Miért befolyásolja a hőmérséklet az oldott oxigén koncentrációját?

Megfigyelhető, hogy sok gáz oldékonysága különböző folyadékokban csökken az i növekedésével n hőmérséklet, például oxigén, nitrogén és metán a vízben. Ez követi a Le Chatelier-elv kvalitatív jóslatait, amelyet a termodinamikában a Clapeyron-egyenlet kiszorít. Mivel a két érintett fázis egyike gáz, a Clausius – Clapeyron egyenlet használható.

Ez azt feltételezi, hogy bármely gáz / gőz moláris térfogata sokkal nagyobb, mint az oldaté. Feltételezve, hogy minden érték egy molnak felel meg, a Clausius – Clapeyron egyenlet

$$ \ frac {\ mathrm d \ ln (p)} {\ mathrm dT} = \ frac {\ Delta H} {RT ^ 2} $$, amely integrált formában a nyomás és a hőmérséklet között $ p_1, T_1 $ – $ p_2, T_2 $, és feltételezve, hogy $ \ Delta H $ független a hőmérséklettől,

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

A levezetéshez használt közelítések ellenére ez az egyenlet jól leírja a gőznyomás mérését számos szilárd anyag és folyadék felett, például a fagyáspont csökkenését, a forráspont emelkedését, valamint a szilárd anyagok és gázok oldhatóságát folyadékokban, bár ez utóbbit nem írják le olyan gyakran, mint a másik kettőt.

A forráspont emelkedésében az $ T_1 $ hőmérsékletű oldat alacsonyabb gőznyomással rendelkezik, mint a tiszta oldószer. . Az oldat csak akkor forral fel, ha a hőmérsékletet $ T_2 $ -ra emelik, ahol a gőznyomása $ p_2 $ -ra (általában 1 atm) nőtt, vagyis az a nyomás, amelynél a tiszta oldószer forr. Raoult törvénye szerint $ p_1 = p_2x _ {\ mathrm s} $, ahol $ x _ {\ mathrm s} $ a $ \ ln (p_2 / p_1) = \ ln (1 / x_s) $ As $ x_ \ oldószer móltöredéke. mathrm s = 1-x_ \ mathrm t $ ahol $ x_ \ mathrm t $ az oldott anyag móltöredéke, $$ \ ln \ left (\ frac {1} {1-x_t} \ right) = – \ frac {\ Delta H_ \ text {vap}} {R} \ balra (\ frac {1} {T_2} – \ frac {1} {T_1} \ jobbra) $$, és mivel $ x_ \ mathrm t $ sokkal kisebb, mint az $ $ \ ln (1-x_t) \ kb -x_t -x_t ^ 2/2 \ ldots $, ahonnan a második tag figyelmen kívül hagyható, mivel ez jelentéktelen az elsőhöz képest, $$ x_ \ mathrm t = \ frac {\ Delta H_ \ text {vap}} {R} \ balra (\ frac {1} {T_2} – \ frac {1} {T_1} \ jobbra) $$

Termodinamikailag a forráspont és az oldhatóság emelkedése nagyon hasonlóak, de az oldott anyagot és az oldószert fel kell cserélnünk egymásra, ezért annak, amit korábban oldószernek neveztünk, most oldottnak kell lennie, és fordítva .

Figyelembe véve a mostani oldhatóságot, a feloldott mólfrakció variációja $ x_ \ mathrm t $ $$ x_ \ mathrm t = \ frac {\ Delta H_ \ text {vap}} {R} \ left (\ frac {1} {T_2} – \ frac {1} {T_ \ mathrm B} \ right) $$

ahol a $ T_2 $ érték most a cseppfolyósított normál forráspontja gáz. A $ \ Delta H_ \ text {vap} $ (pozitív mennyiség) szintén a cseppfolyósított gáz (moláris) párolgási hője, és ezt megközelítőleg az oldatból származó párolgás hőjének tekintjük.

Ez az utolsó egyenlet azt jelzi, hogy az oldhatóság a hőmérséklet növekedésével csökken, és azonosnak kell lennie minden olyan oldószerben, amelyben ideális oldatokat képez.

Az oldatban egy gázmolekula vonzó. interakciós energia saját maga és az oldószer között. (A kísérlet azt mutatja, hogy $ \ Delta H_ \ text {vap} $ pozitív, így az oldódni kívánt hő negatív). Az oldószer molekulák vonzó kölcsönhatásban állnak egymással, különben nem képeznek folyadékot. Így a gáz-oldószer kölcsönhatáshoz az oldószert-oldószert meg kell semmisíteni. Összességében az energiakülönbség valószínűleg kicsi. Ugyanakkor figyelembe kell venni egy entrópikus hatást. Ez nyilvánvalóan növekedni fog, ha egy gáz feloldódik, mivel most egy másik faj van az oldószerben, és így a molekulák elrendeződésének száma nőtt, és ez növelte az entrópiát. Ezek a hatások együttesen a szabad energiát negatívvá teszik, amint azt egy spontán folyamat várható.

A hőmérséklet növekedésével a molekulák átlagos energiát nyernek, és így jobban képesek legyőzni azt a vonzó potenciált, amely oldatban tartja őket, és így az oldószer gőznyomása növekszik, és a gáz oldhatósága csökken. Érdemes megjegyezni azt is, hogy az $ (3/2) kT $ átlagos mozgási energia megegyezik az oldatban és a gázfázisban, az oldatban csupán egy kisebb mozgástartományra korlátozódik. Így az a felfogás, hogy a kinetikus energia az, amely megszerzi a molekulát, helytelenül lép be a gázfázisba.

Ideális gázok esetében (valószínűleg az oldatban a fizika kissé eltér), de amúgy is, mivel az oxigén ideális gáz, a fizika egyenletei, amelyeket szem előtt kell tartanod …

kinetikus energia = ( 1/2) (tömeg) (sebesség) ^ 2 = (3/2) (Boltzmann-állandó) (hőmérséklet),

ezért a hőmérséklet a molekuláid sebességének mértéke, ahol a hőmérséklet emelkedésével , így növekszik a molekulák sebessége is. Így az oldatban lévő összes molekula, beleértve a gáz halmazállapotú oxigént is, gyorsabban mozog kinetikus energiával, hogy elkerülje a szolvatációs energiát, és így hajlamosabbak buborékokat felszívni a felszínen és kiszabadulni a vizes oldatokból, mert az oxigéngáz kevésbé sűrű, mint a folyékony víz.

Megjegyzések

• Sajnos ez a válasz sem helyes.

A hideg víz több oxigénmolekulát tartalmaz, mint a forró víz, mert a vízmolekulák közelebb vannak egymáshoz a hideg vízben, ami megnehezíti az oxigénmolekula kiszabadulását. Magasabb hőmérsékleten az oxigénmolekula kinetikus energiája nagyobb. Tehát a forró vízben lévő gázmolekula könnyebben felülkerekedhet a vízben lévő gyenge kötőerőkön és a felszínen keresztül távozhat.

Megjegyzések

• Sajnos ez a válasz nem helyes