과포화

Supersaturation
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과포화는 용질의 농도가 값 평형 용해도에 의해 지정된 농도를 초과할 때 화학용액에서 발생한다.일반적으로 이 용어는 액체 중의 고체 용액에 적용됩니다.과포화 용액은 준전이 가능한 상태이며, 과도한 용질을 용액에서 분리함으로써 평형을 이룰 수 있다.이 용어는 여러 기체의 혼합에도 적용할 수 있습니다.

역사

온도의 함수로서 물 속의 NaSO의24 용해성.

이 현상에 대한 초기 연구는 Glauber's Salt라고도 알려진 황산나트륨으로 수행되었는데, 이는 이례적으로 이 소금의 물 속 용해도가 온도가 상승함에 따라 감소할 수 있기 때문이다.초기 연구들은 [1]톰린슨에 의해 요약되었다.과포화 용액의 결정화는 단순히 교반(이전 믿음)에서 오는 것이 아니라, 고체 물질이 들어가서 결정체를 형성하기 위한 "시작" 장소로서 역할을 하는 것으로, 현재는 "씨드"라고 불립니다.이를 확장하여 Gay-Lussac은 소금 이온의 운동학 및 과포화 상태에 영향을 미치는 용기의 특성에 관심을 가져왔다.그는 또한 과포화 용액을 얻을 수 있는 소금의 수를 늘릴 수 있었다.나중에 Henri Löwel은 용액의 핵과 용기의 벽이 결정화를 일으키는 용액에 촉매 작용을 한다는 결론에 도달했다.이 현상에 대한 설명과 모델 제공은 보다 최근의 연구에 의해 수행되었다.Désiré Gernez는 결정화를 촉진하기 위해 핵이 결정화되고 있는 소금과 동일해야 한다는 것을 발견함으로써 이 연구에 기여하였다.

발생 및 예시

고체 침전물, 액체 용제

액체 속의 화합물 용액은 포화 용액의 온도가 변화하면 과포화 상태가 된다.대부분의 경우 온도가 낮아짐에 따라 용해도가 감소합니다. 이러한 경우 용질의 초과는 결정체 또는 비정질 [2][3][4]분말로서 용액에서 빠르게 분리됩니다.일부 경우에는 반대의 효과가 발생합니다.물에 있는 황산나트륨의 예는 잘 알려져 있으며 이것이 용해성에 대한 초기 연구에서 사용된 이유이다.

재결정화는[5][6] 화학성분을 정제하기 위해 사용되는 과정이다.불순화합물과 용제의 혼합물을 용해될 때까지 가열한다.고형 불순물이 남아 있으면 여과하여 제거합니다.그 후 용액의 온도가 낮아지면 일시적으로 과포화 상태가 된 후 낮은 온도에서 화학적 평형을 이룰 때까지 화합물이 결정화된다.상등액에는 불순물이 남아 있다.경우에 따라서는 결정이 빠르게 형성되지 않고 냉각 후에도 용액이 과포화된 상태로 유지됩니다.이것은 액체 매체에서 결정이 형성되는 데 열역학적 장벽이 있기 때문입니다.일반적으로 이것은 "씨앗기"라고 알려진 과정인 과포화 용액에 용질 화합물의 작은 결정을 첨가함으로써 극복된다.일반적으로 사용되는 또 다른 방법은 용액이 들어 있는 유리 용기 측면에 막대를 문질러 핵 형성 중심 역할을 할 수 있는 미세한 유리 입자를 방출하는 것입니다.산업에서는 상등액에서 결정을 분리하기 위해 원심분리법을 사용한다.

일부 화합물과 화합물의 혼합물은 오래 사는 과포화 용액을 형성할 수 있다.탄수화물은 이러한 화합물의 한 종류이다.결정 형성에 대한 열역학적 장벽은 용매인 물과 광범위하고 불규칙한 수소 결합 때문에 오히려 높습니다.예를 들어, 수크로스는 쉽게 재결정될 수 있지만, "역설탕" 또는 "황금시럽"으로 알려진 가수분해 생성물은 점성이 있는 과포화 액체로 존재하는 포도당과 과당의 혼합물이다.맑은 꿀은 몇 주 동안 결정될 수 있는 탄수화물을 함유하고 있습니다.

단백질을 [7]결정화하려고 할 때 과포화를 겪을 수 있다.

기체용질, 액체용매

액체 속 가스의 용해도는 가스 압력이 증가함에 따라 증가한다.외부 압력이 감소하면 여분의 가스가 용액에서 나옵니다.

탄산음료는 액체에 압력을 가해 이산화탄소를 가함으로써 만들어진다.샴페인에서 CO는2 발효의 마지막 단계에서 자연적으로 생성된다.병이나 캔을 열면 가스가 거품의 형태로 방출됩니다.

혈류에서 가스가 방출되면 심해 잠수부가 수면으로 돌아올 때 감압병(굴곡부)에 시달릴 수 있습니다.방출된 가스가 [8]심장으로 들어가면 치명적일 수 있습니다.

석유탐사 중에 파업이 일어나면 용해된 가스가 방출될 수 있다.이는 오일이 함유된 암석의 오일이 암석 상공에서 상당한 압력을 받고 있기 때문에 용해된 가스에 대해 오일이 과포화되기 때문입니다.

혼합 기체에 의한 액체 형성

구름폭발은 대기 중의 공기와 수증기의 과포화 혼합물에서 액체 물이 생성되는 극단적인 형태이다.증기 위상에서의 과포화는 켈빈 방정식인 깁스를 통해 액체의 표면 장력과 관련이 있다.-톰슨 효과와 포인팅 효과.[9]

IAPWS(International Association for the Properties of Water and Steam, IAPWS)는 물과 증기의 열역학적 특성에 대한 1997년 개정판 발표에서 물의 준안정 증기 영역의 깁스 자유 에너지에 대한 특별한 방정식을 제공한다.물의 준안정 증기 영역에 대한 모든 열역학 특성은 깁스 자유 [10]에너지에 대한 열역학 속성의 적절한 관계를 통해 이 방정식에서 도출할 수 있다.

측정.

과포화 가스 또는 액체 혼합물의 용질 농도를 측정하면 큐벳 내부의 압력이 주변 압력보다 클 수 있습니다.이 경우 특수 큐벳을 사용해야 합니다.사용할 분석 기술의 선택은 분석 물질의 [11]특성에 따라 달라집니다.

적용들

과포화의 특성은 의약품에 실용적으로 적용된다.특정 약물의 과포화 용액을 생성함으로써 액체 형태로 섭취할 수 있다.이 약물은 어떤 정상적인 메커니즘을 통해서도 과포화 상태가 될 수 있으며, 그 후 침전 억제제를 [12]첨가함으로써 침전을 방지할 수 있다.이 상태의 약물은 "슈퍼퍼레이팅 약물 배달 서비스" 또는 "SDDS"[13]라고 불립니다. 이러한 형태의 약물의 경구 섭취는 간단하고 매우 정확한 복용량을 측정할 수 있습니다.주로 용해도가 매우 낮은 약물을 [14][15]수용액으로 만드는 수단을 제공한다.또한, 어떤 약물은 결정 [16]형태로 섭취되더라도 체내에서 과포화를 겪을 수 있다.이 현상을 생체내 과포화라고 한다.

과포화 용액의 확인은 해양 생태학자들이 유기체와 개체군의 활동을 연구하는 도구로 사용될 수 있다.광합성 유기체는 물에 O가스를 방출한다2.따라서, O가스로2 과포화된 바다의 지역은 광합성 활동이 풍부한 것으로 판단될 수 있다.간단한2 물리적 화학적 특성으로 인해 일부 O가 바다에서 자연적으로 발견되겠지만, 과포화 지역에서 발견되는 모든 산소 가스의 70% 이상이 광합성 [17]활동에 기인할 수 있습니다.

증기상의 과포화는 보통 입구에서 과열된 증기와 함께 작동하는 증기 노즐을 통해 팽창 과정에서 발생하며, 이는 출구에서 포화 상태로 전환됩니다.따라서 증기 터빈 설계에서 고려해야 할 중요한 요소가 됩니다. 이렇게 하면 팽창하는 증기가 평형을 통해 가역적인 단열 과정을 거쳤을 때 예상되는 이론적으로 계산된 값보다 약 1~3% 더 큰 증기 흐름이 노즐을 통과하기 때문입니다.상태. 이 경우 팽창과정이 매우 빠르고 단시간에 진행되어 팽창증기가 평형상태에 도달하지 못하고 과열된 것처럼 행동하기 때문에 과포화가 발생한다.따라서 노즐을 통과하는 질량 흐름의 계산과 관련된 팽창비의 결정은 포화 영역의 [18]준정적 단열 팽창에 사용해야 하는 값인 1.135 대신 과열 증기의 그것과 같이 약 1.3의 단열 지수를 사용하여 수행되어야 한다.

과포화 연구는 대기 연구와도 관련이 있다.1940년대부터 대기 중에 과포화의 존재가 알려져 왔다.대류권에서 물이 과포화되면 얼음 격자의 형성이 자주 관찰된다.포화 상태에서는 물 입자가 대류권 조건에서는 얼음을 형성하지 않습니다.물 분자가 포화 압력에서 얼음 격자를 형성하는 것은 충분하지 않습니다; 그들은 응축할 표면이 필요하거나 물의 액체 물 분자의 복합체가 얼어야 합니다.이러한 이유로 대기 중 얼음 위의 상대 습도가 100% 이상일 수 있으며, 이는 과포화가 발생했음을 의미한다.물의 과포화는 실제로 대류권 상층부에서 매우 흔하며,[19] 20-40% 사이에서 발생한다.이는 대기 적외선 [20]경보 발생기의 위성 데이터를 사용하여 확인할 수 있습니다.

레퍼런스

  1. ^ Tomlinson, Charles (1868-01-01). "On Supersaturated Saline Solutions". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 158: 659–673. doi:10.1098/rstl.1868.0028. ISSN 0261-0523. S2CID 110079029.
  2. ^ Linnikov, O. D. (2014). "Mechanism of precipitate formation during spontaneous crystallization from supersaturated aqueous solutions". Russian Chemical Reviews. 83 (4): 343–364. Bibcode:2014RuCRv..83..343L. doi:10.1070/rc2014v083n04abeh004399.
  3. ^ Coquerel, Gérard (2014-03-10). "Crystallization of molecular systems from solution: phase diagrams, supersaturation and other basic concepts". Chemical Society Reviews. 43 (7): 2286–2300. doi:10.1039/c3cs60359h. PMID 24457270. S2CID 205855877.
  4. ^ Kareiva, Aivaras; Yang, Jen-Chang; Yang, Thomas Chung-Kuang; Yang, Sung-Wei; Gross, Karlis-Agris; Garskaite, Edita (2014-04-15). "Effect of processing conditions on the crystallinity and structure of carbonated calcium hydroxyapatite (CHAp)". CrystEngComm. 16 (19): 3950–3959. doi:10.1039/c4ce00119b.
  5. ^ Mullin, J. (1976). Mullin, J. W (ed.). Industrial Crystallization. Springer. doi:10.1007/978-1-4615-7258-9. ISBN 978-1-4615-7260-2.
  6. ^ Takiyama, Hiroshi (May 2012). "Supersaturation operation for quality control of crystalline particles in solution crystallization". Advanced Powder Technology. 23 (3): 273–278. doi:10.1016/j.apt.2012.04.009.
  7. ^ "1 Introduction to protein crystallisation". www.xray.bioc.cam.ac.uk. Retrieved 2015-04-21.
  8. ^ Conkin, Johnny; Norcross, Jason R.; Wessel, James H. III; Abercromby, Andrew F. J.; Klein, Jill S.; Dervay, Joseph P.; Gernhardt, Michael L. Evidence Report: Risk of Decompression Sickness (DCS). Human Research Program Human Health Countermeasures Element (Report). Houston, Texas: National Aeronautics and Space Administration.
  9. ^ 조지 N.Hatsopoulos & Joseph H. Keenan(1965), 열역학 원리 - John Wiley & Sons, Inc., 뉴욕, 런던, 시드니.28장, 303-309페이지
  10. ^ 물과 증기의 열역학적 특성에 관한 1997년 IAPWS Industrial Formation 개정판, IAPWS R7-97 (2012) [1]
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  14. ^ Augustijns (2011). "Supersaturating drug delivery systems: Fast is not necessarily good enough". Journal of Pharmaceutical Sciences. 101 (1): 7–9. doi:10.1002/jps.22750. PMID 21953470.
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  16. ^ Hsieh, Yi-Ling; Ilevbare, Grace A.; Van Eerdenbrugh, Bernard; Box, Karl J.; Sanchez-Felix, Manuel Vincente; Taylor, Lynne S. (2012-05-12). "pH-Induced Precipitation Behavior of Weakly Basic Compounds: Determination of Extent and Duration of Supersaturation Using Potentiometric Titration and Correlation to Solid State Properties". Pharmaceutical Research. 29 (10): 2738–2753. doi:10.1007/s11095-012-0759-8. ISSN 0724-8741. PMID 22580905. S2CID 15502736.
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  18. ^ William Johnston Kearton(1931), 증기 터빈 이론과 실습 – 공대생들을 위한 교과서 - 피트만, 뉴욕, 시카고.V장 "노즐을 통한 증기 흐름", 90~99페이지
  19. ^ Gettelman, A.; Kinnison, D. E. (2007). "The global impact of supersaturation in a coupled chemistry-climate model" (PDF). Atmospheric Chemistry and Physics. 7 (6): 1629–1643. Bibcode:2007ACP.....7.1629G. doi:10.5194/acp-7-1629-2007.
  20. ^ Gettelman, Andrew; Fetzer, Eric J.; Eldering, Annmarie; Irion, Fredrick W. (2006). "The Global Distribution of Supersaturation in the Upper Troposphere from the Atmospheric Infrared Sounder". Journal of Climate. 19 (23): 6089. Bibcode:2006JCli...19.6089G. doi:10.1175/JCLI3955.1.