pomiar

Podczas pomiaru stężenia substancji rozpuszczonej w przesyconej mieszaninie gazowej lub ciekłej oczywiste jest, że ciśnienie wewnątrz kuwety może być wyższe niż ciśnienie otoczenia. W takim przypadku należy użyć specjalistycznej kuwety. Wybór stosowanej techniki analitycznej będzie zależał od charakterystyki analitu.

Aplikacje

Charakterystyki przesycenia mają praktyczne zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym . Tworząc przesycony roztwór określonego leku, można go spożywać w postaci płynnej. Lek można doprowadzić do stanu przesycenia za pomocą dowolnego normalnego mechanizmu, a następnie zapobiec wytrącaniu się przez dodanie inhibitorów wytrącania. Leki w tym stanie są określane jako „usługi dostarczania leków przesycających” lub „SDDS”. Doustne przyjmowanie leku w takiej postaci jest proste i pozwala na odmierzanie bardzo precyzyjnych dawek. Przede wszystkim umożliwia przetworzenie leków o bardzo niskiej rozpuszczalności w roztwory wodne . Ponadto niektóre leki mogą ulegać przesyceniu wewnątrz organizmu, mimo że są przyjmowane w postaci krystalicznej. Zjawisko to znane jest jako przesycenie in vivo .

Identyfikacja roztworów przesyconych może być wykorzystana jako narzędzie dla ekologów morskich do badania aktywności organizmów i populacji. Organizmy fotosyntetyczne uwalniają gaz O 2 do wody. Zatem obszar oceanu przesycony gazem O 2 można prawdopodobnie określić jako bogaty w aktywność fotosyntetyczną. Chociaż część O 2 będzie naturalnie znajdować się w oceanie ze względu na proste właściwości fizykochemiczne, ponad 70% całego gazowego tlenu znajdującego się w obszarach przesyconych można przypisać aktywności fotosyntetycznej.

Przesycenie w fazie pary występuje zwykle w procesie rozprężania przez dysze parowe, które pracują z parą przegrzaną na wlocie, która przechodzi w stan nasycenia na wylocie. Przesycenie staje się zatem ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu turbin parowych , ponieważ powoduje to rzeczywisty masowy przepływ pary przez dyszę o około 1 do 3% większy niż teoretycznie obliczona wartość, której można by się spodziewać, gdyby rozprężona para przeszła odwracalny proces adiabatyczny poprzez stany równowagi. W tych przypadkach przesycenie następuje z uwagi na to, że proces rozprężania przebiega tak szybko i w tak krótkim czasie, że rozprężająca się para nie może w tym procesie osiągnąć stanu równowagi, zachowując się tak, jakby była przegrzana . Stąd określenie współczynnika rozszerzalności, istotnego dla obliczenia przepływu masowego przez dyszę, musi być wykonane przy użyciu wskaźnika adiabatycznego około 1,3, jak w przypadku pary przegrzanej, zamiast 1,135, co powinno mieć być stosowany do quasi-statycznej ekspansji adiabatycznej w regionie nasyconym.

Badanie przesycenia ma również znaczenie dla badań atmosferycznych. Od lat czterdziestych wiadomo o obecności przesycenia w atmosferze . Gdy woda w troposferze jest przesycona , często obserwuje się tworzenie sieci lodowych. W stanie nasycenia cząsteczki wody nie tworzą lodu w warunkach troposferycznych. Nie wystarczy, aby cząsteczki wody utworzyły sieć lodową przy ciśnieniu nasycenia; wymagają one kondensacji powierzchni lub konglomeratów cząsteczek wody w stanie ciekłym do zamarzania. Z tych powodów wilgotność względna nad lodem w atmosferze może przekraczać 100%, co oznacza, że ​​wystąpiło przesycenie. Przesycenie wody jest w rzeczywistości bardzo powszechne w górnej troposferze, występując między 20% a 40% czasu. Można to ustalić na podstawie danych satelitarnych z sondy atmosferycznej na podczerwień .

Bibliografia