Dlaczego temperatura wpływa na stężenie rozpuszczonego tlenu?

Obserwuje się spadek rozpuszczalności wielu gazów w różnych cieczach wraz ze wzrostem i n temperatura, na przykład tlen, azot i metan w wodzie. Jest to zgodne z jakościowymi przewidywaniami zasady Le Chateliera, która w termodynamice jest wypierana przez równanie Clapeyrona. Ponieważ jedną z dwóch zaangażowanych faz jest gaz, można zastosować równanie Clausiusa – Clapeyrona.

Zakłada się, że objętość molowa dowolnego gazu / pary jest znacznie większa niż roztworu. Zakładając, że wszystkie wartości odpowiadają jednemu molowi, równanie Clausiusa – Clapeyrona wynosi

$$ \ frac {\ mathrm d \ ln (p)} {\ mathrm dT} = \ frac {\ Delta H} {RT ^ 2} $$, które w postaci zintegrowanej między ciśnieniem a temperaturą $ p_1, T_1 $ do $ p_2, T_2 $ i zakładając, że $ \ Delta H $ jest niezależne od temperatury, daje

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

Pomimo przybliżeń związanych z jego wyprowadzeniem, równanie to dobrze opisuje pomiary prężności par wielu ciał stałych i cieczy, na przykład obniżenie temperatury zamarzania, podwyższenie temperatury wrzenia i rozpuszczalność ciał stałych i gazów w cieczach, chociaż ta ostatnia nie jest tak często opisywana jak pozostałe dwa.

W podwyższonej temperaturze wrzenia roztwór o temperaturze $ T_1 $ ma niższą prężność pary $ p_1 $ niż czysty rozpuszczalnik . Roztwór wrze tylko wtedy, gdy temperatura wzrośnie do $ T_2 $, gdzie ciśnienie pary wzrośnie do $ p_2 $ (normalnie 1 atm), co jest ciśnieniem, przy którym wrze czysty rozpuszczalnik. Zgodnie z prawem Raoulta $ p_1 = p_2x _ {\ mathrm s} $, gdzie $ x _ {\ mathrm s} $ jest ułamkiem molowym rozpuszczalnika $ \ ln (p_2 / p_1) = \ ln (1 / x_s) $ As $ x_ \ mathrm s = 1-x_ \ mathrm t $ gdzie $ x_ \ mathrm t $ jest ułamkiem molowym substancji rozpuszczonej, $$ \ ln \ left (\ frac {1} {1-x_t} \ right) = – \ frac {\ Delta H_ \ text {vap}} {R} \ left (\ frac {1} {T_2} – \ frac {1} {T_1} \ right) $$ i jako $ x_ \ mathrm t $ jest znacznie mniejsze niż unity $ \ ln (1-x_t) \ approx -x_t -x_t ^ 2/2 \ ldots $, z którego można zignorować drugi składnik, ponieważ jest on nieistotny w porównaniu z pierwszym, wtedy $$ x_ \ mathrm t = \ frac {\ Delta H_ \ text {vap}} {R} \ left (\ frac {1} {T_2} – \ frac {1} {T_1} \ right) $$

Termodynamicznie podniesienie temperatury wrzenia i rozpuszczalności są bardzo podobne, ale musimy zamienić substancję rozpuszczoną na rozpuszczalnik, więc to, co wcześniej nazywaliśmy rozpuszczalnikiem, teraz musi być substancją rozpuszczoną i odwrotnie .

Biorąc pod uwagę rozpuszczalność, wariację rozpuszczonego ułamka molowego $ x_ \ mathrm t $ można zapisać jako $$ x_ \ mathrm t = \ frac {\ Delta H_ \ text {vap}} {R} \ left (\ frac {1} {T_2} – \ frac {1} {T_ \ mathrm B} \ right) $$

gdzie to, co było $ T_2 $, jest teraz normalną temperaturą wrzenia skroplonego gaz. Również $ \ Delta H_ \ text {vap} $ (ilość dodatnia) jest teraz (molowym) ciepłem parowania skroplonego gazu i przybliżamy to jako ciepło parowania z roztworu.

To ostatnie równanie wskazuje, że rozpuszczalność maleje wraz ze wzrostem temperatury i powinna być taka sama we wszystkich rozpuszczalnikach, w których tworzy idealne roztwory.

W roztworze cząsteczka gazu ma atrakcyjny energia interakcji między sobą a rozpuszczalnikiem. (Eksperyment pokazuje, że $ \ Delta H_ \ text {vap} $ jest dodatnia, więc ciepło do rozpuszczenia jest ujemne). Cząsteczki rozpuszczalnika mają również atrakcyjne oddziaływanie między sobą, w przeciwnym razie nie utworzyłyby cieczy. Zatem dla interakcji gaz-rozpuszczalnik trzeba zniszczyć rozpuszczalnik-rozpuszczalnik. Ogólnie różnica energii jest prawdopodobnie niewielka. Należy jednak wziąć pod uwagę efekt entropii. Najwyraźniej wzrośnie to, gdy gaz się rozpuści, ponieważ teraz w rozpuszczalniku są inne związki, a zatem liczba sposobów rozmieszczenia cząsteczek wzrosła, co zwiększy entropię. Razem te efekty powodują, że darmowa energia jest ujemna, zgodnie z oczekiwaniami dla spontanicznego procesu.

Wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki zyskują na średniej energii i dzięki temu są bardziej zdolne do przezwyciężenia potencjału przyciągania, który utrzymuje je w roztworze, a tym samym zwiększa się ciśnienie pary rozpuszczalnika i zmniejsza się rozpuszczalność gazu. Warto również zauważyć, że średnia energia kinetyczna $ (3/2) kT $ jest taka sama w roztworze iw fazie gazowej, w roztworze jest ograniczona do mniejszego zakresu ruchu. Stąd pogląd, że to energia kinetyczna, która jest uzyskiwana, powoduje, że cząsteczka wchodzi w fazę gazową w nieprawidłowy sposób.

W przypadku gazów doskonałych (prawdopodobnie fizyka w roztworze jest trochę inna), ale tak czy inaczej tlen jest gazem idealnym, równania z fizyki, o których musisz pamiętać, to …

energia kinetyczna = ( 1/2) (masa) (prędkość) ^ 2 = (3/2) (stała Boltzmanna) (temperatura),

więc temperatura jest więc miarą prędkości twoich cząsteczek, gdzie wraz ze wzrostem temperatury , więc zwiększa się prędkość cząsteczek. W ten sposób wszystkie cząsteczki w roztworze, w tym gazowy tlen, poruszają się szybciej, uzyskując energię kinetyczną, aby uciec przed energią solwatacji, a więc są bardziej podatne na pęcherzenie powierzchni i ucieczkę z roztworu wodnego, ponieważ gazowy tlen jest mniej gęsty niż woda w stanie ciekłym.

Komentarze

• Niestety ta odpowiedź też jest nieprawidłowa.

Zimna woda zawiera więcej cząsteczek tlenu niż gorąca woda, ponieważ cząsteczki wody są bliżej siebie w zimnej wodzie, co utrudnia ucieczkę cząsteczkom tlenu. W wyższej temperaturze cząsteczka tlenu ma większą ilość energii kinetycznej. Więc cząsteczka gazu w gorącej wodzie może łatwiej pokonać słabe siły wiązania w wodzie i wydostać się przez powierzchnię.

Komentarze

• Niestety ta odpowiedź nie jest poprawne