Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Перенасыщение происходит с химическим раствором, когда концентрация растворенного вещества превышает концентрацию, определяемую значением равновесной растворимости . Чаще всего этот термин применяется к раствору твердого вещества в жидкости. Перенасыщенный раствор находится в метастабильном состоянии; его можно привести в равновесие, заставив избыток растворенного вещества отделиться от раствора. Этот термин также может применяться к смеси газов.

История [ править ]

Растворимость Na 2 SO 4 в воде как функция температуры.

Ранние исследования этого явления проводились с сульфатом натрия , также известным как глауберова соль, потому что, что необычно, растворимость этой соли в воде может уменьшаться с повышением температуры. Томлинсон резюмировал ранние исследования. [1] Было показано, что кристаллизация перенасыщенного раствора происходит не просто из-за его перемешивания (предыдущее мнение), но из-за того, что твердое вещество входит и действует как «стартовое» место для образования кристаллов, теперь называемое «зародышами». Развивая это, Гей-Люссак обратил внимание на кинематикуионов соли и характеристик контейнера, влияющих на состояние перенасыщения. Он также смог расширить количество солей, с помощью которых может быть получен перенасыщенный раствор. Позже Анри Лёвель пришел к выводу, что как ядра раствора, так и стенки контейнера оказывают на раствор катализирующее действие, вызывающее кристаллизацию. Объяснение и создание модели этого явления стало задачей недавних исследований. Дезире Гернез внес свой вклад в это исследование, обнаружив, что ядра должны быть из той же самой соли, которая кристаллизируется, чтобы способствовать кристаллизации.

Возникновение и примеры [ править ]

Твердый осадок, жидкий растворитель [ править ]

Раствор химического соединения в жидкости становится перенасыщенным при изменении температуры насыщенного раствора . В большинстве случаев растворимость снижается с понижением температуры; в таких случаях избыток растворенного вещества будет быстро отделяться от раствора в виде кристаллов или аморфного порошка. [2] [3] [4] В некоторых случаях происходит обратный эффект. Пример сульфата натрия в воде хорошо известен, и именно поэтому он использовался в ранних исследованиях растворимости.

Перекристаллизация [5] [6] - это процесс очистки химических соединений. Смесь нечистого соединения и растворителя нагревают до растворения соединения. Если остаются твердые примеси, их удаляют фильтрацией . Когда температура раствора впоследствии понижается, он ненадолго становится перенасыщенным, а затем соединение выкристаллизовывается до тех пор, пока не будет достигнуто химическое равновесие при более низкой температуре. Примеси остаются в супернатантежидкость. В некоторых случаях кристаллы не образуются быстро, и после охлаждения раствор остается перенасыщенным. Это связано с тем, что существует термодинамический барьер для образования кристалла в жидкой среде. Обычно это преодолевается путем добавления к перенасыщенному раствору крошечных кристаллов растворенного соединения, процесс, известный как «затравка». Другой широко используемый процесс - это протирание стержнем стеклянной емкости, содержащей раствор, для высвобождения микроскопических стеклянных частиц, которые могут действовать как центры зародышеобразования. В промышленности центрифугирование используется для отделения кристаллов от надосадочной жидкости.

Некоторые соединения и смеси соединений могут образовывать долгоживущие перенасыщенные растворы. Углеводы - это класс таких соединений; Термодинамический барьер для образования кристаллов довольно высок из-за обширной и нерегулярной водородной связи с растворителем, водой. Например, хотя сахарозу можно легко перекристаллизовать, продукт ее гидролиза, известный как «инвертный сахар» или «золотой сироп», представляет собой смесь глюкозы и фруктозы, которая существует в виде вязкой перенасыщенной жидкости. Прозрачный мед содержит углеводы, которые могут кристаллизоваться в течение нескольких недель.

При попытке кристаллизовать белок может возникнуть перенасыщение. [7]

Газообразное растворенное вещество, жидкий растворитель [ править ]

Растворимость газа в жидкости увеличивается с увеличением давления газа. При уменьшении внешнего давления из раствора выходит излишек газа.

Газированные напитки производятся путем воздействия на жидкость углекислого газа под давлением. В шампанском CO 2 вырабатывается естественным образом на последней стадии ферментации . При открытии бутылки или банки выделяется некоторое количество газа в виде пузырьков.

Выброс газа из кровотока может вызвать у глубоководного дайвера декомпрессионную болезнь (иначе говоря, повороты) при возвращении на поверхность. Это может быть фатальным, если выпущенный газ попадет в сердце. [8]

Растворенные газы могут выделяться при разведке нефти при нанесении удара. Это происходит потому, что нефть в нефтеносных породах находится под значительным давлением вышележащих пород, что позволяет нефти перенасыщаться по отношению к растворенным газам.

Жидкое образование из смеси газов [ править ]

Селевой является крайней формой производства жидкой воды из пересыщенного смеси воздуха и водяного пара в атмосфере . Перенасыщение в паровой фазе связан с поверхностным натяжением жидкости через уравнения Кельвина , с эффектом Гиббса-Томсона и эффекта Пойнтинга . [9]

Международная ассоциация свойств воды и пара ( IAPWS ) предоставляет специальное уравнение для свободной энергии Гиббса в области метастабильного пара воды в своем пересмотренном выпуске по Промышленной формуле IAPWS 1997 года для термодинамических свойств воды и пара . Все термодинамические свойства для области метастабильного пара воды могут быть выведены из этого уравнения с помощью соответствующих соотношений термодинамических свойств со свободной энергией Гиббса. [10]

Измерение [ править ]

При измерении концентрации растворенного вещества в перенасыщенной газовой или жидкой смеси очевидно, что давление внутри кюветы может быть больше, чем давление окружающей среды. В этом случае необходимо использовать специализированную кювету. Выбор используемого аналитического метода будет зависеть от характеристик анализируемого вещества. [11]

Приложения [ править ]

Характеристики перенасыщения имеют практическое применение в фармацевтике . Создав перенасыщенный раствор определенного лекарства, его можно принимать внутрь в жидкой форме. Лекарство можно привести в состояние перенасыщения с помощью любого обычного механизма, а затем предотвратить его выпадение путем добавления ингибиторов преципитации. [12] Лекарства в этом состоянии называются «службы доставки сверхнасыщающих лекарств» или «ССРД». [13] Пероральный прием лекарства в этой форме прост и позволяет отмерить очень точные дозировки. В первую очередь, это средство для превращения лекарств с очень низкой растворимостью в водные растворы . [14] [15]Кроме того, некоторые лекарства могут перенасыщаться в организме, несмотря на то, что они попадают в кристаллическую форму. [16] Это явление известно как перенасыщение in vivo .

Идентификация перенасыщенных растворов может быть использована морскими экологами в качестве инструмента для изучения деятельности организмов и популяций. Фотосинтезирующие организмы выделяют в воду газообразный O 2 . Таким образом, область океана, перенасыщенная газом O 2, вероятно, может быть определена как богатая фотосинтетической активностью. Хотя некоторое количество O 2 будет естественным образом обнаружено в океане из-за простых физико-химических свойств, более 70% всего газообразного кислорода, обнаруженного в перенасыщенных регионах, можно отнести к фотосинтетической активности. [17]

Перенасыщение в паровой фазе обычно присутствует в процессе расширения через паровые сопла, работающие с перегретым паром на входе, что становится важным фактором, который следует учитывать при проектировании паровых турбин , поскольку это приводит к фактическому массовому расходу пара через сопло примерно на 1-3% больше теоретически рассчитанного значения, которое можно было бы ожидать, если бы расширяющийся пар подвергался обратимому адиабатическому процессу через состояния равновесия. В этих случаях пересыщение происходит из-за того, что процесс расширения развивается так быстро и за такое короткое время, что расширяющийся пар не может достичь своего равновесного состояния в процессе, ведя себя так, как если бы он был перегретым.. Следовательно, определение степени расширения, имеющее отношение к расчету массового расхода через сопло, должно выполняться с использованием показателя адиабаты примерно 1,3, как у перегретого пара, вместо 1,135, которое является значением, которое должно быть использоваться для квазистатического адиабатического расширения в области насыщения. [18]

Изучение пересыщения также актуально для атмосферных исследований. С 1940-х годов стало известно о наличии пересыщения в атмосфере . Когда вода в тропосфере пересыщена, часто наблюдается образование ледяных решеток. В состоянии насыщения частицы воды не образуют лед в тропосферных условиях. Недостаточно, чтобы молекулы воды образовали решетку льда при давлениях насыщения; они требуют поверхности для конденсации или скоплений жидких молекул воды для замораживания. По этим причинам относительная влажность над льдом в атмосфере может превышать 100%, что означает перенасыщение. Перенасыщение водой на самом деле очень распространено в верхних слоях тропосферы и происходит от 20% до 40% времени.[19] Это можно определить с помощью спутниковых данных, полученных с помощью атмосферного инфракрасного зонда . [20]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Томлинсон, Карл (1868-01-01). «О перенасыщенных солевых растворах». Философские труды Лондонского королевского общества . 158 : 659–673. DOI : 10,1098 / rstl.1868.0028 . ISSN  0261-0523 .
  2. ^ Линников, О.Д. (2014). «Механизм образования осадка при самопроизвольной кристаллизации из перенасыщенных водных растворов». Российские химические обзоры . 83 (4): 343–364. Bibcode : 2014RuCRv..83..343L . DOI : 10.1070 / rc2014v083n04abeh004399 .
  3. ^ Coquerel, Gérard (2014-03-10). «Кристаллизация молекулярных систем из раствора: фазовые диаграммы, пересыщение и другие основные понятия» . Обзоры химического общества . 43 (7): 2286–2300. DOI : 10.1039 / c3cs60359h . PMID 24457270 . 
  4. ^ Kareiva, Aivaras; Ян, Джен-Чанг; Ян, Томас Чун-Куанг; Ян, Сун-Вэй; Гросс, Карлис-Агрис; Гарскайте, Эдита (15.04.2014). «Влияние условий обработки на кристалличность и структуру карбонизированного гидроксиапатита кальция (CHAp)». CrystEngComm . 16 (19): 3950–3959. DOI : 10.1039 / c4ce00119b .
  5. Перейти ↑ Mullin, J. (1976). Промышленная кристаллизация . Springer . DOI : 10.1007 / 978-1-4615-7258-9 . ISBN 978-1-4615-7260-2.
  6. ^ Takiyama, Hiroshi (май 2012). «Операция перенасыщения для контроля качества кристаллических частиц при кристаллизации раствора». Передовая порошковая технология . 23 (3): 273–278. DOI : 10.1016 / j.apt.2012.04.009 .
  7. ^ «1 Введение в кристаллизацию белков» . www.xray.bioc.cam.ac.uk . Проверено 21 апреля 2015 .
  8. ^ Конкин, Джонни; Норкросс, Джейсон Р .; Вессель, Джеймс Х. III; Аберкромби, Эндрю Ф.Дж.; Klein, Jill S .; Dervay, Joseph P .; Гернхардт, Майкл Л. Доказательства: риск декомпрессионной болезни (DCS) . Элемент контрмер в отношении здоровья человека Программы исследований человека (Отчет). Хьюстон, Техас: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства.
  9. ^ Джордж Н. Хатсопулос и Джозеф Х. Кинан (1965), Принципы общей термодинамики - John Wiley & Sons, Inc., Нью-Йорк, Лондон, Сидней. Глава 28, страницы 303-309
  10. ^ Пересмотренный выпуск о промышленной формуле IAPWS 1997 года для термодинамических свойств воды и пара , IAPWS R7-97 (2012) [1]
  11. ^ Löffelmann, M .; Мерсманн, А. (октябрь 2002 г.). «Как измерить пересыщение?». Химическая инженерия . 57 (20): 4301–4310. DOI : 10.1016 / S0009-2509 (02) 00347-0 .
  12. ^ Bevernage, Ян; Брауэрс, Иоахим; Брюстер, Маркус Э .; Огюстейнс, Патрик (2013). «Оценка перенасыщения и преципитации желудочно-кишечных препаратов: стратегии и проблемы». Международный журнал фармацевтики . 453 (1): 25–35. DOI : 10.1016 / j.ijpharm.2012.11.026 . PMID 23194883 . 
  13. ^ Brouwers, Joachim; Брюстер, Маркус Э .; Огюстейнс, Патрик (август 2009 г.). «Перенасыщающие системы доставки лекарств: ответ на биодоступность при пероральном введении с ограниченной растворимостью?». Журнал фармацевтических наук . 98 (8): 2549–2572. DOI : 10.1002 / jps.21650 . ISSN 1520-6017 . PMID 19373886 .  
  14. ^ Augustijns (2011). «Перенасыщающие системы доставки лекарств: быстрое не всегда достаточно хорошо». Журнал фармацевтических наук . 101 (1): 7–9. DOI : 10.1002 / jps.22750 . PMID 21953470 . 
  15. ^ "Метод растворения газа" Патент Калифорнии 1320934 - Фитцпатрик, Николас; Джон Кузнярски (3 августа 1993 г.) Дата обращения: 15 ноября 2009 г.
  16. ^ Се, И-Линг; Ilevbare, Grace A .; Ван Эрденбру, Бернард; Box, Karl J .; Санчес-Феликс, Мануэль Винсенте; Тейлор, Линн С. (12 мая 2012 г.). «Поведение при осаждении слабощелочных соединений, вызванное pH: Определение степени и продолжительности перенасыщения с использованием потенциометрического титрования и корреляции со свойствами твердого тела». Фармацевтические исследования . 29 (10): 2738–2753. DOI : 10.1007 / s11095-012-0759-8 . ISSN 0724-8741 . PMID 22580905 .  
  17. ^ Крейг, H .; Хейворд, Т. (9 января 1987 г.). «Перенасыщение кислородом в океане: биологический и физический вклад». Наука . 235 (4785): 199–202. Bibcode : 1987Sci ... 235..199C . DOI : 10.1126 / science.235.4785.199 . ISSN 0036-8075 . PMID 17778634 .  
  18. ^ Уильям Джонстон Кеартон (1931), Теория и практика паровой турбины - Учебник для студентов инженерных специальностей - Питман, Нью-Йорк, Чикаго. Глава V, «Поток пара через сопла», страницы 90–99
  19. ^ Gettelman, A .; Киннисон, DE (2007). «Глобальное влияние перенасыщения в связанной химико-климатической модели» (PDF) . Химия и физика атмосферы . 7 (6): 1629–1643. DOI : 10,5194 / ACP-7-1629-2007 .
  20. ^ Геттельман, Эндрю; Фетцер, Эрик Дж .; Элдеринг, Аннмари; Ирион, Фредрик В. (2006). «Глобальное распределение пересыщения в верхней тропосфере от атмосферного инфракрасного зондирования» . Журнал климата . 19 (23): 6089. Bibcode : 2006JCli ... 19.6089G . DOI : 10.1175 / JCLI3955.1 .