Мне было интересно, как на самом деле можно рассчитать, сколько кислорода растворится в воде при необходимых начальных условиях и какими должны быть эти начальные условия. Я предполагаю, что это будет давление и первоначальная концентрация, но я действительно не знаю, куда я пойду дальше. Очевидно, что воздух и вода имеют разную концентрацию газов и жидкостей, несмотря на то, что они находились в контакте тысячи лет. И когда кислород попадает в воду, считается ли он газообразным? Я предполагаю, что это так, но почему он называется газообразным — какое его качество делает его газом, несмотря на то, что он окружен жидкостью?
Воздух представляет собой смесь газов, и концентрация кислорода, растворенного в растворе (в воде), пропорциональна парциальному давлению кислорода в воздухе. Закон Рауля гласит: Давление паров идеального раствора напрямую зависит от давления паров каждого химического компонента и мольной доли компонента, присутствующего в растворе.
1) Рассчитать свободную энергию Гиббса для (в принципе, по квантовой механике и статистической механике)
(g, l и aq обозначают газ, жидкость и водный раствор)
2) Используя уравнение изотермы реакции (связанное со ссылкой 4), чтобы получить константу равновесия , ,
3) Введите начальное давление и концентрацию в уравнение, связанное с константой равновесия. например для
Могут быть доступны экспериментальные данные для свободной энергии Гиббса и константы равновесия на этапах 1 и 2.
В воде газ находится в водном состоянии, потому что молекулы газа взаимодействуют с молекулами. При равновесии концентрации газа в воде и над водой различны, причем соотношение является константой закона Генри.
Посетите http://en.wikipedia.org/wiki/Henry 's_law для получения списка констант.
Наиболее аномальной константой является CO2, содержание которого в воздухе составляет 1/500 от количества O2, а в воде оно составляет 50/1. это связано с тем, что CO2 на самом деле способен химически реагировать с водой. Конечно, это частный случай, но для других молекул газа доминирующими силами являются полярные или ван-дер-ваальсовы силы.
Молекулы O2 имеют две свободные электронные пары для межмолекулярных взаимодействий, тогда как N2 имеют только одну пару. Электронная плотность является ключевым фактором в силах ВдВ, поэтому по этой причине O2 и N2 имеют одинаковые равновесные концентрации в воде, несмотря на то, что N2 составляет 4/1 в атмосферном изобилии / парциальном давлении.
Ну, вы бы не столько «вычисляли», сколько измеряли. У вас будет немного воды, вы измените парциальное давление O2 над ней и измерите, сколько растворяется. Тогда у вас будет диаграмма, на которой вы сможете рассчитать химический потенциал O2 в воде в зависимости от парциального давления, коэффициента закона Генри и т.д.
Можно попробовать сделать симуляцию. Например, симуляция Монте-Карло. Проблема здесь в том, что вам понадобится очень точная и очень дешевая модель энергии. И тогда вам придется как следует поработать с самой симуляцией.
Наконец, есть некоторые вещи, которые можно вывести аналитически. Например, что O2 будет покидать раствор при повышении температуры, или что гидрофобная жидкость (например, перфторированные алканы) может растворять больше O2.
порфирин