온도가 용존 산소 농도에 영향을 미치는 이유는 무엇입니까?

다양한 액체에서 많은 가스의 용해도는 i가 증가함에 따라 감소하는 것으로 관찰됩니다. n 온도, 예를 들어 물 속의 산소, 질소 및 메탄. 이것은 열역학에서 Clapeyron 방정식으로 대체되는 Le Chatelier 원리의 질적 예측을 따릅니다. 관련된 두 단계 중 하나가 기체이기 때문에 Clausius–Clapeyron 방정식을 사용할 수 있습니다.

이것은 모든 기체 / 증기의 몰 부피가 용액의 몰 부피보다 훨씬 크다고 가정합니다. 모든 값이 1 몰에 해당한다고 가정하면 Clausius–Clapeyron 방정식은 다음과 같습니다.

$$ \ frac {\ mathrm d \ ln (p)} {\ mathrm dT} = \ frac {\ Delta H} {RT ^ 2} $$는 압력과 온도 사이의 통합 형태로 $ p_1, T_1 $에서 $ p_2, T_2 $로, $ \ Delta H $가 온도와 무관하다고 가정하면

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

유도에 관련된 근사치에도 불구하고이 방정식은 많은 고체 및 액체에 대한 증기압 측정을 잘 설명합니다. 예를 들어 빙점 하강, 끓는점 상승 및 고체 및 기체 용해도 액체에서는 후자가 다른 두 가지처럼 자주 설명되지는 않습니다.

비등점의 상승에서 $ T_1 $ 온도의 용액은 순수한 용매보다 $ p_1 $ 낮은 증기압을가집니다. . 용액은 증기압이 $ p_2 $ (일반적으로 1 atm)로 증가하는 $ T_2 $로 온도가 증가 할 때만 끓습니다. 즉, 순수한 용매가 끓는 압력입니다. Raoult의 법칙 $ p_1 = p_2x _ {\ mathrm s} $, 여기서 $ x _ {\ mathrm s} $는 용매의 몰 분율입니다. $ \ ln (p_2 / p_1) = \ ln (1 / x_s) $ As $ x_ \ mathrm s = 1-x_ \ mathrm t $ 여기서 $ x_ \ mathrm t $는 용질의 몰분율, $$ \ ln \ left (\ frac {1} {1-x_t} \ right) =-\ frac {\ 델타 H_ \ text {vap}} {R} \ left (\ frac {1} {T_2}-\ frac {1} {T_1} \ right) $$ 및 $ x_ \ mathrm t $는 단위 $보다 훨씬 작습니다. \ ln (1-x_t) \ approx -x_t -x_t ^ 2 / 2 \ ldots $ 두 번째 항은 첫 번째 항에 비해 중요하지 않으므로 무시할 수 있습니다. $$ x_ \ mathrm t = \ frac {\ Delta H_ \ text {vap}} {R} \ left (\ frac {1} {T_2}-\ frac {1} {T_1} \ right) $$

열역학적으로 끓는점 및 용해도의 상승 매우 유사하지만 용질과 용제를 교체해야하므로 이전에 용제라고 불렀던 것이 이제 용질이되고 반대 가됩니다.

이제 용해도를 고려할 때 용해 된 몰분율 $ x_ \ mathrm t $의 변화는 $$ x_ \ mathrm t = \ frac {\ Delta H_ \ text {vap}} {R}로 쓸 수 있습니다. \ left (\ frac {1} {T_2}-\ frac {1} {T_ \ mathrm B} \ right) $$

여기서 $ T_2 $는 이제 액화의 정상적인 끓는 온도입니다. 가스. 또한 $ \ Delta H_ \ text {vap} $ (양수)는 이제 액화 가스의 (몰) 기화열이며이를 용액의 기화열로 근사합니다.

이 마지막 방정식은 용해도가 온도 상승에 따라 감소하고 이상적인 용액을 형성하는 모든 용매에서 동일해야 함을 나타냅니다.

용해에서 기체 분자는 매력적입니다. 자체와 용매 사이의 상호 작용 에너지. (실험 결과 $ \ Delta H_ \ text {vap} $는 양수이므로 용해되는 열은 음수입니다.) 용매 분자는 또한 그들 사이에 매력적인 상호 작용을 가지고 있지 않으면 액체를 형성하지 않을 것입니다. 따라서 기체-용매 상호 작용을 위해서는 용매-용매가 파괴되어야합니다. 전반적으로 에너지 차이는 작을 것입니다. 그러나 고려해야 할 엔트로피 효과가 있습니다. 분명히 이것은 기체가 용해 될 때 증가 할 것입니다. 이제 용매에 다른 종이 있기 때문에 분자를 배열 할 수있는 방법의 수가 증가하고 이것은 엔트로피를 증가시킬 것입니다. 이러한 효과는 함께 자발적인 과정에 대해 예상대로 자유 에너지를 부정적으로 만듭니다.

온도가 증가함에 따라 분자의 평균 에너지가 증가하므로 분자를 용액에 유지하는 인력을 더 많이 극복 할 수 있으므로 용매의 증기압이 증가하고 가스의 용해도가 감소합니다. 또한 평균 운동 에너지 $ (3/2) kT $는 용액과 기체 상태에서 동일하며, 용액에서는 더 작은 운동 범위로만 제한됩니다. 따라서 분자가 잘못된 기체 상태로 들어가게하는 것은 획득 된 운동 에너지라는 개념입니다.

이상 기체의 경우 (아마도 용액에서 물리학은 약간 다릅니다) 그러나 어쨌든 산소는 이상 기체이므로 염두에 두어야 할 물리학의 방정식은 …

운동 에너지 = ( 1/2) (질량) (속도) ^ 2 = (3/2) (볼츠만 상수) (온도),

따라서 온도는 분자 속도의 척도이며 온도가 증가함에 따라 , 분자의 속도도 증가합니다. 따라서 기체 산소를 포함한 용액의 모든 분자는 더 빠르게 이동하여 운동 에너지를 얻어 용 매화 에너지를 빠져 나가기 때문에 산소 기체가 액체 물보다 밀도가 낮기 때문에 표면에서 거품을 일으키고 수성 용액에서 빠져 나가기 쉽습니다.

댓글

• 안타깝게도이 답변도 올바르지 않습니다.

냉수는 물 분자가 차가운 물에서 서로 더 가까워 산소 분자가 빠져 나가기 어렵 기 때문에 뜨거운 물보다 더 많은 산소 분자를 보유합니다. 더 높은 온도에서 산소 분자는 더 많은 양의 운동 에너지를 갖습니다. 따라서 뜨거운 물의 가스 분자는 물 속의 약한 결합력을 더 쉽게 극복하고 표면을 통해 빠져 나갈 수 있습니다.

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• 불행히도이 답변은 올바르지 않습니다.