ความเข้มข้นและการละลายของ H2
บทนำ
ความเข้มข้นของก๊าซไฮโดรเจน (H2) มักจะรายงานใน molarity (โมล / ลิตร (M) หรือ milimoles / L มิลลิเมตร) ส่วนต่อล้านส่วน (ppm) ส่วนต่อพันล้าน (ppb) หรือ miligrams ต่อลิตร (mg / L) ในระดับความเข้มข้นเจือจาง 1 ppm เป็นเรื่องเดียวกันกับที่ 1 มิลลิกรัม / ลิตรและพวกเขามักจะใช้สลับกัน มวลโมลของโมเลกุลไฮโดรเจนประมาณ 2 มิลลิกรัม / milimole และอื่น ๆ 1 มิลลิกรัมเป็นเรื่องเดียวกันกับที่ 0.5 โมลดังนั้น 1 ppm≈1มิลลิกรัม / ลิตร≈0.5มิลลิ
ความเข้มข้นของก๊าซไฮโดรเจน (H2) ในน้ำธรรมดา (เช่นประปาดื่มบรรจุขวดกรอง ฯลฯ ) เป็นเรื่องเกี่ยวกับ 8.65 x 10-7 มิลลิกรัม / ลิตร ในคำอื่น ๆ ที่มีน้อยกว่าหนึ่งในแปดล้านของมิลลิกรัม H2 ดังนั้นจึงไม่มีค่ารักษาของ H2 ที่ดังกล่าวในความเข้มข้นต่ำในการกรองน้ำปกติ การศึกษาโดยใช้แก๊สไฮโดรเจนที่ละลายในช่วงน้ำจาก 0.5 mg / L เพื่อ 1.6+ มิลลิกรัม / ลิตรมีการศึกษาส่วนใหญ่โดยใช้ความเข้มข้นที่อยู่ใกล้กับ 1.6 มิลลิกรัม / ลิตร (0.8 มิลลิเมตร)
ในวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์ความเข้มข้น 1.6 มิลลิกรัม / ลิตร (1.6 ppm หรือ 0.8 มิลลิเมตร) ถือว่าเป็นความเข้มข้นที่ “อิ่มตัว” เพราะมันเป็นสิ่งที่มีความเข้มข้นจะถ้าเพียงแก๊สไฮโดรเจนที่อยู่ในปัจจุบันที่มีความดันเท่ากับความดันที่ระดับน้ำทะเล ซึ่งเป็น 760 มิลลิเมตรปรอท (760 Torr, 101.325 กิโลปาสคาล 1.01325 Barr หรือ 14.69595 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) ก็เท่ากับบรรยากาศหนึ่ง (ATM) ด้านล่างนี้คือคำอธิบายของการละลายของก๊าซต่างๆในน้ำตามมาด้วยการมุ่งเน้นไปที่การละลายของโมเลกุลไฮโดรเจนที่
การละลายของก๊าซในน้ำ
เปิดภาชนะบรรจุน้ำ (เช่นน้ำประปาน้ำดื่มบรรจุขวด ฯลฯ ) จะมีปริมาณขนาดเล็กของก๊าซทั้งหมดที่อยู่ในชั้นบรรยากาศเช่นไนโตรเจนออกซิเจนคาร์บอนไดออกไซด์และปริมาณที่น้อยมากของก๊าซอื่น ๆ (เช่นนีออน ฮีเลียมไฮโดรเจน ฯลฯ )
ปริมาณของก๊าซที่ละลายอยู่ในน้ำเป็นหลักฟังก์ชั่นของความดันและอุณหภูมิ ตามกฎหมายของเฮนรี่เข้มข้นของก๊าซใด ๆ ในน้ำเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความดันบางส่วนของก๊าซที่เหนือน้ำ ซึ่งหมายความว่าถ้าความดันที่เพิ่มขึ้นของก๊าซแล้วปริมาณของก๊าซที่ละลายในน้ำยังเพิ่มขึ้น นี่คือวิธีการที่ บริษัท ผลิตเครื่องดื่มอัดลม; พวกเขาเพิ่มความดันของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ซึ่งส่งผลให้ก๊าซมากขึ้นที่ถูกละลายในเครื่องดื่ม
การละลายของก๊าซในน้ำยังขึ้นอยู่กับสารเคมีที่แท้จริง / คุณสมบัติทางกายภาพของก๊าซ (เช่น polarizability ขนาด hydrophobicity ฯลฯ ) ดังนั้นก๊าซแต่ละคนมีค่าคงที่ที่แตกต่างกันสามารถในการละลาย เราขอเรียกร้องคงที่เหล่านี้ละลายก๊าซ “ค่าคงที่ของเฮนรี่” (KH) ซึ่งจะถูกกำหนดทดลองที่ความดันและอุณหภูมิที่เฉพาะเจาะจง ความเข้มข้นของก๊าซใด ๆ ที่สามารถจะคำนวณโดยใช้แบบฟอร์มต่อกฎหมายของเฮนรี่:
C = P / KH
ที่ C หมายถึงความเข้มข้นของก๊าซที่ละลายในน้ำ (โมล / ลิตร) ที่ KH เป็นลักษณะคงที่ของก๊าซโดยเฉพาะอย่างยิ่ง (L ?? ATM / mol) และ P หมายถึงความดันบางส่วนของก๊าซโดยเฉพาะการแก้ปัญหาดังกล่าวข้างต้น (ATM) ตารางที่ 1 แสดงความเข้มข้นของก๊าซในชั้นบรรยากาศต่างๆในน้ำที่ SATP (Ambient อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน) ซึ่งได้รับการคำนวณโดยใช้กฎหมายของเฮนรี่
ตารางที่ 1 ความเข้มข้นสมดุล (อิ่มตัว) ของก๊าซในชั้นบรรยากาศบางส่วนร่วมกันในน้ำธรรมชาตินั้นแรงกดดันบางส่วนของพวกเขาในชั้นบรรยากาศ
แก๊ส
องค์ประกอบของก๊าซในบรรยากาศ (%) ของเฮนรี่คงที่ (KH) ที่ 25 ° C (L ?? ATM / mol)
ความเข้มข้นตามปกติในน้ำ
(มิลลิโมล / ลิตร) (mg / L)
ไนโตรเจน (N2) 78.08 1,639.34 13.34 0.48
ออกซิเจน (O2) 20.95 769.23 0.27 8.71
* คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) 3.97 × 10-2 29.41 1.35 × 5.94 × 10-9 10-8
นีออน (NE) 1.82 x 10-3 2,222.22 8.18 × 10-3 0.17
ฮีเลียม (เขา) 5.24 × 10-4 2,702.70 1.94 × 7.76 × 10-6 10-6
ไฮโดรเจน (H2) 5.50 x 10-5 1,282.05 4.29 × 8.65 × 10-7 10-7
* สายพันธุ์นี้มีส่วนร่วมในการเกิดปฏิกิริยาของกรดเบสเมื่อละลายในน้ำ (เช่น CO2 + H2O ⇌ H2CO3) และเป็นเช่นนั้นไม่ได้เป็นก๊าซที่เหมาะและเบี่ยงเบนไปจากกฎหมายของเฮนรี่
SATURATION
ความอิ่มตัวของก๊าซในน้ำถูกกำหนดให้เป็นเมื่อความดันของก๊าซดังกล่าวข้างต้นการแก้ปัญหามีค่าเท่ากับ (นั่นคือการที่สมดุลด้วย) ความดันของก๊าซในการแก้ปัญหา ดังนั้นความอิ่มตัวของสีขึ้นอยู่กับความดันบางส่วนของก๊าซที่น่าสนใจ
ตัวอย่างเช่นถ้าคุณวางแก้วน้ำบริสุทธิ์ด้วยอย่างไม่มีก๊าซที่ละลายในมันบนเคาน์เตอร์และปล่อยให้มันนั่งแล้วบรรยากาศก๊าซ (เช่นออกซิเจนไนโตรเจนคาร์บอนไดออกไซด์ ฯลฯ ) จะเริ่มต้นที่จะละลายลงไปในน้ำจน ปริมาณของก๊าซจะลงไปในน้ำมีค่าเท่ากับปริมาณของก๊าซที่เกิดจากน้ำ
หลักการนี้ยังอธิบายว่าทำไมน้ำอัดลมในที่สุดก็ไป “แบน” เมื่อเปิดภาชนะที่ละลายก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ได้ทันทีจะเริ่มต้นที่จะหลบหนีดื่มจนความดันของ CO2 ในเครื่องดื่มอัดลมมีค่าเท่ากับความดันของ CO2 ในบรรยากาศ
อิ่มตัวพูดคุยทั่วไปเกี่ยวกับในแง่ของการอย่างใดอย่างหนึ่งความเข้มข้นของก๊าซได้ที่ปกติความดันบางส่วนของบรรยากาศ (เหมือนที่เราทำสำหรับ N2 ด้านบน) หรือที่มีความเข้มข้นที่ได้รับถ้าก๊าซแก้ปัญหาข้างต้นเป็นเพียงก๊าซบริสุทธิ์ที่น่าสนใจที่ความดัน เท่ากับบรรยากาศหนึ่ง (ATM) ความดันของ 1 ตู้เอทีเอ็มถูกนำมาใช้เพราะเห็นว่าเป็นความดันบรรยากาศปกติที่ระดับน้ำทะเล
คำนิยามนี้หลังของความอิ่มตัวเป็นวิธีการที่เว็บไซต์นี้ MHF และบทความทางวิทยาศาสตร์จำนวนมากใช้คำว่า นี่คือสิ่งสำคัญที่จะเก็บไว้ในใจเมื่อพูดถึงปริมาณและความเข้มข้นในแง่ของอัตราร้อยละของความอิ่มตัวหรือจุดอิ่มตัว
ตารางที่ 2 แสดงความเข้มข้นของก๊าซที่ละลายในน้ำที่อิ่มตัวถ้าความดันบรรยากาศของพวกเขาเป็นหนึ่งในเครื่อง ATM (ที่ SATP)
ตารางที่ 2 ความเข้มข้นสมดุล (อิ่มตัว) ของก๊าซในชั้นบรรยากาศบางส่วนร่วมกันในน้ำที่ความดันบางส่วนของหนึ่ง ATM
แก๊ส
ของเฮนรี่คงที่ (KH) ที่ 25 ° C (L ?? ATM / mol) ความเข้มข้นในน้ำ
มิลลิโมล / ลิตรมิลลิกรัม / ลิตร
ไนโตรเจน (N2) 1,639.34 0.61 17.10
ออกซิเจน (O2) 769.23 1.30 41.60
* คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) 29.41 34.00 1,496.43
นีออน (NE) 2,222.22 0.45 9.10
ฮีเลียม (เขา) 2,702.70 0.37 1.50
ไฮโดรเจน (H2) 1,282.05 0.78 157
คำนวณ Aall ทำที่ 1 บรรยากาศของก๊าซบริสุทธิ์
* สายพันธุ์นี้มีส่วนร่วมในการเกิดปฏิกิริยาของกรดเบสเมื่อละลายในน้ำ (เช่น CO2 + H2O ⇌ H2CO3) และเป็นเช่นนั้นไม่ได้เป็นก๊าซที่เหมาะและเบี่ยงเบนไปจากกฎหมายของเฮนรี่
ค่าในตารางที่ 2 จะถูกคำนวณโดยใช้กฎหมายของเฮนรี่ ตัวอย่างเช่นความเข้มข้นของก๊าซไฮโดรเจน (H2) โดยใช้กฎหมายของเฮนรี่ที่ได้รับโดยการหาร P (ซึ่งในกรณีนี้คือ 1 ATM) โดย KH จะได้รับความเข้มข้น (C) ตารางที่ 1 แสดงให้เห็นว่า KH สำหรับก๊าซไฮโดรเจนเป็น 1,282.05 นี้จะช่วยให้เรา 7.8 x 10-4 เมตรหรือ 0.78 มิลลิโมล / ลิตร โดยการแปลง molarity เพื่อมิลลิกรัมต่อลิตรที่เราได้รับ 1.57 มิลลิกรัม / ลิตรของ H2 (AQ) หรือประมาณ 1.6 ppm
ซึ่งหมายความว่ามีเกือบสองล้านครั้งโมเลกุลของไฮโดรเจนในสารละลายอิ่มตัว (ความดันของ H2 บริสุทธิ์ ณ วันที่ 1 ATM) เมื่อเทียบกับสิ่งที่พบได้ตามปกติในน้ำ
ครึ่งชีวิตของ H2 ในการแก้ปัญหา
เหมือนการเปิดกระป๋องโซดาเร็วที่สุดเท่าที่น้ำ H2 สัมผัสกับก๊าซในชั้นบรรยากาศและความดันปกติความเข้มข้นของ H2 ลดลงจนกว่าจะมีการที่สมดุลกับความดันบางส่วนของ H2 ในบรรยากาศซึ่งจะเป็นความเข้มข้นของ 8.67 x 10-7 มิลลิกรัม / ลิตร เพราะก๊าซไฮโดรเจนเป็นโมเลกุลที่เล็กที่สุดในจักรวาลก็ยังจะสามารถที่จะกระจายผ่านพลาสติกและภาชนะอื่น ๆ อีกมากมาย ไฮโดรเจนจึงมีอัตราการไหลสูงสุดของก๊าซทั้งหมด
อัตรา H2 exsolution และกระจายจากน้ำได้รับผลกระทบโดยตรงเป็นหลักโดยอุณหภูมิปั่นป่วนและพื้นที่ผิว 500 มลเปิดภาชนะบรรจุน้ำไฮโดรเจนที่ละลายในน้ำมีครึ่งชีวิตประมาณสองชั่วโมง ดังนั้นถ้าปล่อยออกมาในการเปิดด้วยความวุ่นวายไม่มีที่อุณหภูมิห้องที่มีความเข้มข้นเริ่มต้นของ H2 1.6 มิลลิกรัม / ลิตรความเข้มข้นจะมีแนวโน้มที่จะอยู่ที่ประมาณ 0.8 มิลลิกรัม / ลิตรหลังจากสองชั่วโมง อย่างไรก็ตามอัตราการกระจายไม่เป็นเชิงเส้นตรง
ดูบทความ: ไฮโดรเจนที่ละลายเมื่อเทียบกับไฮโดรเจนที่ไม่ละลาย
