Как растворение соли влияет на плотность раствора?

Вопрос 1. Остается ли плотность воды такой же, как в начале, когда соль начала растворяться? Т.е. плотность воды постоянна? Или растворенные молекулы соли будут «сжимать» молекулы воды в меньший объем, увеличивая тем самым плотность воды? И действительно ли мы должны сейчас говорить о концентрации воды, а не о плотности воды, поскольку мы имеем дело со смесью, состоящей из двух веществ?

Если вы не будете смешивать воду, соль будет медленно растворяться в ней, начиная со дна контейнера. Это даст вам градиент концентрации в контейнере, где самая высокая плотность соответствует пределу растворимости соли при этой температуре на дне контейнера, и плотность уменьшается по мере того, как вы поднимаетесь в контейнере. Для достаточно глубокого контейнера у вас должна быть свежая вода на поверхности в течение определенного времени, но соль будет медленно диффундировать из нижней части контейнера, поэтому я сомневаюсь, что поверхность останется совершенно свежей, пока вы наблюдаете за контейнером в течение длительного времени. периоды. Существует практичное устройство, известное как солнечный пруд. который работает по принципу, согласно которому плотность воды на дне пруда настолько высока, что поглощенное солнечное излучение не нагревает дно контейнера в достаточной степени, чтобы вызвать конвекционные потоки, эффективно позволяя «верхней» воде изолировать более высокую температуру «нижней». " вода. Видетьhttps://en.wikipedia.org/wiki/Solar_pond для подробностей. Обратите внимание, что градиент концентрации остается стабильным, даже несмотря на то, что дно пруда значительно теплее, чем его верхняя часть.

Что касается других ваших дополнительных вопросов, ионы натрия и ионы хлора из кристалла соли становятся «сольватированными» с молекулами воды. С точки зрения химии я сомневаюсь в правильности предположения, что различные виды молекул остаются отдельными, когда соль растворяется в воде.

Вопрос 2: Постоянна ли концентрация/плотность соли в растворе? На этот вопрос, кажется, есть очевидный ответ: «Нет, это не потому, что соль растворяется, и, таким образом, концентрация соли в растворе меняется в пространстве и времени по мере ее распространения»?

Как упоминалось ранее, концентрация соли не является постоянной, ЕСЛИ вы не смешиваете воду. Даже если вы пропустите много времени, в толще воды будет градиент концентрации, достаточный для того, чтобы солнечные пруды (упомянутые выше) работали.

Вопрос 3: Плотность самого раствора, ρt... поскольку концентрация соли кажется непостоянной, отсюда следует, что плотность раствора непостоянна... Т.е. она будет варьироваться в разных точках жидкости в пространстве и времени по мере растворения соли до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, когда вся соль растворится?

Если тщательно поставить этот опыт и не перемешивать воду, на дне сосуда может остаться нерастворенная соль. Так это или нет, зависит от того, сколько соли вы добавите.

Вопрос 4: Значит, если раствор имеет непостоянную плотность, значит, он сжимаем? И оно будет подчиняться уравнениям Навье-Стокса для сжимаемой жидкости?

Если вы не собираетесь оказывать ОЧЕНЬ высокое давление на контейнер, вы можете считать жидкость несжимаемой. Профиль плотности обусловлен градиентом концентрации, а не сжимаемостью.

Предполагая, что вы хотите, чтобы уравнения оценивали плотность в зависимости от высоты в толще воды, вы можете начать с проектирования солнечного пруда. Я не сомневаюсь, что дизайнерам приходилось решать некоторые из тех же проблем, с которыми вы сталкиваетесь.

Я думаю, что есть несколько недоразумений, из-за которых ваш вопрос был довольно неясным.

Я полагаю, что ваши первые 2 вопроса сводятся к следующему: «Есть ли изменение объема между системой пресная вода + кристаллическая соль и раствором»? Конечно, масса постоянна. У меня нет ответа на этот вопрос, но, поставив таким образом, вы сможете его найти.

Вопрос 3 касается диффузии. Найдите закон Фика.

Вопрос 4 интересный. На самом деле это тоже недоразумение, но очень распространенное в гидродинамике. Уравнение

Вопрос, который вы задаете, на самом деле очень сложный, поэтому я дам частичный ответ и несколько указателей, где вы можете узнать больше. Возможно, более продуктивно работать с «частичными молярными объемами», а не с плотностями. В любом случае всегда легко преобразовать парциальные молярные объемы в парциальные плотности. Как правило, парциальный молярный объем частиц A,$v_A(x_A)$, является функцией концентрации частиц A,$x_A$. Для соли и воды, вероятно, можно найти функции, соответствующие экспериментальным данным парциального молярного объема в зависимости от концентрации.

Ключевая идея заключается в том, что частичные молярные величины, такие как частичный молярный объем, всегда связаны отношениями, подобными уравнению Гиббса-Дюгема. Он показывает, как, если вы знаете, как парциальное молярное количество одного компонента смеси зависит от состава смеси, вы можете сделать вывод, как это количество изменяется для другого компонента смеси. Итак, в вашем случае вам нужна только функция для парциального молярного объема соли, и тогда вы сможете использовать уравнение Гиббса-Дюгема, чтобы получить соответствующую функцию для воды.

Хорошим местом, чтобы начать изучать это, был бы учебник физической химии, такой как Аткинс.

Если вы не будете смешивать воду, соль будет медленно растворяться в ней, начиная со дна контейнера. Это даст вам градиент концентрации в контейнере, где самая высокая плотность соответствует пределу растворимости соли при этой температуре на дне контейнера, и плотность уменьшается по мере того, как вы поднимаетесь в контейнере. Для достаточно глубокого контейнера у вас должна быть свежая вода на поверхности в течение определенного времени, но соль будет медленно диффундировать из нижней части контейнера, поэтому я сомневаюсь, что поверхность останется совершенно свежей, пока вы наблюдаете за контейнером в течение длительного времени. периоды. Существует практичное устройство, известное как солнечный пруд.