Övermättnad
Inom fysikalisk kemi inträffar övermättnad med en lösning när koncentrationen av ett löst ämne överstiger den koncentration som specificeras av värdet för löslighet vid jämvikt . Vanligast används termen på en lösning av ett fast ämne i en vätska . En övermättad lösning är i ett metastabilt tillstånd; det kan bringas till jämvikt genom att tvinga överskottet av löst ämne att separera från lösningen. Termen kan också tillämpas på en blandning av gaser .
Historia
Tidiga studier av fenomenet utfördes med natriumsulfat , även känd som Glaubers salt eftersom, ovanligt, lösligheten av detta salt i vatten kan minska med ökande temperatur. Tidiga studier har sammanfattats av Tomlinson. Det visades att kristalliseringen av en övermättad lösning inte bara kommer från dess omrörning (den tidigare uppfattningen) utan från fast materia som kommer in och fungerar som en "startplats" för kristaller att bildas, nu kallade "frön". Gay-Lussac utvidgade detta och uppmärksammade saltjonernas kinematik och egenskaperna hos behållaren som påverkar övermättnadstillståndet. Han kunde också utöka antalet salter med vilka en övermättad lösning kan erhållas. Senare kom Henri Löwel till slutsatsen att både lösningens kärnor och behållarens väggar har en katalyserande effekt på lösningen som orsakar kristallisation. Att förklara och tillhandahålla en modell för detta fenomen har varit en uppgift som tagits på sig av nyare forskning. Désiré Gernez bidrog till denna forskning genom att upptäcka att kärnor måste vara av samma salt som kristalliseras för att främja kristallisering.
Förekomst och exempel
Fast fällning, flytande lösningsmedel
En lösning av en kemisk förening i en vätska blir övermättad när temperaturen på den mättade lösningen ändras. I de flesta fall minskar lösligheten med sjunkande temperatur; i sådana fall kommer överskottet av löst ämne snabbt att separeras från lösningen som kristaller eller ett amorft pulver. I några få fall uppstår motsatt effekt. Exemplet med natriumsulfat i vatten är välkänt och det var därför det användes i tidiga studier av löslighet.
Omkristallisation är en process som används för att rena kemiska föreningar. En blandning av den orena föreningen och lösningsmedlet upphettas tills föreningen har lösts upp. Om det finns en del fast förorening kvar, avlägsnas den genom filtrering . När temperaturen på lösningen därefter sänks blir den kortvarigt övermättad och sedan kristalliserar föreningen ut tills kemisk jämvikt vid den lägre temperaturen uppnås. Föroreningar finns kvar i supernatantvätskan . I vissa fall bildas inte kristaller snabbt och lösningen förblir övermättad efter kylning. Detta beror på att det finns en termodynamisk barriär mot bildandet av en kristall i ett flytande medium. Vanligtvis övervinns detta genom att tillsätta en liten kristall av den lösta föreningen till den övermättade lösningen, en process som kallas "sådd". En annan vanlig process är att gnida en stav på sidan av ett glaskärl som innehåller lösningen för att frigöra mikroskopiska glaspartiklar som kan fungera som kärnbildningscentrum. Inom industrin centrifugering för att separera kristallerna från supernatantvätskan.
Vissa föreningar och blandningar av föreningar kan bilda långlivade övermättade lösningar. Kolhydrater är en klass av sådana föreningar; Den termodynamiska barriären mot bildning av kristaller är ganska hög på grund av omfattande och oregelbunden vätebindning med lösningsmedlet vatten. Till exempel, även om sackaros lätt kan omkristalliseras, är dess hydrolysprodukt, känd som " invertsocker " eller "guldsirap" en blandning av glukos och fruktos som existerar som en viskös, övermättad vätska. Klar honung innehåller kolhydrater som kan kristalliseras under en period av veckor.
Övermättnad kan påträffas när man försöker kristallisera ett protein.
Gasformigt löst ämne, flytande lösningsmedel
En gass löslighet i en vätska ökar med ökande gastryck. När det yttre trycket reduceras kommer överskottsgasen ut ur lösningen.
Kolsyrade drycker görs genom att utsätta vätskan för koldioxid under tryck. I champagne produceras CO 2 naturligt i slutskedet av jäsningen . När flaskan eller burken öppnas frigörs en del gas i form av bubblor.
Utsläpp av gas från blodomloppet kan göra att en djuphavsdykare drabbas av tryckfallssjuka (aka böjarna) när de återvänder till ytan. Detta kan vara dödligt om den frigjorda gasen kommer in i hjärtat.
Upplösta gaser kan frigöras under oljeprospektering när en strejk görs. Detta beror på att oljan i oljebärande berg är under stort tryck från det överliggande berget, vilket gör att oljan kan övermättas med avseende på lösta gaser.
Vätskebildning från en blandning av gaser
Ett molnbrott är en extrem form av produktion av flytande vatten från en övermättad blandning av luft och vattenånga i atmosfären . Övermättnad i ångfasen är relaterad till vätskors ytspänning genom Kelvin-ekvationen , Gibbs -Thomson-effekten och Poynting-effekten .
IAPWS (International Association for Properties of Water and Steam) tillhandahåller en speciell ekvation för Gibbs fria energi i området med metastabil vattenånga i sin reviderade utgåva av IAPWS Industrial Formulation 1997 för de termodynamiska egenskaperna för vatten och ånga . Alla termodynamiska egenskaper för den metastabila ångregionen av vatten kan härledas från denna ekvation med hjälp av lämpliga relationer mellan termodynamiska egenskaper och Gibbs fria energi.
Mått
När man mäter koncentrationen av ett löst ämne i en övermättad gasformig eller flytande blandning är det uppenbart att trycket inuti kyvetten kan vara större än det omgivande trycket. När detta är så måste en specialiserad kyvett användas. Valet av analysteknik att använda kommer att bero på analytens egenskaper.
Ansökningar
Egenskaperna för övermättnad har praktiska tillämpningar när det gäller läkemedel . Genom att skapa en övermättad lösning av ett visst läkemedel kan det intas i flytande form. Läkemedlet kan bringas att drivas in i ett övermättat tillstånd genom vilken normal mekanism som helst och sedan förhindras från att fällas ut genom att tillsätta fällningshämmare. Läkemedel i detta tillstånd kallas "övermättande läkemedelsleveranstjänster" eller "SDDS". Oral konsumtion av ett läkemedel i denna form är enkel och möjliggör mätning av mycket exakta doser. I första hand tillhandahåller det ett sätt för läkemedel med mycket låg löslighet att göras till vattenlösningar . Dessutom kan vissa läkemedel genomgå övermättnad inuti kroppen trots att de intas i kristallin form. Detta fenomen är känt som in vivo övermättnad .
Identifieringen av övermättade lösningar kan användas som ett verktyg för marina ekologer att studera aktiviteten hos organismer och populationer. Fotosyntetiska organismer släpper ut O 2 -gas i vattnet. Således kan ett område av havet övermättat med O 2 -gas sannolikt bestämmas vara rikt på fotosyntetisk aktivitet. Även om en del O 2 naturligt kommer att finnas i havet på grund av enkla fysikaliska kemiska egenskaper, kan uppemot 70 % av all syrgas som finns i övermättade områden tillskrivas fotosyntetisk aktivitet.
Övermättnad i ångfas är vanligtvis närvarande i expansionsprocessen genom ångmunstycken som arbetar med överhettad ånga vid inloppet, som övergår till mättat tillstånd vid utloppet. Övermättnad blir därmed en viktig faktor att ta hänsyn till vid konstruktionen av ångturbiner , eftersom detta resulterar i att ett faktiskt massflöde av ånga genom munstycket är ca 1 till 3 % större än det teoretiskt beräknade värdet som skulle förväntas om den expanderande ånga genomgick en reversibel adiabatisk process genom jämviktstillstånd. I dessa fall uppstår övermättnad på grund av att expansionsprocessen utvecklas så snabbt och på så kort tid att den expanderande ångan inte kan nå sitt jämviktstillstånd i processen och beter sig som om den vore överhettad . Därför måste bestämningen av expansionsförhållandet, som är relevant för beräkningen av massflödet genom munstycket, göras med ett adiabatiskt index på cirka 1,3, som det för den överhettade ångan, istället för 1,135, vilket är det värde som bör behövas. användas för en kvasistatisk adiabatisk expansion i det mättade området.
Studiet av övermättnad är också relevant för atmosfäriska studier. Sedan 1940-talet har förekomsten av övermättnad i atmosfären varit känd. När vattnet är övermättat i troposfären observeras ofta bildandet av isgitter. I ett tillstånd av mättnad kommer vattenpartiklarna inte att bilda is under troposfäriska förhållanden. Det räcker inte att vattenmolekyler bildar ett isgitter vid mättnadstryck; de kräver en yta att kondensera på eller konglomerationer av flytande vattenmolekyler av vatten för att frysa. Av dessa skäl kan relativ fuktighet över is i atmosfären hittas över 100 %, vilket betyder att övermättnad har inträffat. Övermättnad av vatten är faktiskt mycket vanligt i den övre troposfären, och förekommer mellan 20 % och 40 % av tiden. Detta kan fastställas med hjälp av satellitdata från Atmospheric Infrared Sounder .