Visitas:98 Autor:Editor del sitio Hora de publicación: 2024-07-03 Origen:Sitio
Los dos gases con mayor contenido en el aire son el N2 y el O2, ambos gases no polares.
Estas moléculas no polares con muy baja solubilidad deben existir en los espacios entre las moléculas de agua, por lo que llenar los espacios es una forma de que el aire se disuelva en agua.
Además, sabemos que a medida que aumenta la temperatura, la cantidad de gas disuelto en el agua disminuirá, por lo que también se cree que existe una reacción química específica entre las moléculas de agua y las moléculas de gas llamada hidratación. Por lo tanto, la disolución de gas en agua se puede resumir en dos modos de disolución: llenado de huecos e hidratación.
El llenado de huecos es la entrada de moléculas de gas en el espacio hueco de las moléculas de líquido, lo cual es un cambio físico; La hidratación es la reacción química entre moléculas de líquido y una o más moléculas de gas para generar moléculas hidratadas mientras se libera calor, que es una reacción química. Los dos modos de disolución se muestran en la Figura 1-1.
(a) Relleno de huecos
(b) Hidratación
c) Acción conjunta
Figura 1-1 Llenado de huecos y disolución de hidratación
Aquí, necesitamos introducir el concepto de 'espacio intersticial efectivo'. Espacio intersticial adecuado significa que cuando la temperatura es constante, el espacio en una cierta masa de agua que permite que entre una molécula de gas específica se llama volumen intersticial adecuado. del gas. La relación entre este volumen y el volumen total del agua correspondiente se denomina espacio intersticial efectivo. La fórmula 1-2 es la expresión del espacio intersticial adecuado:
(1-2)
En la fórmula, Vi representa el volumen intersticial adecuado de gas I a una temperatura específica; Vw representa el volumen total de agua correspondiente.
Una gran cantidad de estudios y experimentos han demostrado que cuando el helio se disuelve en agua, la relación entre el volumen intersticial efectivo máximo de agua y la temperatura (℃) es la siguiente (1-3):
λél = 0,009696829 + 3,1639178 × 10-5t - 1,257929 × 10-6t2 + 2,129631 × 10-8t3 (1-3)
Si desea obtener la máxima separación efectiva de otros gases, sólo necesita corregirlo en función de λél, que se puede expresar como la fórmula (1-4):
(1-4)
Where λi es la densidad intersticial efectiva máxima del gas i y αi es el factor de corrección, que es la relación entre el volumen de helio de Van der Waals y el de gas i.
Las sustancias contenidas en el aire y sus proporciones se muestran en la Tabla 2-1.
| Composición del aire | N2 | O2 | Ar、 Oh3 | CO2etc. |
| Porcentaje de volumen | 78% | 21% | 0,97% | 0,03% |
Tabla 2-1 Relación de composición del aire
Puede verse en la Tabla 2-1 que el nitrógeno y el oxígeno en el aire representan aproximadamente el 99% del aire total.
Consultando los datos podemos encontrar que los volúmenes de van der Waals de los tres gases son: νmél = 2.370 × 10-5, νmN2 = 3.913 × 10-5 , νmO2 = 3.183×10-5 ( m3/mol)
Se puede calcular mediante las fórmulas 1-3 y 1-4:
Cuando el nitrógeno se disuelve en agua, la relación entre la densidad intersticial efectiva máxima del agua y la temperatura es la siguiente (1-5):
λi = 0,606(0,009696829 + 3,1639178 × 10-5t - 1.257929 ×10-6t2 + 2,129631 × 10-6t3 (1-5)
Cuando el oxígeno se disuelve en agua, la relación entre la densidad intersticial efectiva máxima del agua y la temperatura es la siguiente (1-6):
λi = 0,745(0,009696829 + 3,1639178 × 10-5t - 1.257929 ×10-6t2 + 2,129631 × 10-6t3 (1-6)
Según la idea de van der Waals sobre el tratamiento de los gases naturales, la ecuación del estado del gas ideal se muestra en las ecuaciones 1-7:
Pv = nRT (1-7)
Suponiendo que el volumen de van der Waals de la molécula de gas es vm (metro3/mol), según la fórmula (1-8), la ecuación del estado del gas corregida se puede obtener como fórmula (1-8).
p(Vj - nortejvm) = nortejRT (1-8)
En la fórmula, nj representa la cantidad de gas que ingresa al espacio intersticial del agua en moles. Al resolver las fórmulas (1-3) y (1-8) juntas se puede obtener la fórmula (1-9).
(1-9)
Por lo tanto, la fórmula (1-9) es la cantidad de gas i disuelto en los espacios de agua.
Los estudios han demostrado que la solubilidad del gas en agua se ve afectada por la temperatura. Cuanto mayor es la temperatura, menor es la solubilidad. Por tanto, existe una reacción química entre las moléculas de agua y las moléculas de gas. Este tipo de reacción química se llama hidratación.
La hidratación es otra forma de gas disuelto en agua. El hidrato es un compuesto envolvente especial. Los enlaces de hidrógeno conectan las moléculas de agua como cuerpo principal, y las moléculas principales y las moléculas invitadas interactúan a través de fuerzas de van der Waals.
Aunque es difícil que el oxígeno y el nitrógeno se hidraten a temperatura ambiente, esta reacción debe existir. La ecuación de reacción es (1-10):
(1-10)
En la fórmula, G(g) representa una molécula de gas; Q representa calor.
Suponiendo que la cantidad de agua es grande y la concentración es aproximadamente constante, cuando el gas i alcanza el equilibrio de disolución a una determinada presión y temperatura, su constante de equilibrio Kp se puede expresar mediante la fórmula 1-11:
(1-11)
En la fórmula, Nh es el número de moléculas hidratadas; Nm es la constante de Avogadro.
La cantidad de sustancia de la molécula hidratada se puede obtener de la fórmula 1-12:
(1-12)
Combinando las ecuaciones (1-11) y (1-12) se obtiene la ecuación de cálculo de masa constante de hidratación del gas (1-13):
(1-13)
En la fórmula, nhH es la cantidad de sustancia de la molécula hidratada; Vw es el volumen de agua; kp es el gas disuelto presión; Kp es la constante de equilibrio bajo una temperatura y presión específicas.
Generalmente, se cree que el llenado de huecos y la hidratación afectan conjuntamente la solubilidad del gas en agua.
Los espacios entre las moléculas de agua son muy pequeños, por lo que no se puede ignorar el volumen de los espacios entre las moléculas de agua ocupados por la hidratación. Suponiendo que el volumen del espacio ocupado por la hidratación es Vh, el volumen del espacio restante es la Ecuación 1-14:
(1-14)
El llenado de espacios solo ocurre en el espacio restante, por lo que combinando las ecuaciones 1-2 y 1-9, reemplazando Vi con Vs, obtenemos las ecuaciones 1-15
(1-15)
La cantidad total de gas disuelto es la suma de Nueva Jersey y nh, que se puede expresar mediante la fórmula 2-16:
(1-16)
En la fórmula anterior, el Nh se puede obtener a partir de las fórmulas 1-12 y 1-13, y luego se sustituye 1-16 en la fórmula 2-17:
(1-17)
La fórmula 1-17 dividida por el volumen de agua es la concentración molar de gas disuelto, consulte la fórmula 1-18
(1-18)
Con base en la ecuación de solubilidad total del gas (Fórmula 1-18), se puede calcular la ecuación de solubilidad expresada por la relación entre el volumen de gas y el volumen de agua en condiciones estándar (Fórmula 1-19):
(1-19)
Según las ecuaciones 1-18 y 1-19, se puede derivar la expresión 1-20 de la constante de equilibrio de hidratación Kp:
(1-20)
En la fórmula: Kp es la constante de equilibrio de hidratación, vm es el volumen de van der Waals del gas (m3/mol), p es la presión (pa), T es la temperatura (K), R es la constante del gas y λi es la densidad intersticial efectiva del gas.
El valor de Rs se puede obtener de la literatura y se puede sustituir en la fórmula 1-20 para obtener el valor de Kp para oxígeno y nitrógeno.
En las formas imperativas 1-20, 
Suponga que la presión es 101325pa. La Fórmula 1-20 se puede escribir como Fórmula 1-21:
(1-21)
(1) El cálculo de la constante de equilibrio de hidratación del nitrógeno se muestra en la Tabla 2-2.
| Temperatura/℃ | 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 |
Tabla 2-2 Parámetros de la constante de equilibrio de hidratación del nitrógeno
(2) El cálculo de la constante de equilibrio de hidratación del oxígeno se muestra en la Tabla 2-3.
| Temperatura/℃ | 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 |
Por la cinética química, sabemos que cuando una reacción alcanza el equilibrio, las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales. Su constante de equilibrio se puede expresar como la fórmula 1-22:
(1-22)
Supongamos que las velocidades de las reacciones directa e inversa se pueden expresar utilizando la fórmula de Arrhenius, a saber:
(1-23)
(1-24)
En la fórmula: K es la constante de velocidad, A es el factor de frecuencia y E es la energía de activación.
Suponiendo que la energía de activación y el factor de frecuencia no se ven afectados por la temperatura dentro de un cierto rango, entonces:
(1-25)
Tomando el logaritmo de ambos lados de la fórmula 1-25, podemos obtener:
(1-26)
En la fórmula, ΔH es el calor de reacción de la fórmula 1-10 y C es una constante. Según el supuesto, ΔH puede considerarse una constante, por lo que ln Kp es proporcional a 1/T. Con 1/T como eje horizontal y ln Kp Como eje vertical, la Figura 1-2 muestra la relación entre las constantes de hidratación de nitrógeno y oxígeno y la temperatura de acuerdo con los datos de las Tablas 2-2 y 2-3.
Figura 1-2 Relación entre las constantes de hidratación de nitrógeno y oxígeno y la temperatura
Como se muestra en las Figuras 1-2, los logaritmos de las constantes de hidratación del nitrógeno y el oxígeno muestran una excelente relación lineal con 1/T. Al ajustar los datos anteriores usando la función polyfit en Matlab, podemos obtener la relación entre las constantes de hidratación de los dos gases y la temperatura.
Nitrógeno: 
(1-27)
oxígeno: 
(1-28)
En resumen, tanto el nitrógeno como el oxígeno del aire se llenarán y se hidratarán en el agua. Entre ellos, la cantidad de nitrógeno que se llena el vacío es la fórmula 1-29:
(1-29)
La cantidad de hidratación de nitrógeno viene dada por la fórmula 1-30:
(1-30)
La cantidad de llenado del vacío de oxígeno viene dada por la Ecuación 1-31:
(1-31)
La cantidad de hidratación de oxígeno viene dada por la fórmula 1-32:
(1-32)
Cuando el volumen y la presión del agua son iguales, el cambio de temperatura afectará los valores de a, b, cyd en la fórmula. Cuando el volumen y la presión del agua son iguales, la temperatura afectará la cantidad de llenado de huecos y de hidratación. Suponiendo que la presión es de 0,5 MPa y el agua es de 1 litro, las curvas de a, b, cyd afectadas por la temperatura se muestran en la Figura 2-3.
Figura 2-3 Relación entre el llenado de huecos y la hidratación afectada por la temperatura
Las figuras a, b, cyd representan la cantidad de llenado de espacios de nitrógeno, la cantidad de hidratación de nitrógeno, la cantidad de llenado de espacios de oxígeno y la cantidad de hidratación de oxígeno, respectivamente.
Como se puede ver en la figura, en condiciones de 0,5 MPa de presión y 1 litro de agua, la cantidad de llenado del espacio aumenta con el aumento de la temperatura y la cantidad de hidratación disminuye con el aumento de la temperatura.
Alrededor de los 50 ℃, la cantidad de nitrógeno que llena el hueco es aproximadamente igual a la cantidad de hidratación; cuando la temperatura es inferior a 50 ℃, la cantidad de hidratación por nitrógeno aumenta gradualmente con la disminución de la temperatura; cuando la temperatura es superior a 50 ℃, la cantidad de nitrógeno que llena el espacio aumenta con el aumento de la temperatura. Para el oxígeno, alrededor de 80 ℃, la cantidad de los dos modos de disolución es igual.
Esto se debe a que a medida que aumenta la temperatura, aumenta la distancia entre las moléculas de agua, lo que hace que el espacio efectivo sea más grande para que se puedan llenar más moléculas de gas, lo que hace que la cantidad de espacio que se llena aumente con el aumento de la temperatura.
El aumento de temperatura provoca una disminución de la cantidad de hidratación porque la hidratación libera calor. El aumento de la temperatura externa evitará que la reacción avance en la dirección directa y promoverá la reacción en la dirección inversa, reduciendo así la cantidad de hidratación en disolución.
