Ορισμός υπερκορεσμένου διαλύματος και παραδείγματα

Εξ ορισμού, μια υπερκορεσμένη λύση είναι ένα χημικό διάλυμα που περιέχει περισσότερη διαλυμένη ουσία από αυτή που μπορεί να χωρέσει ο διαλύτης. Με άλλα λόγια, ένα υπερκορεσμένο διάλυμα έχει περισσότερη διαλυμένη ουσία από ένα κορεσμένο διάλυμα. Η διαδικασία σχηματισμού ενός υπερκορεσμένου διαλύματος ονομάζεται υπερκορεσμός . Συνήθως, ο υπερκορεσμός περιλαμβάνει μια στερεή διαλυμένη ουσία διαλυμένη σε υγρό διαλύτη, αλλά ο όρος ισχύει επίσης για αέρια σε υγρά και μείγματα αερίων. Ακολουθεί μια εξήγηση του τρόπου παρασκευής ενός υπερκορεσμένου διαλύματος, μια ματιά σε παραδείγματα και ορισμένες χρήσεις του υπερκορεσμού.

Πώς να φτιάξετε ένα υπερκορεσμένο διάλυμα

Ο υπερκορεσμός έχει να κάνει με τη διαλυτότητα. Ένα κορεσμένο διάλυμα περιέχει τη μέγιστη ποσότητα διαλυμένης ουσίας που διαλύεται σε έναν διαλύτη και φτάνει σε ισορροπία. Ένα υπερκορεσμένο διάλυμα περιέχει ακόμη περισσότερη διαλυμένη ουσία. Βασικά, φτιάχνετε ένα υπερκορεσμένο διάλυμα ελέγχοντας τη διαλυτότητα μιας διαλυμένης ουσίας σε έναν διαλύτη. Η διαλυτότητα εξαρτάται από ορισμένους παράγοντες, αλλά ο πιο εύκολος έλεγχος είναι η θερμοκρασία.

Συνήθως, η διαλυτότητα αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Έτσι, θερμαίνετε ένα διάλυμα, διαλύετε περισσότερη διαλυμένη ουσία και ψύχετε προσεκτικά το υπερκορεσμένο διάλυμα που προκύπτει. Αυτή είναι η διαδικασία που χρησιμοποιούν οι άνθρωποι όταν καλλιεργούν κρυστάλλους από υδατικό διάλυμα, όπως ζαχαρωτά ή κρυστάλλους θειικού χαλκού.

Λιγότερο συχνά η διαλυτότητα μειώνεται με τη θερμοκρασία. Για παράδειγμα, θειικό νάτριο ή άλας Glauber (Na₂ SO₄ ) γίνεται λιγότερο διαλυτό καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία (σε ένα συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασίας). Σε αυτές τις περιπτώσεις, η θέρμανση ενός διαλύματος το αλλάζει από κορεσμένο διάλυμα σε υπερκορεσμένο διάλυμα.

Ένα υπερκορεσμένο διάλυμα σε μετασταθερό στο ότι διατηρεί τη συγκέντρωσή του υπό καθορισμένες συνθήκες, αλλά στην πραγματικότητα δεν βρίσκεται σε ισορροπία. Μόλις το διάλυμα ξεπεράσει το θερμοδυναμικό φράγμα που απαιτείται για την αλλαγή φάσης, μετακινείται από υπερκορεσμένο σε κορεσμένο. Ορισμένα υπερκορεσμένα διαλύματα κρυσταλλώνονται αυθόρμητα όταν διαταραχθούν. Συχνότερα, η προσθήκη ενός κρυστάλλου σπόρου σε ένα υπερκορεσμένο διάλυμα προκαλεί κρυστάλλωση.

Λάβετε υπόψη ότι η κρυστάλλωση μειώνει τη συγκέντρωση του διαλύματος μόνο στο σημείο που βρίσκεται σε ισορροπία. Αυτό είναι ένα κορεσμένο διάλυμα. Επομένως, δεν μπορείτε να αφαιρέσετε όλη τη διαλυμένη ουσία από ένα διάλυμα μέσω κρυστάλλωσης.

Για διαλύματα που περιλαμβάνουν αέρια, ο υπερκορεσμός συχνά περιλαμβάνει πίεση. Η αύξηση της πίεσης γενικά αυξάνει τη διαλυτότητα. Η προσεκτική απελευθέρωση της πίεσης επιτρέπει υπερκορεσμένα διαλύματα.

Παραδείγματα υπερκορεσμένων διαλυμάτων

Δεδομένου ότι δεν είναι σταθερά, μπορεί να πιστεύετε ότι οι υπερκορεσμένες λύσεις είναι σπάνιες. Ωστόσο, υπάρχουν αρκετά παραδείγματα στον καθημερινό κόσμο.

• Τα σάκχαρα στο διαυγές μέλι είναι υπερκορεσμένα. Οι κρύσταλλοι τείνουν να σχηματίζονται αργά σε θερμοκρασία δωματίου, αν και μπορείτε να βγάλετε γρήγορα τη ζάχαρη από το διάλυμα εάν βάλετε το μέλι στο ψυγείο.
• Οι κρύσταλλοι που αναπτύσσονται με τη διάλυση μιας διαλυμένης ουσίας στο νερό βασίζονται στον υπερκορεσμό. Το πρώτο βήμα είναι η διάλυση του στερεού σε ζεστό ή ζεστό νερό. Καθώς το διάλυμα ψύχεται σε θερμοκρασία δωματίου, γίνεται υπερκορεσμένο. Η προσθήκη ενός κρυστάλλου σπόρων προάγει την ανάπτυξη των κρυστάλλων. Διαφορετικά, οι ατέλειες στην επιφάνεια του δοχείου ή οι μικρές ακαθαρσίες στο διάλυμα λειτουργούν ως θέσεις πυρήνων.
• Το διοξείδιο του άνθρακα είναι υπερκορεσμένο στα αναψυκτικά. Σε αυτή την περίπτωση, η πίεση ωθεί περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα στον διαλύτη (νερό) από ό,τι συνήθως διαλύεται. Το άνοιγμα του δοχείου απελευθερώνει την πίεση και αφήνει μέρος του διαλυμένου διοξειδίου του άνθρακα να διαφύγει ως φυσαλίδες αερίου.
• Ομοίως, η ασθένεια αποσυμπίεσης ή «οι στροφές» εμφανίζεται όταν τα αέρια που είναι διαλυμένα στο αίμα είναι υπερκορεσμένα σε βάθος. Οι αργές αποσυμπιέσεις αποτρέπουν τη μετατροπή των διαλυμένων αερίων σε φυσαλίδες.
• Οι εκρήξεις σύννεφων προκύπτουν από τον υπερκορεσμό του νερού στον αέρα. Μια αλλαγή στη θερμοκρασία ή την πίεση ενεργοποιεί τη μετατροπή από υδρατμούς σε υγρό νερό.

Χρήσεις υπερκορεσμένων διαλυμάτων

Ο υπερκορεσμός έχει τόσο διασκεδαστικές όσο και πρακτικές εφαρμογές.

• Επιτρέπει την ανάπτυξη κρυστάλλων, τόσο για ευχαρίστηση όσο και για μελέτη της κρυσταλλικής δομής.
• Η κρυστάλλωση από ένα υπερκορεσμένο διάλυμα είναι μια μέθοδος αύξησης της χημικής καθαρότητας, καθώς ο κρύσταλλος αποκλείει πολλούς ρύπους.
• Ορισμένα φάρμακα είναι υπερκορεσμένα σε έναν διαλύτη για να επιτρέψουν ακριβείς δόσεις ή να παραδώσουν φάρμακα που έχουν μόνο χαμηλή διαλυτότητα στο νερό.
• Η μελέτη του υπερκορεσμού οξυγόνου στο νερό είναι ένας δείκτης της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας και της υγείας του οικοσυστήματος.

Αναφορές

• Coquerel, Gérard (2014-03-10). «Κρυστάλλωση μοριακών συστημάτων από διάλυμα:διαγράμματα φάσεων, υπερκορεσμός και άλλες βασικές έννοιες». Κριτικές της Χημικής Εταιρείας . 43 (7):2286–2300. doi:10.1039/c3cs60359h
• IUPAC (1997). «Υπερκορεσμός». Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”) (2η έκδ.). Oxford:Blackwell Scientific Publications. ISBN 0-9678550-9-8. doi:10.1351/goldbook.S06146
• Linnikov, O. D. (2014). «Μηχανισμός σχηματισμού ιζήματος κατά την αυθόρμητη κρυστάλλωση από υπερκορεσμένα υδατικά διαλύματα». Russian Chemical Reviews . 83 (4):343–364. doi:10.1070/rc2014v083n04abeh004399
• Löffelmann, M.; Mersmann, A. (Οκτώβριος 2002). «Πώς να μετρήσω τον υπερκορεσμό;». Επιστήμη Χημικής Μηχανικής . 57 (20):4301–4310. doi:10.1016/S0009-2509(02)00347-0
• Τόμλινσον, Τσαρλς (1868). «Σε υπερκορεσμένα αλατούχα διαλύματα». Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 158:659–673. doi:10.1098/rstl.1868.0028