تصفح الكمية:98 الكاتب:محرر الموقع نشر الوقت: 2024-07-03 المنشأ:محرر الموقع
الغازان اللذان يحتويان على أعلى نسبة في الهواء هما N2 وO2، وكلاهما غازات غير قطبية.
مثل هذه الجزيئات غير القطبية ذات الذوبان المنخفض جدًا يجب أن تتواجد في الفجوات بين جزيئات الماء، لذا فإن ملء الفجوات هو وسيلة للهواء ليذوب في الماء.
بالإضافة إلى ذلك، نحن نعلم أنه مع ارتفاع درجة الحرارة، ستقل كمية الغاز الذائب في الماء، لذلك يُعتقد أيضًا أن هناك تفاعلًا كيميائيًا محددًا بين جزيئات الماء وجزيئات الغاز يسمى الترطيب. ولذلك، يمكن تلخيص ذوبان الغاز في الماء في وضعين من الذوبان: ملء الفجوة والترطيب.
ملء الفجوة هو دخول جزيئات الغاز إلى فراغ فجوة جزيئات السائل، وهو تغير فيزيائي؛ الترطيب هو التفاعل الكيميائي بين جزيئات السائل وجزيء غاز واحد أو أكثر لتوليد جزيئات رطبة مع إطلاق الحرارة، وهو تفاعل كيميائي. يظهر وضعي الذوبان في الشكل 1-1.
(أ) ملء الفجوة
(ب) الترطيب
(ج) العمل المشترك
الشكل 1-1 ملء الفجوة وإذابة الماء
وهنا، نحتاج إلى تقديم مفهوم 'المساحة الخلالية الفعالة'. المساحة الخلالية الكافية تعني أنه عندما تكون درجة الحرارة ثابتة، فإن المساحة الموجودة في كتلة معينة من الماء والتي تسمح لجزيء غاز معين بالدخول تسمى الحجم الخلالي المناسب من الغاز. وتسمى نسبة هذا الحجم إلى الحجم الإجمالي للماء المقابل بالفضاء الخلالي الفعال. الصيغة 1-2 هي التعبير عن المساحة الخلالية الكافية:
(1-2)
في الصيغة، يمثل Vi الحجم الخلالي المناسب للغاز I عند درجة حرارة محددة؛ يمثل Vw الحجم الإجمالي المقابل للمياه.
أظهر عدد كبير من الدراسات والتجارب أنه عند إذابة الهيليوم في الماء، تكون العلاقة بين الحد الأقصى لحجم الخلالي الفعال للماء ودرجة الحرارة (°C) كما يلي (1-3):
λهو = 0.009696829 + 3.1639178 × 10-5ر - 1.257929 × 10-6t2 + 2.129631 × 10-8t3 (1-3)
إذا كنت ترغب في الحصول على أقصى فجوة فعالة من الغازات الأخرى، فما عليك سوى تصحيحها بناءً على ذلك λهو، والتي يمكن التعبير عنها بالصيغة (1-4):
(1-4)
Where λi هي أقصى كثافة خلالية فعالة للغاز i و αi هو عامل التصحيح، وهو نسبة حجم فان دير فالس للهيليوم إلى حجم الغاز i.
المواد الموجودة في الهواء ونسبها موضحة في الجدول 2-1.
تكوين الهواء | N2 | O2 | Ar、يا3 | شركة2إلخ. |
نسبة الحجم | 78% | 21% | 0.97% | 0.03% |
جدول 1-2 نسبة تكوين الهواء
ويتبين من الجدول 2-1 أن النيتروجين والأكسجين الموجود في الهواء يشكلان حوالي 99% من إجمالي الهواء.
ومن خلال الرجوع إلى البيانات، يمكننا أن نجد أن أحجام فان دير فالس للغازات الثلاثة هي: νmهو = 2.370 × 10-5, νmن2 = 3.913 × 10-5 , νmO2 = 3.183 ×10-5 (م3/مول)
يمكن حسابها بالصيغة 1-3 و1-4:
عندما يذوب النيتروجين في الماء تكون العلاقة بين الكثافة الخلالية الفعالة القصوى للماء ودرجة الحرارة كما يلي (1-5):
λi = 0.606(0.009696829 + 3.1639178 × 10)-5ر - 1.257929 ×10-6t2 + 2.129631 × 10-6t3 (1-5)
عندما يذوب الأكسجين في الماء تكون العلاقة بين الكثافة الخلالية الفعالة القصوى للماء ودرجة الحرارة كما يلي (1-6):
λi = 0.745(0.009696829 + 3.1639178 × 10)-5ر - 1.257929 ×10-6t2 + 2.129631 × 10-6t3 (1-6)
ووفقاً لفكرة فان دير فالس في التعامل مع الغازات الطبيعية، تظهر معادلة حالة الغاز المثالية في المعادلات من 1 إلى 7:
Pv = العلاج ببدائل النيكوتين (1-7)
بافتراض أن حجم فان دير فالس لجزيء الغاز هو vm (م3/mol)، وفقا للصيغة (1-8)، يمكن الحصول على معادلة حالة الغاز المصححة بالصيغة (1-8).
ص(Vj - نjvm) = نjر.ت (1-8)
في الصيغة، nj يمثل كمية الغاز التي تدخل الفضاء الخلالي من الماء في مول. حل الصيغة (1-3) والصيغة (1-8) معًا يمكن أن ينتج الصيغة (1-9).
(1-9)
ولذلك فإن الصيغة (1-9) هي كمية الغاز i المذاب في الفجوات الموجودة في الماء.
أظهرت الدراسات أن ذوبان الغاز في الماء يتأثر بدرجة الحرارة. كلما ارتفعت درجة الحرارة، انخفضت الذوبان. ولذلك، هناك تفاعل كيميائي بين جزيئات الماء وجزيئات الغاز. يسمى هذا النوع من التفاعل الكيميائي بالترطيب.
الترطيب هو شكل آخر من أشكال الغاز المذاب في الماء. الهيدرات هو مركب مغلف خاص. تربط الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء باعتبارها الجسم الرئيسي، وتتفاعل الجزيئات الرئيسية والجزيئات الضيف من خلال قوى فان دير فالس.
وعلى الرغم من صعوبة ترطيب الأكسجين والنيتروجين في درجة حرارة الغرفة، إلا أن هذا التفاعل يجب أن يكون موجودًا. معادلة التفاعل هي (1-10):
(1-10)
في الصيغة، يمثل G(g) جزيء غاز؛ Q يمثل الحرارة.
بافتراض أن كمية الماء كبيرة والتركيز ثابت تقريبًا، عندما يصل الغاز i إلى توازن الذوبان عند ضغط ودرجة حرارة معينين، يمكن التعبير عن ثابت توازنه Kp بالصيغة 1-11:
(1-11)
في الصيغة، Nh هو عدد الجزيئات المائية. Nm هو ثابت أفوجادرو.
يمكن الحصول على كمية مادة الجزيء المائي من الصيغة 1-12:
(1-12)
بدمج المعادلتين (1-11) و(1-12) نحصل على معادلة حساب الكتلة الثابتة لترطيب الغاز (1-13):
(1-13)
في الصيغة، nhH هي كمية مادة الجزيء المائي. Vw هو حجم الماء. كيلو بي هو الغاز المذاب ضغط؛ Kp هو ثابت التوازن تحت درجة حرارة وضغط محددين.
بشكل عام، يُعتقد أن ملء الفجوة والترطيب يؤثران معًا على ذوبان الغاز في الماء.
الفجوات بين جزيئات الماء صغيرة جدًا، لذلك لا يمكن تجاهل حجم الفجوات بين جزيئات الماء التي يشغلها الماء. بافتراض أن حجم الفجوة التي يشغلها الماء هو Vh، فإن حجم المساحة المتبقية هو المعادلة 1-14:
(1-14)
يتم ملء الفجوة فقط في المساحة المتبقية، لذلك يتم استبدال المعادلتين 1-2 و1-9 Vi مع Vs، نحصل على المعادلات 1-15
(1-15)
إجمالي كمية الغاز المذابة هو مجموع نيوجيرسي و nh، والتي يمكن التعبير عنها بالصيغة 2-16:
(1-16)
في الصيغة أعلاه، يمكن الحصول على Nh من الصيغة 1-12 و1-13، ثم يتم استبدال 1-16 في الصيغة 2-17:
(1-17)
الصيغة 1-17 مقسومة على حجم الماء هي التركيز المولي للغاز المذاب، انظر الصيغة 1-18
(1-18)
استناداً إلى معادلة الذوبان الإجمالية للغاز (الصيغة 1-18)، يمكن حساب معادلة الذوبان المعبر عنها بنسبة حجم الغاز إلى حجم الماء في ظل الظروف القياسية (الصيغة 1-19):
(1-19)
وفقا للمعادلات 1-18 و1-19، يمكن استخلاص التعبير 1-20 لثابت توازن الماء Kp:
(1-20)
في الصيغة: Kp هو ثابت توازن الماء، vm هو حجم فان دير فالس للغاز (m3/mol)، p هو الضغط (pa)، T هو درجة الحرارة (K)، R هو ثابت الغاز، و λi هي الكثافة الخلالية الفعالة للغاز.
يمكن الحصول على قيمة Rs من الأدبيات ويمكن استبدالها في الصيغة 1-20 للحصول على قيمة Kp للأكسجين والنيتروجين.
في صيغ الأمر 1-20، افترض أن الضغط هو 101325pa. يمكن كتابة الصيغة 1-20 بالصيغة 1-21:
(1-21)
(1) حساب ثابت توازن ترطيب النيتروجين موضح في الجدول 2-2
درجة الحرارة/درجة مئوية | A | B | C | K P |
0 | 1.050893 | 0.261728 | 176.593324 | 7.80205E-06 |
5 | 0.931250 | 0.260461 | 173.424331 | 6.63152E-06 |
10 | 0.830804 | 0.258018 | 170.367069 | 5.66248E-06 |
15 | 0.752232 | 0.254867 | 167.415732 | 4.91674E-06 |
20 | 0.689732 | 0.251446 | 164.564908 | 4.33258E-06 |
25 | 0.640179 | 0.248165 | 161.809548 | 3.87507E-06 |
30 | 0.599107 | 0.245404 | 159.144936 | 3.49627E-06 |
35 | 0.560714 | 0.243521 | 156.566662 | 3.1353E-06 |
40 | 0.528571 | 0.242849 | 154.070596 | 2.82415E-06 |
45 | 0.504464 | 0.243703 | 151.652869 | 2.57737E-06 |
50 | 0.485714 | 0.246376 | 149.309849 | 2.36558E-06 |
جدول 2-2 معلمات ثابت توازن ترطيب النيتروجين
(2) حساب ثابت توازن ترطيب الأكسجين موضح في الجدول 2-3
درجة الحرارة/درجة مئوية | A | B | C | K P |
0 | 2.182589 | 0.321866 | 143.695213 | 1.839E-05 |
5 | 1.913839 | 0.320307 | 141.115758 | 1.57489E-05 |
10 | 1.697321 | 0.317300 | 138.627277 | 1.36384E-05 |
15 | 1.524554 | 0.313423 | 136.225040 | 1.1969E-05 |
20 | 1.384821 | 0.309215 | 133.904641 | 1.06295E-05 |
25 | 1.263839 | 0.305178 | 131.661967 | 9.47356E-06 |
30 | 1.164286 | 0.301781 | 129.493178 | 8.52315E-06 |
35 | 1.089286 | 0.299464 | 127.394681 | 7.80475E-06 |
40 | 1.029464 | 0.298637 | 125.363113 | 7.22164E-06 |
45 | 0.976339 | 0.299686 | 123.395324 | 6.68619E-06 |
50 | 0.933036 | 0.302971 | 121.488355 | 6.22572E-06 |
من علم الحركة الكيميائية، نعلم أنه عندما يصل التفاعل إلى التوازن، تكون معدلات التفاعلات الأمامية والعكسية متساوية. يمكن التعبير عن ثابت توازنه بالصيغة 1-22:
(1-22)
افترض أنه يمكن التعبير عن معدلات التفاعلات الأمامية والعكسية باستخدام صيغة أرينيوس، وهي:
(1-23)
(1-24)
في الصيغة: K هو المعدل الثابت، A هو عامل التردد، و E هي طاقة التنشيط.
بافتراض أن طاقة التنشيط وعامل التردد لا يتأثران بدرجة الحرارة ضمن نطاق معين، فإن:
(1-25)
وبأخذ لوغاريتم طرفي الصيغة 1-25 نحصل على:
(1-26)
في الصيغة، ΔH هي حرارة التفاعل للصيغة 1-10، وC هو ثابت. وفقًا للافتراض، يمكن اعتبار ΔH ثابتًا، لذا فإن ln Kp يتناسب مع 1/T. مع 1/T كمحور أفقي وln Kp كمحور عمودي، يوضح الشكل 1-2 العلاقة بين ثوابت ترطيب النيتروجين والأكسجين ودرجة الحرارة وفقًا للبيانات الواردة في الجدولين 2-2 و2-3.
الشكل 1-2 العلاقة بين ثوابت ترطيب النيتروجين والأكسجين ودرجة الحرارة
كما هو مبين في الأشكال 1-2، تظهر لوغاريتمات ثوابت ترطيب النيتروجين والأكسجين علاقة خطية ممتازة مع 1/T. من خلال تركيب البيانات المذكورة أعلاه باستخدام وظيفة polyfit في Matlab، يمكننا الحصول على العلاقة بين ثوابت الماء للغازين ودرجة الحرارة.
نتروجين: (1-27)
الأكسجين: (1-28)
باختصار، سيخضع كل من النيتروجين والأكسجين الموجود في الهواء لملء الفجوات والترطيب في الماء. من بينها، كمية ملء فجوة النيتروجين هي الصيغة 1-29:
(1-29)
يتم إعطاء كمية ترطيب النيتروجين بالصيغة 1-30:
(1-30)
يتم إعطاء كمية ملء فجوة الأكسجين بالمعادلة 1-31:
(1-31)
يتم إعطاء كمية ترطيب الأكسجين بالصيغة 1-32:
(1-32)
عندما يكون حجم وضغط الماء متساويين، فإن التغير في درجة الحرارة سيؤثر على قيم a وb وc وd في الصيغة. عندما يكون حجم وضغط الماء متساويين، ستؤثر درجة الحرارة على كمية ملء الفجوة والترطيب. بافتراض أن الضغط هو 0.5MPa وأن الماء 1L، فإن منحنيات a وb وc وd المتأثرة بدرجة الحرارة مبينة في الشكل 2-3.
الشكل 2-3 العلاقة بين ملء الفجوة والترطيب المتأثر بدرجة الحرارة
تمثل الأشكال أ، ب، ج، د مقدار ملء فجوة النيتروجين، وكمية ترطيب النيتروجين، وكمية ملء فجوة الأكسجين، وكمية ترطيب الأكسجين، على التوالي.
كما يتبين من الشكل، في ظل ظروف ضغط 0.5 ميجا باسكال و1 لتر ماء، تزداد كمية ملء الفجوة مع زيادة درجة الحرارة، وتنخفض كمية الماء مع ارتفاع درجة الحرارة.
عند حوالي 50 درجة مئوية، تكون كمية ملء الفجوة بالنيتروجين مساوية تقريبًا لكمية الماء؛ عندما تكون درجة الحرارة أقل من 50 درجة مئوية، تزداد كمية الماء بالنيتروجين تدريجيًا مع انخفاض درجة الحرارة؛ عندما تكون درجة الحرارة أعلى من 50 درجة مئوية، فإن كمية ملء الفجوة بالنيتروجين تزداد مع زيادة درجة الحرارة. بالنسبة للأكسجين، عند حوالي 80 درجة مئوية، تكون كمية وضعي الذوبان متساوية.
وذلك لأنه مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد المسافة بين جزيئات الماء، مما يجعل الفجوة الفعالة أكبر بحيث يمكن ملء المزيد من جزيئات الغاز، مما يؤدي إلى زيادة كمية ملء الفجوة مع زيادة درجة الحرارة.
تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى انخفاض كمية الماء لأن الماء يطلق الحرارة. الزيادة في درجة الحرارة الخارجية سوف تمنع التفاعل من الاستمرار في الاتجاه الأمامي وتعزيز التفاعل في الاتجاه العكسي، وبالتالي تقليل كمية ذوبان الماء.