अतिसंतृप्ति

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भौतिक रसायन विज्ञान में, समाधान (रसायन विज्ञान) के साथ अतिसंतृप्ति तब होती है जब विलेय की सांद्रता [[घुलनशीलता संतुलन]] पर घुलनशीलता के मान द्वारा निर्दिष्ट एकाग्रता से अधिक हो जाती है। आमतौर पर यह शब्द किसी तरल पदार्थ में ठोस के विलयन के लिए प्रयुक्त होता है। एक अतिसंतृप्त विलयन मेटास्टेबल अवस्था में होता है; विलयन से पृथक्करण प्रक्रिया के लिए विलेय की अधिकता को बल देकर इसे संतुलन में लाया जा सकता है। शब्द गैसों के मिश्रण पर भी लागू किया जा सकता है।

इतिहास

ना की घुलनशीलता2इसलिए4 तापमान के एक समारोह के रूप में पानी में।

घटना के शुरुआती अध्ययन सोडियम सल्फेट के साथ किए गए, जिसे ग्लौबर के नमक के रूप में भी जाना जाता है, क्योंकि असामान्य रूप से, पानी में इस नमक की घुलनशीलता बढ़ते तापमान के साथ कम हो सकती है। प्रारंभिक अध्ययनों को टॉमलिंसन द्वारा संक्षेपित किया गया है।[1] यह दिखाया गया था कि एक सुपरसैचुरेटेड घोल का क्रिस्टलीकरण केवल उसके आंदोलन (पिछली मान्यता) से नहीं होता है, बल्कि ठोस पदार्थ में प्रवेश करने और क्रिस्टल बनाने के लिए एक प्रारंभिक साइट के रूप में कार्य करने से होता है, जिसे अब बीज कहा जाता है। इस पर विस्तार करते हुए, जोसेफ लुइस गे-लुसाक|गे-लुसाक ने नमक आयनों की गतिकी और कंटेनर की विशेषताओं पर ध्यान आकर्षित किया, जो सुपरसैचुरेशन स्थिति पर प्रभाव डालते हैं। वह उन लवणों की संख्या का विस्तार करने में भी सक्षम थे जिनके साथ एक अतिसंतृप्त विलयन प्राप्त किया जा सकता है। बाद में हेनरी लोवेल इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि समाधान के नाभिक और कंटेनर की दीवारों दोनों का समाधान पर उत्प्रेरित प्रभाव पड़ता है जो क्रिस्टलीकरण का कारण बनता है। इस घटना के लिए एक मॉडल की व्याख्या करना और प्रदान करना हाल के शोधों द्वारा लिया गया कार्य है। Désiré Gernez ने इस शोध में यह खोज कर योगदान दिया कि नाभिक उसी नमक का होना चाहिए जिसे क्रिस्टलीकरण को बढ़ावा देने के लिए क्रिस्टलीकृत किया जा रहा है।

घटना और उदाहरण

ठोस वेग, तरल विलायक

जब संतृप्त विलयन का तापमान बदल दिया जाता है तो एक तरल में एक रासायनिक यौगिक का विलयन अतिसंतृप्त हो जाएगा। ज्यादातर मामलों में घटते तापमान के साथ घुलनशीलता कम हो जाती है; ऐसे मामलों में विलेय की अधिकता तेजी से क्रिस्टल या अनाकार पाउडर के रूप में विलयन से अलग हो जाएगी।[2][3][4] कुछ मामलों में विपरीत प्रभाव होता है। पानी में सोडियम सल्फ़ेट का उदाहरण सर्वविदित है और यही कारण है कि घुलनशीलता के प्रारंभिक अध्ययन में इसका उपयोग किया गया था।

पुनर्संरचना (रसायन विज्ञान)[5][6] रासायनिक यौगिकों को शुद्ध करने के लिए उपयोग की जाने वाली एक प्रक्रिया है। अशुद्ध यौगिक और विलायक के मिश्रण को तब तक गर्म किया जाता है जब तक कि यौगिक घुल न जाए। यदि कुछ ठोस अशुद्धता शेष रह जाती है तो उसे छानकर निकाल दिया जाता है। जब समाधान के तापमान को बाद में कम किया जाता है तो यह संक्षिप्त रूप से सुपरसैचुरेटेड हो जाता है और फिर कम तापमान पर रासायनिक संतुलन प्राप्त होने तक यौगिक क्रिस्टलीकृत हो जाता है। सतह पर तैरनेवाला तरल में अशुद्धियाँ रहती हैं। कुछ मामलों में क्रिस्टल जल्दी नहीं बनते हैं और समाधान ठंडा होने के बाद सुपरसैचुरेटेड रहता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि एक तरल माध्यम में एक क्रिस्टल के गठन के लिए थर्मोडायनामिक बाधा है। आमतौर पर इसे सुपरसैचुरेटेड घोल में विलेय यौगिक के एक छोटे क्रिस्टल को जोड़कर दूर किया जाता है, इस प्रक्रिया को सीडिंग के रूप में जाना जाता है। आम उपयोग में आने वाली एक अन्य प्रक्रिया है एक कांच के बर्तन के किनारे पर एक छड़ को रगड़ना जिसमें सूक्ष्म कांच के कण निकलते हैं जो न्यूक्लिएशन केंद्रों के रूप में कार्य कर सकते हैं। उद्योग में, सतह पर तैरने वाले तरल से क्रिस्टल को अलग करने के लिए centrifugation का उपयोग किया जाता है।

यौगिकों के कुछ यौगिक और मिश्रण लंबे समय तक रहने वाले सुपरसैचुरेटेड समाधान बना सकते हैं। कार्बोहाइड्रेट ऐसे यौगिकों का एक वर्ग है; विलायक, पानी के साथ व्यापक और अनियमित हाइड्रोजन बंधन के कारण क्रिस्टल के गठन के लिए थर्मोडायनामिक बाधा अपेक्षाकृत अधिक है। उदाहरण के लिए, हालांकि सुक्रोज को आसानी से पुन: क्रिस्टलीकृत किया जा सकता है, इसका हाइड्रोलिसिस उत्पाद, जिसे उलटा चीनी सिरप या गोल्डन सिरप के रूप में जाना जाता है, ग्लूकोज और फ्रुक्टोज का मिश्रण होता है जो चिपचिपा, सुपरसैचुरेटेड, तरल के रूप में मौजूद होता है। साफ़ शहद में कार्बोहाइड्रेट होते हैं जो कुछ हफ़्तों में क्रिस्टलीकृत हो सकते हैं।

प्रोटीन को क्रिस्टलाइज करने का प्रयास करते समय सुपरसेटेशन का सामना करना पड़ सकता है।[7]


गैसीय विलेय, तरल विलायक

गैस के बढ़ते दबाव के साथ एक तरल में गैस की घुलनशीलता बढ़ जाती है। जब बाहरी दबाव कम हो जाता है, तो अतिरिक्त गैस विलयन से बाहर आ जाती है।

फ़िज़ी पेय दबाव में तरल को कार्बन डाईऑक्साइड के अधीन करके बनाया जाता है। शैंपेन में CO2 किण्वन के अंतिम चरण में स्वाभाविक रूप से उत्पादित होता है। जब बोतल या डिब्बे को खोला जाता है तो कुछ गैस बुलबुले के रूप में निकलती है।

रक्तप्रवाह से गैस के निकलने से गहरे समुद्र में गोताखोर सतह पर लौटने पर विसंपीडन बीमारी (उर्फ द बेंड्स) से पीड़ित हो सकता है। यह घातक हो सकता है अगर जारी गैस दिल में प्रवेश करती है।[8] हड़ताल किए जाने पर तेल की खोज के दौरान घुलित गैसों को छोड़ा जा सकता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि तेल-असर वाली चट्टान में तेल ऊपर की चट्टान से काफी दबाव में होता है, जिससे तेल घुलित गैसों के संबंध में सुपरसैचुरेटेड हो जाता है।

गैसों के मिश्रण से द्रव का निर्माण

बादल फटना पृथ्वी के वातावरण में हवा और जल वाष्प के अतिसंतृप्त मिश्रण से तरल पानी के उत्पादन का चरम रूप है। वाष्प चरण में अधिसंतृप्ति सतह तनाव # केल्विन समीकरण, गिब्स-थॉमसन प्रभाव और पॉयंटिंग प्रभाव # रसायन विज्ञान और ऊष्मप्रवैगिकी के माध्यम से तरल पदार्थ के वाष्प दबाव पर कण आकार के प्रभाव से संबंधित है।[9] पानी और भाप के गुणों के लिए इंटरनेशनल एसोसिएशन (IAPWS) जल और भाप के थर्मोडायनामिक गुणों के लिए IAPWS औद्योगिक सूत्रीकरण 1997 पर अपनी संशोधित रिलीज़ में पानी के मेटास्टेबल-वाष्प क्षेत्र में गिब्स मुक्त ऊर्जा के लिए एक विशेष समीकरण प्रदान करता है। पानी के मेटास्टेबल-वाष्प क्षेत्र के लिए सभी थर्मोडायनामिक गुणों को गिब्स मुक्त ऊर्जा के लिए थर्मोडायनामिक गुणों के उपयुक्त संबंधों के माध्यम से इस समीकरण से प्राप्त किया जा सकता है।[10]


माप

सुपरसैचुरेटेड गैसीय या तरल मिश्रण में विलेय की सांद्रता को मापते समय यह स्पष्ट है कि क्युवेट के अंदर का दबाव परिवेश के दबाव से अधिक हो सकता है। जब ऐसा हो तो एक विशेष क्युवेट का उपयोग किया जाना चाहिए। उपयोग करने के लिए विश्लेषणात्मक रसायन शास्त्र का चुनाव विश्लेषण की विशेषताओं पर निर्भर करेगा।[11]


अनुप्रयोग

सुपरसेटेशन की विशेषताओं में दवाइयों के संदर्भ में व्यावहारिक अनुप्रयोग हैं। एक निश्चित दवा का सुपरसैचुरेटेड घोल बनाकर इसे तरल रूप में लिया जा सकता है। दवा को किसी भी सामान्य तंत्र के माध्यम से सुपरसैचुरेटेड अवस्था में संचालित किया जा सकता है और फिर अवक्षेपण अवरोधकों को जोड़कर बाहर निकलने से रोका जा सकता है।[12] इस स्थिति में दवाओं को सुपरसेटरेटिंग दवा वितरण सेवाओं या एसडीडीएस के रूप में संदर्भित किया जाता है।[13] इस रूप में एक दवा की मौखिक खपत सरल है और बहुत सटीक खुराक के मापन की अनुमति देती है। मुख्य रूप से, यह बहुत कम घुलनशीलता वाली दवाओं को जलीय घोल में बनाने के लिए एक साधन प्रदान करता है।[14][15] इसके अलावा, कुछ दवाएं क्रिस्टलीय रूप में अंतर्ग्रहण होने के बावजूद शरीर के अंदर सुपरसेटरेशन से गुजर सकती हैं।[16] इस घटना विवो सुपरसेटेशन में के रूप में जाना जाता है।

जीवों और आबादी की गतिविधि का अध्ययन करने के लिए समुद्री पारिस्थितिकीविदों के लिए सुपरसैचुरेटेड समाधानों की पहचान को एक उपकरण के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। प्रकाश संश्लेषक जीव O₂|O छोड़ते हैं2पानी में गैस. इस प्रकार, ओ के साथ महासागर का एक क्षेत्र सुपरसैचुरेटेड है2 प्रकाश संश्लेषक गतिविधि से समृद्ध होने के लिए गैस की संभावना निर्धारित की जा सकती है। हालांकि कुछ ओ2 सरल भौतिक रासायनिक गुणों के कारण स्वाभाविक रूप से समुद्र में पाया जाएगा, सुपरसैचुरेटेड क्षेत्रों में पाई जाने वाली सभी ऑक्सीजन गैस का 70% से ऊपर प्रकाश संश्लेषक गतिविधि के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है।[17] वाष्प चरण में सुपरसैचुरेशन आमतौर पर भाप नलिका के माध्यम से विस्तार प्रक्रिया में मौजूद होता है जो इनलेट पर सुपरहीट स्टीम के साथ संचालित होता है, जो आउटलेट पर संतृप्त अवस्था में परिवर्तित हो जाता है। इस प्रकार भाप टर्बाइनों के डिजाइन में ध्यान में रखा जाने वाला सुपरसेटरेशन एक महत्वपूर्ण कारक बन जाता है, क्योंकि इसके परिणामस्वरूप नोक के माध्यम से भाप का वास्तविक द्रव्यमान प्रवाह सैद्धांतिक रूप से गणना किए गए मूल्य से लगभग 1 से 3% अधिक होता है, जो विस्तार होने पर अपेक्षित होगा। भाप संतुलन अवस्थाओं के माध्यम से एक प्रतिवर्ती रुद्धोष्म प्रक्रिया से गुजरती है। इन मामलों में सुपरसेटेशन इस तथ्य के कारण होता है कि विस्तार प्रक्रिया इतनी तेजी से और इतने कम समय में विकसित होती है, कि विस्तार वाष्प प्रक्रिया में अपनी संतुलन स्थिति तक नहीं पहुंच सकता है, ऐसा व्यवहार करना जैसे कि यह अतितापित भाप हो। इसलिए विस्तार अनुपात का निर्धारण, जो नोजल के माध्यम से द्रव्यमान प्रवाह की गणना के लिए प्रासंगिक है, लगभग 1.3 के ताप क्षमता अनुपात का उपयोग करके किया जाना चाहिए, जैसे 1.135 के बजाय सुपरहिट स्टीम का, जो कि मूल्य होना चाहिए संतृप्त क्षेत्र में अर्ध-स्थैतिक एडियाबेटिक विस्तार के लिए उपयोग किया जाना है।[18] अधिसंतृप्ति का अध्ययन वायुमंडलीय अध्ययन के लिए भी प्रासंगिक है। 1940 के दशक से, वातावरण में अतिसंतृप्ति की उपस्थिति ज्ञात है। जब पानी क्षोभमंडल में सुपरसैचुरेटेड होता है, तो बर्फ की जाली का निर्माण अक्सर देखा जाता है। संतृप्ति की स्थिति में, पानी के कण क्षोभमंडलीय परिस्थितियों में बर्फ नहीं बनाएंगे। पानी के अणुओं के लिए संतृप्ति दबावों पर बर्फ की जाली बनाने के लिए पर्याप्त नहीं है; उन्हें जमने के लिए पानी के तरल पानी के अणुओं के संघनन या समूहन के लिए एक सतह की आवश्यकता होती है। इन कारणों से, वातावरण में बर्फ के ऊपर सापेक्ष आर्द्रता 100% से ऊपर पाई जा सकती है, जिसका अर्थ है कि अतिसंतृप्ति हो गई है। ऊपरी क्षोभमंडल में पानी का अतिसंतृप्तीकरण वास्तव में बहुत आम है, जो समय के 20% और 40% के बीच होता है।[19] यह वायुमंडलीय इन्फ्रारेड साउंडर से उपग्रह डेटा का उपयोग करके निर्धारित किया जा सकता है।[20]


संदर्भ

  1. ↑ Tomlinson, Charles (1868-01-01). "सुपरसैचुरेटेड सेलाइन सॉल्यूशंस पर". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 158: 659–673. doi:10.1098/rstl.1868.0028. ISSN 0261-0523. S2CID 110079029.
  2. ↑ Linnikov, O. D. (2014). "सुपरसैचुरेटेड जलीय घोल से सहज क्रिस्टलीकरण के दौरान अवक्षेपण की क्रियाविधि". Russian Chemical Reviews. 83 (4): 343–364. Bibcode:2014RuCRv..83..343L. doi:10.1070/rc2014v083n04abeh004399. S2CID 95096197.
  3. ↑ Coquerel, Gérard (2014-03-10). "Crystallization of molecular systems from solution: phase diagrams, supersaturation and other basic concepts". Chemical Society Reviews. 43 (7): 2286–2300. doi:10.1039/c3cs60359h. PMID 24457270. S2CID 205855877.
  4. ↑ Kareiva, Aivaras; Yang, Jen-Chang; Yang, Thomas Chung-Kuang; Yang, Sung-Wei; Gross, Karlis-Agris; Garskaite, Edita (2014-04-15). "कार्बोनेटेड कैल्शियम हाइड्रॉक्सीपैटाइट (CHAP) के क्रिस्टलीयता और संरचना पर प्रसंस्करण स्थितियों का प्रभाव". CrystEngComm. 16 (19): 3950–3959. doi:10.1039/c4ce00119b.
  5. ↑ Mullin, J. (1976). Mullin, J. W (ed.). औद्योगिक क्रिस्टलीकरण. Springer. doi:10.1007/978-1-4615-7258-9. ISBN 978-1-4615-7260-2.
  6. ↑ Takiyama, Hiroshi (May 2012). "समाधान क्रिस्टलीकरण में क्रिस्टलीय कणों के गुणवत्ता नियंत्रण के लिए सुपरसेट्रेशन ऑपरेशन". Advanced Powder Technology. 23 (3): 273–278. doi:10.1016/j.apt.2012.04.009.
  7. ↑ "1 प्रोटीन क्रिस्टलीकरण का परिचय". www.xray.bioc.cam.ac.uk. Retrieved 2015-04-21.
  8. ↑ Conkin, Johnny; Norcross, Jason R.; Wessel, James H. III; Abercromby, Andrew F. J.; Klein, Jill S.; Dervay, Joseph P.; Gernhardt, Michael L. Evidence Report: Risk of Decompression Sickness (DCS). Human Research Program Human Health Countermeasures Element (Report). Houston, Texas: National Aeronautics and Space Administration.
  9. ↑ George N. Hatsopoulos & Joseph H. Keenan (1965), Principles of General Thermodynamics - John Wiley & Sons, Inc., New York, London, Sydney. Chapter 28, pages 303-309
  10. ↑ Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam, IAPWS R7-97(2012) [1]
  11. ↑ Löffelmann, M.; Mersmann, A. (October 2002). "How to measure supersaturation?". Chemical Engineering Science. 57 (20): 4301–4310. doi:10.1016/S0009-2509(02)00347-0.
  12. ↑ Bevernage, Jan; Brouwers, Joachim; Brewster, Marcus E.; Augustijns, Patrick (2013). "Evaluation of gastrointestinal drug supersaturation and precipitation: Strategies and issues". International Journal of Pharmaceutics. 453 (1): 25–35. doi:10.1016/j.ijpharm.2012.11.026. PMID 23194883.
  13. ↑ Brouwers, Joachim; Brewster, Marcus E.; Augustijns, Patrick (Aug 2009). "Supersaturating drug delivery systems: the answer to solubility-limited oral bioavailability?". Journal of Pharmaceutical Sciences. 98 (8): 2549–2572. doi:10.1002/jps.21650. ISSN 1520-6017. PMID 19373886.
  14. ↑ Augustijns (2011). "Supersaturating drug delivery systems: Fast is not necessarily good enough". Journal of Pharmaceutical Sciences. 101 (1): 7–9. doi:10.1002/jps.22750. PMID 21953470.
  15. ↑ "Gas Dissolving Method" CA Patent 1320934 - Fitzpatrick, Nicholas; John Kuzniarski (3 August 1993) Retrieved 2009-11-15
  16. ↑ Hsieh, Yi-Ling; Ilevbare, Grace A.; Van Eerdenbrugh, Bernard; Box, Karl J.; Sanchez-Felix, Manuel Vincente; Taylor, Lynne S. (2012-05-12). "pH-Induced Precipitation Behavior of Weakly Basic Compounds: Determination of Extent and Duration of Supersaturation Using Potentiometric Titration and Correlation to Solid State Properties". Pharmaceutical Research. 29 (10): 2738–2753. doi:10.1007/s11095-012-0759-8. ISSN 0724-8741. PMID 22580905. S2CID 15502736.
  17. ↑ Craig, H.; Hayward, T. (Jan 9, 1987). "Oxygen supersaturation in the ocean: biological versus physical contributions". Science. 235 (4785): 199–202. Bibcode:1987Sci...235..199C. doi:10.1126/science.235.4785.199. ISSN 0036-8075. PMID 17778634. S2CID 40425548.
  18. ↑ William Johnston Kearton (1931),Steam Turbine Theory and Practice – A Textbook for Engineering Students - Pitman, New York, Chicago. Chapter V, "The flow of steam through nozzles", pages 90 to 99
  19. ↑ Gettelman, A.; Kinnison, D. E. (2007). "एक युग्मित रसायन विज्ञान-जलवायु मॉडल में सुपरसेटेशन का वैश्विक प्रभाव" (PDF). Atmospheric Chemistry and Physics. 7 (6): 1629–1643. Bibcode:2007ACP.....7.1629G. doi:10.5194/acp-7-1629-2007.
  20. ↑ Gettelman, Andrew; Fetzer, Eric J.; Eldering, Annmarie; Irion, Fredrick W. (2006). "वायुमंडलीय इन्फ्रारेड साउंडर से ऊपरी क्षोभमंडल में सुपरसेटेशन का वैश्विक वितरण". Journal of Climate. 19 (23): 6089. Bibcode:2006JCli...19.6089G. doi:10.1175/JCLI3955.1.
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