Przesycenie
W chemii fizycznej przesycenie występuje w roztworze , gdy stężenie substancji rozpuszczonej przekracza stężenie określone przez wartość rozpuszczalności w stanie równowagi . Najczęściej termin ten stosuje się do roztworu ciała stałego w cieczy . Roztwór przesycony jest w metastabilnym ; można go doprowadzić do równowagi, zmuszając nadmiar substancji rozpuszczonej do oddzielenia z roztworu. Termin ten można również zastosować do mieszaniny gazów .
Historia
Wczesne badania tego zjawiska prowadzono z siarczanem sodu , znanym również jako sól Glaubera, ponieważ niezwykle rozpuszczalność tej soli w wodzie może się zmniejszać wraz ze wzrostem temperatury. Wczesne badania zostały podsumowane przez Tomlinsona. Wykazano, że krystalizacja przesyconego roztworu nie wynika po prostu z jego poruszenia (poprzednie przekonanie), ale z wnikania materii stałej i działającej jako „początkowe” miejsce formowania się kryształów, zwanych obecnie „nasionami”. Rozwijając to, Gay-Lussac zwrócił uwagę na kinematykę jonów soli oraz charakterystyki pojemnika mającej wpływ na stan przesycenia. Był również w stanie rozszerzyć liczbę soli, za pomocą których można otrzymać roztwór przesycony. Później Henri Löwel doszedł do wniosku, że zarówno zarodki roztworu, jak i ścianki naczynia działają katalizująco na roztwór powodując krystalizację. Wyjaśnienie i dostarczenie modelu tego zjawiska było zadaniem podjętym w nowszych badaniach. Désiré Gernez wniósł wkład w te badania, odkrywając, że jądra muszą składać się z tej samej soli, która jest krystalizowana, aby sprzyjać krystalizacji.
Występowanie i przykłady
Stały osad, ciekły rozpuszczalnik
Roztwór związku chemicznego w cieczy stanie się przesycony, gdy zmieni się temperatura roztworu nasyconego . W większości przypadków rozpuszczalność zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury; w takich przypadkach nadmiar substancji rozpuszczonej szybko oddzieli się od roztworu w postaci kryształów lub bezpostaciowego proszku. W kilku przypadkach występuje efekt odwrotny. Przykład siarczanu sodu w wodzie jest dobrze znany i dlatego był używany we wczesnych badaniach rozpuszczalności.
Rekrystalizacja to proces służący do oczyszczania związków chemicznych. Mieszaninę zanieczyszczonego związku i rozpuszczalnika ogrzewa się aż do rozpuszczenia związku. Jeśli pozostaje jakieś stałe zanieczyszczenie, jest ono usuwane przez filtrację . Gdy temperatura roztworu jest następnie obniżana, staje się on na krótko przesycony, a następnie związek krystalizuje, aż do osiągnięcia równowagi chemicznej w niższej temperaturze. W supernatancie pozostają zanieczyszczenia płyn. W niektórych przypadkach kryształy nie tworzą się szybko, a po schłodzeniu roztwór pozostaje przesycony. Dzieje się tak, ponieważ istnieje bariera termodynamiczna dla tworzenia się kryształu w ciekłym ośrodku. Zwykle można temu zaradzić, dodając maleńki kryształ związku rozpuszczonego do przesyconego roztworu, w procesie znanym jako „zaszczepianie”. Innym powszechnie stosowanym procesem jest pocieranie prętem ściany szklanego naczynia zawierającego roztwór w celu uwolnienia mikroskopijnych cząstek szkła, które mogą działać jako centra zarodkowania. W przemyśle do oddzielenia kryształów od supernatantu stosuje się wirowanie .
Niektóre związki i mieszaniny związków mogą tworzyć długotrwałe przesycone roztwory. Węglowodany to klasa takich związków; Termodynamiczna bariera tworzenia się kryształów jest dość wysoka z powodu rozległych i nieregularnych wiązań wodorowych 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 w postaci lepkiej, przesyconej cieczy. Czysty miód zawiera węglowodany, które mogą krystalizować przez kilka tygodni.
Podczas próby krystalizacji białka można napotkać przesycenie.
Gazowa substancja rozpuszczona, ciekły rozpuszczalnik
Rozpuszczalność gazu w cieczy wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia gazu. Kiedy ciśnienie zewnętrzne spada, nadmiar gazu wydostaje się z roztworu.
Napoje gazowane powstają poprzez poddanie cieczy działaniu dwutlenku węgla pod ciśnieniem. W szampanie CO 2 powstaje naturalnie w końcowej fazie fermentacji . Podczas otwierania butelki lub puszki wydziela się gaz w postaci bąbelków.
Uwolnienie gazu z krwioobiegu może spowodować, że nurek głębinowy cierpi na chorobę dekompresyjną (znaną również jako zakręty) podczas powrotu na powierzchnię. Może to być śmiertelne, jeśli uwolniony gaz dostanie się do serca.
Rozpuszczone gazy mogą zostać uwolnione podczas poszukiwań ropy , gdy nastąpi uderzenie. Dzieje się tak, ponieważ ropa w skale roponośnej znajduje się pod znacznym ciśnieniem ze skały leżącej powyżej, co pozwala na przesycenie ropy w stosunku do rozpuszczonych gazów.
Powstawanie cieczy z mieszaniny gazów
Oberwanie chmury to ekstremalna forma produkcji ciekłej 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 .
Międzynarodowe Stowarzyszenie ds. Właściwości Wody i Pary ( IAPWS ) podaje specjalne równanie energii swobodnej Gibbsa w obszarze metastabilnych par wody w poprawionym wydaniu dotyczącym formuły przemysłowej IAPWS 1997 dotyczącej właściwości termodynamicznych wody i pary . Wszystkie właściwości termodynamiczne dla obszaru metastabilnych par wody można wyprowadzić z tego równania za pomocą odpowiednich relacji właściwości termodynamicznych do energii swobodnej Gibbsa.
Pomiar
Podczas pomiaru stężenia substancji rozpuszczonej w przesyconej gazowej lub ciekłej mieszaninie oczywiste jest, że ciśnienie wewnątrz kuwety może być większe niż ciśnienie otoczenia. W takim przypadku należy użyć specjalistycznej kuwety. Wybór techniki analitycznej będzie zależał od właściwości analitu.
Aplikacje
Charakterystyka przesycenia ma praktyczne zastosowanie w farmacji . Tworząc przesycony roztwór określonego leku, można go spożywać w postaci płynnej. Lek można doprowadzić do stanu przesycenia dowolnym normalnym mechanizmem, a następnie zapobiec wytrącaniu się przez dodanie inhibitorów wytrącania. Leki w tym stanie są określane jako „usługi dostarczania leków przesyconych” lub „SDDS”. Doustne przyjmowanie leku w tej postaci jest proste i pozwala na bardzo precyzyjne odmierzanie dawek. Przede wszystkim zapewnia środki do wytwarzania leków o bardzo niskiej rozpuszczalności 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 posłużyć ekologom morskim jako narzędzie do badania aktywności organizmów i populacji. Organizmy fotosyntetyzujące uwalniają O 2 do wody. Tak więc obszar oceanu przesycony gazowym O 2 można prawdopodobnie uznać za bogaty w aktywność fotosyntetyczną. Chociaż trochę O 2 naturalnie występuje w oceanie ze względu na proste właściwości fizykochemiczne, ponad 70% całego tlenu znajdującego się w obszarach przesyconych można przypisać aktywności fotosyntezy.
Przesycenie w fazie gazowej występuje zwykle w procesie rozprężania przez dysze parowe, które na wlocie pracują z parą przegrzaną , która na wylocie przechodzi w stan nasycenia. Przesycenie staje się zatem ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu turbin parowych , ponieważ powoduje to, że rzeczywisty masowy przepływ pary przez dyszę jest o około 1 do 3% większy niż teoretycznie obliczona wartość, której można by się spodziewać, gdyby rozprężająca się para przeszła odwracalny proces adiabatyczny przez stany równowagi. W takich przypadkach przesycenie występuje w wyniku tego, że proces rozprężania przebiega tak szybko iw tak krótkim czasie, że rozprężająca się para nie może w tym procesie osiągnąć stanu równowagi, zachowując się tak, jakby była przegrzana . Stąd określenie współczynnika rozprężania, istotnego dla obliczenia masowego natężenia przepływu przez dyszę, musi być wykonane przy użyciu wskaźnika adiabatycznego około 1,3, podobnie jak para przegrzana, zamiast 1,135, co jest wartością, którą należy zastosować dla quasi-statycznego rozprężania adiabatycznego w obszarze nasyconym.
Badanie przesycenia ma również znaczenie dla badań atmosferycznych. Obecność przesycenia w atmosferze jest znana od lat czterdziestych XX wieku. Kiedy woda jest przesycona w troposferze , często obserwuje się tworzenie sieci lodowych. W stanie nasycenia cząsteczki wody nie będą tworzyć lodu w warunkach troposferycznych. Nie wystarczy, aby cząsteczki wody utworzyły sieć lodową pod ciśnieniem nasycenia; wymagają powierzchni, na której mogą się skraplać, lub konglomeratów cząsteczek wody w stanie ciekłym, aby zamarzły. Z tych powodów wilgotność względna nad lodem w atmosferze może przekraczać 100%, co oznacza, że nastąpiło przesycenie. Przesycenie wody jest w rzeczywistości bardzo powszechne w górnej troposferze i występuje od 20% do 40% czasu. Można to ustalić za pomocą danych satelitarnych z Sygnalizator akustyczny na podczerwień .