Miksi lämpötila vaikuttaa liuenneen hapen pitoisuuteen?

Monien kaasujen liukoisuuden erilaisiin nesteisiin havaitaan pienenevän i: n lisääntyessä n lämpötila, esimerkiksi happi, typpi ja metaani vedessä. Tämä seuraa Le Chateliern periaatteen kvalitatiivisia ennusteita, jotka termodynamiikassa korvataan Clapeyronin yhtälöllä. Koska toinen kahdesta vaiheesta on kaasu, voidaan käyttää Clausius – Clapeyron-yhtälöä.

Tässä oletetaan, että minkä tahansa kaasun / höyryn moolitilavuus on paljon suurempi kuin liuoksen. Olettaen, että kaikki arvot vastaavat yhtä moolia, Clausius – Clapeyron-yhtälö on

$$ \ frac {\ mathrm d \ ln (p)} {\ mathrm dT} = \ frac {\ Delta H} {RT ^ 2} $$, joka integroidussa muodossa paineen ja lämpötilan välillä $ p_1, T_1 $ – $ p_2, T_2 $ ja olettaen, että $ \ Delta H $ on riippumaton lämpötilasta, antaa

$$ \ ln \ left (\ frac {p_2} {p_1} \ right) = – \ frac {\ Delta H} {R} \ left (\ frac {1} {T_2} – \ frac {1} {T_1} \ oikea) $$

Johdantoon liittyvistä likiarvoista huolimatta tämä yhtälö kuvaa hyvin höyrynpaineen mittauksia monilla kiinteillä aineilla ja nesteillä, esimerkiksi jäätymispisteen alenemista, kiehumispisteen nousua sekä kiinteiden ja kaasujen liukoisuutta nesteissä, vaikka jälkimmäistä ei kuvata niin usein kuin kahta muuta.

Kiehumispisteen korotuksessa liuoksella lämpötilassa $ T_1 $ on alhaisempi höyrynpaine $ p_1 $ kuin puhtaalla liuottimella. . Liuos kiehuu vain, kun lämpötila nousee arvoon $ T_2 $, jossa sen höyrynpaine on noussut arvoon $ p_2 $ (normaalisti 1 atm), joka on paine, jolla puhdas liuotin kiehuu. Raoultin lain mukaan $ p_1 = p_2x _ {\ mathrm s} $, jossa $ x _ {\ mathrm s} $ on liuottimen mooliosuus $ \ ln (p_2 / p_1) = \ ln (1 / x_s) $ As $ x_ \ mathrm s = 1-x_ \ mathrm t $, jossa $ x_ \ mathrm t $ on liuenneen aineen mooliosuus, $$ \ ln \ vasen (\ frac {1} {1-x_t} \ oikea) = – \ frac {\ Delta H_ \ text {vap}} {R} \ left (\ frac {1} {T_2} – \ frac {1} {T_1} \ right) $$ ja koska $ x_ \ mathrm t $ on paljon pienempi kuin unity $ \ ln (1-x_t) \ approx -x_t -x_t ^ 2/2 \ ldots $, joista toinen termi voidaan jättää huomioimatta, koska se on merkityksetön ensimmäiseen verrattuna, $$ x_ \ mathrm t = \ frac {\ Delta H_ \ text {vap}} {R} \ vasen (\ frac {1} {T_2} – \ frac {1} {T_1} \ oikea) $$

Kiehumispisteen ja liukoisuuden termodynaaminen nousu ovat hyvin samankaltaisia, mutta liuenneet aineet ja liuotin on vaihdettava toisiinsa, joten sen, mitä aiemmin kutsumme liuottimeksi, on nyt oltava liukenevaa ja päinvastoin .

Kun otetaan huomioon nyt liukoisuus, liukenevan mooliosuuden muunnos $ x_ \ mathrm t $ voidaan kirjoittaa muodossa $$ x_ \ mathrm t = \ frac {\ Delta H_ \ text {vap}} {R} \ vasen (\ frac {1} {T_2} – \ frac {1} {T_ \ mathrm B} \ oikea) $$

missä mikä oli $ T_2 $, on nyt nestemäisen normaali kiehumislämpötila kaasu. Myös $ \ Delta H_ \ text {vap} $ (positiivinen määrä) on nyt nesteytetyn kaasun (molaarinen) höyrystymislämpö, ja arvioimme tämän olevan liuoksen höyrystymislämpö.

Tämä viimeinen yhtälö osoittaa, että liukoisuus pienenee lämpötilan noustessa ja sen on oltava sama kaikissa liuottimissa, joihin se muodostaa ihanteellisia ratkaisuja.

Liuoksessa kaasumolekyylillä on houkutteleva vaikutus vuorovaikutusenergia itsensä ja liuottimen välillä. (Koe osoittaa, että $ \ Delta H_ \ text {vap} $ on positiivinen, joten liukeneva lämpö on negatiivinen). Liuotinmolekyyleillä on myös houkutteleva vuorovaikutus keskenään, muuten ne eivät muodosta nestettä. Siksi kaasu-liuotin-vuorovaikutusta varten liuotin-liuotin on tuhottava. Kaiken kaikkiaan ero energiassa on todennäköisesti pieni. On kuitenkin otettava huomioon entropinen vaikutus. Selvästi tämä on lisääntynyt, kun kaasu liukenee, koska nyt liuottimessa on toinen laji, ja siten molekyylien järjestämistapojen määrä on kasvanut ja tämä on lisännyt entropiaa. Yhdessä nämä vaikutukset tekevät vapaasta energiasta negatiivisen, kuten spontaanille prosessille odotetaan.

Lämpötilan noustessa molekyylien keskimääräinen energia kasvaa ja kykenevät siten paremmin voittamaan houkuttelevan potentiaalin, joka pitää ne liuoksessa ja siten liuottimen höyrynpaine kasvaa ja kaasun liukoisuus vähenee. On myös syytä huomata, että keskimääräinen kineettinen energia $ (3/2) kT $ on sama liuoksessa ja kaasufaasissa, liuoksessa se on vain rajoitettu pienempään liikkeen alueeseen. Täten käsitys, että hankittu kineettinen energia saa molekyylin tulemaan väärään kaasufaasiin.

Ihanteellisille kaasuille (todennäköisesti liuoksessa fysiikka on hieman erilainen), mutta joka tapauksessa, koska happi on ihanteellinen kaasu, fysiikan yhtälöt, jotka sinun on pidettävä mielessä, ovat …

kineettinen energia = ( 1/2) (massa) (nopeus) ^ 2 = (3/2) (Boltzmannin vakio) (Lämpötila),

joten lämpötila on mitta molekyyliesi nopeudesta, missä lämpötilan noustessa , niin myös molekyylien nopeus kasvaa. Siten kaikki liuoksessa olevat molekyylit, myös kaasumainen happi, liikkuvat kineettistä energiaa nopeammin päästäkseen solvaatioenergiasta, ja siten ne ovat alttiimpia kuplimaan pintaa ja poistumaan vesiliuoksesta, koska happikaasu on vähemmän tiheä kuin nestemäinen vesi.

kommentit

• Valitettavasti myös tämä vastaus ei ole oikea.

Kylmässä vedessä on enemmän happimolekyylejä kuin kuumassa vedessä, koska vesimolekyylit ovat lähempänä toisiaan kylmässä vedessä, mikä vaikeuttaa happimolekyylien poistumista. Korkeammassa lämpötilassa happimolekyylillä on suurempi määrä kineettistä energiaa. Joten kuumassa vedessä oleva kaasumolekyyli voi helpommin ylittää veden heikot sitoutumisvoimat ja paeta pinnan läpi.

Kommentit

• Valitettavasti tämä vastaus ei ole oikea