Концентрация — это граммы растворенного вещества, деленные на объем смеси (вода и растворенное вещество).

Вы ДОЛЖНЫ иметь возможность переключаться между объемным, массовым и молярным составом и течет быстро и без борьбы. Иначе все проблемы в этом классе займет намного больше времени, чем следовало бы.

Умный инженер обычно будет работать с проблемами в массе или кроте. единиц, конвертируя при необходимости в единицы объема и обратно.Пытаюсь работать Проблемы в основном в единицах объема часто являются источником проблем.

Артикулы:

1. Р.М. Felder & R.W. Rousseau, Элементарные основы химии Процессы (2-е изд.), Джон Вили, 1986, стр. 50-55.
2. Д.М. Химмельблау, Основные принципы и расчеты в химической Engineering (6-е изд.), Prentice Hall, 1996, стр. 16-17, 22-26.

R.M. Цена
Оригинал: 02.06.94
Изменен: 24.08.95, 14.08.96, 26.08.98; 24.05.2004

Авторские права 1998, 2004 Р.М. Прайс — Все права защищены.

и контроль окончательного состава смеси в микромиксерах с простой геометрией с помощью DSMC Analysis

Micromachines (Базель). 2019 Март; 10 (3): 178.

Ставрос Мескос

¹ Институт механики Болгарской академии наук, Акад. Г. Бончева ул., Бл. 4, 1113 София, Болгария; gb.sab.mbmi@vonafets

Стефан Стефанов

¹ Институт механики Болгарской академии наук, Акад.Г. Бончева ул., Бл. 4, 1113 София, Болгария; gb.sab.mbmi@vonafets

Димитрис Валужоргис

² Кафедра машиностроения, Университет Фессалии — Педион Ареос, 38334 Волос, Греция; rg.htu.eim@avid

Поступило 30.01.2019; Принято 1 марта 2019 г.

Abstract

Процесс смешения двух установившихся под давлением потоков разреженного газа, протекающих между двумя параллельными пластинами, был исследован с помощью DSMC (Direct Simulation Monte Carlo) для различных комбинаций газов.Расстояние от входа, на котором соответствующая разница относительной плотности каждого вида минимизирована, а соответствующая однородность смеси оптимизирована, является так называемой длиной смешивания. В целом смешение газов происходило очень быстро. Очевидно, что тип взаимодействия газа с поверхностью был наиболее важным параметром, влияющим на перемешивание газов. По мере того, как отражение становилось более зеркальным, длина смешивания значительно увеличивалась. Длины смешивания моделей столкновения HS (твердая сфера) и VHS (переменная твердая сфера) были выше, чем у модели VSS (переменная мягкая сфера), в то время как соответствующие различия относительной плотности были незначительными.Кроме того, соотношение молекулярных масс двух компонентов оказало незначительное влияние на длину смешивания и более важное влияние на разницу относительной плотности. Смесь становилась менее однородной по мере уменьшения отношения молекулярных масс. Наконец, изменение длины канала и / или температуры стенки оказало незначительное влияние. Кроме того, было предложено регулировать состав выходной смеси путем добавления в зону смешения так называемого разделителя, разделяющего нисходящий поток на два выходных основных потока.На основе данных интенсивного моделирования с разделителем были получены простые приближенные выражения, способные обеспечить после определения желаемого состава смеси на выходе правильное положение разделителя без выполнения трудоемкого моделирования. Проведенный анализ смешения и предлагаемый подход к управлению перемешиванием газов могут служить основанием для соответствующих экспериментальных работ, а также для разработки микромиксеров для газов.

Ключевые слова: бинарное смешение газов , микромиксер, DSMC, разделитель, длина смешения, состав контрольной смеси

1.Введение

Микромасштабное смешение газов представляет большой теоретический и промышленный интерес при разработке и оптимальном проектировании газовых устройств MEMS / NEMS (микро / нано-электромеханических систем) [1]. Микромиксеры можно рассматривать как миниатюрные аналоги макромиксеров. Когда происходят химические реакции, их называют микрореакторами. Чаще всего они встречаются как часть более крупной сборки микроканалов и микроустройств в различных приложениях, таких как микронасосы, микротурбины, микродвигатели и микродатчики.Детальное исследование влияния геометрии, граничных условий и рабочих условий на перемешивание имеет важное значение при проектировании этих устройств.

Вычислительный анализ газовых потоков в устройствах MEMS, работающих в различных условиях в неравновесных режимах потока, не может быть основан на классических континуальных моделях движения жидкости, поскольку предположение континуума о том, что поток локально находится в почти равновесном состоянии, больше не действует. . Таким образом, вместо этого используются численные методы, которые решают уравнение Больцмана, такие как методы дискретной скорости и решеточного Больцмана, а также методы на основе частиц, такие как молекулярная динамика и методы прямого моделирования Монте-Карло (DSMC).Метод DSMC [2, 3], вероятно, является наиболее распространенным и используется в этой работе.

Большая часть имеющихся работ посвящена исследованию характеристик потока уже полностью перемешанных разреженных газов внутри микроканалов различного сечения. Течение одноатомных бинарных газовых смесей во всем диапазоне чисел Кнудсена через длинные капилляры круглого и прямоугольного сечения изучалось в [4,5] и [6,7] соответственно. Сравнительное исследование расчетных и экспериментальных результатов для потоков в длинных микроканалах было представлено в [8].Все вышеупомянутые работы решают кинетическое уравнение Больцмана для полностью развитых течений, заменяя член столкновения моделью Маккормака для газовых смесей [9]. Зависящие от времени конфигурации потока и тепла бинарных газовых смесей также были исследованы на основе метода DSMC [10,11,12,13]. Расходы нестационарной бинарной газовой смеси через круглые капилляры конечной длины, включая некоторое сравнение с соответствующими экспериментальными результатами, представлены в [10,11]. Связанные эффекты разделения для потоков через короткие и длинные капилляры были проанализированы в [12] и [5] соответственно.Переходный отклик теплового потока бинарной газовой смеси, заключенной между коаксиальными цилиндрами, при различных значениях разности температур исследовался в [13].

В отличие от бинарных газовых потоков предварительно смешанных газов, процесс смешивания двух газов, поступающих в смесительную камеру из разных входов, привлекает меньше внимания. Одно из первых проведенных исследований было выполнено в [14], где исследовалась зависимость длины смешения от перепада давлений на входе и выходе, а также от входных скоростей.Испытываемая конфигурация состояла из двух параллельных газовых потоков H ₂ и O ₂ , поступающих в смесительную камеру, с постоянным давлением на выходе 50 кПа. Было обнаружено, что длина смешивания была увеличена за счет увеличения отношения давлений между входами и выходами, а также между двумя входами. Такая же установка потока также была исследована в [15] при тестировании смешивания CO и N ₂ , когда давление на выходе поддерживалось на нуле (отсутствие обратного потока). В этой работе были введены термины, относительная разница плотностей и коэффициент смешивания, чтобы лучше описать процесс смешивания.Было обнаружено, что длина смешения обратно пропорциональна температуре газа и числу Кнудсена, в то время как она пропорциональна числу Маха. Также было показано, что характеристики стенки мало влияют на длину перемешивания. Смешивание CO и N ₂ в Т-образном микромиксере с поддержанием давления на выходе достаточно низким для предотвращения обратного потока представлено в [16]. Было обнаружено, что при более высоком числе Кнудсена длина смешивания уменьшается, в то время как увеличение давления на входе приводит к увеличению длины смешивания.Кроме того, повышение температуры потока и температуры стенок привело к уменьшению длины смешивания, причем влияние температуры стенки было более значительным. В [17] была предпринята попытка улучшить эффективность перемешивания путем прикрепления двух выступов на верхней и нижней стенках сразу после конца входной пластины, разделяющей два газовых потока. В [18] был исследован процесс смешивания N ₂ и CO в микроканале, и результаты показали, что длина смешивания увеличивалась, когда разница давлений на входе и выходе увеличивалась, в то время как она уменьшалась, когда соотношение давлений двух компонентов составляло вход был увеличен.Совсем недавно было исследовано смешение CO и N ₂ под углом с использованием Y-образных входных отверстий [19]. В этой же работе изучался эффект от замены «большего» микромешалки на множество «меньших». Наконец, было исследовано влияние разрежения газа на диффузионный массоперенос в режимах скольжения и переходных режимах [20]. Во всех работах, связанных со смешиванием газов, используется метод DSMC.

Настоящая работа посвящена смешиванию газов. Более конкретно, смешение двух параллельных газовых потоков, поступающих в микроканал, моделировалось с использованием метода DSMC.Было исследовано влияние коэффициентов аккомодации стенок, температуры, отношения молекулярной массы и диаметра двух частиц и реализованной модели межмолекулярных столкновений на процесс перемешивания. Были смоделированы различные газовые смеси и во всех случаях рассчитаны длина смешения и поле течения в микроканале смешения. Затем другая пластина, параллельная стенкам микроканалов, была расположена ниже по потоку на меньшем расстоянии, чем длина смешивания, чтобы разделить частично смешанный поток на два выходных потока с заданными составами.Таким образом, можно было контролировать состав смеси на выходе, правильно располагая разделитель, сохраняя при этом постоянные условия на входе. Исследована взаимосвязь между положением делителя и составом выходной смеси. Геометрия микромиксера с соответствующей схемой потока приведена в разделе 2, за которым следует краткое описание схемы DSMC и числовых параметров, задействованных в разделе 3. Затем подробный анализ длины перемешивания представлен в разделе 4, в то время как предлагаемые Методика управления составом выходной смеси приведена в разделе 5.Рукопись завершается некоторыми заключительными замечаниями в Разделе 6.

2. Геометрия микромиксера и настройка потока

Рассмотрим управляемый давлением двумерный поток смешивания двух разреженных газов в довольно простой микромешалке, как показано на рис. Он состоял из двух параллельных пластин конечной длины L, расположенных в точках y = 0 и y = 2H, и из третьей параллельной пластины длиной d 2 , Ne-Ar, He-Ne, He-Ar и He-Xe.Отношение молекулярных масс легких частиц к тяжелым колебалось от 1 для CO-N ₂ до 0,03 для He-Xe.

Схема газового микромешалки.

Из-за наложенной разницы давлений по каналу происходил стационарный поток двух компонентов, в то время как параллельно, из-за молекулярной диффузии, эти два компонента смешивались. Области x≤d и x> d рассматривались как входная зона и зона смешения соответственно, а соответствующие камеры были определены как входная камера и камера смешения.Два вида начинают смешиваться при входе в смесительную камеру. Процесс смешивания прогрессировал постепенно, в основном в направлении потока x до некоторого расстояния, обозначенного Lmix, где два вида рассматривались как смешанные, при условии соблюдения некоторых критериев смешивания, связанных с однородностью смеси. Длина lmix = Lmix-d, определяемая как длина перемешивания, характеризует каждый процесс перемешивания и имеет большое значение в настоящей работе.

Затем, чтобы иметь возможность контролировать состав полученной бинарной смеси, с точки зрения двух ее разновидностей, еще одна пластина, так называемый разделитель, была добавлена ​​параллельно всем другим пластинам с ее источником в некоторой точке ( x, y) = (d + w, h), где w d + w считались зоной входа, предварительного смешивания и смешивания соответственно.

Схема микромешалки газа с разветвителем.

Как отмечалось выше, смесь считается полностью перемешанной при условии выполнения некоторых условий перемешивания, которые напрямую связаны с количественной плотностью компонентов смеси. Область ортогонального потока 0≤x≤L, 0≤y≤2H дискретизируется на i = 1,2,…, I строк и j = 1,2,…, J столбцов, в то время как численность каждого вида в ( i, j) ячейка обозначается как ni, ja, где a = 1,2.Тогда относительная разница числовой плотности определяется как:

ξja = 1I∑i = 1I | ni, ja − n¯ja | n¯ja

(1)

где n¯ja — средняя численность видов a = 1,2 всех ячеек в столбце j, определяемая по формуле:

В этой работе относительная разность числовой плотности ξja с этого момента будет называться «RDDa». Поскольку плотность числа видов в каждой ячейке столбца канала имеет тенденцию совпадать со средней плотностью числа видов в столбце, RDDa стремится к нулю. Очевидно, что разница относительной плотности является мерой однородности смеси.В идеале идеальное смешивание означает, что разница относительных плотностей обоих компонентов равна нулю. Поскольку это практически невозможно, смеси считались полностью смешанными при условии, что RDDa <ε, где, в зависимости от настройки потока, ε принимала значения от 0,005 до 0,025 или в процентном отношении от 0,5% до 0,25%. Длина смешения lmixa каждого компонента смеси a = 1,2, является расстоянием, на котором выполняются критерии смешивания, в то время как, если критерий полного смешивания по нескольким причинам не может быть удовлетворен, длина смешивания lmixa - это расстояние, на котором соответствующие минимальные значения RDDa наблюдаются.Как правило, lmix1 ≠ lmix2 и, следовательно, длина смешивания смеси указывается как lmix = max (lmixa). Точно так же разница числовой плотности смеси определяется как RDD = max (RDDa). Следует отметить, что определение СДР в соответствии с уравнениями (1) и (2) является расширением определения, представленного Ван и Ли [15], с настоящим определением, обеспечивающим, как обсуждается в Приложении А, более надежные результаты без вычислительного шума.

Связанная величина, представляющая интерес в настоящей работе, представляет собой клеточную молярную долю смеси, определяемую как:

где ni, j = ni, j1 + ni, j2 — общая плотность клеток и, очевидно, Ci, j1 + Ci, j2 = 1.Средняя молярная доля столбца C¯i, ja определяется аналогично соответствующей числовой плотности в уравнении (2).

После описания числовой схемы в Разделе 3, конфигурации потока и были смоделированы, а результаты представлены в Разделе 4 и Разделе 5, соответственно. Результаты в разделе 4 относятся к вычислению длины смешения с точки зрения всех параметров потока, в то время как результаты в разделе 5 относятся к управлению процессом смешения и производству газовых смесей определенного состава.

3. Вычислительная схема

Метод DSMC, который используется в настоящем исследовании, представляет собой хорошо известный стохастический метод, основанный на частицах, который очень эффективно моделирует потоки газа в широком диапазоне чисел Кнудсена. Основной принцип метода — разделение столкновений и движения частиц. Это достигается за счет рассмотрения шага по времени, меньшего, чем время, в течение которого частица проходит среднюю длину свободного пробега с наиболее вероятной скоростью. Каждая смоделированная частица представляет собой огромное количество реальных молекул, обычно больше 10 ¹⁸ .Расчетная область разбита на ячейки. Частицы движутся через ячейки, столкновения происходят только между частицами внутри одной ячейки, и, наконец, в каждой ячейке измеряются скорости молекул и числовые плотности. Этот процесс повторяется на каждом временном шаге, и моделирование продолжается во времени, пока не будут достигнуты установившиеся условия. Есть две возможности для усреднения. Первый выполняется путем усреднения по времени большого количества временных шагов после достижения установившегося состояния. Этого метода усреднения достаточно, когда интересует только стационарное решение.Однако для получения точных результатов для переходного периода также требуется метод усреднения по ансамблю, при котором выполняется множество независимых симуляций, а результаты дополнительно усредняются на тех же временных шагах путем усреднения по ансамблю по всем симуляциям. В этой работе был разработан и использован собственный код DSMC, который сочетает в себе методы усреднения по времени и по ансамблю. Подробное описание метода можно найти в [21,22,23].

В представлены вычислительные свойства реализованного метода DSMC, применяемого во всех моделированиях, если не указано иное.Сетка состоит из квадратных ячеек с Δx = Δy = 1/30. Для процедуры отбора проб использовалась более грубая сетка, которая составляла ровно половину исходной. Для процедуры столкновения использовалась мелкая сетка. Шаг по времени всегда был меньше одной трети среднего свободного времени и, в частности, устанавливался приблизительно равным времени, необходимому для того, чтобы частица прошла наименьшую длину ячейки с наиболее вероятной скоростью. Например, для случая смешивающего потока CO-N ₂ он был установлен на 0.2 нс. Весовой коэффициент определяется как отношение реальной числовой плотности к смоделированному количеству частиц и был установлен таким образом, чтобы потоки были приблизительно равны 200 частицам на ячейку за временной шаг. Обратите внимание, что это число представляет только расчетный поток на входе, а не чистый поток.

Таблица 1

Свойства прямого моделирования Монте-Карло (DSMC).

Давление и температура на входах (x = 0) поддерживались постоянными. Числовая плотность выводится из уравнения состояния, а затем потоки рассчитываются как [3]:

N˙ = [nexp (−sn2) ± πsn {1 ± erf (sn)}] / (2πβ)

(4)

где n — взвешенная числовая плотность, sn = u0β — безразмерная скорость на входе, u0 — размерная скорость на входе, а β = m / (2kBT0) — величина, обратная наиболее вероятной скорости (kB — постоянная Больцмана).В этом исследовании объемная скорость на входе равна нулю, а уравнение (3) сокращается до:

Первоначально внутри расчетной области накладываются вакуумные условия, а начальные скорости молекул выбираются из распределения Максвелла.

4. Анализ длины смешивания

Длина смешивания с точки зрения различных параметров, влияющих на процесс смешивания, была вычислена для конфигурации потока, показанной на. В частности, задействованные параметры включали влияние длины канала, коэффициента аккомодации, температуры стенки, модели межмолекулярных столкновений и отношения молекулярных масс компонентов смеси.В базовом сценарии половинное расстояние между пластинами составляет H = 1 мкм, длина канала L = 8 мкм и длина входной средней пластины d = 2 мкм. Рабочими газами являются CO и N ₂ с соотношением молекулярных масс, равным единице. Также давление и температура на входе равны Pin1 = Pin2 = Pin = 0,2 атм и T0 = 300 K, при этом температура всех пластин принимается равной температуре на входе (Tw = T0). Наконец, рассматривается чисто диффузное отражение от стенок (коэффициент аккомодации равен единице), а модель межмолекулярных столкновений представляет собой модель переменной мягкой сферы (VSS).В базовом сценарии эталонное число Кнудсена составляет примерно 0,3, и поток находится в переходном режиме.

Чтобы получить начальное представление о смешивании газов в микромиксере, был рассмотрен поток He и Xe с сохранением всех других параметров, как в базовом сценарии. Соответствующие контуры молярной доли He и изменение разницы относительной плотности двух частиц (RDDa) нанесены на графики a, b соответственно. При x = 0 мольная доля He очень близка к единице в верхнем входе и близка к нулю в нижнем.Затем два вида начинают смешиваться даже во входной зоне, где мольная доля He постепенно уменьшается в верхней части и увеличивается в нижней части, достигая в конце входной зоны (x = 2 мкм) , значения примерно 0,7 и 0,3 соответственно. При входе в зону смешивания газовое перемешивание происходит быстро, и на расстоянии примерно x = 4 мкм два компонента полностью смешались. Также показано соответствующее изменение относительной разности плотностей He и Xe в зоне смешения. Оба RDDa быстро уменьшились, достигнув минимального значения примерно при x = 4.2 мкм, а затем немного увеличились до конца канала. Молярная доля He в полученной полностью перемешанной смеси He-Xe составляла приблизительно 0,57.

Газовое смешение He и Xe в микромиксере: ( a ) контуры молярной доли He и ( b ) изменение относительной разницы плотностей He и Xe в зоне смешения.

Более подробный вид поведения разницы относительной плотности частиц в нижней части камеры смешения показан в, где RDDa нанесены на график для потока He и Xe через микромиксеры с L = 8 мкм и L = 12 мкм с сохранением всех остальных параметров по базовому сценарию.В обоих случаях разница относительных плотностей быстро уменьшалась по мере того, как газы входили в смесительную камеру (x> 2), достигая некоторых минимальных значений при 4

Подробное изображение эволюции разницы относительных плотностей He и Xe в нижней части зоны смешивания микромешалок с общей длиной 8 мкм (сплошной серый цвет) и 12 мкм (штрих-точка черного цвета).

Затем влияние взаимодействия газа с поверхностью на процесс перемешивания было исследовано для базового сценария течения. В длине смешения lmix отложен коэффициент аккомодации α∈ [0,1]. Предельные случаи α = 0 и α = 1 соответствуют чисто зеркальному и диффузному отражению соответственно.В a один и тот же коэффициент аккомодации применяется ко всем стенкам микромиксера, в то время как в b аккомодация изменяется только в верхней стенке (y = 2H) и сохраняется равной единице для всех остальных стен. Также предполагается, что оба газа имеют одинаковый α. Результаты представлены для двух значений разницы относительной плотности смеси, RDD, а именно 0,5% и 1%. Ясно видно, что α оказывает значительное влияние, а точнее, длина смешения увеличивается по мере того, как отражение становится более зеркальным. Для RDD <1% длина смешивания увеличивается примерно вдвое, когда коэффициент аккомодации снижается с α = 1 до α = 0.Как и ожидалось, длина смешивания также увеличилась, поскольку критерий однородности был снижен с 1% до 0,5%. Это уменьшение увеличивало длину смешивания примерно на 1 мкм в a и даже больше в b. Кроме того, в b, требуемые пороговые значения RDD <1% и RDD <0,5% вообще не восстанавливались для α <0,3 и α <0,7, соответственно, и поэтому не показаны на рисунке. Можно четко сказать, что в переходном режиме взаимодействие газа с поверхностью играет существенную роль в процессе перемешивания, которая может быть более важной, чем взаимодействие между частицами.

Изменение длины смеси при различных коэффициентах аккомодации α у стен: ( a ) все стены имеют одинаковое α∈ [0,1] и ( b ) верхняя стена имеет α∈ [0,1], в то время как все у остальных стен α = 1.

Затем было исследовано влияние температуры стен. В таблице длина перемешивания lmix смеси приведена при равномерной температуре стенок Tw = 300, 450 и 600 К. Температура на входе всегда поддерживается на уровне T0 = 300 К. В дополнение к длине перемешивания предоставляются соответствующие значения C1 и RDDa.Самый большой RDDa также является RDD смеси. В последнем столбце также дано среднее значение разницы относительной плотности, обозначенное 〈RDD〉. Он был рассчитан путем усреднения всех RDDa в смесительной камере от x = 4,5 мкм до x = 7 мкм, то есть приблизительно от расстояния полного смешения до области непосредственно перед концом канала. Это среднее значение дает оценку общей однородности смеси после участка смешивания. Видно, что значительное повышение температуры стенок приводит к довольно небольшому уменьшению длины смешения, а мольная доля CO остается практически постоянной и составляет 50%.Соответствующий минимальный RDD смеси немного увеличился с 0,59% при 300 K до 0,75% при 450 K и 600 K, указывая на то, что смесь стала менее однородной. Это дополнительно усиливается за счет среднего значения разницы относительной плотности 〈RDD〉, которое увеличилось с 0,76% до 1,0%. Аналогичные выводы были сделаны на основании соответствующих результатов для потокового смешения He-Xe, представленных в. В целом можно констатировать, что температура стенок незначительно влияла на процесс перемешивания.

Таблица 2

Влияние температуры стенки на длину смешивания для потока CO-N ₂ .

Таблица 3

Влияние температуры стенки на длину смешивания для потока He-Xe.

Было выполнено взаимное влияние вычислений О результатах смешения газов сообщается далее. В таблице длина перемешивания смеси представлена ​​с использованием моделей твердых сфер (HS) и переменных твердых сфер (VHS), предложенных Бердом [24], а также молекулярной модели переменных мягких сфер (VSS), предложенной Коурой. и Мацумото [25].Также представлены соответствующие значения C1 и RDDa. Температура стенок поддерживалась равной температуре на входе 300 К. Интересно отметить, что длина смешения существенно различалась между моделями. По сравнению с моделью VSS, которая является моделью в базовом сценарии, продолжительность смешивания с моделями VHS и HS увеличилась на 12,4% и 17,4% соответственно, а RDD осталась прежней примерно на 0,60%. Это значительное увеличение длины перемешивания, учитывая, что все стенки и входные / выходные границы находились в изотермических условиях.

Таблица 4

Влияние молекулярной модели на длину смешения для потока CO-N ₂ .

Таблица 5

Влияние молекулярной модели на скорости смеси в нескольких местах вдоль оси симметрии для потока CO-N ₂ .

Наконец, рассматривается влияние соотношения молекулярных масс двух компонентов смеси.В длины смешения lmixa предусмотрены для следующих комбинаций: CO-N ₂ , Ne-Ar, He-Ne, He-Ar и He-Xe. Соответствующие отношения молекулярной массы и диаметра легких частиц к тяжелым представлены во втором и третьем столбцах соответственно. Кроме того, диапазон RDDa в области ниже по потоку от соответствующей длины смешивания сведен в таблицу, чтобы продемонстрировать однородность смеси, с минимальными значениями, относящимися к длине смешивания. Видно, что длина смешивания каждого компонента слабо зависит от молекулярной массы, при этом длина смешивания легких и тяжелых частиц варьируется не более чем на 10%.Кроме того, нельзя сделать никаких окончательных комментариев относительно поведения длины смешивания в отношении молекулярной массы, поскольку при уменьшении отношения молекулярных масс длины смешивания компонентов могут либо увеличиваться, либо уменьшаться. Однако также видно, что диапазон изменения RDD2 всегда больше, чем соответствующий RDD1, за исключением, конечно, смеси CO-N ₂ , где две молекулярные массы одинаковы. Значения RDD1 и RDD2 варьировались от 0,5% до 1,0% и 0.От 5% до 2,4%, соответственно, причем наибольшая неоднородность относится к Xe. Фактически, в конкретных сценариях потока, если пороговое значение установлено на ε = 0,5%, смесь никогда не будет считаться полностью перемешанной из-за неоднородности тяжелых компонентов смесей, и наилучшее возможное перемешивание будет продемонстрировано. в . Очевидно, что тяжелые компоненты смеси распределены менее равномерно по сравнению с легкими частицами. В целом можно констатировать, что независимо от состава смеси длительность перемешивания была примерно одинаковой, но с разной однородностью.

Таблица 6

Влияние молекулярных масс компонентов смеси на длину перемешивания.

5. Микромиксер со сплиттером

Представленный выше анализ дает подробное представление о процессе смешивания, включая состав смеси на выходе с учетом всех входных параметров и условий. Однако иметь твердые сведения о выходной молярной доле смеси и, кроме того, контролировать состав выходной смеси до того, как моделирование будет выполнено и завершено, не является тривиальной задачей даже для микромешалки определенной геометрии.Это связано с большим количеством и диапазоном входных параметров, что типично для моделирования бинарных газовых смесей в переходном режиме, что делает полное параметризационное исследование очень дорогостоящим в вычислительном отношении. Очевидно, что управление производительностью смешивания имеет большое значение в технологических приложениях.

Утверждение, что состав смеси на выходе может каким-то образом коррелировать с отношениями входных давлений или числовых потоков компонентов, в общем, ошибочно. Такой аргумент действителен только в том случае, если компоненты имеют равные молекулярные массы (например,g., CO-N ₂ ). В противном случае из-за различных молекулярных масс двух частиц этот подход не может быть применен в переходном режиме. Это наглядно демонстрирует следующий численный эксперимент. Рассмотрим смешивание He-Xe в микромиксере с PinHe = 0,2 атм, N˙inHe = 623 частицы на площадь ячейки за временной шаг, T0 = Tw = 300 K, α = 1 и модель VSS. Рассмотрены два различных условия на входе:

(a) давление на входе двух компонентов одинаковое, т.е. PinHe = PinXe, в результате чего коэффициент потока на входе равен N˙inHe / N˙inXe = 6;

(b) потоки входных номеров двух видов одинаковы, т.е.е., N˙inHe = N˙inXe, в результате чего отношение давлений равно PinHe / PinXe = 0,175.

Соответствующие результаты смешивания представлены соответственно на a, b, где нанесены контуры молярной доли He в микромешалке. Молярные доли He ниже по потоку, для которых выполняется критерий смешивания RDD <0,5%, также представлены, и они составляют CHe = 57,3% и CHe = 19,6% в случаях равных входных давлений и потоков, соответственно. Тогда отношение мольных долей CHe / CXe оказывается равным 1.35 в случае равных входных давлений (а) и 0,243 в случае равных входных потоков (б). Оба отношения мольных долей полностью отличаются по сравнению с соответствующими отношениями потока и давления на входе, которые равны 6 и 0,175 соответственно.

Молярная доля He в микромиксере при: ( a ) равных входных давлениях He и Xe и ( b ) равных входных потоках He и Xe.

На основе всего вышеизложенного был предложен достаточно простой подход к управлению составом выходной смеси путем незначительной модификации устройства (аппаратная часть) и реализации предложенного алгоритма (программная часть).Как показано на фиг.3, пластина, параллельная остальным, была расположена в смесительной камере с ее началом в некоторой точке (x, y) = (d + w, h), где d

Следующим шагом было картографирование молярной доли смеси в смесительной камере с разделителем в различных положениях, а затем определение правильного положения разделителя для обеспечения заданного состава смеси ниже по потоку с вычислительной эффективностью. .

Предложенный алгоритм был продемонстрирован путем рассмотрения смешивания He и Xe в конфигурации потока, показанной на, с размещением разделителя в 25 различных местах.Более конкретно, начало разделителя было расположено во всех комбинациях следующих координат x, y:

x = 3,50, 4,50, 4,75, 5,0, 5,25; у = 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 1,8.

Все остальные параметры остались такими же, как и в базовом сценарии. Были смоделированы все 25 вариантов потока, и соответствующие молярные доли He (CHe) ниже по потоку приведены в таблице в процентах для смеси над разделителем (верхний выход) и для смеси ниже разделителя (нижний выход).Анализируя табличные результаты, видно, что в зависимости от расположения разветвителя CHe изменяется от 27–52% и от 54–85% в нижнем и верхнем потоках соответственно. Это легко оправдывается, так как He входит в микромиксер сверху и по той же причине, по мере увеличения y, т. Е. По мере того, как разветвитель располагается ближе к верхней пластине, увеличивается и CHe. Кроме того, когда x увеличивается, CHe увеличивается, в то время как соответствующие верхнее и нижнее значения CHe становятся ближе друг к другу. Оба наблюдения объясняются тем фактом, что по мере того, как разделитель расположен дальше по потоку, однородность смеси непосредственно перед разделителем увеличивается.Что еще более важно, становится ясно, что на основе этой концепции можно производить смеси с широким диапазоном составов.

Таблица 7

Молярная доля (%) гелия на выходе из нижнего выпускного отверстия для 25 различных положений разделителя.

Таблица 8

Молярная доля (%) He на верхнем выходе для 25 различных положений разделителя.

Кроме того, чтобы иметь подробный вид молярной доли, подаваемой в микромиксер с разделителем, на контурах CHe нанесены графики для двух ориентировочных (выходных) из 25) случаев течения с началом делителя, расположенным в точках (3.25, 0.2) и (2.5, 1.8). В обоих случаях четко определены вход, предварительное смешивание и две зоны смешивания, приводящие к смесям одних и тех же компонентов, но с разными молярными долями.Когда разделитель располагался ближе к нижней пластине, мольные доли смеси He-Xe на верхнем и нижнем выходах составляли 52,7% и 40,7% соответственно, а когда разделитель располагался ближе к верхней пластине, соответствующие значения составляли 84,9%. и 50% соответственно. Когда разделитель располагался ближе к нижней пластине, мольные доли смеси He-Xe на верхнем и нижнем выходах составляли 52,7% и 40,7% соответственно, а когда разделитель располагался ближе к верхней пластине, соответствующие значения составляли 84.9% и 50% соответственно. Эти результаты были качественно ожидаемыми, так как Он поступает через верхний вход. Хорошо видно, что смеси He-Xe могут быть выведены в широком диапазоне мольных долей.

Смешивание газа He-Xe в микромиксере с разделителем: контуры молярной доли He с разделителем, расположенным в точках ( a ) (3,25, 0,2) и ( b ) (2,5, 1,8).

Далее, цель заключалась в разработке простого вычислительного инструмента, способного обеспечить правильное положение делителя после того, как был задан желаемый состав смеси на выходе, без выполнения каждый раз всего моделирования, что требует вычислительных ресурсов и занимает много времени.На основе данных в и был реализован метод наименьших квадратов в координатах x и y, чтобы получить два полинома третьего порядка, один для верхнего и один для нижнего разделителя, чтобы аппроксимировать молярную долю в соответствующих потоках. Общая форма двух многочленов:

CHe (x, y) = a + bx + cy + dx2 + ey2 + fx3 + gy3 + hxy + ix2y + jxy2

(6)

где коэффициенты двух многочленов указаны в. Относительная ошибка между молярными долями, полученными из уравнения (6), и соответствующими долями в и составляла менее ± 3%, в то время как евклидова норма вектора ошибки была приблизительно равна 2.8. Точность считается очень хорошей и, безусловно, намного лучше, чем точность, полученная с помощью других проверенных аппроксимационных формул.

Таблица 9

Коэффициенты полиномов третьего порядка для верхнего и нижнего выхода.

Контуры молярных долей, представленные полиномами третьего порядка, представлены для нижнего и верхнего выходов соответственно, помогая визуализировать соответственно картография карт мольных долей. Контуры были нанесены в одном и том же двухмерном пространстве с результатами в и, i.е., для 2,5≤x≤3,5 и 0,2≤y≤1,8. Шаг мольной доли между контурами достаточно мал, чтобы можно было произвести точную оценку.

Контуры молярной доли He в нижнем ( a ) и верхнем ( b ) выходах на основе расположения разделителя в 25 различных положениях.

После того, как был задан желаемый состав смеси, на основе уравнения (3) для молярной доли и соответствующих контуров можно было оценить правильное расположение разделителя для получения заданного состава следующим образом:

Предположим, что указанная ниже молярная доля He составляет CHe = 40%.Наблюдая за контурами внутри, легко видеть, что указанный состав может быть получен только в нижнем выходном потоке и для координат (x, y), выводя мольную долю на контуре 40%. Чтобы гарантировать применимость подхода, одна из двух координат была фиксированной, например, x = 3 мкм, и уравнение (7) для нижнего выпускного отверстия было решено итерационным методом, чтобы найти y = 0,93. Затем этот результат был подтвержден путем запуска всего моделирования для поля потока в микромешалке с источником делителя, расположенным в точке (3, 0.93). Вычисленное поле CHe показано в. На нижнем выпуске молярная доля гелия ниже по потоку составила 40,7%, что лишь незначительно отличается от указанной. Введенное расхождение связано с небольшой ошибкой, внесенной в регрессионную модель.

Контуры молярной доли He в микромиксере с разделителем, расположенным в точке (3, 0,93).

Очевидно, приближенное выражение (6) справедливо только для смешения He-Xe, но предложенная методика может применяться и в других газовых смесях, в зависимости от технологического применения.

6. Резюме и заключительные замечания

Был исследован процесс смешения двух установившихся под давлением потоков разреженного газа, протекающих между двумя параллельными пластинами. Узел микромиксера был простым и состоял из впускной и смешивающей зон. При входе в зону смешения смешение газа происходило очень быстро, а затем замедлялось, достигая асимптотически на некотором расстоянии от входной зоны оптимальной однородности смеси. Это расстояние было определено как длина смешивания.Затем, ниже по потоку, однородность смеси немного ухудшилась до концевой части канала, где однородность уменьшалась быстрее из-за разделения газа и торцевых эффектов. Однородность смеси оценивали на основании относительной разницы между числовой плотностью частиц в каждой ячейке поперечного сечения канала и соответствующей средней числовой плотностью поперечного сечения. Как правило, смешивание газов улучшается по мере уменьшения длины смешивания и уменьшения разницы в относительной плотности, в противном случае однородность смеси увеличивается.

Длина смешивания с соответствующей разницей относительной плотности была рассчитана для различных комбинаций газов с точки зрения параметров, влияющих на процесс смешивания, в узле микромиксера, имеющем длину и высоту, равные 8 мкм и 2 мкм, соответственно. . Длина перемешивания в большинстве сценариев потока варьировалась от 2 мкм до 4 мкм. Было показано, что увеличение длины канала не влияет на длину смешения и связанную с ним разницу относительной плотности, то есть на степень однородности смеси.Изменение температуры стенки также оказывает незначительное влияние на перемешивание газа. Тип взаимодействия газа с поверхностью является наиболее важным параметром, влияющим на перемешивание газа, а более конкретно, когда отражение становится более зеркальным, длина перемешивания значительно увеличивается. В случаях с высоким зеркальным отражением длина смешивания может быть увеличена вдвое или даже втрое. Были реализованы модели межмолекулярных столкновений HS, VHS и VSS, и было обнаружено, что вычисленная длина смешения моделей HS и VHS была примерно на 20% и 10% выше, чем для VSS, в то время как соответствующие различия относительной плотности были незначительными.Отмечено, что при моделировании газовой смеси наиболее надежной считается модель VSS. Что касается состава смеси, был сделан вывод, что соотношение молекулярных масс двух компонентов в настоящем исследовании варьировалось от 1 до 0,03 и оказывало незначительное влияние на длину смешивания и, что более важно, на относительную плотность. разница. Более конкретно, смесь становилась менее однородной по мере уменьшения отношения молекулярных масс, то есть молекулярные массы двух видов сильно различаются.

Далее был предложен довольно простой подход к управлению составом выходной смеси. Пластина, параллельная остальным, так называемый разделитель, была добавлена ​​в зону смешивания узла микромешалки, разделяя выходящий поток на два выходных основных потока. Было показано, что размещение разделителя в различных положениях в зоне смешения приведет к различным составам смеси на выходе. Было проведено интенсивное моделирование для 25 различных положений разделителя, и были выведены мольные доли образующихся бинарных смесей выше и ниже разделителя.На основе этих данных были выведены простые приближенные выражения, способные обеспечить после определения желаемого состава смеси на выходе правильное положение делителя без выполнения трудоемкого моделирования. Анализ был выполнен и подтвержден для потока He-Xe, но также может быть легко применен к другим газовым смесям.

Есть надежда, что проведенный анализ смешения и предложенный подход к управлению перемешиванием газов с целью получения бинарных газовых смесей с определенным составом поддержат соответствующие экспериментальные работы, а также конструкцию и оптимизацию микроприборов для смешивания газов.

Приложение A

Выражение RDD, введенное Ван и Ли [15], имеет вид:

ξja = | nup, ja − nlow, ja | max (nup, ja, nlow, ja)

(A1)

где ξaj — относительная разность плотностей RDDa видов a = 1,2 в столбце j, в то время как nup, ja и nlow, ja соответствуют численным плотностям видов в том же столбце в двух ячейках, примыкающих к верхней и нижние стенки соответственно. Определение RDD, реализованное в настоящей работе (см. Уравнение (1)), вместо только двух ячеек, смежных с верхней и нижней стенками, рассматривает все ячейки столбца.Было выполнено сравнение между двумя определениями с точки зрения соответствующего распределения RDD вдоль канала.

Рассмотрим стационарный поток смешивания CO-N ₂ в микромиксере с Pin1 = Pin2 = 0,2 атм, T0 = Tw = 300 K и чисто диффузным отражением на стенках. Рассчитанные распределения относительной разности плотностей по настоящим выражениям и по [15] вдоль русла нанесены на график. Моделирование проводилось путем задания RDDa <ε, при ε = 0.5%. Распределения RDDa обоих видов, a = 1,2, полученные с помощью двух определений, были качественно подобными, и, что более важно, вычисленная длина смешивания была одинаковой и равнялась lmix = 2,8 мкм. Однако введенный статистический шум DSMC, который является очень значительной величиной в вероятностных вычислениях, был намного выше при моделировании с помощью выражения в [15]. Это более четко показано в деталях, где изображена эволюция RDD от длины около точки смешения до конца канала, как рассчитано в [15] и по уравнению (1) соответственно.

Кроме того, тот факт, что изменение RDD1 идентично RDD2, происходит из-за того, что оба имеют одинаковые молекулярные массы CO и N ₂ , в то время как внезапное увеличение обоих RDDa на конце канала связано с разделением газа и концом эффекты, эффект, который улавливается только предлагаемым методом. Следовательно, в настоящей работе RDD вычисляется согласно уравнению (1). Эти вопросы дополнительно обсуждаются в Разделе 4.

Рисунок A1

Распределение разницы относительных плотностей CO и N ₂ , рассчитанное с использованием настоящего определения и определения Ванга и Ли в [15]; результаты увеличиваются для определенной длины канала вверху справа.

Вклад авторов

Концептуализация, S.S. and S.M .; программное обеспечение, С.М .; проверка, S.M., S.S. и D.V .; письменность — оригинальная черновая подготовка, С.М .; написание — просмотр и редактирование, S.S. and D.V .; визуализация, С.М .; надзор, С.С. и Д.В .; администрация проекта, S.S.

Финансирование

Этот проект получил финансирование из Рамочной программы Европейского Союза по исследованиям и инновациям Horizon 2020 (2014–2020) в рамках Соглашения о гранте Мари Склодовской-Кюри №643095.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

296. [CrossRef] [Google Scholar] 15. Ван М., Ли З. Смешивание газов в микроканалах с использованием метода прямого моделирования Монте-Карло. Int. J. Heat Mass Trans. 2006; 49: 1696–1702. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2005.10.022. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Ле М., Хассан Л. Моделирование смешивания газов в Т-образном микромиксере с помощью DSMC.Прил. Therm. Англ. 2007. 27: 2370–2377. DOI: 10.1016 / j.applthermaleng.2007.03.012. [CrossRef] [Google Scholar] 17. Рейханян М., Круазе К., Гатиньоль Р. Численный анализ смешения двух газов в микроканале. Мех. Инд. 2013; 14: 453–460. DOI: 10,1051 / meca / 2013077. [CrossRef] [Google Scholar] 18. Дарбанди М., Лакзян Э. Усиление смешивания двух газов в микроканале с использованием DSMC. Прил. Мех. Матер. 2013; 307: 166–169. DOI: 10.4028 / www.scientific.net / AMM.307.166. [CrossRef] [Google Scholar] 19. Дарбанди М., Сабури М. Подробное исследование по улучшению характеристик газового смесителя микро / наночастиц в режимах скольжения и переходного потока. Датчик. Приводы B Chem. 2015; 218: 78–88. DOI: 10.1016 / j.snb.2015.03.097. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Дарбанди М., Сабури М. Влияние разреженности на смешение газов в микро- и наномасштабах; Труды 5-й Международной конференции ASME 2016 по тепло- и массообмену в микро / наномасштабе; Биополис, Сингапур. 4–6 января 2016 г .; Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США: ASME; 2016. [Google Scholar] 21. Стефанов С.О расчетах DSMC течений разреженного газа с малым числом частиц в ячейках. J. Sci. Comput. 2011; 33: 677–702. DOI: 10.1137 / 0864. [CrossRef] [Google Scholar] 22. Рухи Э., Стефанов С. Схемы выбора партнеров в DSMC: от микро / нано-потоков к гиперзвуковым потокам. Phys. Отчет 2016; 656: 1–38. DOI: 10.1016 / j.physrep.2016.08.002. [CrossRef] [Google Scholar] 23. Чен Дж., Стефанов С., Балдас Л., Колин С. Анализ потока, индуцированного температурными полями в трещоточных микроканалах, методом прямого моделирования Монте-Карло.Int. J. Heat Mass Trans. 2016; 99: 672–680. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2016.04.023. [CrossRef] [Google Scholar] 24. Берд Г.А. Моделирование методом Монте-Карло в инженерном контексте. Прог. Астронавт. Аэронавт. 1981; 74: 239–255. [Google Scholar] 25. Коура К., Мацумото Х. Молекулярная модель переменной мягкой сферы для обратного степенного закона или потенциала Леннарда-Джонса. Phys. Жидкости Жидкость. 1991; 3: 2459. DOI: 10,1063 / 1.858184. [CrossRef] [Google Scholar]

Регистрация состава смеси: открытый машиночитаемый формат для представления смешанных веществ | Journal of Cheminformatics

Определение

Простейший вид Mixfile представляет собой смесь, которая по существу представляет собой один компонент со значением чистоты, как показано на рис.1. Сингулярный компонент описывается тремя частями информации: структурой производного бутена, его названием и концентрацией, которая указывается как ≥ 97%. Это представление требует только одного компонента, потому что примеси неизвестны и, следовательно, не указаны. Этот простой пример представляет собой невероятно распространенный вариант использования, особенно в каталогах реагентов.

Простая смесь с одним известным компонентом, (S) -3-бутен-1,2-диолом, имеющая оценку чистоты

Другой очень распространенный вариант использования — когда активный ингредиент предоставляется в виде раствора, как показано на рис.2. В этом случае задействуется иерархическая природа формата Mixfile. Корневой узел пуст, хотя его можно использовать для хранения вторичных метаданных о смеси в целом. В его состав входят два компонента: активный ингредиент и растворитель. Оба они представлены по имени и структуре. Активный ингредиент, триэтилалюминий , составляет 2 молярных числа. Концентрация растворителя, толуола , оставлена ​​пустой, что по соглашению означает, что он составляет остаток смеси.Хотя было бы правильно рассчитать молярность растворителя и включить эту информацию, она излишняя, и для удобства и ясности представления ее лучше опустить.

Двухкомпонентная смесь с активным ингредиентом (триметилалюминий) известной концентрации, растворенным в растворителе (толуоле)

Иерархии Mixfile не имеют ограничений по глубине или высоте, и использование вложенности — удобный способ выражения смесей-смесей. Например, рассмотрим n — бутиллитий , растворенный в растворителе, который в просторечии называют гексанами , как показано на рис.3.

Бутиллитий, растворенный в «гексанах», который сам по себе представляет собой смесь, состоящую из известных соединений в неопределенных пропорциях

Этот конкретный выбор иерархического описания ясно указывает на то, что описываемое вещество представляет собой смесь двух различных вещей : реагента и растворителя. Растворитель занимает один контейнерный узел, который описывается под названием гексаны . Поскольку он сам по себе является смесью, он не имеет структуры, и ему также не дается концентрация (поскольку подразумевается, что он составляет все, кроме реагента).Компонент гексанов имеет четыре назначенных ему подкомпонента, которые представляют собой основные изомеры C ₆ , составляющие растворитель. Если бы относительные пропорции изомеров были известны, их можно было бы выразить в виде концентраций (например, в виде отношения или процентных соотношений объем / масса / молярность), но в этом случае пропорция не указана производителем. Таким образом, он показывает, что формат Mixfile удобен для неполных данных, что важно, поскольку было бы неправильно настаивать на предоставлении информации, которая недоступна.

Одна очень практическая причина для описания веществ, таких как литийорганические реагенты, заключается в том, что безопасность и опасности зависят от состава. Рассмотрим родственный и гораздо более опасный третичный бутиллитиевый реагент , который показан на рис. 4.

Трет-бутиллитий в пентане, для которого выбор растворителя особенно важен с точки зрения безопасности

Знания только об активном ингредиенте ( t -бутиллитий) достаточно, чтобы убедиться, что этот материал является пирофорным, так как он имеет эту характеристику во всех своих формах.Однако для n -бутиллития растворы пирофорны только при более высоких концентрациях (примерно 10 моль / л и выше) [5]. Следовательно, возможность отслеживать концентрацию активного ингредиента и имеет важное значение для предоставления соответствующих рекомендаций по безопасности, обращению и утилизации. В случае этих двух литийорганических реагентов также важен состав растворителя, например t -бутиллитий обычно продается в виде растворов либо пентана, либо гептана, и эти растворители имеют резко разную летучесть, что является очень важной деталью для смеси, которая воспламеняется при контакте с воздухом.Любая база данных об опасностях будет неполной (и, возможно, опасной из-за пропусков) без возможности хранить и сопоставлять все эти факты.

Еще одно важное соображение в отношении высокореактивных реагентов, таких как литийорганические растворы, заключается в том, что они со временем разлагаются и требуют титрования [6, 7] для повторного определения концентрации. Это означает, что недостаточно пометить образцы со ссылкой на свойства, которые они имели во время покупки, скорее, это должно быть записано с помощью структуры данных, которая может фиксировать изменяющуюся концентрацию, и в идеале делать это таким образом, чтобы полезный (e.грамм. в сочетании с программным обеспечением для планирования реакции для расчета объема, необходимого для стехиометрического использования).

Иерархия компонентов также может использоваться для представления смесей изомеров, что является обычным вариантом использования для результатов реакций, за которыми не следует эффективная стадия очистки, например результат добавления Марковникова [8] брома, показанный на рис. 5.

Два изомера, образующиеся в результате бромирования пропена, представленные в виде смеси с указанием их относительных соотношений

Хотя некоторые виды изомеров могут быть эффективно представлены в структуре одного компонента (например, рацемические стереоизомеры), перечисление часто предпочтительнее, даже если есть альтернативы.Перечисление имеет некоторые преимущества перед более краткими вариантами кодирования, например визуализация очень четкая, определение относительных концентраций простое и простая реализация.

Запись информации о свойствах смесей важна по множеству причин, не в последнюю очередь из-за безопасности. Например, рассмотрим две коммерчески доступные формы четырехокиси осмия, показанные на рис. 6. Mixfile, представленный в (а), представляет собой твердую форму, которая в основном чиста, а (б) — тот же активный ингредиент, что и разбавленный раствор в воде.Оба эти материала чрезвычайно токсичны, но инструкции по хранению, обращению с ними и утилизации совершенно разные. Без четко определенного машиночитаемого формата для разграничения необработанного твердого вещества и разбавленного раствора выбор правильного паспорта безопасности материала будет зависеть от знаний и опыта ученого, выполняющего поиск. Другим ярким примером является азид натрия, который чрезвычайно токсичен в своей чистой твердой форме [9], но при растворении в воде при концентрациях ниже 0.1% считается достаточно безвредным для использования в качестве пищевого консерванта [10].

Четырехокись осмия в двух формах: a чистый и b раствор, которые имеют очень разные профили безопасности

Описания смесей актуальны и за пределами химической лаборатории, поскольку существует бесчисленное множество потребительских товаров, которые могут выиграть от описания с подробными метаданными, как показано на рис. 7. Пример (a) описывает распространенную марку зубной пасты, тогда как (b ) представляет собой таблетированную форму для элетриптана [11].Оба этих бытовых продукта имеют общие характеристики с точки зрения определения смесей: каждый из них содержит активный ингредиент ( фторид натрия и гидробромид элетриптана соответственно) и множество неактивных ингредиентов. Активные ингредиенты обычно находятся в центре внимания этих потребительских продуктов, но добавляемые дополнительные материалы очень важны: они обычно придают характеристики, которые влияют на стабильность, текстуру, вкус и эффективность. Они также являются частыми источниками опасений относительно токсичности и нежелательных побочных эффектов, поэтому сбор точных, полных и машиночитаемых данных по всем компонентам важен, не в последнюю очередь потому, что можно было бы быстро идентифицировать все такие потребительские товары с любым конкретный компонент, о котором идет речь, когда есть проблемы со здоровьем.С точки зрения НИОКР составление лекарственного средства — это эмпирический процесс: точный состав и количество каждого вспомогательного вещества являются важной характеристикой таблетки лекарственного средства, и поэтому точная регистрация всех экспериментально определенных составов и сопоставление их с их эффективной эффективностью является важной частью продукта. дизайн.

Две смеси, которые являются обычными предметами домашнего обихода: a марка зубной пасты и b состав элетриптана

Для потребительских товаров даже чаще, чем лабораторных реактивов, некоторая часть составляющих не может быть легко представлена ​​одной или несколькими отдельными химическими структурами.Признание этого ограничения является ключевым моментом при проектировании Mixfile: в этих случаях должны быть предоставлены любые доступные метаданные. Обычно существует доступное имя в некоторой форме, а иногда и ссылки на внешние базы данных, которые содержат информацию о смесях, например Часто используется регистрационный номер Chemical Abstracts (CASRN) [12]. Эти ссылки не являются машиночитаемыми по своей сути, поэтому их следует рассматривать как заполнитель: облегчение неавтоматизированного отката предпочтительнее полного исключения информации, и часть будущей работы для этого проекта заключается в расширении возможности описания более сложных фрагменты структуры, подобные полимерам.

Программное обеспечение

Чтобы использовать формат Mixfile, мы создали простой редактор, который можно использовать для определения смесей. На рисунке 8 показано несколько панелей: главное окно редактора (а) представляет собой иерархическую схему смеси. Компоненты, составляющие это дерево, можно добавлять, удалять, перемещать, редактировать и т. Д. С помощью обычного меню, мыши и сочетаний клавиш. При редактировании отдельных компонентов открывается один из двух диалоговых окон: один для общих деталей (b), а другой — для эскиза конструкции (c).

Скриншоты редактора смеси: a обзор смеси, b редактор компонентов, c эскиз структуры

Редактор смесей имеет возможность вызывать расчет строк InChI для любой из составляющих структур, что выполняется с помощью стандартного инструмента командной строки (который устанавливается отдельно [13]). Как описано ниже, он также может создавать для смеси соответствующее производное обозначение MInChI.

По мере развития проекта Mixfile редактор будет постепенно улучшаться, а последние разработки будут по-прежнему доступны в виде программного обеспечения с открытым исходным кодом. Одним из примеров дополнительной служебной функции является возможность поиска структур по имени во внешней базе данных, показанной на рис. 9. Это удобный способ получения структур, для которых известно имя, чтобы избежать необходимости рисовать или находить -и вставляем соответствующий скетч. На момент отправки поддерживается только PubChem, хотя его можно легко расширить для поддержки других баз данных.

Снимок экрана функции поиска в базе данных

В то время как лучший сценарий для создания машиночитаемых метаданных состоит в том, чтобы они были созданы непосредственно исходящим ученым в формате, который может выражать все детали, факт заключается в том, что почти вся существующая информация о смеси выражается в виде текста. Эти текстовые описания обычно вполне понятны людям, хотя иногда выбранный синтаксис может быть неоднозначным даже для эксперта.Многие из этих текстовых описаний встречаются в длинных абзацах (например, в литературных публикациях), но они довольно часто абстрагируются с четко определенным началом и концом: это часто наблюдается в онлайн-каталогах поставщиков (например, Sigma-Aldrich [14] ThermoFisher [15] ] Alfa Aesar [16] и многие другие) и в специальных системах инвентаризации химических веществ.

Можно составить набор правил, которые могут интерпретировать большую часть смесей из такого набора данных. Рассмотрим простой пример, такой как « 1-Аза-12-корона-4 ≥ 97.0% ”, Который описывает одно известное соединение, составляющее большую часть материала, и, косвенно, некоторое количество неизвестных, составляющих остаток. Операцию анализа можно изобразить графически, как показано на рис. 10. Первое правило устанавливает, что 1 — Aza — 12 — крон — 4 — это имя химического объекта, который может быть отображен. к определению структуры. Второе правило определяет, что ≥ 97,0% является количественным определением, которое обеспечивает отношение , значение и единиц .

Шаг синтаксического анализа для анализа смеси текста, применяемый к одному химическому названию с сопутствующей оценкой чистоты

Mixfiles, для которых явно определены несколько компонентов, требуют дополнительных шагов синтаксического анализа. Наиболее распространенными лабораторными примерами являются пары реагент-растворитель, выраженные с помощью текста, такого как « Раствор триметил (трифторметил) силана 2 M в THF ”, Графически изображенная на рис.11. В этом случае правила синтаксического анализа должны найти границу между двумя компонентами и рекурсивно проанализировать их. К этому примеру применяется общее правило {определение растворенного вещества} в {определение растворителя}, хотя необходимо соблюдать осторожность, чтобы убедиться, что вхождение очень короткого ключевого слова в обрабатывается правильно.

Правила синтаксического анализа текста, применяемые к смеси, которая разделяется отдельно на активный ингредиент и растворитель

Как только граница определена, анализ продолжается: растворитель определяется как THF , что является общепринятым сокращением для тетрагидрофурана .Активный ингредиент требует еще нескольких шагов: суффикс 2 M считается количественным определением. Заглавная буква M в данном контексте обозначает молярный, поэтому концентрация интерпретируется как 2 моль / л. После обработки и удаления информации о количестве оставшийся текст необходимо дополнительно усечь: использование слова , решение является излишним и требует правила удаления. Как только это будет сделано, оставшийся текст — триметил (трифторметил) силан — станет допустимым химическим названием, которое можно проанализировать и преобразовать в структуру.

Эти два тематических исследования являются репрезентативными для большого количества общих текстовых описаний смесей лабораторных реагентов. В разделе «Методы» мы описываем краткое изложение нашей текущей работы по извлечению текста из смесей, а также доступность данных, которые мы уже сгенерировали. Коллекция из нескольких тысяч примеров смесей также включена в проект GitHub с открытым исходным кодом, все из которых были созданы с использованием нашего метода извлечения текста доказательства концепции, некоторые из которых показаны на рис.12.

Мозаика смешанных данных, извлеченных путем извлечения текста из коллекции каталогов

Распознавание текста в структуру, которое составляет ключевую часть процесса извлечения, может быть выполнено с использованием одного из нескольких доступных алгоритмов. Для практических целей необходимо объединить эту функциональность с поисковой таблицей, поскольку очень безопасно предположить, что ни один алгоритм не будет правильно интерпретировать все важные структуры в любой большой коллекции.Кроме того, бывают случаи, когда имя соотносится с суб-смесью (например, когда-либо распространенные гексанов и ксилолов ), и они могут быть обработаны путем предоставления таблицы поиска с возможностью вставки ветви смеси.

Смеси InChI

Формат Mixfile, который мы описываем в этой статье, подходит для использования в качестве справочного контейнера, который подходит для подробных целей архивирования. Его можно легко визуализировать для создания визуального представления качества печати, и его можно расширить для хранения любых дополнительных метаданных, выходящих за рамки базовой спецификации.На разработку этого формата и связанных с ним инструментов сильно повлияло наше сотрудничество с IUPAC и предложенная ими нотация Mixtures InChI, сокращенно MInChI . По замыслу, представление контейнера Mixfile может использоваться в качестве исходного материала для генерации строки MInChI, которая включает в себя извлечение фундаментальной информации о компонентах и ​​передачу им канонической стандартизации и мотива слоя, возникающего при использовании InChI в качестве идентификатора структуры.

Как видно на рис. 13а, простая смесь, подобная этому примеру, где кофеин указан с определенной чистотой, соответствующая строка MInChI преобладает со структурным идентификатором из стандартного генератора InChI. Строка предваряется означающим, которое идентифицирует ее как совместимую со спецификацией MInChI, за ней следуют два дополнительных уровня: иерархия (которая в данном случае является одноэлементной) и концентрация, которая закодирована в краткой мнемонической форме.

Три все более сложных примера смесей, представленных в нотации MInChI: кофеин с оценкой чистоты; b трибромид бора, растворенный в хлористом метилене; c диизопропиламид лития, растворенный в относительно сложной смеси растворителей

Пример (b) содержит два компонента, которые перечислены в разделе структуры. Блок иерархии указывает на смесь с плоской иерархией. В строке MInChI компонентный слой сортируется в алфавитном порядке по строкам InChI (который по совпадению имеет тот же порядок, что и в исходном Mixfile).Блок концентрации имеет одну секцию для каждого компонента, но вторая запись пуста, поскольку концентрация не указана (т.е. предполагается, что она составляет остаток смеси).

Пример (c) несколько более экзотичен, он представляет собой смесь нескольких наборов компонентов с 3 уровнями иерархии. Кроме того, у 3 узлов компонентов не указана структура. В этом случае порядок ветвлений отличается от того, который используется в Mixfile. Часть иерархической индексации строки MInChI обозначает форму дерева с помощью фигурных скобок.Три узла имеют заданные концентрации: ингредиент диизопропиламида лития имеет общую молярность, а составляющие ТГФ / гексаны выражены в виде пропорций, которые применяются конкретно к части иерархии (то есть фактическое определение гексанов в этом примере явно пронумерованы по своим структурам, и их приблизительные концентрации относительно друг друга определены в пределах их собственной ветви).

Хотя и Mixfiles, и MInChI используются для одних и тех же типов данных, они выполняют разные роли в общей инфраструктуре хеминформатики.Обозначение MInChI имеет некоторые ключевые преимущества по сравнению с исходным Mixfile:

• краток, ограничен одной строкой, состоящей из символов ASCII, которыми можно легко манипулировать в электронной таблице или вставлять в одну строку ввода в веб-форме.

• позволяет легко ссылаться на сравнение сходства: две смеси с одинаковыми составляющими будут идентичны до с индексом концентрации и разделов

• проверить наличие структуры в смеси чрезвычайно просто (например,грамм. содержится ли идентификатор запроса InChI в строке MInChI)

• аналогично, структуры могут быть разделены и проиндексированы индивидуально по их кодам InChI

• Относительно сложные сравнения состава и концентрации могут быть выполнены с использованием простых манипуляций со строками, без необходимости в специальной библиотеке хеминформатики

Все эти характеристики актуальны для реализации в базе данных, где пользовательские поисковые запросы и операции индексации могут выполняться с использованием встроенных операторов или простых языков сценариев, для которых не всегда доступны удобные библиотеки хеминформатики.Предоставление возможности поиска отдельной структуры в любой смеси становится очень простым (достаточно любой реализации строки indexOf , если структура запроса может быть преобразована в идентификатор InChI).

Сравнение смесей может быть выполнено с помощью некоторой относительно простой логики. Рассмотрим сценарий, когда в базе данных ведется поиск смесей, аналогичных запросу, показанному на рис. 14 (а), и рассматриваем (б) в качестве потенциального кандидата.Обе эти смеси представляют собой диметиламин в аналогичной концентрации, растворенный в двух разных растворителях. Сравнение двух цепочек MInChI может быстро установить, что каждая смесь состоит из двух компонентов, и у них есть один общий компонент. Общая структура, которая является активным ингредиентом (с фрагментом InChI C2H7 Н / с1-3-2 / ч4Н, 1-2х4 ), дается концентрация с обеих сторон: для (a) это конкретно 90 г / л, а для (b) — между 1.9 и 2,1 моль / л. Поскольку фрагмент идентификатора InChI начинается с молекулярной формулы, вычислить молекулярную массу несложно (используя очень простую таблицу поиска элементов и очень короткий блок кода). Это можно использовать, чтобы убедиться, что 90 г / л составляет приблизительно 2 моль / л, и поэтому обе эти смеси имеют общий ингредиент с общей концентрацией с различным растворителем.

Две очень похожие смеси и соответствующие им обозначения MInChI, подчеркивающие легкость, с которой они могут быть проанализированы с помощью базовой обработки строк

Как и в случае с автономным структурным идентификатором (InChI), обычно существуют веские причины для сохранения более подробной информации об источнике, например.грамм. Считайте строку MInChI нотацией композиции, которая восстанавливается из Mixfile, поскольку она не предназначена для использования в качестве основной записи данных. В процессе создания MInChI абстрагируются структурный идентификатор, концентрация и пропорциональные отношения компонентов, как указано в исходном описании. И строка MInChI, и составляющие ее идентификаторы InChI обратимы только в частичном смысле: преобразование вперед (например, Mixfile в MInChI или Molfile в InChI ) уменьшает степени свободы, чтобы повысить его полезность для конкретные цели.Любая заданная строка MInChI или InChI может соответствовать множеству различных, но эквивалентных выражений смеси или структуры, но при обращении преобразования обычно не восстанавливается исходный ввод. В случае идентификатора InChI это легко заметить, поскольку InChI не сохраняет координаты входных молекул, поэтому обратный процесс должен воссоздать их алгоритмически. Другие модификации, такие как выбор канонического таутомера, нормализация стереоцентров и разъединение связей с металлами, еще больше уменьшают корреляцию с исходной входной структурой.Кроме того, для преобразования Mixfile в MInChI такие свойства, как имена структур, вспомогательные идентификаторы и т. Д., Не сохраняются в нотации MInChI. Иногда их можно получить заново, но нет гарантии, что они будут такими же, как оригинал.

Это однонаправленное сокращение информации является ключом к практической ценности InChI и всех его производных: возможность рассматривать строку как уникальное и буквальное определение химического объекта делает множество сложных и ресурсоемких задач хеминформатики почти тривиально простыми. .Обозначение MInChI использует эти фундаментальные свойства InChI. Предостережение заключается в том, что системе архивирования рекомендуется также хранить данные в их первоначальной форме до любой первоначальной обработки, что является известным научным принципом (т. Е. Никогда не выбрасывайте оригинальную лабораторную записную книжку).

На момент написания спецификация MInChI приближается к завершению Фазы 1 и, как ожидается, будет официально выпущена позже в 2019 году. Обновления будут размещены на странице проекта IUPAC [17]. Если вы заинтересованы в реализации нотации MInChI в своих локальных системах, пожалуйста, свяжитесь с авторами.

Глава 7 — Растворы — Химия

Напомним из главы 1, что растворов определяются как гомогенные смеси, которые перемешаны настолько тщательно, что ни один компонент не может наблюдаться независимо от другого.Решения повсюду вокруг нас. Например, воздух — это решение. Если вы живете рядом с озером, рекой или океаном, этот водоем не является чистым H ₂ O, но, скорее всего, является решением. Многие из того, что мы пьем, например газированные напитки, кофе, чай и молоко, являются растворами. Решения — большая часть повседневной жизни. Большая часть химии, происходящей вокруг нас, происходит в растворе. Фактически, большая часть химии, происходящей в нашем собственном организме, происходит в растворах, и многие растворы, такие как раствор лактата Рингера для внутривенного введения, важны для здравоохранения.В нашем понимании химии нам нужно немного разбираться в растворах. В этой главе вы узнаете об особых характеристиках решений, их характеристиках и некоторых их свойствах.

Навыки для развития

• Определите эти термины: раствор, растворенное вещество и растворитель.
• Различают растворы, смеси и коллоиды.
• Опишите различные типы решений.
• Различают ненасыщенные, насыщенные и перенасыщенные растворы.

Главный компонент раствора называется растворителем , а второстепенный компонент (ы) называется растворенным веществом . Если оба компонента в растворе составляют 50%, термин «растворенное вещество» может относиться к любому компоненту. Когда газообразный или твердый материал растворяется в жидкости, газ или твердый материал называется растворенным веществом. Когда две жидкости растворяются друг в друге, основной компонент называется растворителем , а второстепенный компонент называется растворенным веществом .

Многие химические реакции протекают в растворах, и растворы также тесно связаны с нашей повседневной жизнью. Воздух, которым мы дышим, жидкости, которые мы пьем, и жидкости в нашем теле — все это решения. Кроме того, нас окружают такие решения, как воздух и вода (в реках, озерах и океанах).

По теме решений мы включаем следующие разделы.

1. Типы растворов: газообразные, жидкие и твердые растворы в зависимости от состояния раствора.
2. Стехиометрия раствора: выражение концентрации в различных единицах (масса на единицу объема, моль на единицу объема, процент и доли), расчеты стехиометрии реакции с использованием растворов.
3. Растворы электролитов: растворы кислот, оснований и солей, в которых растворенные вещества диссоциируют на положительные и отрицательные гидратированные ионы.
4. Метатезис или обменные реакции: реакция электролитов, приводящая к нейтральным молекулам, газам и твердым веществам.

Решение проблем стехиометрии раствора требует концепций, введенных в стехиометрию в главе 6, которая также обеспечивает основу для обсуждения реакций.

В главе 1 вы познакомились с концепцией смеси , которая представляет собой вещество, состоящее из двух или более веществ. Напомним, что смеси могут быть двух типов: гомогенные и гетерогенные, где гомогенные смеси сочетаются настолько тесно, что их можно рассматривать как единое вещество, хотя это не так. Гетерогенные смеси, с другой стороны, неоднородны и имеют участки смеси, которые отличаются от других участков смеси.Гомогенные смеси можно разделить на две категории: коллоиды и растворы. Коллоид — это смесь, содержащая частицы диаметром от 2 до 500 нм. Коллоиды кажутся однородными по своей природе и имеют одинаковый состав, но являются мутными или непрозрачными. Молоко — хороший пример коллоида. Истинные растворы имеют размер частиц типичного иона или небольшой молекулы (от 0,1 до 2 нм в диаметре) и прозрачны, хотя могут быть окрашены. В этой главе основное внимание будет уделено характеристикам истинных решений.

Материал существует в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Решения также существуют во всех этих состояниях:

1. Газовые смеси обычно однородны и обычно представляют собой газо-газовые растворы . Для количественной обработки такого типа растворов мы посвятим единицу газам. Атмосфера представляет собой газообразный раствор, состоящий из азота, кислорода, аргона, двуокиси углерода, воды, метана и некоторых других второстепенных компонентов. Некоторые из этих компонентов, такие как вода, кислород и углекислый газ, могут различаться по концентрации в разных местах на Земле в зависимости от таких факторов, как температура и высота над уровнем моря.
2. Когда молекулы газа, твердого вещества или жидкости диспергированы и смешаны с молекулами жидкости, гомогенные (однородные) состояния называются жидкими растворами . Твердые вещества, жидкости и газы растворяются в жидком растворителе с образованием жидких растворов. В этой главе большая часть химии, которую мы будем обсуждать, происходит в жидких растворах, в которых вода является растворителем.
3. Многие сплавы, керамика и смеси полимеров твердые растворы . В определенных пределах медь и цинк растворяются друг в друге и затвердевают с образованием твердых растворов, называемых латунью.Серебро, золото и медь образуют множество различных сплавов, уникальных по цвету и внешнему виду. Сплавы и другие твердые растворы важны в мире химии материалов.

Максимальное количество вещества, которое может быть растворено в данном объеме растворителя, называется растворимостью . Часто растворимость в воде выражается в граммах / 100 мл. Раствор, не достигший максимальной растворимости, называется ненасыщенным раствором . Это означает, что к растворителю все еще может быть добавлено больше растворенного вещества, и растворение все равно будет происходить.

Раствор, достигший максимальной растворимости, называется насыщенным раствором . Если в этот момент добавить больше растворенного вещества, оно не растворится в растворе. Вместо этого он останется в осадке в виде твердого вещества на дне раствора. Таким образом, часто можно сказать, что раствор является насыщенным, если присутствует дополнительное растворенное вещество (оно может существовать в виде другой фазы, такой как газ, жидкость или твердое вещество).В насыщенном растворе нет чистого изменения количества растворенного вещества, но система никоим образом не статична. Фактически растворенное вещество постоянно растворяется и откладывается с одинаковой скоростью. Такое явление называется равновесием . Например:

В особых случаях раствор может быть перенасыщенным . Перенасыщенные растворы — это растворы, в которых растворенные вещества растворяются за пределами нормальной точки насыщения.Обычно для создания перенасыщенного раствора требуются такие условия, как повышенная температура или давление. Например, ацетат натрия имеет очень высокую растворимость при 270 К. При охлаждении такой раствор остается растворенным в так называемом метастабильном состоянии . Однако, когда к раствору добавляют кристалл затравки , дополнительное растворенное вещество быстро затвердевает. В процессе кристаллизации выделяется тепло, и раствор становится теплым. Обычные грелки для рук используют этот химический процесс для выработки тепла.

Видео 7.1: Видео, показывающее кристаллизацию перенасыщенного раствора ацетата натрия. Видео: Школа естественных и математических наук Северной Каролины

Одна полезная классификация материалов — полярность. Читая о ковалентных и ионных соединениях в главах 3 и 4, вы узнали, что ионные соединения имеют самую высокую полярность, образуя полные катионы и анионы внутри каждой молекулы, поскольку электроны передаются от одного атома к другому.Вы также узнали, что ковалентные связи могут быть полярными или неполярными по своей природе в зависимости от того, разделяют ли атомы, участвующие в связи, электроны неравномерно или поровну, соответственно. Напомним, что по разнице электроотрицательностей можно определить полярность вещества. Обычно ионная связь имеет разность электроотрицательностей 1,8 или выше, тогда как полярная ковалентная связь составляет от 0,4 до 1,8, а неполярная ковалентная связь составляет 0,4 или ниже.

Рисунок 7.1 Диаграмма разности электроотрицательностей. Приведенная выше диаграмма является руководством для определения типа связи между двумя разными атомами. Взяв разницу между значениями электроотрицательности для каждого из атомов, участвующих в связи, можно предсказать тип связи и полярность. Обратите внимание, что полный ионный характер достигается редко, однако, когда металлы и неметаллы образуют связи, они называются в соответствии с правилами ионного связывания.

Вещества с нулевой или низкой разностью электроотрицательности, такие как H ₂ , O ₂ , N ₂ , CH ₄ , CCl ₄ , являются неполярными соединениями , тогда как H ₂ O, NH ₃ , CH ₃ OH, NO, CO, HCl, H ₂ S, PH ₃ Более высокая разница электроотрицательности составляет полярных соединения .Обычно соединения, имеющие сходную полярность, растворимы друг в друге. Это можно описать правилом:

Это означает, что вещества должны иметь одинаковые межмолекулярные силы для образования растворов. Когда растворимое растворенное вещество вводится в растворитель, частицы растворенного вещества могут взаимодействовать с частицами растворителя. В случае твердого или жидкого растворенного вещества взаимодействия между частицами растворенного вещества и частицами растворителя настолько сильны, что отдельные частицы растворенного вещества отделяются друг от друга и, окруженные молекулами растворителя, входят в раствор.(Газообразные растворенные вещества уже отделены от составляющих частиц, но концепция окружения частицами растворителя все еще применима.) Этот процесс называется solvatio n и проиллюстрирован на рисунке 7.2. Когда растворителем является вода, вместо сольватации используется слово гидратация .

Обычно полярные растворители растворяют полярные растворенные вещества, тогда как неполярные растворители растворяют неполярные растворенные вещества. В целом процесс растворения зависит от силы притяжения между частицами растворенного вещества и частицами растворителя.Например, вода — это высокополярный растворитель, способный растворять многие ионные соли. На рис. 7.2 показан процесс растворения, в котором вода действует как растворитель для растворения кристаллической соли хлорида натрия (NaCl). Обратите внимание, что когда ионные соединения растворяются в растворителе, они распадаются на свободно плавающие ионы в растворе. Это позволяет соединению взаимодействовать с растворителем. В случае растворения хлорида натрия в воде ион натрия притягивается к частичному отрицательному заряду атома кислорода в молекуле воды, тогда как ион хлорида притягивается к частичным положительным атомам водорода.

Рисунок 7.2: Процесс растворения. Когда ионная соль, такая как хлорид натрия, показанная на (A), вступает в контакт с водой, молекулы воды диссоциируют ионные молекулы хлорида натрия в их ионное состояние, что показано в виде молекулярной модели на (B) твердого тела. кристаллическая решетка хлорида натрия и (C) хлорид натрия, растворенный в водном растворителе. (Фотография хлорида натрия предоставлена ​​Крисом 73).

Многие ионные соединения растворимы в воде, однако не все ионные соединения растворимы.Ионные соединения, растворимые в воде, существуют в растворе в ионном состоянии. На рис. 7.2 вы заметите, что хлорид натрия распадается на ион натрия и ион хлорида по мере растворения и взаимодействия с молекулами воды. В случае ионных соединений, не растворимых в воде, ионы настолько сильно притягиваются друг к другу, что не могут быть разделены частичными зарядами молекул воды. Следующая таблица может помочь вам предсказать, какие ионные соединения будут растворимы в воде.

Диссоциация растворимых ионных соединений придает растворам этих соединений интересное свойство: они проводят электричество. Из-за этого свойства растворимые ионные соединения называются электролитами . Многие ионные соединения полностью диссоциируют и поэтому называются сильными электролитами . Хлорид натрия — пример сильного электролита.Некоторые соединения растворяются, но диссоциируют лишь частично, и растворы таких растворенных веществ могут лишь слабо проводить электричество. Эти растворенные вещества называются слабыми электролитами . Уксусная кислота (CH ₃ COOH), входящая в состав уксуса, является слабым электролитом. Растворенные вещества, которые растворяются в отдельные нейтральные молекулы без диссоциации, не придают своим растворам дополнительную электропроводность и называются неэлектролитами . Полярные ковалентные соединения, такие как столовый сахар (C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ ), являются хорошими примерами неэлектролитов .

Термин электролит используется в медицине для обозначения любых важных ионов, растворенных в водном растворе в организме. Важные физиологические электролиты включают Na ⁺ , K ⁺ , Ca ^{2 +} , Mg ^{2 +} и Cl ^—. Спортивные напитки, такие как Gatoraid, содержат комбинации этих ключевых электролитов, которые помогают восполнить потерю электролитов после тяжелой тренировки.

Точно так же решения могут быть получены путем смешивания двух совместимых жидкостей.Жидкость с более низкой концентрацией называется растворенным веществом , , а жидкость с более высокой концентрацией — растворителем . Например, зерновой спирт (CH ₃ CH ₂ OH) представляет собой полярную ковалентную молекулу, которая может смешиваться с водой. Когда два одинаковых раствора помещаются вместе и могут смешиваться в раствор, они считаются смешиваемыми . С другой стороны, жидкости, которые не имеют сходных характеристик и не могут смешиваться вместе, называются несмешивающимися .Например, масла, содержащиеся в оливковом масле, такие как олеиновая кислота (C ₁₈ H ₃₄ O ₂ ), имеют в основном неполярные ковалентные связи, которые не имеют межмолекулярных сил, достаточно сильных, чтобы разорвать водородную связь между молекулы воды. Таким образом, вода и масло не смешиваются и считаются несмешивающимися .

Другие факторы, такие как температура и давление, также влияют на растворимость растворителя. Таким образом, при определении растворимости следует также учитывать эти другие факторы.

При рассмотрении растворимости твердых веществ соотношение температуры и растворимости не является простым или предсказуемым. На рис. 7.3 показаны графики растворимости некоторых органических и неорганических соединений в воде в зависимости от температуры. Хотя растворимость твердого вещества обычно увеличивается с повышением температуры, нет простой взаимосвязи между структурой вещества и температурной зависимостью его растворимости.Многие соединения (например, глюкоза и CH ₃ CO ₂ Na) демонстрируют резкое увеличение растворимости с повышением температуры. Другие (такие как NaCl и K ₂ SO ₄ ) мало изменяются, а третьи (такие как Li ₂ SO ₄ ) становятся менее растворимыми с повышением температуры.

Рис. 7.3. Растворимость некоторых неорганических и органических твердых веществ в воде в зависимости от температуры. Растворимость может увеличиваться или уменьшаться с температурой; величина этой температурной зависимости широко варьируется между соединениями.

Изменение растворимости в зависимости от температуры было измерено для широкого диапазона соединений, и результаты опубликованы во многих стандартных справочниках. Химики часто могут использовать эту информацию для разделения компонентов смеси путем фракционной кристаллизации , разделения соединений на основе их растворимости в данном растворителе. Например, если у нас есть смесь 150 г ацетата натрия (CH ₃ CO ₂ Na) и 50 г KBr, мы можем разделить два соединения, растворив смесь в 100 г воды при 80 ° C. а затем медленно охлаждают раствор до 0 ° C.Согласно температурным кривым на рис. 7.3, оба соединения растворяются в воде при 80 ° C, и все 50 г KBr остаются в растворе при 0 ° C. Однако только около 36 г CH ₃ CO ₂ Na растворимо в 100 г воды при 0 ° C, поэтому кристаллизуется примерно 114 г (150 г — 36 г) CH ₃ CO ₂ Na при охлаждении. Затем кристаллы можно отделить фильтрованием. Таким образом, фракционная кристаллизация позволяет нам восстановить около 75% исходного CH ₃ CO ₂ Na в практически чистой форме всего за одну стадию.

Фракционная кристаллизация — это распространенный метод очистки таких разнообразных соединений, как показано на рис. 7.3, и от антибиотиков до ферментов. Чтобы методика работала должным образом, интересующее соединение должно быть более растворимым при высокой температуре, чем при низкой температуре, чтобы понижение температуры заставляло его кристаллизоваться из раствора. Кроме того, примеси должны быть на более растворимыми на , чем представляющее интерес соединение (как KBr в этом примере), и предпочтительно присутствовать в относительно небольших количествах.

Растворимость газов в жидкостях гораздо более предсказуема. Растворимость газов в жидкостях уменьшается с повышением температуры, как показано на рисунке 7.4. Привлекательные межмолекулярные взаимодействия в газовой фазе практически равны нулю для большинства веществ, потому что молекулы находятся так далеко друг от друга, когда находятся в газовой форме. Когда газ растворяется, это происходит потому, что его молекулы взаимодействуют с молекулами растворителя. Когда формируются эти новые силы притяжения, выделяется тепло. Таким образом, если к системе добавляется внешнее тепло, оно преодолевает силы притяжения между газом и молекулами растворителя и снижает растворимость газа.

Рис. 7.4 Зависимость растворимости нескольких обычных газов в воде от температуры при парциальном давлении 1 атм. Растворимость газов уменьшается с повышением температуры.

Уменьшение растворимости газов при более высоких температурах имеет как практические, так и экологические последствия. Любой, кто регулярно кипятит воду в чайнике или электрочайнике, знает, что внутри накапливается белый или серый налет, который в конечном итоге необходимо удалить.То же явление происходит в гораздо большем масштабе в гигантских котлах, используемых для подачи горячей воды или пара для промышленных применений, где это называется «котельная накипь», — осадок, который может серьезно снизить пропускную способность труб горячего водоснабжения ( Рисунок 7.5). Проблема не только в современном мире: акведуки, построенные римлянами 2000 лет назад для транспортировки холодной воды из альпийских регионов в более теплые и засушливые регионы на юге Франции, были забиты аналогичными отложениями. Химический состав этих отложений умеренно сложен, но движущей силой является потеря растворенного диоксида углерода (CO ₂ ) из раствора.Жесткая вода содержит растворенные ионы Ca ²⁺ и HCO ₃ ^— (бикарбонат). Бикарбонат кальция [Ca (HCO ₃ ) ₂ ] довольно растворим в воде, но карбонат кальция (CaCO ₃ ) совершенно нерастворим. Раствор бикарбонат-ионов может реагировать с образованием диоксида углерода, карбонат-иона и воды:

2HCO ₃ ^— (водн.) → CO ₂ ^2- (водн.) + H ₂ O (л) + CO ₂ (водн.)

Нагревание раствора снижает растворимость CO ₂ , который уходит в газовую фазу над раствором.В присутствии ионов кальция ионы карбоната осаждаются в виде нерастворимого карбоната кальция, основного компонента накипи в котле.

Рис. 7.5 Весы котла в водопроводной трубе. Отложения карбоната кальция (CaCO ₃ ) в трубах с горячей водой могут значительно снизить пропускную способность труб. Эти отложения, называемые котельной накипью, образуются, когда растворенный CO ₂ переходит в газовую фазу при высоких температурах.

В тепловое загрязнение озерная или речная вода, которая используется для охлаждения промышленного реактора или электростанции, возвращается в окружающую среду при более высокой температуре, чем обычно.Из-за пониженной растворимости O ₂ при более высоких температурах (рис. 7.4) более теплая вода содержит меньше растворенного кислорода, чем вода, когда она попадала в растение. Рыбы и другие водные организмы, которым для жизни нужен растворенный кислород, могут буквально задохнуться, если концентрация кислорода в их среде обитания будет слишком низкой. Поскольку теплая, обедненная кислородом вода менее плотная, она имеет тенденцию плавать на поверхности более холодной, плотной и более богатой кислородом воды в озере или реке, образуя барьер, препятствующий растворению атмосферного кислорода.В конце концов, если проблему не устранить, можно задохнуться даже в глубоких озерах. Кроме того, большинство рыб и других водных организмов, не являющихся млекопитающими, хладнокровны, а это означает, что температура их тела такая же, как температура окружающей среды. Температура, значительно превышающая нормальный диапазон, может привести к тяжелому стрессу или даже смерти. Системы охлаждения для электростанций и других объектов должны быть спроектированы таким образом, чтобы свести к минимуму любые неблагоприятные воздействия на температуру окружающих водоемов.На северо-западе Тихого океана популяции лососевых чрезвычайно чувствительны к изменениям температуры воды. Для этой популяции оптимальная температура воды составляет от 12,8 до 17,8 ^° ° C (55-65 ^° ° F). Помимо пониженного уровня кислорода, популяции лосося гораздо более восприимчивы к болезням, хищничеству и паразитарным инфекциям при более высоких температурах воды. Таким образом, тепловое загрязнение и глобальное изменение климата создают реальные проблемы для выживания и сохранения этих видов.Для получения дополнительной информации о влиянии повышения температуры на популяции лососевых посетите Focus Publication штата Вашингтон.

Похожий эффект наблюдается в повышении температуры водоемов, таких как Чесапикский залив, крупнейший эстуарий в Северной Америке, причиной которого является глобальное потепление. На каждые 1,5 ° C, которые нагревает вода в заливе, способность воды растворять кислород уменьшается примерно на 1,1%. Многие морские виды, находящиеся на южной границе своего распространения, переместили свои популяции дальше на север.В 2005 году угорь, который является важным местом обитания рыб и моллюсков, исчез на большей части залива после рекордно высоких температур воды. Предположительно, снижение уровня кислорода уменьшило популяцию моллюсков и других питателей, что затем уменьшило светопропускание, что позволило угрям расти. Сложные взаимоотношения в экосистемах, таких как Чесапикский залив, особенно чувствительны к колебаниям температуры, вызывающим ухудшение качества среды обитания.

Внешнее давление очень мало влияет на растворимость жидкостей и твердых тел. Напротив, растворимость газов увеличивается с увеличением парциального давления газа над раствором. Эта точка проиллюстрирована на рисунке 7.6, где показано влияние повышенного давления на динамическое равновесие, которое устанавливается между молекулами растворенного газа в растворе и молекулами в газовой фазе над раствором.Поскольку концентрация молекул в газовой фазе увеличивается с увеличением давления, концентрация молекул растворенного газа в растворе в состоянии равновесия также выше при более высоких давлениях.

Рис. 7.6. Модель, показывающая, почему растворимость газа увеличивается при увеличении парциального давления при постоянной температуре. (a) Когда газ входит в контакт с чистой жидкостью, некоторые молекулы газа (пурпурные сферы) сталкиваются с поверхностью жидкости и растворяются.Когда концентрация растворенных молекул газа увеличилась так, что скорость, с которой молекулы газа уходят в газовую фазу, была такой же, как скорость, с которой они растворяются, было установлено динамическое равновесие, как показано здесь. (б) Увеличение давления газа увеличивает количество молекул газа в единице объема, что увеличивает скорость, с которой молекулы газа сталкиваются с поверхностью жидкости и растворяются. (c) По мере того, как дополнительные молекулы газа растворяются при более высоком давлении, концентрация растворенного газа увеличивается до тех пор, пока не установится новое динамическое равновесие.

Взаимосвязь между давлением и растворимостью газа количественно описывается законом Генри, названным в честь его первооткрывателя, английского врача и химика Уильяма Генри (1775–1836):

C = кПа

, где C — концентрация растворенного газа в состоянии равновесия, P — парциальное давление газа, а k — постоянная закона Генри , которая должна определяться экспериментально для каждой комбинации газа, растворителя, и температура.Хотя концентрацию газа можно выразить в любых удобных единицах, мы будем использовать исключительно молярность. Таким образом, единицами измерения постоянной закона Генри являются моль / (л · атм) = М / атм. Значения констант закона Генри для растворов нескольких газов в воде при 20 ° C приведены в таблице 7.2

Все материалы Khan Academy доступны бесплатно на сайте www.khanacademy.org

Как данные в таблице 7.2 демонстрируют, что концентрация растворенного газа в воде при заданном давлении сильно зависит от ее физических свойств. Для ряда родственных веществ дисперсионные силы Лондона увеличиваются с увеличением молекулярной массы. Таким образом, среди элементов группы 18 константы закона Генри плавно возрастают от He до Ne и до Ar. Из таблицы также видно, что O ₂ почти вдвое растворимее, чем N ₂ . Хотя силы лондонской дисперсии слишком слабы, чтобы объяснить такую ​​большую разницу, O ₂ является парамагнитным веществом и, следовательно, более поляризуемым, чем N ₂ , что объясняет его высокую растворимость.(Примечание: когда вещество парамагнитно , оно очень слабо притягивается полюсами магнита, но не сохраняет никакого постоянного магнетизма).

Парциальное давление газа можно выразить как концентрацию, записав закон Генри как P _газ = C / k. Это важно во многих сферах жизни, включая медицину, где обычно измеряются газы крови, такие как кислород и углекислый газ.Поскольку парциальное давление и концентрация прямо пропорциональны, если парциальное давление газа изменяется, а температура остается постоянной, новую концентрацию газа в жидкости можно легко рассчитать, используя следующее уравнение:

Где C ₁ и P ₁ — соответственно концентрация и парциальное давление газа в исходном состоянии, а C ₂ и P ₂ — концентрация и парциальное давление, соответственно, газа в конечном состоянии.Например:

Газы, которые химически реагируют с водой, такие как HCl и другие галогениды водорода, H ₂ S и NH ₃ , не подчиняются закону Генри; все эти газы гораздо более растворимы, чем предсказывает закон Генри.Например, HCl реагирует с водой с образованием H ⁺ (водный) и Cl ^— (водный), , а не растворенных молекул HCl, и его диссоциация на ионы приводит к гораздо более высокой растворимости, чем ожидалось для нейтральной молекулы. В целом газы, вступающие в реакцию с водой, не подчиняются закону Генри.

Закон Генри имеет важные приложения. Например, пузырьки CO ₂ образуются, как только газированный напиток открывается, потому что напиток был разлит под CO ₂ при давлении более 1 атм.Когда бутылку открывают, давление CO ₂ над раствором быстро падает, и часть растворенного газа улетучивается из раствора в виде пузырьков. Закон Генри также объясняет, почему аквалангисты должны быть осторожны, чтобы медленно всплывать на поверхность после погружения, если они дышат сжатым воздухом. При более высоком давлении под водой во внутренних жидкостях дайвера растворяется больше N ₂ из воздуха. Если дайвер всплывает слишком быстро, резкое изменение давления вызывает образование мелких пузырьков N ₂ по всему телу, состояние, известное как «изгибы».Эти пузырьки могут блокировать кровоток по мелким кровеносным сосудам, вызывая сильную боль и даже в некоторых случаях оказываясь фатальной.

Из-за низкой константы закона Генри для O ₂ в воде уровни растворенного кислорода в воде слишком низкие для удовлетворения энергетических потребностей многоклеточных организмов, включая человека. Чтобы увеличить концентрацию O ₂ во внутренних жидкостях, организмы синтезируют хорошо растворимые молекулы-носители, которые обратимо связывают O ₂ . Например, красные кровяные тельца человека содержат белок, называемый гемоглобином, который специфически связывает O ₂ и облегчает его транспортировку из легких в ткани, где он используется для окисления молекул пищи с целью получения энергии.Концентрация гемоглобина в нормальной крови составляет около 2,2 мМ, и каждая молекула гемоглобина может связывать четыре молекулы O ₂ . Хотя концентрация растворенного O ₂ в сыворотке крови при 37 ° C (нормальная температура тела) составляет всего 0,010 мМ, общая концентрация растворенного O ₂ составляет 8,8 мМ, что почти в тысячу раз больше, чем было бы возможно без гемоглобина. Синтетические переносчики кислорода на основе фторированных алканов были разработаны для использования в качестве экстренной замены цельной крови.В отличие от донорской крови, эти «кровезаменители» не требуют охлаждения и имеют длительный срок хранения. Их очень высокие константы закона Генри для O ₂ приводят к концентрации растворенного кислорода, сравнимой с таковой в нормальной крови.

Некоторые ионные твердые вещества принимают небольшое количество молекул воды в свою кристаллическую решетку и остаются в твердом состоянии.Эти твердые вещества называются твердыми гидратами . Твердые гидраты содержат молекулы воды, объединенные в определенном соотношении в качестве неотъемлемой части кристалла, которые либо связаны с металлическим центром, либо кристаллизовались с комплексом металла. Сообщается также, что такие гидраты содержат кристаллизационной воды или гидратной воды .

Ярким примером является хлорид кобальта (II), который при гидратации меняет цвет с синего на красный и поэтому может использоваться в качестве индикатора воды.

Рис. 7.7: Хлорид кобальта как пример твердого гидрата. Безводный хлорид кобальта (вверху слева) и его структура кристаллической решетки (внизу слева) по сравнению с гексагидратом хлорида кобальта (вверху справа) и его кристаллическая решетка (внизу справа). Обратите внимание, что молекулы воды, показанные красным (кислород) и белым (водород), интегрированы в кристаллическую решетку хлорида кобальта (II), показанного синим (кобальт) и зеленым (хлорид), в зависимости от полярности. Частично отрицательные атомы кислорода притягиваются к положительно заряженному кобальту, а частично положительные атомы водорода притягиваются к отрицательно заряженным ионам хлорида.Изображения предоставлены Wikipedia Commons (вверху слева и внизу слева), Benjah-bmm27 (вверху справа) и Smokefoot (внизу справа)

Обозначение, используемое для представления твердого гидрата: « гидратированное соединение ⋅ n H ₂ O », где n — количество молекул воды на формульную единицу соли. n обычно является низким целым числом, хотя возможны дробные значения. Например, в моногидрате n равно единице, а в гексагидрате n равно 6.В примере на рис. 7.7 гидратированный хлорид кобальта будет обозначен: «хлорид кобальта (II) 6 H ₂ O». Числовые префиксы греческого происхождения, которые используются для обозначения твердых гидратов:

• Hemi — 1/2
• моно — 1
• Sesqui — 1½
• Di — 2
• Три — 3
• Тетра — 4
• Пента — 5
• Hexa — 6
• Hepta — 7
• Окта — 8
• Нона — 9
• Дека — 10
• Undeca — 11
• Додека — 12

Гидрат, потерявший воду, называется ангидридом ; оставшуюся воду, если она есть, можно удалить только при очень сильном нагревании.Вещество, не содержащее воды, обозначается как безводное . Некоторые безводные соединения настолько легко гидратируются, что вытягивают воду из атмосферы и становятся гидратированными. Эти вещества считаются гигроскопичными и могут использоваться как осушители или осушители .

В химии концентрация определяется как содержание компонента, деленное на общий объем смеси.Все мы качественно представляем, что подразумевается под концентрацией . Любой, кто варил растворимый кофе или лимонад, знает, что слишком много порошка дает сильно ароматизированный и высококонцентрированный напиток, тогда как слишком мало приводит к разбавленному раствору, который может быть трудно отличить от воды. Количественно концентрация раствора описывает количество растворенного вещества, которое содержится в определенном количестве этого раствора. Знание концентрации растворенных веществ важно для контроля стехиометрии реагентов для реакций, протекающих в растворе, и имеет решающее значение для многих аспектов нашей жизни, от измерения правильной дозы лекарства до обнаружения химических загрязнителей, таких как свинец и мышьяк.Химики используют множество разных способов определения концентраций. В этом разделе мы рассмотрим наиболее распространенные способы представления концентрации раствора. К ним относятся: молярность и количество частей на раствор.

Наиболее распространенной единицей концентрации является молярность , что также является наиболее полезным для расчетов, включающих стехиометрию реакций в растворе. Молярность (М) раствора — это количество молей растворенного вещества, присутствующего точно в 1 л раствора.

Таким образом, единицами молярности являются моль на литр раствора (моль / л), сокращенно М. Обратите внимание, что указанный объем является общим объемом раствора и включает как растворенное вещество, так и растворитель. Например, водный раствор, содержащий 1 моль (342 г) сахарозы в достаточном количестве воды, чтобы получить конечный объем 1,00 л, имеет концентрацию сахарозы 1,00 моль / л или 1,00 М. В химической записи квадратные скобки вокруг названия или формула растворенного вещества представляет собой концентрацию растворенного вещества.Итак

[сахароза] = 1,00 M

читается как «концентрация сахарозы 1,00 молярная». Приведенное выше уравнение можно использовать для расчета количества растворенного вещества, необходимого для получения любого количества желаемого раствора.

Рассчитайте количество молей гидроксида натрия (NaOH), необходимое для получения 2,50 л 0,100 M NaOH.

Дано: (1) идентичность растворенного вещества = NaOH, (2) объем = 2,50 л и (3) молярность раствора = 0.100 моль / л (Примечание: при вычислении задач всегда записывайте единицы молярности как моль / л, а не М. Это позволит вам отменить единицы при выполнении вычислений.)

Запрошено: количество растворенного вещества в молях

Стратегия: (1) Измените приведенное выше уравнение, чтобы найти желаемую единицу, в данном случае молей. (2) Еще раз проверьте все единицы в уравнении и убедитесь, что они совпадают. Выполните все необходимые преобразования, чтобы единицы совпадали. (3) Введите значения соответствующим образом и выполните математические вычисления.

Решение:

(1) Перепишите приведенное выше уравнение, чтобы найти моль.

(2) Еще раз проверьте все единицы в уравнении и убедитесь, что они совпадают.

Приведенные значения для этого уравнения: объем 2,50 л и молярность 0,100 моль / л. Единицы объема для обоих этих чисел указаны в литрах (L) и, следовательно, совпадают. Следовательно, никаких преобразований производить не нужно.

(3) Введите значения соответствующим образом и выполните математические вычисления.

Обратите внимание, что в приведенном выше примере у нас все еще недостаточно информации, чтобы фактически приготовить раствор в лаборатории. Не существует оборудования, которое могло бы измерить количество молей вещества. Для этого нам нужно преобразовать количество молей образца в количество граммов, представленное этим числом. Затем мы можем легко использовать весы для взвешивания количества вещества, необходимого для приготовления раствора.В приведенном выше примере:

Чтобы фактически приготовить раствор, обычно растворяют растворенное вещество в небольшом количестве растворителя, а затем, когда растворенное вещество растворяется, конечный объем может быть доведен до 2,50 л. Если вы добавляете 10 г NaOH напрямую до 2,50 л конечный объем будет больше 2,50 л, а концентрация раствора будет меньше 0,100 М. Помните, что конечный объем должен включать как растворенное вещество, так и растворитель.

На рисунке 7.8 показана процедура приготовления раствора дигидрата хлорида кобальта (II) в этаноле.Обратите внимание, что объем растворителя не указан. Поскольку растворенное вещество занимает пространство в растворе, необходимый объем растворителя на меньше , чем желаемый общий объем раствора.

Рис. 7.8: Приготовление раствора известной концентрации с использованием твердого вещества. Чтобы приготовить раствор, сначала добавьте в колбу часть растворителя. Затем взвесьте необходимое количество растворенного вещества и медленно добавьте его к растворителю.После растворения в растворителе объем раствора можно довести до конечного объема раствора. Для показанной мерной колбы это обозначено черной линией на горловине колбы. В данном случае это 500 мл раствора. Мерные колбы бывают разных размеров, чтобы вместить разные объемы раствора. Градуированные цилиндры также можно использовать для точного доведения раствора до конечного объема. Другая стеклянная посуда, включая химические стаканы и колбы Эрленмейера, недостаточно точна для большинства решений.

Раствор на рисунке 7.8 содержит 10,0 г дигидрата хлорида кобальта (II), CoCl ₂ · 2H ₂ O, в этаноле, достаточном для приготовления ровно 500 мл раствора. Какова молярная концентрация CoCl ₂ · 2H ₂ O?

Дано: масса растворенного вещества и объем раствора

Запрошено: концентрация (M)

Стратегия:

1.Мы знаем, что молярность равна

2. Чтобы вычислить молярность, нам нужно выразить:

• масса в виде молей
• объем в литрах
• Подставьте оба в уравнение выше и вычислите

Решение:

1. Преобразование массы в моль. Мы можем использовать молярную массу для перевода граммов CoCl ₂ · 2H ₂ O в моль.

• Молярная масса CoCl ₂ · 2H ₂ O равна 165.87 г / моль (включая две молекулы воды, поскольку они являются частью структуры кристаллической решетки этого твердого гидрата!)

2. Перевести объем в литры

3. Подставьте значения в уравнение полярности:

В потребительском и промышленном мире наиболее распространенный метод выражения концентрации основан на количестве растворенного вещества в фиксированном количестве раствора.Упомянутые здесь «количества» могут быть выражены в массе, в объеме или и в том, и в другом (т. Е. Масса растворенного вещества в данном объеме раствора). Чтобы различать эти возможности, используются сокращения (m / м), (об / об) и (м / об).

В большинстве прикладных областей химии часто используется мера (м / м), тогда как в клинической химии обычно используется (м / об) с массой , выраженной в граммах и объемом в мл.

Один из наиболее распространенных способов выражения таких концентраций как « частей на 100 », который мы все знаем как « процентов ».« Cent » — это префикс латинского происхождения, относящийся к числу 100
(L. centum ), как в столетии или столетиях . Он также обозначает 1/100 (от L. centesimus ), как сантиметр и денежная единица центов . Процентные растворы определяют количество растворенного вещества, которое растворено в количестве раствора, умноженное на 100. Процентные растворы могут быть выражены в единицах массы растворенного вещества на массу раствора (м / м%) или массы растворенного вещества на объем раствора (м / об.%) или объем растворенного вещества на объем раствора (об. / об.%).При создании процентного раствора важно указать, какие единицы измерения используются, чтобы другие также могли правильно принять решение. Также помните, что раствор представляет собой сумму как растворителя, так и растворенного вещества, когда вы выполняете расчет процентов.

Раствор = Раствор + Растворитель

Таким образом, при вычислении процентных решений можно использовать следующее уравнение:

В качестве примера, раствор этанола в воде с концентрацией 7,0% об. / Об. Должен содержать 7 мл этанола в общем количестве 100 мл раствора.Сколько воды в растворе?

В этой задаче мы знаем, что:

Раствор = Раствор + Растворитель

Таким образом, мы можем ввести значения, а затем найти неизвестное.

100 мл = 7 мл + X мл растворителя (в данном случае вода)

переместив 7 на другую сторону, мы увидим, что:

100 мл — 7 мл = 93 мл H ₂ O

Какое (м / об)% раствора, если 24.0 г сахарозы растворяют в общем растворе 243 мл?

Сколько граммов NaCl требуется для приготовления 625 мл 13,5% раствора?

Для более разбавленных растворов используются части на миллион (10 ⁶ ppm) и части на миллиард (10 ⁹ ; ppb). Эти термины широко используются для обозначения количества следов загрязняющих веществ в окружающей среде.

Одинаковые процентные («части на сотню») единицы, ppm и ppb могут быть определены в единицах массы, объема или смешанных единиц массы-объема.Также существуют единицы ppm и ppb, определяемые по количеству атомов и молекул.

Массовые определения ppm и ppb приведены здесь:

Как ppm, так и ppb являются удобными единицами измерения концентраций загрязняющих веществ и других микропримесей в воде. Концентрации этих загрязнителей, как правило, очень низкие в очищенных и природных водах, и их уровни не могут превышать относительно низкие пороговые значения концентрации, не вызывая неблагоприятных последствий для здоровья и дикой природы.Например, EPA определило, что максимально безопасный уровень фторид-иона в водопроводной воде составляет 4 ppm. Встроенные фильтры для воды предназначены для снижения концентрации фторида и некоторых других незначительных примесей в водопроводной воде (рис. 7.9).

Рисунок 7.9. (a) В некоторых районах следовые концентрации загрязняющих веществ могут сделать нефильтрованную водопроводную воду небезопасной для питья и приготовления пищи. (б) Встроенные фильтры для воды снижают концентрацию растворенных веществ в водопроводной воде.(кредит А: модификация работы Дженн Дарфи; кредит б: модификация работы «Вастатепаркстафф» / Wikimedia commons

При сообщении о загрязнителях, таких как свинец, в питьевой воде, концентрации ppm и ppb часто указываются в смешанных единицах измерения массы / объема. Это может быть очень полезно, поскольку нам легче думать о воде с точки зрения ее объема, а не массы. Кроме того, плотность воды составляет 1,0 г / мл или 1,0 мг / 0,001 мл, что упрощает преобразование между двумя единицами измерения.Например, если мы обнаружим, что содержание свинца в воде составляет 4 промилле, это будет означать, что есть:

Концентрации ионных растворенных веществ иногда выражаются в единицах, называемых эквивалентами (уравнение). Один эквивалент равен 1 моль положительного или отрицательного заряда. Таким образом, 1 моль / л Na ⁺ (водн.) Также равно 1 экв. / Л, потому что натрий имеет заряд 1+. Раствор ионов Ca ^{2 +} (водн.) С концентрацией 1 моль / л имеет концентрацию 2 экв / л, потому что кальций имеет заряд 2+.Разбавленные растворы могут быть выражены в миллиэквивалентах (мэкв.) — например, общая концентрация плазмы крови человека составляет около 150 мэкв / л.

В более формальном определении, эквивалент — это количество вещества, необходимое для выполнения одного из следующих действий:

• реагирует или поставляет один моль ионов водорода (H ⁺ ) в кислотно-щелочной реакции
• реагирует или поставляет один моль электронов в окислительно-восстановительной реакции.

Согласно этому определению, эквивалент — это количество молей иона в растворе, умноженное на валентность этого иона.Если 1 моль NaCl и 1 моль CaCl ₂ растворяются в растворе, в этом растворе содержится 1 экв. Na, 2 экв. Ca и 3 экв. Cl. (Валентность кальция равна 2, поэтому для этого иона у вас есть 1 моль и 2 эквивалента.)

Раствор желаемой концентрации также можно приготовить путем разбавления небольшого объема более концентрированного раствора дополнительным растворителем. Для этой цели часто используется основной раствор, который представляет собой приготовленный раствор известной концентрации.Разбавление основного раствора предпочтительнее при приготовлении растворов с очень слабой концентрацией, потому что альтернативный метод, взвешивание крошечных количеств растворенного вещества, может быть трудным для выполнения с высокой степенью точности. Разбавление также используется для приготовления растворов из веществ, которые продаются в виде концентрированных водных растворов, таких как сильные кислоты.

Раствор желаемой концентрации также можно приготовить путем разбавления небольшого объема более концентрированного раствора дополнительным растворителем.Для этой цели часто используется основной раствор, который представляет собой приготовленный раствор известной концентрации. Разбавление основного раствора предпочтительнее при приготовлении растворов с очень слабой концентрацией, потому что альтернативный метод, взвешивание крошечных количеств растворенного вещества, может быть трудным для выполнения с высокой степенью точности. Разбавление также используется для приготовления растворов из веществ, которые продаются в виде концентрированных водных растворов, таких как сильные кислоты.

Процедура приготовления раствора известной концентрации из основного раствора показана на рисунке 7.10. Требуется вычислить желаемое количество растворенного вещества в конечном объеме более разбавленного раствора, а затем вычислить объем исходного раствора, который содержит это количество растворенного вещества. Помните, что при разбавлении данного количества исходного раствора растворителем , а не изменяет количество присутствующего растворенного вещества, изменяется только объем раствора. Таким образом, соотношение между объемом и концентрацией исходного раствора и объемом и концентрацией желаемого разбавленного раствора может быть выражено математически как:

где M _s — концентрация основного раствора, V _s — объем основного раствора, M _d — концентрация разбавленного раствора, а V _d — объем разбавленного раствора. .

Рисунок 7.10 Приготовление раствора известной концентрации путем разбавления исходного раствора. (a) Объем ( V _s ), содержащий желаемое количество растворенного вещества (M _s ), измеряют из исходного раствора известной концентрации. (b) Отмеренный объем исходного раствора переносят во вторую мерную колбу. (c) Измеренный объем во второй колбе затем разбавляется растворителем до объемной отметки [( V _s ) (M _s ) = ( V _d ) (M _d ). ].

Какой объем 3,00 М исходного раствора глюкозы необходим для приготовления 2500 мл 0,400 М раствора?

Дано: объем и молярность разбавленного раствора и молярность исходного раствора

Запрошено: объем основного раствора

Стратегия и решение:

Для задач разбавления, если вам известны 3 переменные, вы можете решить для 4-й переменной.

1. Начните с перестановки уравнения, чтобы найти переменную, которую вы хотите найти. В этом случае вы хотите найти объем основного раствора, V _s

2. Затем убедитесь, что одинаковые термины имеют одинаковые единицы измерения. Например, Md и Ms являются концентрациями, поэтому для проведения расчетов они должны быть в одной и той же единице (в данном случае они оба указаны в молярности). Если бы концентрации были разными, скажем, один был дан в молярности, а другой в процентах, или один был в молярности, а другой был в миллимолярности, один из терминов нужно было бы преобразовать, чтобы они совпадали.Таким образом, единицы будут отменены, и в этом случае вы останетесь с единицами громкости.

3. Наконец, заполните уравнение с известными значениями и вычислите окончательный ответ.

Обратите внимание, что если требуется 333 мл исходного раствора, вы также можете рассчитать количество растворителя, необходимое для окончательного разбавления. (Общий объем — объем исходного раствора = объем растворителя, необходимый для окончательного разбавления. В этом случае 2500 мл — 333 мл = 2167 мл воды, необходимой для окончательного разбавления (это следует делать в мерном цилиндре или мерной колбе). .

До сих пор мы обсуждали концентрацию всего раствора в терминах общего растворенного вещества, деленного на объем раствора. Давайте более подробно рассмотрим, что это означает при рассмотрении ионных и ковалентных соединений. Когда ионные соединения растворяются в растворе, они переходят в ионное состояние.Катионы и анионы связываются с полярными молекулами воды. Напомним, что растворы, содержащие ионы, называются электролитами из-за их способности проводить электричество. Например, дихромат аммония (NH ₄ ) ₂ Cr ₂ O ₇ представляет собой ионное соединение, которое содержит два иона NH ₄ ⁺ и один Cr ₂ O ₇ ²⁻ иона на формульную единицу. Как и другие ионные соединения, это сильный электролит, который диссоциирует в водном растворе с образованием гидратированных ионов NH ₄ ⁺ и Cr ₂ O ₇ ^2-.Если мы рассмотрим это решение математически, мы увидим, что для каждой молекулы дихромата аммония, которая растворяется, образуются три результирующих иона (два иона NH ₄ ⁺ и один Cr ₂ O ₇ ^2- ион). Это также можно представить в более крупном молярном масштабе. Когда 1 моль (NH ₄ ) ₂ Cr ₂ O ₇ растворяется, получается 3 моля ионов (1 моль Cr ₂ O ₇ ^2- аниона и 2 моль катионов NH ₄ ⁺ ) в растворе (рисунок 7.11). Чтобы обсудить взаимосвязь между концентрацией раствора и результирующим количеством ионов, используется термин эквивалента .

Один эквивалент определяется как количество ионного соединения, которое обеспечивает 1 моль электрического заряда (+ или -). Он рассчитывается путем деления молярности раствора на общий заряд, созданный в растворе.

Рис. 7.11 Растворение 1 моля ионного соединения. Растворение 1 моля формульных единиц дихромата аммония в воде дает 1 моль анионов Cr ₂ O ₇ ^2- и 2 моль катионов NH ₄ ⁺ . (Молекулы воды для ясности не показаны с молекулярной точки зрения.)

Когда мы проводим химическую реакцию с использованием раствора соли, например дихромата аммония, нам необходимо знать концентрацию каждого иона, присутствующего в растворе. Если раствор содержит 1,43 M (NH ₄ ) ₂ Cr ₂ O ₇ , то концентрация Cr ₂ O ₇ ^2- также должна быть 1.43 M, потому что на формульную единицу приходится один ион Cr ₂ O ₇ ^2-. Однако на формульную единицу приходится два иона NH ₄ ⁺ , поэтому концентрация ионов NH ₄ ⁺ составляет 2 × 1,43 М = 2,86 М. Поскольку каждая формульная единица (NH ₄ ) ₂ Cr ₂ O ₇ при растворении в воде образует трех ионов (2NH ₄ ⁺ + 1Cr ₂ O ₇ ^2-), общее количество ионов в решение 3 × 1.43 M = 4,29 M. Эквивалентное значение (NH ₄ ) ₂ Cr ₂ O ₇ может быть затем рассчитано путем деления 1,43 M на 4,29 M, что дает 0,333 эквивалента. Таким образом, для (NH ₄ ) ₂ Cr ₂ O ₇ растворение 0,333 моля соединения даст 1 моль ионов в растворе.

Каковы концентрации всех ионных частиц, полученных из растворенных веществ в этих водных растворах?

1. 0.21 М NaOH
2. 3,7 M (CH ₃ ) CHOH
3. 0,032 M дюйм (NO ₃ ) ₃

Дано: Молярность

Запрошено: концентраций

Стратегия:

A Классифицируйте каждое соединение как сильный электролит или как неэлектролит.

B Если соединение неэлектролит, его концентрация такая же, как молярность раствора. Если соединение является сильным электролитом, определите количество каждого иона, содержащегося в одной формульной единице.Найдите концентрацию каждого вида, умножив количество каждого иона на молярность раствора.

Решение:

1. 0,21 М NaOH

A Гидроксид натрия — это ионное соединение, которое является сильным электролитом (и сильным основанием) в водном растворе:

B Поскольку каждая формульная единица NaOH производит один ион Na ⁺ и один ион OH ^— , концентрация каждого иона такая же, как концентрация NaOH: [Na ⁺ ] = 0.21 M и [OH ^— ] = 0,21

2. 3,7 M (CH ₃ ) CHOH

A Формула (CH ₃ ) ₂ CHOH представляет собой 2-пропанол (изопропиловый спирт) и содержит группу –OH, поэтому это спирт. Напомним из раздела 4.1 «Водные растворы», что спирты — это ковалентные соединения, которые растворяются в воде с образованием растворов нейтральных молекул. Таким образом, спирты не являются электролитами

B Таким образом, единственными растворенными веществами в растворе являются (CH ₃ ) ₂ молекулы CHOH, поэтому [(CH ₃ ) ₂ CHOH] = 3.7 м

3. 0,032 M дюйм (NO ₃ ) ₃

A Нитрат индия — это ионное соединение, которое содержит ионы In ³⁺ и ионы NO ₃ ^—, поэтому мы ожидаем, что он будет вести себя как сильный электролит в водном растворе

B Одна формульная единица In (NO ₃ ) ₃ дает один ион In ³⁺ и три иона NO ₃ ^—, поэтому 0,032 M In (NO ₃ ) _{3 Решение} содержит 0.032 M In ³⁺ и 3 × 0,032 M = 0,096 M NO ₃ ^— , то есть [In ³⁺ ] = 0,032 M и [NO ₃ ^— ] = 0,096 M

В главе 5 вы познакомились с EPA и с тем, как параметры качества воздуха отслеживаются для определения уровней загрязнения.Одним из шести основных параметров, за которым ведется мониторинг в соответствии с Законом о чистом воздухе, является свинец. Свинец естественным образом встречается в земной коре в очень низких концентрациях, ~ 0,001%, и выглядит как сине-серый металл, мягкий и плотный. Он широко используется в Соединенных Штатах во многих различных продуктах, включая батареи и смеси металлов, в качестве материала для пайки труб и керамики, хрусталя и других известных коммерческих продуктов. Особенно часто свинец использовался в красках для наружных работ и в качестве добавки к бензину (рис.7.12). Из-за растущих проблем со здоровьем использование свинца во многих продуктах было прекращено и прекращено. Однако загрязнение свинцом почвы, воды и воздуха по-прежнему является проблемой и вызывает повышенный риск для здоровья населения.

Рисунок 7.12 История использования свинца в красках и бензине на протяжении большей части 20 века. На графике показано раннее преобладание свинцовых красок, за которым последовал бум транспортировки, что привело к высокому использованию этилированного бензина.Спад после середины 1970-х годов был связан с контролем, введенным EPA для исключения этилированного бензина. Источник: Filippelli и др. (2005) использовано с разрешения.

Национальные стандарты качества окружающего воздуха (NAAQS) для свинца устанавливают верхний предел 0,15 микрограмм на кубический метр Pb в общем количестве взвешенных частиц в среднем за 3 месяца. Как видно из рисунка 7.13, уровни свинца в атмосфере были очень высокими до середины 1990-х годов, после чего мы наблюдали резкое падение уровней свинца в атмосфере.Этот всплеск содержания свинца в значительной степени связан с выбросами транспортных средств, когда свинец использовался в качестве добавки к бензину. В 1970 году, когда было полностью признано отрицательное воздействие свинца на здоровье, Агентство по охране окружающей среды начало программу сокращения использования свинца в бензине. Полный запрет на этилированный бензин вступил в силу в 1996 году.

Рисунок 7.13 Уровни содержания свинца в атмосфере с 1980 по 2014 год. (A) Как интерпретировать графики качества воздуха от EPA. синяя полоса показывает распределение уровней загрязнения воздуха по участкам тренда, отображая средние 80%.Белая линия представляет собой среднее значение по всем сайтам трендов. Девяносто процентов участков имеют концентрации ниже верхней линии, в то время как десять процентов участков имеют концентрации ниже нижней линии. (B) Максимальный годовой максимальный трехмесячный средний уровень содержания свинца в атмосфере, демонстрирующий снижение уровня загрязнения свинцом на 99% с 1980 по 2017 год. Источник: EPA

Использование тетраэтилсвинца (TEL) было определено General Motors в качестве присадки к топливу, повышающей общее октановое число бензина.Это позволило значительно повысить компрессию двигателя, что привело к увеличению производительности автомобиля и большей экономии топлива.

TEL получают реакцией хлорэтана с натрием — свинцом сплавом

4 NaPb + 4 CH ₃ CH ₂ Cl → (CH ₃ CH ₂ ) ₄ Pb + 4 NaCl + 3 Pb

Продукт регенерируют путем перегонки с водяным паром, оставляя шлам свинца и отходов хлорида натрия.Несмотря на десятилетия исследований, не было обнаружено никаких реакций, улучшающих этот довольно сложный процесс, который включает металлический натрий и превращает только 25% свинца в TEL. ТЕЛ — вязкая бесцветная жидкость. Поскольку TEL является нейтральным по заряду и содержит внешние углеродные группы, он очень липофильный, (жиросодержащий) и растворим в бензине.

При сжигании этилированного бензина выделяется не только диоксид углерода и вода, но и свинец

(CH ₃ CH ₂ ) ₄ Pb + 13 O ₂ → 8 CO ₂ + 10 H ₂ O + Pb

Образующийся свинец также может окисляться при сгорании с образованием оксида свинца (II)

2 Pb + O ₂ → 2 PbO

Образование Pb и PbO внутри автомобильного двигателя быстро накапливается в избытке и вызывает серьезные повреждения двигателя.Таким образом, молекулы, улавливающие свинец, также должны были быть добавлены в бензин для реакции с продуктами свинца, образующимися при сгорании. Обычно для этого процесса использовались 1,2-дибромэтан и 1,2-дихлорэтан. Эти агенты реагируют с побочными продуктами свинца и образуют летучий бромид свинца (II) и хлорид свинца (II), которые затем могут выбрасываться в атмосферу из двигателя.

Повышенные уровни свинца в атмосфере, вызванные использованием автомобилей, сильно коррелировали с повышенными уровнями свинца в крови среди населения.

7.14 Снижение среднего уровня свинца в крови у детей в США и общего количества свинца, использованного в год в бензине в 1974-1992 годах (адаптировано из U.S.EPA 1999).

После того, как свинец попадает в организм, он не выводится из организма. Вместо этого он накапливается в минерализующихся тканях, таких как кости и зубы, или в мягких тканях, таких как печень, почки и мозг. Мозг очень чувствителен. Проведенное в Цинциннати исследование продемонстрировало, что воздействие свинца в детстве вызывает потерю серого вещества в мозге, особенно в лобных областях, участвующих в исполнительной функции и принятии решений (рис.7.15).

Рис. 7.15. Воздействие свинца в детстве уменьшает размер мозга. Мозг взрослых, подвергшихся воздействию свинца в детстве, показывает уменьшенный объем, особенно в префронтальной коре на МРТ. Области потери объема показаны цветом на шаблоне нормального мозга. Источник: Cecil, KM, et al.

Острое воздействие свинца может вызвать отравление свинцом и вызвать боли в животе, запоры, головные боли, раздражительность, проблемы с памятью, неспособность иметь детей и покалывание в руках и ногах.Это вызывает почти 10% умственной отсталости по другой неизвестной причине и может привести к поведенческим проблемам. Некоторые эффекты постоянны. В тяжелых случаях возможны анемия, судороги, кома или смерть.

Воздействие свинца может происходить через загрязненный воздух, воду, пыль, продукты питания или товары широкого потребления что они едят. Воздействие свинца на работе — частая причина отравления свинцом у взрослых людей определенных профессий, которым грозит особый риск.Диагноз обычно ставится путем измерения уровня свинца в крови. Центры по контролю за заболеваниями (США) установили верхний предел содержания свинца в крови для взрослых на уровне 10 мкг / дл (10 мкг / 100 г) и для детей на уровне 5 мкг / дл.

Ряд исследований, проведенных за последнее десятилетие, показали сильную корреляцию между уровнем свинца в крови дошкольного возраста и последующим уровнем преступности, особенно насильственных преступлений, произошедших 20 лет спустя (Рисунок 7.16).

Рис. 7.16. Соотношение уровней содержания свинца в крови в дошкольном возрасте и насильственных преступлений, совершенных 23 года спустя.

В начале 1990-х годов убийства и насильственные преступления достигли рекордного уровня, которому не видно конца. Однако к концу 1990-х годов количество насильственных преступлений по стране сократилось на 40%. Было предложено множество гипотез этого быстрого спада, включая увеличение количества заключенных и увеличение количества полицейских.Однако уровни свинца в крови показывают очень сильную корреляцию с частотой насильственных преступлений с запаздыванием примерно в 20 лет. Кроме того, исследования на животных, в том числе на хомяках и кошках, показали, что воздействие свинца увеличивает или усиливает агрессивное поведение. Кроме того, данные, собранные Риком Невином из других стран (Франция, Западная Германия, Италия и Австралия), которые имеют разные уровни тюремного заключения и охраны правопорядка, показывают аналогичные тенденции в насильственных преступлениях с уровнями свинца в крови у детей.Таким образом, есть убедительные доказательства того, что повышенное воздействие свинца в детстве в результате употребления этилированного бензина объясняет, по крайней мере частично, рост уровня насильственных преступлений в 1980-х и начале 1990-х годов в Соединенных Штатах.

Несмотря на то, что использование свинца за последние 40-50 лет резко сократилось, он все еще может быть обнаружен в повышенных концентрациях в почвах, особенно в городских и промышленных районах.Кроме того, свинец ранее использовался для строительства водопроводных труб, поскольку он прочен и податлив. Свинец больше не используется для строительства труб, но в более старых городах, таких как Флинт, все еще есть свинцовые трубы, а также медные и железные водопроводные трубы, в стыках и соединениях которых использовалась свинцовая пайка. В апреле 2014 года это стало серьезной проблемой для жителей Флинта, штат Мичиган. Город Флинт, штат Мичиган, столкнулся с серьезными финансовыми проблемами и, пытаясь сэкономить деньги, решил построить новый водопровод от озера Гурон для подачи питьевой воды в этот район.Экономия затрат оценивалась примерно в 10 миллионов долларов в год. Однако на строительство трубопровода уйдет несколько лет. Таким образом, чтобы сразу же сэкономить деньги, город Флинт решил временно переключить городскую воду на реку Флинт на время завершения строительства нового трубопровода. Однако с речной водой может быть труднее справиться из-за более сильных колебаний в остатках стока, и почти сразу жители Флинта, штат Мичиган, начали жаловаться на неприятный запах и неконтролируемую цветную воду, идущую из кранов (рис.7.17).

Рисунок 7.17. Ли-Энн Уолтерс демонстрирует образцы водопроводной воды на публичном собрании в январе 2015 года. Источник: Ladapo, J.A, et. al. (2017).

Анализ воды первоначально показал высокий уровень фекальных колиформных бактерий, из-за чего Флинт, штат Мичиган, выпустил рекомендации по кипячению и увеличил количество хлора, используемого для обработки воды. Это, в свою очередь, увеличивало производство тригалометанов. Тригалометаны образуются в результате реакции хлорных дезинфицирующих средств в воде с присутствующими органическими веществами, такими как те, которые образуются водорослями, присутствующими в реке Флинт.Тригалометаны связаны со многими проблемами со здоровьем, включая проблемы с печенью, почками и легкими, а также создают неприятный запах и привкус воды. Они также опасны при вдыхании, делая душ в горячей загрязненной воде серьезным риском для здоровья.

Таким образом, в попытке уменьшить образование побочных продуктов тригалогенметана, город Флинт начал добавлять в воду больше FeCl ₃ , чтобы помочь удалить дополнительные органические материалы из этого источника воды.Однако они не смогли добавить никаких молекул, контролирующих коррозию, таких как ортофосфат. Многие водоочистные сооружения используют низкие концентрации ортофосфатов для взаимодействия со свинцом в трубах и образования нерастворимого фосфата свинца, который не проникает в водопровод (рис. 7.18). Отсутствие контроля над коррозией со стороны города Флинт в сочетании с повышенным количеством FeCl ₃ привело к резкому увеличению количества присутствующих ионов Cl ^— . Результатом было общее увеличение потенциала коррозии, измеряемого по массовому отношению хлорида к сульфату, от 0.45 для системы водоснабжения Детройта до 1,60 для новой системы водоснабжения реки Флинт. Имея такой потенциал коррозии, молекулы кислорода в воде начали окисляться и выделять растворимые формы свинца в водную систему (рис. 7.18). В дополнение к окисленным побочным продуктам свинца выделялись окисленные формы железа, вызывающие большее обесцвечивание воды.

Рис. 7.18. Процесс коррозии во время водного кризиса во Флинте, штат Мичиган.

Чтобы получить интерактивную анимацию этого химического процесса, посмотрите этот

Видео журнала Scientific American — Коррозионная химия: как свинец попал в питьевую воду Флинта

Из-за общественного протеста и отказа города Флинта принимать меры в связи с плохим качеством воды, компания Virgina Tech начала программу тестирования воды и обнаружила чрезвычайно высокие уровни свинца во многих домах во Флинте, штат Мичиган.CDC заявляет, что не существует безопасных уровней свинца, которые можно было бы употреблять в пищу, а стандарты EPA ограничивают содержание свинца в питьевой воде до 15 частей на миллиард. Самый высокий образец, зарегистрированный Технологическим институтом штата Вирджиния, составил 13 000 частей на миллиард из образца в доме Ли-Энн Уолтерс (рис. 7.17). Город Флинт вернулся к использованию системы водоснабжения Детройта в октябре 2015 года. Однако риск воздействия свинца на детей, находящихся в этом районе, превышающий установленные CDC предельные уровни в крови, за это время увеличился вдвое (рис. 7.19). Несколько судебных исков, находящихся на рассмотрении, в настоящее время находятся в стадии рассмотрения из-за халатности властей города Флинт и органов, регулирующих качество воды в регионе.

Рисунок 7.19. Сравнение уровней свинца в крови во Флинте, штат Мичиган, до и после переключения на источник воды из реки Флинт. Верхняя диаграмма показывает, что качество воды в 1 из 6 домов во Флинте, штат Мичиган, проверено выше пределов безопасности EPA для свинца после перехода на источник воды в реке Флинт. Нижняя панель показывает уровни свинца в крови у детей, которые регулярно проверяются на уровни свинца в крови в районе как до, так и после перехода на новый источник воды. Источник: Flint Water Study

Предлагаемое задание: Учителя могут загрузить основанное на обсуждении задание на тему «Экологическая несправедливость и влияние токсичного загрязнения воды во Флинте, штат Мичиган,

Flint Water Crisis Environmental Justice Assignment

Чтобы убедиться, что вы понимаете материал этой главы, вам следует проанализировать значения терминов, выделенных жирным шрифтом в следующем резюме, и спросить себя, как они соотносятся с темами в главе.

Раствор — гомогенная смесь. Основным компонентом является растворитель , а второстепенным компонентом — растворенное вещество . Решения могут иметь любую фазу; например, сплав представляет собой твердый раствор.Растворенные вещества: растворимые или нерастворимые , что означает, что они растворяются или не растворяются в конкретном растворителе. Термины смешивающийся и несмешивающийся вместо растворимых и нерастворимых используются для жидких растворенных веществ и растворителей. Утверждение как растворяется как является полезным руководством для прогнозирования того, будет ли растворенное вещество растворяться в данном растворителе.

Растворение происходит путем сольватации , процесса, в котором частицы растворителя окружают отдельные частицы растворенного вещества, разделяя их с образованием раствора.Для водных растворов используется слово гидратация . Если растворенное вещество является молекулярным, оно растворяется на отдельные молекулы. Если растворенное вещество является ионным, отдельные ионы отделяются друг от друга, образуя раствор, который проводит электричество. Такие растворы называются электролитами . Если диссоциация ионов завершена, раствор представляет собой сильный электролит . Если диссоциация только частичная, раствор представляет собой слабый электролит . Растворы молекул не проводят электричество и называются неэлектролитами .

Количество растворенного вещества в растворе представлено концентрацией раствора. Максимальное количество растворенного вещества, которое будет растворяться в данном количестве растворителя, называется растворимостью растворенного вещества. Таких решений насыщенных . Растворы с количеством меньше максимального — ненасыщенные . Большинство растворов являются ненасыщенными, и их концентрацию можно указать разными способами. Массовый / массовый процент , объем / объемный процент и массовый / объемный процент указывают процент растворенного вещества в общем растворе. частей на миллион (ppm) и частей на миллиард (ppb) используются для описания очень малых концентраций растворенного вещества. Молярность , определяемая как количество молей растворенного вещества на литр раствора, является стандартной единицей концентрации в химической лаборатории. Эквиваленты выражают концентрации в молях заряда на ионах. Когда раствор разбавляется, мы используем тот факт, что количество растворенного вещества остается постоянным, чтобы можно было определить объем или концентрацию конечного разбавленного раствора.Растворы известной концентрации можно приготовить либо путем растворения известной массы растворенного вещества в растворителе и разбавления до желаемого конечного объема, либо путем разбавления соответствующего объема более концентрированного раствора (исходный раствор ) до желаемого конечного объема.

Ключевые вынос

• Концентрации раствора обычно выражаются в виде молярности и могут быть получены путем растворения известной массы растворенного вещества в растворителе или разбавления исходного раствора.

Концептуальные проблемы

1. Какое из представлений лучше всего соответствует 1 М водному раствору каждого соединения? Обоснуйте свои ответы.

   1. NH ₃
   2. ВЧ
   3. CH ₃ CH ₂ CH ₂ OH

   4. Na ₂ SO ₄

2. Какое из представлений, показанных в задаче 1, лучше всего соответствует 1 М водному раствору каждого соединения? Обоснуйте свои ответы.

   1. CH ₃ CO ₂ H
   2. NaCl
   3. Na ₂ S
   4. Na ₃ PO ₄
   5. ацетальдегид

3. Можно ли ожидать, что 1,0 М раствор CaCl ₂ будет лучше проводить электричество, чем 1,0 М раствор NaCl? Почему или почему нет?

4. Альтернативный способ определения концентрации раствора — моляльность , сокращенно м .Моляльность определяется как количество молей растворенного вещества в 1 кг растворителя . Чем это отличается от молярности? Ожидаете ли вы, что 1 M раствор сахарозы будет более или менее концентрированным, чем 1 m раствор сахарозы ? Поясните свой ответ.

5. Каковы преимущества использования решений для количественных расчетов?

Ответ

1. a) Nh4 — слабое основание, что означает, что некоторые молекулы будут принимать протон от молекул воды, заставляя их диссоциировать на ионы H + и -OH.Ион H + будет ассоциироваться с Nh4 с образованием Nh5 +. Таким образом, это будет больше всего похоже на стакан №2. б) HF — слабая кислота, хотя F сильно электроотрицателен. Это связано с тем, что молекула H-F может образовывать прочные водородные связи с молекулами воды и оставаться в ковалентной связи, которую труднее диссоциировать. Таким образом, стакан № 2 также является хорошим выбором для этой молекулы, так как только часть H-F будет диссоциировать на ионы h4O + и F-. c) CH ₃ CH ₂ CH ₂ OH является ковалентным соединением и не будет диссоциировать в какой-либо заметной степени, поэтому стакан № 3 является правильным выбором.г) Na ₂ SO ₄ — это растворимое ионное соединение, которое полностью диссоциирует на ионы, больше всего напоминающие химический стакан № 1.
   

3. Да, потому что когда CaCl ₂ диссоциирует, он образует 3 иона (1 иона Ca ²⁺ и 2 иона Cl ^—), тогда как NaCl будет диссоциировать только на 2 иона (Na ⁺ и Cl ^—) для каждой молекулы. Таким образом, CaCl ₂ будет генерировать больше ионов на моль, чем 1 моль NaCl, и будет лучше проводить электричество.

5. Если количество вещества, необходимое для реакции, слишком мало для точного взвешивания, использование раствора вещества, в котором растворенное вещество диспергировано в гораздо большей массе растворителя, позволяет химикам измерить количество вещества. вещество, точнее.

Числовые задачи

1. Рассчитайте количество граммов растворенного вещества в 1.000 л каждого раствора.

   1. 0,2593 M NaBrO ₃
   2. 1.592 М КНО ₃
   3. 1,559 М уксусная кислота
   4. 0,943 M йодат калия

2. Рассчитайте количество граммов растворенного вещества в 1.000 л каждого раствора.

   1. 0,1065 млн бай ₂
   2. 1,135 M Na ₂ SO ₄
   3. 1,428 M NH ₄ Br
   4. 0,889 М ацетат натрия

3. Если все растворы содержат одно и то же растворенное вещество, какой раствор содержит большую массу растворенного вещества?

   1. 1.40 л 0,334 М раствора или 1,10 л 0,420 М раствора
   2. 25,0 мл 0,134 М раствора или 10,0 мл 0,295 М раствора
   3. 250 мл 0,489 М раствора или 150 мл 0,769 М раствора

4. Заполните следующую таблицу для 500 мл раствора.

   Соединение	Масса (г)	Родинки	Концентрация (M)
   сульфат кальция	4,86 ​​
   уксусная кислота		3.62
   дигидрат иодистого водорода			1,273
   бромид бария	3,92
   глюкоза			0,983
   ацетат натрия		2,42

5. Какая концентрация каждого вида присутствует в следующих водных растворах?

   1. 0,489 моль NiSO ₄ в 600 мл раствора
   2. 1.045 моль бромида магния в 500 мл раствора
   3. 0,146 моль глюкозы в 800 мл раствора
   4. 0,479 моль CeCl ₃ в 700 мл раствора

6. Какая концентрация каждого вида присутствует в следующих водных растворах?

   1. 0,324 моль K ₂ MoO ₄ в 250 мл раствора
   2. 0,528 моль формиата калия в 300 мл раствора
   3. 0,477 моль KClO ₃ в 900 мл раствора
   4. 0.378 моль йодида калия в 750 мл раствора

7. Какова молярная концентрация каждого раствора?

   1. 8,7 г бромида кальция в 250 мл раствора
   2. 9,8 г сульфата лития в 300 мл раствора
   3. 12,4 г сахарозы (C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ ) в 750 мл раствора
   4. 14,2 г гексагидрата нитрата железа (III) в 300 мл раствора

8. Какова молярная концентрация каждого раствора?

   1. 12.8 г гидросульфата натрия в 400 мл раствора
   2. 7,5 г гидрофосфата калия в 250 мл раствора
   3. 11,4 г хлорида бария в 350 мл раствора
   4. 4,3 г винной кислоты (C ₄ H ₆ O ₆ ) в 250 мл раствора

9. Укажите концентрацию каждого реагента в следующих уравнениях, принимая 20,0 г каждого и объем раствора 250 мл для каждого реагента.

   1. BaCl ₂ (водн.) + Na ₂ SO ₄ (водн.) →
   2. Ca (OH) ₂ (водн.) + H ₃ PO ₄ (водн.) →
   3. Al (NO ₃ ) ₃ (водн.) + H ₂ SO ₄ (водн.) →
   4. Pb (NO ₃ ) ₂ (водн.) + CuSO ₄ (водн.) →
   5. Al (CH ₃ CO ₂ ) ₃ (водн.) + NaOH (водн.) →

10. На эксперимент потребовалось 200.0 мл 0,330 М раствора Na ₂ CrO ₄ . Для приготовления этого раствора использовали исходный раствор Na ₂ CrO ₄ , содержащий 20,0% растворенного вещества по массе с плотностью 1,19 г / см ³ . Опишите, как приготовить 200,0 мл 0,330 М раствора Na ₂ CrO ₄ с использованием основного раствора.

11. Гипохлорит кальция [Ca (OCl) ₂ ] — эффективное дезинфицирующее средство для одежды и постельного белья. Если в растворе концентрация Ca (OCl) ₂ равна 3.4 г на 100 мл раствора, какова молярность гипохлорита?

12. Фенол (C ₆ H ₅ OH) часто используется в качестве антисептика в жидкостях для полоскания рта и пастилках для горла. Если в жидкости для полоскания рта концентрация фенола составляет 1,5 г на 100 мл раствора, какова молярность фенола?

13. Если таблетка, содержащая 100 мг кофеина (C ₈ H ₁₀ N ₄ O ₂ ), растворяется в воде с получением 10,0 унций раствора, какова молярная концентрация кофеина в растворе?

14. На этикетке определенного лекарства есть инструкция по добавлению 10.0 мл стерильной воды, заявив, что каждый миллилитр полученного раствора будет содержать 0,500 г лекарства. Если пациенту назначена доза 900,0 мг, сколько миллилитров раствора следует ввести?

ответы

1. а. 39,13 г б. 161,0 г c. 93,57 г г. 201,8 г

3. а. 1,40 л 0,334 М раствора, б. 25,0 мл 0,134 М раствора, c. 150 мл 0,769 М раствора

5. а.0.815 М, г. 2.09 М, c. 0.182 М, д. 0,684 M

7. а. 0.174 М, г. 0.297 М, c. 0,048 М, д. 0,135 М

9. а. BaCl ₂ = 0,384 M, Na ₂ SO ₄ = 0,563 M, б. Ca (OH) ₂ = 1.08 M, h4PO4 = 0.816 M, c. Al (NO ₃ ) ₃ = 0,376 M, H ₂ SO ₄ = 0,816 M, d. Pb (NO ₃ ) ₂ = 0,242 M, CuSO ₄ = 0,501 M, т.е. Al (CH ₃ CO ₂ ) = 0.392 M, NaOH = 2,00 M

13. 1,74 × 10 ⁻³ M кофеин

• Chung (Peter) Chieh (2016) Неорганическая химия. Либретекстов . Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Core/Inorganic_Chemistry/Chemical_Reactions/Chemical_Reactions_1/Solutions
• Болл, Д.У., Хилл, Дж. У. и Скотт, Р. Дж. (2016) MAP: Основы общей, органической и биологической химии . Свободные тексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/Introductory_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_The_Basics_of_GOB_Chemistry_(Ball_et_al.)
• Аверилл, Б.А., Элдридж, П. (2012) Принципы химии . Свободные тексты. Доступно по адресу: https://2012books.lardbucket.org/books/principles-of-general-chemistry-v1.0/index.html
• Гидрат. (2017, 30 августа).В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено 16:20, 26 сентября 2017 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hydrate&oldid=798015169
.
• Лоуэр, С. (2010). Растворы 1: Растворы и их концентрации. В онлайн-учебнике «Виртуальный учебник Chem1». Доступно по адресу: http://www.chem1.com/acad/webtext/solut/solut-1.html
• Мичиганская сеть по охране окружающей среды детей (2013 г.) Здоровье детей в окружающей среде в Мичигане.Вики по гигиене окружающей среды. Проверено 6 сентября 2018 г. по адресу: http://wiki.mnceh.org/index.php/Neurotoxicity:_Lead
.
• авторов Википедии. (2018, 5 сентября). Отравление свинцом. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено в 02:05, 7 сентября 2018 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Lead_poisoning&oldid=858177302
.
• Ladapo, J.A., Mohammed, A.K., and Nwosu, V.C. (2017) Загрязнение свинцом во Флинте, Мичиган, США и других городах. Международный журнал экологического и научного образования, 11 (5): 1341-1351.Открытый доступ. Доступно по адресу: www.ijese.net/makale_indir/1899

% PDF-1.6 % 1101 0 объект > эндобдж xref 1101 366 0000000016 00000 н. 0000009777 00000 н. 0000009926 00000 н. 0000010220 00000 п. 0000010879 00000 п. 0000011489 00000 п. 0000011539 00000 п. 0000011810 00000 п. 0000012066 00000 п. 0000012145 00000 п. 0000012967 00000 п. 0000013006 00000 п. 0000061722 00000 п. 00000 00000 н. 0000095268 00000 п. 0000095363 00000 п. 0000100248 00000 н. 0000100324 00000 н. 0000100430 00000 н. 0000100532 00000 н. 0000100589 00000 н. 0000100785 00000 н. 0000100982 00000 н. 0000101038 00000 п. 0000101235 00000 н. 0000101417 00000 п. 0000101644 00000 н. 0000101700 00000 н. 0000101855 00000 н. 0000102137 00000 н. 0000102324 00000 п. 0000102380 00000 п. 0000102526 00000 н. 0000102710 00000 н. 0000102858 00000 н. 0000102914 00000 н. 0000103086 00000 н. 0000103274 00000 н. 0000103394 00000 п. 0000103450 00000 н. 0000103685 00000 н. 0000103809 00000 н. 0000103865 00000 н. 0000103997 00000 н. 0000104163 00000 п. 0000104322 00000 п. 0000104378 00000 п. 0000104476 00000 н. 0000104532 00000 н. 0000104662 00000 н. 0000104718 00000 н. 0000104844 00000 н. 0000104900 00000 н. 0000105040 00000 н. 0000105096 00000 н. 0000105281 00000 п. 0000105409 00000 н. 0000105465 00000 н. 0000105571 00000 п. 0000105627 00000 н. 0000105683 00000 п. 0000105827 00000 н. 0000105883 00000 н. 0000106011 00000 п. 0000106067 00000 н. 0000106261 00000 п. 0000106317 00000 п. 0000106497 00000 н. 0000106553 00000 п. 0000106735 00000 н. 0000106791 00000 н. 0000106955 00000 п. 0000107011 00000 п. 0000107067 00000 п. 0000107123 00000 н. 0000107179 00000 п. 0000107235 00000 н. 0000107291 00000 н. 0000107477 00000 п. 0000107533 00000 п. 0000107782 00000 п. 0000107960 00000 п. 0000108016 00000 н. 0000108190 00000 н. 0000108246 00000 н. 0000108426 00000 п. 0000108482 00000 н. 0000108651 00000 п. 0000108815 00000 н. 0000108871 00000 н. 0000109019 00000 н. 0000109229 00000 п. 0000109285 00000 п. 0000109577 00000 н. 0000109742 00000 н. 0000110140 00000 н. 0000110196 00000 н. 0000110456 00000 п. 0000110615 00000 н. 0000110839 00000 п. 0000110895 00000 п. 0000111121 00000 н. 0000111251 00000 н. 0000111307 00000 н. 0000111484 00000 н. 0000111685 00000 н. 0000111741 00000 н. 0000111915 00000 н. 0000111971 00000 н. 0000112232 00000 н. 0000112288 00000 н. 0000112566 00000 н. 0000112622 00000 н. 0000112826 00000 н. 0000112882 00000 н. 0000112938 00000 н. 0000112994 00000 н. 0000113248 00000 н. 0000113304 00000 н. 0000114006 00000 н. 0000114062 00000 н. 0000114302 00000 н. 0000114358 00000 п. 0000114612 00000 н. 0000114668 00000 н. 0000114944 00000 н. 0000115000 00000 н. 0000115240 00000 н. 0000115296 00000 н. 0000115550 00000 н. 0000115606 00000 н. 0000115662 00000 н. 0000115718 00000 н. 0000116004 00000 н. 0000116060 00000 н. 0000116116 00000 н. 0000116172 00000 н. 0000116344 00000 п. 0000116400 00000 н. 0000116624 00000 н. 0000116680 00000 н. 0000116878 00000 н. 0000116934 00000 п. 0000117222 00000 н. 0000117278 00000 н. 0000117508 00000 н. 0000117564 00000 н. 0000117788 00000 н. 0000117844 00000 н. 0000118116 00000 н. 0000118172 00000 н. 0000118368 00000 н. 0000118424 00000 н. 0000118800 00000 н. 0000118856 00000 н. 0000119054 00000 н. 0000119110 00000 н. 0000119382 00000 н. 0000119438 00000 п. 0000119668 00000 н. 0000119724 00000 н. 0000119780 00000 н. 0000119836 00000 н. 0000119892 00000 н. 0000120069 00000 н. 0000120125 00000 н. 0000120369 00000 н. 0000120534 00000 н. 0000120590 00000 н. 0000120777 00000 н. 0000120945 00000 н. 0000121001 00000 н. 0000121177 00000 н. 0000121362 00000 н. 0000121548 00000 н. 0000121604 00000 н. 0000121780 00000 н. 0000121836 00000 н. 0000122054 00000 н. 0000122110 00000 н. 0000122340 00000 н. 0000122396 00000 н. 0000122452 00000 н. 0000122508 00000 н. 0000122726 00000 н. 0000122782 00000 н. 0000123012 00000 н. 0000123068 00000 н. 0000123124 00000 н. 0000123292 00000 н. 0000123348 00000 н. 0000123524 00000 н. 0000123580 00000 н. 0000123798 00000 н. 0000123854 00000 н. 0000124128 00000 н. 0000124184 00000 н. 0000124240 00000 н. 0000124467 00000 н. 0000124523 00000 н. 0000124733 00000 н. 0000124789 00000 н. 0000124965 00000 н. 0000125021 00000 н. 0000125209 00000 н. 0000125265 00000 н. 0000125449 00000 н. 0000125505 00000 н. 0000125723 00000 н. 0000125779 00000 н. 0000125835 00000 н. 0000126041 00000 н. 0000126097 00000 н. 0000126217 00000 н. 0000126273 00000 н. 0000126419 00000 н. 0000126475 00000 н. 0000126655 00000 н. 0000126711 00000 н. 0000126937 00000 н. 0000127144 00000 н. 0000127200 00000 н. 0000127322 00000 н. 0000127495 00000 н. 0000127710 00000 н. 0000127766 00000 н. 0000127950 00000 н. 0000128006 00000 н. 0000128232 00000 н. 0000128288 00000 н. 0000128464 00000 н. 0000128520 00000 н. 0000128754 00000 н. 0000128810 00000 н. 0000128866 00000 н. 0000128922 00000 н. 0000129155 00000 н. 0000129373 00000 н. 0000129429 00000 н. 0000129731 00000 н. 0000129962 00000 н. 0000130152 00000 н. 0000130208 00000 н. 0000130360 00000 н. 0000130416 00000 н. 0000130782 00000 н. 0000130838 00000 п. 0000131044 00000 н. 0000131100 00000 н. 0000131302 00000 н. 0000131358 00000 н. 0000131414 00000 н. 0000131470 00000 н. 0000131676 00000 н. 0000131732 00000 н. 0000132004 00000 н. 0000132060 00000 н. 0000132196 00000 н. 0000132252 00000 н. 0000132790 00000 н. 0000132846 00000 н. 0000132902 00000 н. 0000133092 00000 н. 0000133148 00000 п. 0000133310 00000 н. 0000133366 00000 н. 0000133618 00000 н. 0000133674 00000 н. 0000133890 00000 н. 0000133946 00000 н. 0000134002 00000 п. 0000134222 00000 н. 0000134278 00000 н. 0000134502 00000 н. 0000134558 00000 н. 0000134888 00000 н. 0000134944 00000 н. 0000135262 00000 н. 0000135318 00000 н. 0000135642 00000 н. 0000135698 00000 п. 0000136042 00000 н. 0000136098 00000 н. 0000136432 00000 н. 0000136488 00000 н. 0000136810 00000 н. 0000136866 00000 н. 0000137124 00000 н. 0000137180 00000 н. 0000137438 00000 п. 0000137494 00000 н. 0000137738 00000 п. 0000137794 00000 н. 0000137850 00000 н. 0000138038 00000 н. 0000138094 00000 н. 0000138214 00000 н. 0000138270 00000 н. 0000138418 00000 н. 0000138474 00000 н. 0000138604 00000 н. 0000138660 00000 н. 0000138792 00000 н. 0000138848 00000 н. 0000138984 00000 н. 0000139040 00000 н. 0000139288 00000 н. 0000139344 00000 н. 0000139568 00000 н. 0000139624 00000 н. 0000139858 00000 н. 0000139914 00000 н. 0000139970 00000 н. 0000140195 00000 н. 0000140251 00000 н. 0000140389 00000 п. 0000140445 00000 н. 0000140583 00000 н. 0000140639 00000 п. 0000140835 00000 н. 0000140891 00000 н. 0000141015 00000 н. 0000141071 00000 н. 0000141199 00000 н. 0000141255 00000 н. 0000141401 00000 п. 0000141457 00000 н. 0000141513 00000 н. 0000141755 00000 н. 0000141811 00000 н. 0000142015 00000 н. 0000142071 00000 н. 0000142229 00000 н. 0000142285 00000 н. 0000142463 00000 н. 0000142519 00000 н. 0000142691 00000 н. 0000142747 00000 н. 0000142803 00000 н. 0000143022 00000 н. 0000143079 00000 п. 0000143281 00000 н. 0000143472 00000 н. 0000143624 00000 н. 0000143680 00000 н. 0000143836 00000 н. 0000144043 00000 н. 0000144155 00000 н. 0000144211 00000 н. 0000144347 00000 н. 0000144403 00000 н. 0000144527 00000 н. 0000144583 00000 н. 0000144639 00000 н. 0000144695 00000 н. 0000144827 00000 н. 0000144883 00000 н. 0000144939 00000 н. 0000144996 00000 н. 0000145174 00000 н. 0000145231 00000 п. 0000145288 00000 п. 0000145396 00000 н. 0000145452 00000 н. 0000145508 00000 н. 0000007616 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 1466 0 объект > поток xW} TS G a!

Как рассчитать массовый процентный состав

Это отработанный пример задачи, показывающий, как рассчитать массовый процентный состав.Процентный состав указывает относительные количества каждого элемента в соединении. Для каждого элемента формула массового процента:

% по массе = (масса элемента в 1 моль соединения) / (молярная масса соединения) x 100%

или

массовый процент = (масса растворенного вещества / масса раствора) x 100%

Единицами массы обычно являются граммы. Массовый процент также известен как массовый процент или мас.%. Молярная масса — это сумма масс всех атомов в одном моль соединения.Сумма всех массовых процентов должна составлять в сумме 100%. Следите за ошибками округления в последней значащей цифре, чтобы убедиться, что все проценты суммируются.

Ключевые выводы

• Состав в массовых процентах описывает относительные количества элементов в химическом соединении.
• Состав в массовых процентах также известен в массовых процентах. Он обозначается как мас.%.
• Для раствора массовый процент равен массе элемента в одном моль соединения, деленной на молярную массу соединения, умноженную на 100%.

Задача массового процентного состава

Бикарбонат соды (гидрокарбонат натрия) используется во многих коммерческих препаратах. Его формула — NaHCO ₃ . Найдите массовые проценты (мас.%) Na, H, C и O в гидрокарбонате натрия.

Решение

Сначала найдите атомные массы для элементов Периодической таблицы. Найдены атомные массы:

• Na равно 22,99
• H равно 1.01
• C составляет 12,01
• O составляет 16,00

Затем определите, сколько граммов каждого элемента содержится в одном моль NaHCO ₃ :

• 22,99 г (1 моль) Na
• 1,01 г (1 моль) H
• 12,01 г (1 моль) C
• 48,00 г (3 моль x 16,00 г на моль) O

Масса одного моля NaHCO ₃ составляет:

22,99 г + 1,01 г + 12,01 г + 48,00 г = 84,01 г

И массовые проценты элементов равны

• мас.% Na = 22.99 г / 84,01 г x 100 = 27,36%
• мас.% H = 1,01 г / 84,01 г x 100 = 1,20%
• мас.% C = 12,01 г / 84,01 г x 100 = 14,30%
• мас.% O = 48,00 г / 84,01 г x 100 = 57,14%

Ответ

• мас.% Na = 27,36%
• мас.% H = 1,20%
• мас.% C = 14,30%
• мас.% O = 57,14%

При вычислении массовых процентов всегда рекомендуется проверять, чтобы ваши массовые проценты в сумме составляли 100% (помогает отловить математические ошибки):

27.36 + 14,30 + 1,20 + 57,14 = 100,00

Процентный состав воды

Другой простой пример — определение массового процентного содержания элементов в воде, H ₂ O.

Сначала найдите молярную массу воды, сложив атомные массы элементов. Используйте значения из периодической таблицы:

• H составляет 1,01 грамма на моль
• O составляет 16,00 граммов на моль

Получите молярную массу, сложив все массы элементов в соединении.Нижний индекс после водорода (H) указывает на наличие двух атомов водорода. После кислорода (O) нет индекса, что означает, что присутствует только один атом.

• молярная масса = (2 x 1,01) + 16,00
• молярная масса = 18,02

Теперь разделите массу каждого элемента на общую массу, чтобы получить массовые проценты:

% масс H = (2 x 1,01) / 18,02 x 100%
% масс H = 11,19%

мас.% O = 16,00 / 18,02
мас.% O = 88,81%

Сумма массовых процентов водорода и кислорода составляет 100%.

Массовый процент диоксида углерода

Каковы массовые проценты углерода и кислорода в двуокиси углерода, CO ₂ ?

Массово-процентный раствор

Шаг 1: Найдите массу отдельных атомов.

Найдите атомные массы углерода и кислорода в Периодической таблице. На этом этапе рекомендуется определиться с количеством значащих цифр, которые вы будете использовать. Найдены атомные массы:

• C равно 12.01 г / моль
• O составляет 16,00 г / моль

Шаг 2: Найдите количество граммов каждого компонента, составляющего один моль CO _2.

Один моль CO ₂ содержит 1 моль атомов углерода и 2 моля атомов кислорода.

• 12,01 г (1 моль) C
• 32,00 г (2 моль x 16,00 грамм на моль) O

Масса одного моля CO ₂ составляет:

• 12,01 г + 32,00 г = 44,01 г

Шаг 3: Найдите массовый процент каждого атома.

% масс = (масса компонента / масса в целом) x 100

И массовые проценты элементов равны

Для углерода:

• мас.% C = (масса 1 моля углерода / масса 1 моля CO ₂ ) x 100
• мас.% C = (12,01 г / 44,01 г) x 100
• мас.% C = 27,29%

Для кислорода:

• мас.% O = (масса 1 моля кислорода / масса 1 моля CO ₂ ) x 100
• мас.% O = (32.00 г / 44,01 г) x 100
• мас.% O = 72,71%

Ответ

• мас.% C = 27,29%
• мас.% O = 72,71%

Опять же, убедитесь, что ваши массовые проценты в сумме составляют 100%. Это поможет отловить любые математические ошибки.

Сумма ответов составляет 100%, чего и следовало ожидать.

Советы по расчету массового процента

• Вам не всегда будет дана общая масса смеси или раствора.Часто вам нужно складывать массы. Это может быть неочевидно.