Rozpływ

Deliquescence (łac deliquescere do przepływu) jest procesem, w którym rozpuszczalna w wodzie substancja, która jest narażona na wilgotne powietrze pochłania wilgoć z powietrza i tworzy się roztwór, gdy tylko wilgotność powietrza jest powyżej wartości granicznej, która jest charakterystyczna dla substancji . Jeśli z powietrza otoczenia można zaabsorbować wystarczającą ilość wilgoci, substancja całkowicie rozpuści się w roztworze. W szczególności wszystkie rozpuszczalne w wodzie sole ulegają rozpływaniu.

Wilgotność względna wchodzi w rozpływanie, powyżej której jest charakterystyczna substancja Deliqueszenzfeuchte . Jest identyczna z wilgotnością względną równowagową nad nasyconym roztworem danej substancji w wodzie. Jeżeli aktualna wilgotność względna jest wyższa od tej wartości, ciśnienie parcjalne pary wodnej powietrza jest również wyższe niż równowagowe ciśnienie pary powstałego roztworu, występuje przesycenie i wilgoć skrapla się na istniejącym roztworze. I odwrotnie, jeśli aktualna wilgotność względna jest poniżej wilgotności rozpływającej się, woda wyparowuje z roztworu i część rozpuszczonej substancji ponownie krystalizuje („wykwity”).

W zależności od rodzaju substancji rozpływająca się wilgoć może zawierać się między wartościami bliskimi 0% i bliskimi 100%.

Wyjaśnienie

Woda zawierająca rozpuszczoną substancję ma niższą równowagową prężność pary niż czysta woda („redukcja prężności pary”). Im bardziej stężony roztwór, tym niższa jego równowagowa prężność par. Nasycony roztwór ma najwyższe możliwe stężenie dla danej substancji rozpuszczalnej, a tym samym najniższą równowagową prężność pary. Na przykład nasycony roztwór chlorku sodu wytwarza ciśnienie pary w stanie równowagi, które wynosi tylko 75% prężności pary powyżej czystej wody w tej samej temperaturze. Zgodnie z jego definicją wilgotność względna odpowiadająca tej prężności pary również wynosi 75%.

Jeśli kryształ soli, na przykład kryształ chlorku sodu , znajduje się w wilgotnym powietrzu, pojedyncze cząsteczki wody z powietrza są adsorbowane na powierzchni . Wilgotność powietrza poniżej rozpływającej się wilgoci jest normalną higroskopijnością adsorpcyjną . W przypadku chlorku sodu, w zależności od wilgotności powietrza, osadza się tylko kilka dziesiątych procenta masowego, co odpowiada około 2-3 warstwom cząsteczek wody. Cienka warstwa wody może oddzielić atomy od kryształu soli i utworzyć nasycony roztwór soli. Stan ten jest jednak stabilny i nie zachodzą żadne progresywne procesy rozwiązywania problemów. Gdy tylko wilgotność względna przekroczy względną wilgotność równowagową tego nasyconego roztworu wynoszącą 75%, na powierzchni tego roztworu soli dochodzi do przesycenia i dalej para wodna z powietrza skrapla się na roztworze. Roztwór rozcieńcza się przez dodanie wody, nie jest już nasycony i do roztworu trafia więcej soli, aż do przywrócenia nasycenia.

Ten proces ciągłej kondensacji i dalszego rozpuszczania soli nie kończy się, dopóki nie zostanie zużyty dopływ wilgoci z powietrza lub dopływ nierozpuszczonej substancji. Jeśli substancja całkowicie się rozpuści, roztwór dalej absorbuje wilgoć z powietrza, aż jego rosnąca wilgotność równowagowa z powodu rosnącego rozcieńczenia dopasuje się do aktualnej wilgotności powietrza.

Rozpływ jako przemiana fazowa

Pod względem termodynamicznym rozpływ jest przejściem fazowym pierwszego rzędu między stanem stałym a nasyconym roztworem wodnym . Przemiana zachodzi przy dobrze określonej wilgotności względnej, która zależy od rozważanej substancji i temperatury. Przy wilgotności względnej poniżej wilgotności rozpływającej się korzystniejszy jest stan krystaliczny otoczony atmosferą zawierającą parę wodną, ​​a powyżej wilgoci rozpływającej się korzystniejszy jest roztwór wodny.

W przypadku samej wilgoci rozpływającej się, nasycony roztwór (z zawartością nierozpuszczonej substancji lub bez) pozostaje w równowadze z wilgotnym powietrzem. Jeśli wilgotność powietrza jest wyższa, roztwór nienasycony może być w równowadze z wilgotnym powietrzem, przy czym wilgotność powietrza i stężenie roztworu dostosowują się w taki sposób, że ciśnienie cząstkowe pary wodnej wilgotnego powietrza i równowagowe ciśnienie pary powyżej rozwiązania są identyczne.

Rozpływające się wilgoć czystych soli

Rozpływ występuje, ponieważ równowagowe ciśnienie pary wody jest zmniejszane przez rozpuszczone substancje. Zmniejszenie prężności pary zależy od ilości (i do pewnego stopnia rodzaju) substancji rozpuszczonej. Największe zmniejszenie prężności pary, jakie może spowodować dana substancja, osiąga się, gdy rozpuszcza się ona do granicy nasycenia.

Dlatego też substancje o wyższej rozpuszczalności mają na ogół niższe poziomy rozpływającej się wilgoci. Jeśli rozpuszczalność substancji rośnie wraz ze wzrostem temperatury, to jej rozpływająca się zawartość wilgoci maleje wraz z temperaturą. W poniższej tabeli przedstawiono przykładowo rozpływające się poziomy wilgoci niektórych czystych soli w różnych temperaturach:

Sól Rozpuszczalność w 20 ° C Rozpływająca się wilgotność w różnych temperaturach
0 ° C 10 ° C 20 ° C 30°C 40 ° C 50 ° C 60 ° C
Wodorotlenek sodu , 1090 g / l 08,9 07.6 06,3 04.9 03,6%
Chlorek litu , 0832 g/l 11.2 11.3 11.3 11.3 11.2 11.1 11,0%
Chlorek magnezu , 0542 g/l 33.7 33.5 33.1 32.4 31.6 30.5 29, 3%
Chlorek sodu , 0358 g / l 75.5 75.7 75.5 75,1 74,7 74.4 74,5%
Siarczan amonu , 0754 g / l 82.3 82.1 81.3 80,6 79.9 79.2  

Rozpuszczalne zwilżanie mieszanin

Jeżeli substancja rozpuszcza się aż do jego granicy nasycenia, jeszcze inne substancje mogą być rozpuszczane (do swojej granicy nasycenia), co zwiększa całkowitą ilość substancji rozpuszczonych i powoduje dalszy spadek ciśnienia pary. Mieszanina dwóch lub więcej rozpuszczalnych substancji ma zatem mniejszą rozpływającą się zawartość wilgoci niż oddzielne substancje. Ponadto, w przeciwieństwie do czystych substancji, mieszanki nie mają punktu mięknięcia przy ściśle określonej wilgotności powietrza, lecz obszar mięknięcia.

Na przykład, nasycony roztwór siarczanu sodu ma równowagową zawartość wilgoci 91,4% w 25°C, a nasycony roztwór chlorku sodu ma równowagową zawartość wilgoci 75,3%. Jednakże, jeśli obie sole są obecne w roztworze razem, postępujące rozpływanie występuje w zakresie od 74,5% do 80,5%, ponieważ skład, a tym samym stężenia substancji w układzie, zmieniają się w trakcie procesu.

Przykłady

Regulacja wilgotności

Rozpuszczanie się soli można wykorzystać do ustalenia określonej wilgotności względnej w zamkniętych pojemnikach, na przykład w eksykatorach . Jeśli rozpływanie odbywa się w zamkniętym pojemniku, dopływ wilgoci z powietrza jest ograniczony. Jeśli wilgotność początkowa jest wyższa od wilgotności rozpływającej się, wilgotność względna powietrza spada z powodu kondensacji wilgoci w roztworze soli, aż osiągnie wilgotność względną rozpływającą się i znajdzie się w równowadze z roztworem nasyconym.

I odwrotnie, jeśli wilgotność powietrza jest niższa od wilgotności względnej rozpływającej się, powietrze nad roztworem jest niedonasycone i woda wyparowuje z roztworu, co zwiększa wilgotność, aż do osiągnięcia wilgotności rozpływającej się, a tym samym do równowagi.

Ten mechanizm kontrolny może służyć do utrzymywania stałej wartości wilgotności względnej w pojemniku poprzez wprowadzenie nasyconego roztworu soli (z wystarczającą ilością nierozpuszczonego osadu), który może być wykorzystany do kalibracji higrometrów lub do prac laboratoryjnych wymagających określonej wilgotności względnej wymagać. Nasycony roztwór chlorku sodu utrzymuje wilgotność względną powietrza w pojemniku na stałym poziomie 75%. Inne sole mogą być użyte do ustawienia innych punktów ustalania wilgotności, na przykład

Wilgotność względna powyżej nasyconego roztworu soli w 23 ° C
dwuchromian sodu , 52%
Azotan magnezu , 53%
Chlorek potasu , 85%
Diwodorofosforan amonu , 93%
Azotan potasu , 94%

W celu wytworzenia nasyconego roztworu soli, który ma być użyty, daną sól można rozpuścić w wodzie destylowanej, przy zapewnieniu wystarczającej ilości nierozpuszczonego osadu w celu utrzymania zdolności buforowania wilgoci. Jeśli woda destylowana nie jest dostępna, można również przygotować niewielką ilość czystego roztworu soli, umieszczając miskę suchej soli i miskę wody z kranu razem w zamkniętym pojemniku. Para wodna z misy wodnej destyluje do solniczki i tworzy tam nasycony roztwór soli w wyniku rozpływania się soli.

Osuszanie

Podczas procesu rozpływania się z powietrza można usunąć znaczną ilość wody i związać w postaci roztworu. Można to wykorzystać do osuszania powietrza . Nie skupiamy się tutaj na ustawieniu pożądanej wilgotności względnej, ale raczej na wyciąganiu wilgoci z powietrza. Warunkiem tego jest, aby rozpływająca się wilgotność substancji używanej do osuszania była niższa od wilgotności względnej osuszanego powietrza.

Sole o rozpływającej się wilgoci bliskiej 0% mogą usuwać prawie całą wilgoć z powietrza i mogą być używane jako środek suszący .

Wilgotność względna przez osuszacz w 23 ° C
Chlorek wapnia o uziarnieniu <3 mm ≈ 0%
Nadchloran magnezu, ≈ 0%
Pięciotlenek fosforu, ≈ 0%

Uszkodzenie solą

Sole zawarte w przestrzeni porów materiałów budowlanych są często przyczyną uszkodzeń konstrukcji. Sole mogą być zawarte w materiale budowlanym od samego początku (np. W skałach powstałych z dawnych złóż morskich), wprowadzane podczas produkcji materiału budowlanego (np. W cemencie portlandzkim, w źle wypalonych cegłach), z osadzającego się zanieczyszczenia powietrza ( Siarczany), ze względu na użytkowanie budynku (magazyn soli lub prochu, obory dla bydła) lub z powodu podciągania wilgoci z gruntu i transportu w ściany.

Jeśli sól wykrystalizuje z roztworu, ciśnienie krystalizacji wywierane przez rosnące kryształy może przekroczyć wytrzymałość mechaniczną materiału budowlanego i uszkodzić materiał budowlany. Powtarzające się rozpuszczanie i krystalizacja jest szczególnie szkodliwe, ponieważ uszkodzenia następnie sumują się. Sole w przestrzeni porowej można na przykład rozpuścić przez dodanie wody w wyniku deszczu lub kondensacji i ponownie skrystalizować w okresach suszy.

Jednak oprócz tak sporadycznego dostarczania wody w stanie ciekłym, zwykły kontakt z wilgocią może spowodować rozpuszczenie soli. Sole, których zawartość wilgoci rozpływającej się mieści się w zakresie objętym naturalnymi wahaniami wilgotności względnej, mogą podlegać ciągłemu cyklowi rozpuszczania i krystalizacji w wyniku rozpływania się na skutek wahań wilgotności. W niektórych przypadkach uszkodzeniom można zapobiec, utrzymując stale wilgotność powietrza, na które narażony jest materiał budowlany, poniżej lub powyżej rozpływającej się wilgoci zawartej w niej soli.

Z reguły w murze występuje mieszanina kilku soli, co ze względu na właściwości rozpływające się mieszanin może powodować znacznie bardziej złożoną sytuację niż w przypadku pojedynczych soli. Poniższy przykład wyjaśnia zachowanie mieszaniny soli, którą znaleziono w północnej elewacji klasztoru Birkenfeld .

Jony wapniowe i siarczanowe wywodzą się z rozpuszczonego siarczanu wapnia , który ze względu na swoją niską rozpuszczalność występuje głównie w postaci nierozpuszczonej substancji stałej i można pominąć jego wpływ na roztwór soli. Roztwór soli można zatem postrzegać jako mieszaninę jonów magnezu, potasu, sodu, azotanu i chlorku. Model roztworu termodynamicznego sugeruje następujące zachowanie krystalizacji tej mieszaniny w temperaturze 25 ° C: Powyżej wilgotności 77% mieszanina soli występuje w postaci roztworu. Jeśli spadnie poniżej 77%, najpierw zaczyna się wytrącać saletra , chociaż jako czysta substancja krystalizowałaby, gdyby spadła poniżej 92,7%. Następnie następują trzy obszary krystalizacji : do 47% wytrąca się rosnąca ilość saletry. Poniżej 47% oprócz saletry krystalizuje nitromagnezyt , a poniżej 44% w tym samym czasie krystalizuje również nitronatryt . Wreszcie przy 32,7% wytrąca się cały halit .

Za szczególnie szkodliwe należy uznać wahania wilgotności w przedziale od 44 do 47%, ponieważ duża część mieszaniny soli bierze udział w cyklach krystalizacji. Wahania między 47 a 77% również powodują cykle krystalizacji, ale są mniej niebezpieczne ze względu na stosunkowo niewielką ilość wytrącającego się azotu.

Warunki przechowywania

Rozpływanie się może osłabić chemiczną i fizyczną stabilność towarów handlowych podczas ich produkcji, transportu lub przechowywania, zwłaszcza jeśli są one w postaci proszku. W powstałym roztworze wodnym wiele reakcji chemicznych przebiega łatwiej lub szybciej, co może prowadzić do utraty jakości lub zepsucia. Naprzemienne rozpływanie się i ponowna krystalizacja (wykwity) spowodowane częstymi zmianami wilgotności mogą sprzyjać tworzeniu się skorup i grudek. Również w tym przypadku należy wziąć pod uwagę, że mieszaniny substancji zdolnych do rozpływania się wykazują zawartość wilgoci rozpływającej się poniżej zawartości wilgoci rozpływającej się danych składników.

Poniższa tabela przedstawia kilka przykładów rozpływającej się wilgoci w krystalicznych składnikach żywności:

Wilgotność rozpływająca się w 25 ° C
Kwas askorbinowy > 95%
Bezwodny kwas cytrynowy 74–75%
Monohydrat kwasu cytrynowego 78%
Kwas jabłkowy 59%
bD- fruktoza 62–63%
α- bezwodna glukoza 89-91%
monohydrat α-glukozy 91%
β-glukoza 74%
α- laktoza jednowodna 95%
β-laktoza 95%
Sacharoza 85%
Glutaminian sodu 87%
Chlorek sodu 76%

Demarkacja

Rozpuszczalność należy odróżnić od normalnej higroskopijności, w której obiekt przyczepia cząsteczki wody do swojej powierzchni poprzez fizyczną adsorpcję (zwłaszcza również do powierzchni swojej wewnętrznej przestrzeni porowej, jeśli taka występuje). Ilość nagromadzonej w ten sposób wilgoci stale rośnie wraz ze wzrostem wilgotności powietrza, więc w przeciwieństwie do rozpływania się czystych substancji nie następuje gwałtowna zmiana. Obiekty, dla których rozpływanie się jest możliwe, takie jak kryształy soli, mają tę „normalną” higroskopijność poniżej wilgoci rozpływającej się.

Rozpuszczalność należy również odróżnić od absorpcji chemicznej , w której wilgoć zawarta w powietrzu w postaci wody krystalicznej może być związana w sieci krystalicznej substancji. Jeżeli substancja może występować na różnych etapach hydratacji (np. siarczan miedzi jest dostępny jako penta-, tri-, mono- i anhydrat ), to przejście z jednego etapu do następnego następuje po przekroczeniu określonej wilgotności względnej, ale ze zmianą struktury krystalicznej, zwykle nie z procesem roztworowym.

linki internetowe

Wikisłownik: Deliquescence  - wyjaśnienia znaczeń, pochodzenie słów, synonimy, tłumaczenia

Indywidualne dowody

  1. ↑ Słownik internetowy Langenscheidt: deliquescere
  2. ↑ Wpis dotyczący rozpływu . W: IUPAC Compendium of Chemical Terminology („Złota Księga”) . doi : 10.1351 / goldbook.D01582 Wersja: 3.0.1.
  3. ↑ Salt wiki, słowo kluczowe „rozpływająca się wilgoć”
  4. ^ Encyklopedia Britannica w Internecie, słowo kluczowe Deliquescence
  5. ↑ a b c d e f g h i j LJ Mauer, LS Taylor: Interakcje wody i ciał stałych: rozpływ. W: Annual Review of Food Science and Technology, Vol. 1, s. 41-63 (10 kwietnia 2010), doi : 10.1146 / annurev.food.080708.100915 ( PDF 0,99 MB), s. 43
  6. ^ MP Bhatt: Badania nad asocjacją i usuwaniem zanieczyszczeń, higroskopijnością, zbrylaniem i rozpuszczaniem soli słonecznej. Praca doktorska, Uniwersytet Gujarat, URI: http://hdl.handle.net/10603/49053 , S. 148f (wersja zdigitalizowana )
  7. ^ LJ Mauer, LS Taylor: Interakcje z ciałami stałymi: Deliquescence. W: Annual Review of Food Science and Technology, Vol. 1, s. 41-63 (10 kwietnia 2010), doi : 10.1146 / annurev.food.080708.100915 ( PDF 0,99 MB), Tabela 1, s.45
  8. ^ L. Greenspan: Punkty stałe wilgotności binarnych nasyconych roztworów wodnych. Journal of Research of the National Bureau of Standards - A. Physics and Chemistry, Vol. 81A, No. 1 stycznia 1977 r. ( PDF 8,55 MB)
  9. ↑ Wpis na wodorotlenku sodu w bazie substancji GESTIS z tej IFA , dostępne w dniu 22 listopada 2020 r. (Wymagany JavaScript)
  10. ↑ wejścia w chlorku litu w bazie substancji GESTIS o w IFA , dostępne w dniu 22 listopada 2020 roku. (Wymagany JavaScript)
  11. ↑ Wejście na chlorku magnezu, na bazie substancji o GESTIS w IFA , dostępne w dniu 22 listopada 2020 roku. (Wymagany JavaScript)
  12. ↑ Wpis na chlorku sodu w bazie substancji GESTIS z tej IFA , dostępne w dniu 22 listopada 2020 r. (Wymagany JavaScript)
  13. ↑ Wpis na siarczanu amonu w bazie substancji GESTIS z tej IFA , dostępne w dniu 22 listopada 2020 r. (Wymagany JavaScript)
  14. ↑ a b AE Charola, Ch. Bläuer: Sole w murze: przegląd problemu. Renowacja budynków i zabytków 2015; 21 (4-6): 119–135 doi : 10.1515 / rbm-2015-1005 ( PDF 1,74 MB)
  15. ↑ a b DIN EN ISO 12572: Zachowanie materiałów budowlanych i wyrobów budowlanych pod wpływem ciepła i wilgoci - Oznaczanie przepuszczalności pary wodnej - Metoda z naczyniem badawczym (ISO 12572: 2016). Beuth-Verlag, Berlin 2017.
  16. ↑ Salt wiki, słowo kluczowe „Procesy uszkodzeń - wprowadzenie”
  17. ↑ a b Salt Wiki, słowo kluczowe „Procesy uszkadzania - Zmiany fazowe - Krystalizacja”
  18. ↑ Wiki o soli, słowo kluczowe „Procesy uszkadzania – sole i klimat wewnętrzny”
  19. ^ A b c M. Steiger: Dystrybucja mieszanin soli w pomniku z piaskowca: źródła, transport i właściwości krystalizacji. F. Zezza (red. :) Postępowanie, geneza , mechanizmy i wpływ soli na degradację zabytków w środowiskach morskich i kontynentalnych. Protection and Conservation of the European Cultural Heritage, 25-27 marca 1996, Bari (Italy), Research Report No. 4, strony 241-246. ( PDF, 177 KB)
  20. ^ LJ Mauer, LS Taylor: Interakcje woda-ciało stałe: rozpływ. W: Annual Review of Food Science and Technology, Vol. 1, s. 41-63 (10 kwietnia 2010), doi : 10.1146 / annurev.food.080708.100915 ( PDF 0,99 MB), Tabela 1, s. 44