گاز حلشده: دنیای نامرئی درون مایعات
گاز حلشده چیست؟ از تعریف تا مشاهده
وقتی یک قند را در آب میریزید، ذرههای ریز آن از نظر ناپدید میشوند. به این کار حل شدن[4] میگویند. گازها نیز میتوانند به روشی مشابه در مایعات حل شوند. تفاوت اصلی اینجاست که مولکولهای گاز بسیار ریز و پرتحرک هستند و وقتی در مایع حل میشوند، کاملاً با آن یکی میشوند و حبابی تشکیل نمیدهند. به همین دلیل است که شما اکسیژن حلشده در آب دریاچه را نمیبینید، اما ماهیها میتوانند از آن تنفس کنند.
یک آزمایش ساده: یک بطری نوشابه گازدار را در نظر بگیرید. قبل از باز کردن درب بطری، شما حبابهای گاز را به وضوح نمیبینید. این به دلیل فشار بالای داخل بطری است که گاز دیاکسید کربن[5] را مجبور به حلشدن در مایع میکند. به محض باز کردن درب، فشار کاهش مییابد و گاز به شکل حبابهای آشنا آزاد میشود.
چگونه و چقدر؟ عوامل مؤثر بر میزان حلشدگی گاز
میزان گازی که میتواند در یک مایع حل شود، ثابت نیست و به چند عامل مهم بستگی دارد:
| عامل | تأثیر | مثال کاربردی |
|---|---|---|
| فشار[6] | افزایش فشار، حلشدگی گاز را افزایش میدهد. کاهش فشار، حلشدگی را کم میکند و گاز آزاد میشود. | تولید نوشابههای گازدار تحت فشار بالا. درد مفاصل غواصان به دلیل آزاد شدن سریع گازهای حلشده در خون هنگام صعود سریع (بیماری کاهش فشار). |
| دما[7] | افزایش دما، حلشدگی گاز را در مایعات کاهش میدهد (برخلاف جامدات). | حبابهای ریز روی دیوارهی قابلمهی آب قبل از جوشیدن، ناشی از آزاد شدن گازهای حلشده در آب بر اثر گرماست. |
| ماهیت گاز و مایع | برخی گازها در مایعات خاص بهتر حل میشوند. (مثلاً CO2 در آب بهتر از اکسیژن حل میشود). | گیاهان آبی از دیاکسید کربن حلشده در آب برای فتوسنتز[8] استفاده میکنند. |
رابطهٔ بین فشار و مقدار گاز حلشده در یک مایع، در دمای ثابت، توسط قانون هنری توصیف میشود. این قانون به زبان ساده میگوید:
در این فرمول:
$ C $ : غلظت گاز حلشده در مایع.
$ k_H $ : ثابت قانون هنری (وابسته به گاز، مایع و دما).
$ P $ : فشار جزئی[9] گاز در تماس با مایع.
یعنی هر چه فشار گاز بیشتر باشد، مقدار بیشتری از آن در مایع حل میشود. این رابطه خطی است.
از تنفس زیر آب تا نوشیدنی گازدار: کاربردهای گاز حلشده
پدیدهٔ گاز حلشده تنها یک موضوع کتابدرسی نیست؛ بلکه پایهٔ بسیاری از فرآیندهای طبیعی و فناوریهای انسانساخت است.
در طبیعت: حیات در اقیانوسها و رودخانهها وابسته به اکسیژن حلشده در آب است. آبشش[10] ماهیها طوری طراحی شده که میتواند این اکسیژن نامرئی را از آب بگیرد و دیاکسید کربن را به آب پس بدهد. همچنین، افزایش دیاکسید کربن حلشده در آب دریاها (اسیدی شدن اقیانوس) یکی از پیامدهای تغییرات آبوهوایی است که زندگی مرجانها را تهدید میکند.
در صنعت و زندگی روزمره:
تولید نوشابه و آبمعدنی گازدار : تزریق CO2 تحت فشار.
تصفیهٔ آب : از هوادهی برای افزودن اکسیژن و حذف گازهای بدبو استفاده میشود.
اکسیژنرسانی پزشکی : در دستگاههای کمک تنفسی، غلظت اکسیژن حلشده در خون بیمار افزایش مییابد.
جوشکاری و فلزکاری : از گازهای محافظ مثل آرگون[11] حلشده در فلز مذاب برای جلوگیری از اکسید شدن استفاده میکنند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. در همزدن شیر و کاکائو، شما ذرات جامد کاکائو را در مایع پخش میکنید که ممکن است بعد از مدتی دوباره تهنشین شود (سوسپانسیون[12]). اما حل شدن گاز یک فرآیند در سطح مولکولی است که مخلوطی پایدار و یکنواخت (محلول[13]) ایجاد میکند و به راحتی جدا نمیشود مگر با تغییر شرایط (مثل کاهش فشار).
پاسخ: چرا، گاز قبلاً به صورت حلشده در نوشابه وجود داشت. با باز کردن درب، فشار روی مایع ناگهان کم میشود (به فشار هوای معمولی میرسد). طبق قانون هنری، با کاهش فشار، ظرفیت مایع برای نگهداری گاز حلشده کم میشود و گاز اضافی به شکل حباب آزاد میگردد.
پاسخ: به طور کلی بله، افزایش دما جنبش مولکولها را بیشتر کرده و تمایل گازهای حلشده برای خروج از مایع و ورود به فاز گازی افزایش مییابد. این اصل در فرآیند «گرفتن گاز» از آب در صنایع شیمیایی و نیز در پدیدهٔ «کمآبی» در آبگرمکنها استفاده میشود.
پاورقی
[1] حلشوندگی (Solubility): توانایی یک ماده (حلشونده) برای حل شدن در مادهای دیگر (حلّال) و تشکیل یک محلول یکنواخت.
[2] حباب (Bubble): یک جیب گازی که در داخل یک مایع یا جامد محبوس شده و معمولاً مرز مشخصی با آن دارد.
[3] قانون هنری (Henry's Law): قانونی که رابطهٔ خطی بین فشار جزئی یک گاز در تماس با مایع و غلظت آن گاز در مایع را در دمای ثابت بیان میکند.
[4] حل شدن (Dissolution): فرآیند فیزیکی مخلوط شدن یک ماده (حلشونده) در یک حلال و تشکیل محلول.
[5] دیاکسید کربن (Carbon Dioxide): گازی بیرنگ با فرمول شیمیایی CO2.
[6] فشار (Pressure): نیروی وارد بر واحد سطح.
[7] دما (Temperature): معیاری برای سنجش گرمای یک جسم یا محیط.
[8] فتوسنتز (Photosynthesis): فرآیندی که در آن گیاهان با استفاده از نور خورشید، آب و دیاکسید کربن، غذا (گلوکز) و اکسیژن تولید میکنند.
[9] فشار جزئی (Partial Pressure): فشاری که یک گاز در یک مخلوط گازی، اگر به تنهایی تمام حجم را اشغال کند، اعمال میکرد.
[10] آبشش (Gill): اندام تنفسی بسیاری از آبزیان برای استخراج اکسیژن حلشده در آب.
[11] آرگون (Argon): گازی نجیب، بیرنگ و بیبو که در اتمسفر زمین وجود دارد. نماد شیمیایی: Ar.
[12] سوسپانسیون (Suspension): مخلوط ناهمگنی از ذرات جامد در یک مایع که پس از مدتی تهنشین میشوند.
[13] محلول (Solution): مخلوط همگن و پایدار یک یا چند ماده (حلشونده) در یک حلال.
