Suprasaturare

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Supersaturarea este starea unei soluții care conține mai mult din materialul dizolvat decât ar putea fi dizolvat de solvent în circumstanțe normale. Se poate referi, de asemenea, la vaporii unui compus care are o presiune (parțială) mai mare decât presiunea de vapori a acelui compus.

suprasaturare în camera de nor.

Supersaturarea este utilizată în camere de nor. Aceste dispozitive detectează particulele de radiații prin crearea unui strat suprasaturat de vapori care se condensează în trasee de nor, pe măsură ce particulele trec prin el.

Pregătirea

Trebuie îndeplinite condiții speciale pentru a genera o soluție suprasaturată .

Curbele de solubilitate a nouă săruri comune.
Un model al curbei de solubilitate cu aria soluției suprasaturate

Una dintre cele mai simple modalități de a face acest lucru constă în dependența solubilității de temperatură . O curbă de solubilitate este un grafic bazat pe date care compară cantitatea de substanță dizolvată care se va dizolva într-o cantitate dată de solvent la diferite temperaturi. Cele mai tipice curbe de solubilitate sunt compuși solizi sau gazoși dizolvați în 100 de grame de apă. De regulă, cu cât este adăugată mai multă căldură unui sistem, cu atât devine mai solubilă o substanță (există excepții în care este adevărat opusul, cum ar fi sulfatul de ceară , Ce 2 (SO 4 ) 2 ). Prin urmare, la temperaturi ridicate, se poate dizolva mai mult solut decât la temperaturi mai scăzute. Dacă această soluție ar fi răcită brusc la o rată mai mare decât rata de precipitații, sistemul intră într-o regiune metastabilă în care soluția devine suprasaturată (soluția conține o cantitate de substanță dizolvată mai mare decât cea prevăzută de curba de solubilitate); în cele din urmă se atinge limita metastabilă (curba cerească în grafic), adică temperatura la care are loc cristalizarea. Odată ce limita metastabilă este atinsă și începe cristalizarea, se consumă suprasaturarea și în final concentrația în faza lichidă atinge echilibrul la nivelul curbei de solubilitate (la punctul de saturație determinat de temperatură). Precipitația sau cristalizarea solutului durează mai mult decât timpul real de răcire, deoarece moleculele trebuie să se întâlnească și să formeze precipitatul fără a fi descompuse de apă. Prin urmare, cu cât este mai mare molecula, cu atât va dura mai mult să cristalizeze datorită principiului mișcării browniene .

Condiția de suprasaturare nu trebuie neapărat realizată prin variația căldurii. Legea gazelor ideale

sugerează că presiunea și volumul pot varia, de asemenea, pentru a aduce sistemul într-o stare suprasaturată. Dacă volumul solventului scade, concentrația substanței dizolvate poate fi peste punctul de saturație și astfel se poate crea o soluție suprasaturată. Scăderea volumului este generată cel mai frecvent prin evaporare . La fel, o creștere a presiunii poate aduce o soluție la o stare suprasaturată.

Toate aceste trei mecanisme se bazează pe faptul că condițiile soluției pot fi schimbate mai rapid decât cele ale solutului pentru a precipita sau cristaliza.

Schimbare de fază (cristalizare și condensare)

Soluțiile suprasaturate vor fi, de asemenea, cristalizate în condiții specifice. [1] [2] Într-o soluție normală, odată ce s-a dizolvat cantitatea maximă de substanță dizolvată, adăugarea mai multor substanță dizolvată ar determina precipitarea soluției dizolvate și / sau soluția dizolvată deloc. [3] În mod similar, există cazuri în care solubilitatea unei soluții saturate este redusă prin modificări de temperatură, presiune sau volum, dar nu apare o stare suprasaturată. [4] În aceste cazuri, solutul va precipita pur și simplu. Acest lucru se datorează faptului că o soluție suprasaturată se află într-o stare de energie mai mare decât o soluție saturată.

O soluție suprasaturată de gaz într-un lichid poate forma bule dacă există locuri de nucleație adecvate. Suprasaturarea poate fi definită ca o sumă a tuturor presiunilor parțiale ale gazului din lichid care depășește presiunea ambiantă din lichid. [5]

Un laborator de chimie al elevilor de liceu cu practică de solvent; imaginea prezintă rezultatul experienței, o soluție suprasaturată care s-a cristalizat pe măsură ce s-a răcit la temperatura normală

Cristalizarea va avea loc pentru a permite soluției să atingă o stare de energie mai mică. (Rețineți că acest proces poate fi exoterm sau endoterm ). Energia de activare vine sub forma unui cristal de nuclee care se adaugă la soluția lichidă (sau nuclee de condensare când soluția este gazoasă). Acest nucleu poate fi adăugat dintr-o altă sursă, cunoscută sub numele de însămânțare, sau se poate forma spontan în soluție datorită parțial interacțiunilor dintre ioni și molecule. Acest proces se numește nucleație primară. Nucleii trebuie să fie identici cu cei ai solutului care cristalizează. [6] Acest lucru va permite ionilor dizolvați să se acumuleze pe nucleii celuilalt în procesul de creștere a cristalelor și acest proces se numește nucleație secundară. [7] Există mai mulți factori care influențează viteza și ordinea de intensitate a procesului de cristalizare precum și diferența în formarea cristalitelor și unice cristale .

O diagramă de fază de cristalizare arată unde apare subsaturarea, saturația și suprasaturarea la anumite concentrații. Pentru concentrații sub curba de solubilitate, se obține o soluție de subsaturare. Saturația apare atunci când concentrațiile sunt pe curba de solubilitate. Dacă concentrațiile sunt în jurul curbei de solubilitate, soluția este suprasaturată. Există trei mecanisme (regiuni ale curbei) pentru care apare suprasaturarea: precipitația, nucleația și faza metastabilă. În regiunea precipitațiilor, moleculele în soluție sunt în exces și separate de soluție formând agregate amorfe. În regiunea de nucleație, excesul de molecule se va agrega pentru a forma o structură cristalină. În regiunea metastabilă, soluția necesită timp până la nuclear. Pentru ca cristalele să crească în zona metastabilă, condițiile ar necesita formarea unui nucleu în zona de nucleație, chiar dincolo de regiunea metastabilă. Soluția suprasaturată poate reveni acum în regiunea metastabilă. [8]

Metode de măsurare

Metode de măsurare a suprasaturării (Profos, 1987). [9]
Tehnici de măsurare Metodă de măsurare Cantitatea măsurată
Acustică Ecografie Viteza sunetului, schimbarea fazei
Chimie Titrare, indicatori Concentrare, colorare
Conductometrie Celula Kohlrausch, măsurători inductive Conductivitate electrolitică
Gravimetrie Densimetru Densitate
Optică Refractometrie, interferometrie, polarimetrie, turbidometrie Indicele de refracție, interferența, rotația planului de polarizare, turbiditatea
Analiza particulelor Analizor de particule Distribuția mărimii, densitatea particulelor
Fizică Viscometru, oscilator cuarț Viscozitate
Potențiometru Electrozi specifici ionilor, membrane specifice ionilor Conductivitatea ionică
Radiometrie Radiatie nucleara Spectru de absorbție
Spectroscopie Spectrofotometrie, spectroscopie în infraroșu Spectru de absorbție

Istorie

Supersaturarea a fost un subiect frecvent cercetat de-a lungul istoriei. Studii recente privind aceste soluții au fost efectuate cu sulfat de sodiu , numit și sare Glauber, datorită stabilității cristalului și rolului în creștere pe care îl avea în industrie. Prin utilizarea acestei sări, o descoperire științifică importantă a fost făcută de Johann Baptist Ziz , un botanist din Mainz , în 1809. [10] Experimentele sale i-au permis să concluzioneze că cristalizarea unei soluții suprasaturate nu rezultă pur și simplu din agitație ( credință anterioară), dar din materia solidă care intră și acționează ca situsul „de pornire” pentru a forma cristalele, numite acum situsuri de nucleu.

Studiind aceste lucrări, Gay-Lussac a atras atenția asupra cinematicii ionilor de sare și asupra caracteristicilor recipientului care influențează starea de suprasaturare. El a fost, de asemenea, capabil să extindă numărul de săruri cu care ar putea fi obținută o soluție suprasaturată.

Ulterior, Henri Löwel a ajuns la concluzia că atât nucleele soluției, cât și pereții recipientului au un efect catalizator asupra soluției care provoacă cristalizarea. Explicația și modelul acestui fenomen au fost o sarcină întreprinsă de cercetări mai recente. Désiré Gernez a contribuit la această cercetare descoperind că nucleele trebuie să aibă aceeași sare care este cristalizată pentru a avea cristalizare.

Aplicații

Suprasaturarea este un fenomen întâlnit pe scară largă atât în ​​procesele de mediu, cât și în producția comercială.

De exemplu, mierea , o sursă de hrană dulce derivată din nectar, este o soluție suprasaturată de zahăr. Nectarul în sine este o soluție zaharoasă sub punctul de saturație. Odată ce albinele colectează nectarul, îl aerisesc rapid cu aripile pentru a forța evaporarea. Acest lucru forțează soluția într-o stare suprasaturată, creând miere. Aceasta explică de ce cristalizează mierea; soluția revine pur și simplu la starea saturată. [11]

Supersaturarea zahărului în apă duce la formarea zahărului bombonat .

Unele bomboane se fac prin cristalizarea soluțiilor suprasaturate de zahăr. Pentru a forma zahăr bombon , producătorii ridică temperatura solventului, adaugă zahărul la o concentrație ridicată și apoi scad temperatura. Dacă există un fir sau un băț în soluție pe măsură ce se răcește, cristalizarea se va produce pe acel solid și va crea o bomboană. Acesta este același principiu cu care cristalizează siropul de arțar. [12]

Carbonatarea apei depinde și de comportamentul soluțiilor suprasaturate. În acest caz, soluția este suprasaturată cu un gaz. Pentru a crea apă cu sodă și seltzer, dioxidul de carbon gazos este forțat să se dizolve în apă dincolo de punctul său de saturație. Acest lucru se face prin aplicarea unei presiuni ridicate asupra gazului în prezența apei, apoi etanșarea sistemului etanș la aer.

Proprietățile suprasaturării au aplicații practice în domeniul farmaceutic . Prin crearea unei soluții suprasaturate a unui anumit medicament, acesta poate fi ingerat sub formă lichidă. Medicamentul se poate deplasa în starea suprasaturată prin orice mecanism văzut și este împiedicat să precipite prin adăugarea de inhibitori ai precipitațiilor. [13] Medicamentele din această stare sunt denumite „servicii de livrare a medicamentelor suprasaturate” sau „SDDS”. [14] Consumul oral al unui medicament în această formă este simplu și permite măsurarea dozelor foarte precise. Mai mult, oferă o metodă pentru producerea medicamentelor cu solubilitate foarte scăzută în soluții apoase . [15] [16] Unele medicamente pot deveni suprasaturate în corpul uman, în ciuda faptului că sunt ingerate sub formă cristalină. [17] . Acest fenomen este cunoscut sub numele de suprasaturare in vivo .

Identificarea soluțiilor suprasaturate poate fi utilizată ca instrument de studiu pentru ecologii marini a activității organismelor și a populațiilor. Organisme fotosintetice produc O 2 de gaze în apă. Astfel, o regiune suprasaturată a oceanului cu O 2 gaz este probabil să fie bogat în activitatea fotosintetică. Deși O 2 apare în mod natural în ocean datorită proprietăților chimice fizice simple, până la 70% din tot oxigenul prezent în regiunile suprasaturate poate fi atribuit activității fotosintetice. [18]

Studiul suprasaturării este realizat în cercetarea atmosferică. După 1940 s-a constatat fenomenul suprasaturării în atmosferă . Când apa este suprasaturată în troposferă , se observă frecvent formarea cristalelor de gheață. Într-o stare de saturație, moleculele de apă nu formează gheață în troposferă. Presiunea de saturație nu este suficientă pentru ca moleculele de apă să formeze un cristal de gheață; necesită o suprafață pentru condensare sau conglomerate de molecule de apă lichidă pentru înghețare. Din aceste motive, umiditatea relativă de deasupra gheții din atmosferă este de peste 100%, ceea ce înseamnă că s-a produs suprasaturare. Acest fenomen este foarte frecvent în partea superioară a troposferei, având loc între 20% -40% pe zi. [19] Aceste date sunt obținute de la satelitul AIRS . [20]

Dovezi de suprasaturare în troposferă pot fi observate în contravaloarea avioanelor și a navelor spațiale, unde se ajunge la umiditate peste cea a saturației de gheață pentru a se forma.

Notă

  1. ^ (EN) Cristalizarea sistemelor moleculare din soluție: diagrame de fază, suprasaturare și alte concepte de bază , în Chemical Society Reviews, vol. 43, Editura RSC, p. 2286, DOI : 10.1039 / c3cs60359h . Adus pe 21 aprilie 2015 .
  2. ^ (EN) Efectul condițiilor de procesare asupra cristalinității și structurii hidroxiapatitei de calciu carbogazoase (CHAP) , în CrystEngComm, vol. 16, Editura RSC, p. 3950, DOI : 10.1039 / c4ce00119b . Adus pe 21 aprilie 2015 .
  3. ^ (EN) Mecanismul formării precipitatului în timpul cristalizării spontane din soluții apoase suprasaturate (PDF) și în Chem. Rev., voi. 83, 2014, pp. 343–364, DOI :10.1070 / rc2014v083n04abeh004399 .
  4. ^ (EN) EK Titaeva, VB Fedoseev, Caracteristici specifice ale cristalizării soluției suprasaturate în sistemele cu volum femtoliter , în Crystallography Reports, vol. 59, 24 mai 2014, pp. 437–441, DOI : 10.1134 / S1063774514030195 , ISSN 1063-7745 ( WC ACNP ) . Adus pe 21 aprilie 2015 .
  5. ^ Risc de boală de decompresie (DCS) . J. Conkin, Jason R. Norcross, James H. III Wessel, Andrew FJ Abercromby, Jill S. Klein, Joseph P. Dervay, Michael L. Gernhardt. „Programul de cercetare umană Element de contramăsuri pentru sănătatea umană”. NASA Houston, Texas. Raport_20140003729
  6. ^ Cristalizare industrială , la link.springer.com , Springer. Adus pe 21 aprilie 2015 .
  7. ^ (EN) operație de suprasaturare pentru controlul calității particulelor cristaline în cristalizarea soluției , în Advanced Powder Technology, Vol. 23, pp. 273-278, DOI : 10.1016 / j.apt.2012.04.009 . Adus pe 21 aprilie 2015 .
  8. ^ 1 Introducere în cristalizarea proteinelor , la www.xray.bioc.cam.ac.uk. Adus la 21 aprilie 2015 (arhivat din original la 18 aprilie 2015) .
  9. ^ (RO) Cum se măsoară suprasaturarea? , în Știința ingineriei chimice , vol. 57, pp. 4301–4310, DOI : 10.1016 / S0009-2509 (02) 00347-0 . Adus pe 21 aprilie 2015 .
  10. ^ (EN) Charles Tomlinson, Despre soluțiile saline suprasaturate , în Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol. 158, 1 ianuarie 1868, pp. 659–673, DOI : 10.1098 / rstl.1868.0028 , ISSN 0261-0523 ( WC ACNP ) . Adus pe 21 aprilie 2015 .
  11. ^ Mierea ca tratament topic pentru răni acute și cronice , la cochrane.org , Cochrane. Adus pe 21 aprilie 2015 .
  12. ^ Mark Bishop, Supersaturation , la preparatorychemistry.com . Adus pe 21 aprilie 2015 .
  13. ^ (EN) Evaluarea suprasaturării și precipitațiilor medicamentelor gastrointestinale: strategii și probleme , în International Journal of Pharmaceutics, Vol. 453, pp. 25–35, DOI : 10.1016 / j.ijpharm.2012.11.026 . Adus pe 21 aprilie 2015 .
  14. ^ (EN) Joachim Brouwers, Marcus E. Brewster, Patrick Augustijns, sistemele de livrare a medicamentelor suprasaturate: răspunsul la biodisponibilitatea orală limitată de solubilitate? , în Jurnalul de Științe Farmaceutice , vol. 98, 07-2009, pp. 2549-2572, DOI : 10.1002 / jps.21650 , ISSN 1520-6017 ( WC ACNP ) , PMID 19373886 .
  15. ^ P. Augustijns, Sisteme de livrare a medicamentelor suprasaturate: Rapidul nu este neapărat suficient de bun , pe onlinelibrary.wiley.com , Journal of Pharmaceutical Sciences, 2011. Accesat la 21 aprilie 2015 .
  16. ^ Fitzpatrick, Nicholas, John Kuzniarski - Metoda de dizolvare a gazului Brevet CA 1320934 (3-08-1993) Accesat la 15-11-2009
  17. ^ (EN) Yi-Ling Hsieh, Grace A. Ilevbare, Bernard Van Eerdenbrugh, Karl J. Box, Manuel Vincente Sanchez-Felix, Lynne S. Taylor, Comportamentul precipitațiilor induse de pH a compușilor slab de bază: determinarea întinderii și a duratei Supersaturare folosind titrarea potențometrică și corelația cu proprietățile de stare solidă , în cercetarea farmaceutică , vol. 29, 12 mai 2012, pp. 2738-2753, DOI : 10.1007 / s11095-012-0759-8 , ISSN 0724-8741 ( WC ACNP ) .
  18. ^ (EN) H. Craig, T. Hayward, Supersaturarea oxigenului în ocean: contribuții biologice versus fizice , în Știință, vol. 235, 9 ianuarie 1987, pp. 199–202, DOI : 10.1126 / science.235.4785.199 , ISSN 0036-8075 ( WC ACNP ) , PMID 17778634 .
  19. ^ A. Gettelman, DEKinnison, Impactul global al suprasaturării într-un model cuplat chimie-climat , la atmos-chem-phys.net , DOI : 10.5194 / acp-7-1629-2007 . Adus pe 21 aprilie 2015 .
    „Chimie și fizică atmosferică” .
  20. ^ Distribuția globală a suprasaturării în troposfera superioară de la sonda infraroșie atmosferică , pe journals.ametsoc.org , Journal of Climate. Adus pe 21 aprilie 2015 .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 38460
Chimie Portalul chimiei : portalul științei compoziției, proprietăților și transformărilor materiei
Adus de la „https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Supersaturation&oldid=121349372 ”