التشبع الفائق

في الكيمياء الفيزيائية ، تحدث حالة التشبع الفائق في المحلول عندما يتجاوز تركيز المذاب التركيز المحدد بقيمة الذوبانية عند الاتزان . يُستخدم هذا المصطلح عادةً لوصف محلول مادة صلبة في سائل ، ولكنه يُمكن تطبيقه أيضًا على السوائل والغازات المذابة في سائل. يكون المحلول فوق المشبع في حالة شبه مستقرة ؛ إذ يُمكن أن يعود إلى حالة الاتزان بفصل فائض المذاب عن المحلول، أو بتخفيف المحلول بإضافة مذيب، أو بزيادة ذوبانية المذاب في المذيب.

أُجريت دراسات مبكرة لهذه الظاهرة باستخدام كبريتات الصوديوم ، المعروفة أيضًا باسم ملح غلاوبر، نظرًا لانخفاض ذوبان هذا الملح في الماء مع ارتفاع درجة الحرارة بعد 33 درجة مئوية. وقد لخص توملينسون هذه الدراسات المبكرة. ^{[ 1 ]} أظهرت هذه الدراسات أن تبلور المحلول فوق المشبع لا ينتج ببساطة عن تحريكه (كما كان يُعتقد سابقًا)، بل عن دخول مواد صلبة تعمل كموقع "بداية" لتكوّن البلورات، والتي تُسمى الآن "بذورًا" (للمزيد من المعلومات، انظر: التبلور ). وبناءً على ذلك، لفت غاي-لوساك الانتباه إلى حركية أيونات الملح وخصائص الوعاء التي تؤثر على حالة فوق التشبع. كما تمكن من تحديد عدد الأملاح التي يمكن من خلالها الحصول على محلول فوق مشبع. وفي وقت لاحق، توصل هنري لويل إلى استنتاج مفاده أن كلًا من نوى المحلول وجدران الوعاء لهما تأثير محفز على المحلول، مما يؤدي إلى التبلور. لقد تولى البحث العلمي الحديث مهمة شرح هذه الظاهرة وتقديم نموذج لها. وقد ساهم ديزيريه جيرنيز في هذا البحث باكتشافه أن النوى يجب أن تكون من نفس الملح الذي يتم بلورته لتعزيز عملية التبلور.

علاوة على ذلك، في عام 1950، اقترح فيكتور ك. لامير نظرية أخرى للتنوي ، ^{[ 2 ]} وصف فيها تنوي ونمو نوى الكبريت في محلول يوفر فيه تفاعل كيميائي تدفقًا مستمرًا من الكبريت المذاب جزيئيًا. مع ذلك، لا تقتصر هذه النظرية على هذه الحالة المحددة، بل يمكن تعميمها كما هو موضح في مخطط لامير، ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} الوارد في الشكل الثاني من هذا القسم.

في القسم (أ)، يزداد تركيز المذاب خطيًا، حيث يتكون (أو يضاف) إلى المحلول. عند الوصول إلى${\displaystyle c_{L}^{eq}\,\!}$سيصبح المحلول مشبعاً، لكنه لن يبدأ بترسيب المذاب فوراً. بدلاً من ذلك، سيستمر في امتصاصه، ليصبح فوق التشبع.

في القسم (II)، يصل التركيز إلى مستويات التشبع الحرجة،${\displaystyle c_{min}\,\!}$عندما تبدأ بلورات المذاب بالتكوّن، يُخفف ظهور النوى جزئيًا من فرط التشبع، على الأقل بسرعة كافية بحيث ينخفض ​​معدل التكوّن إلى الصفر تقريبًا على الفور. يصل النظام بسرعة إلى حالة توازن بين كمية المذاب المتاحة ومعدل استهلاكه للتكوّن ونموه، مما يُبطئ من زيادة تركيزه. بعد بلوغ الذروة، ينخفض ​​المنحنى نتيجةً لزيادة استهلاك المذاب لنمو النوى، ويعود مرة أخرى إلى المستوى الحرج للتكوّن.${\displaystyle c_{min}\,\!}$وبذلك تنتهي مرحلة التكوين النوي. في ظل الظروف المثلى، حيث يتم إدخال المذاب إلى المحلول بثبات شديد مع الحفاظ على النظام خاليًا من الاضطرابات وبذور التكوين النوي، يُعرَّف الحد الأقصى للتركيز الذي يمكن تحقيقه بهذه الطريقة على النحو التالي:${\displaystyle c_{max}\,\!}$.

في القسم (III)، يصبح فرط التشبع منخفضًا جدًا بحيث لا يمكن تكوّن المزيد من البلورات، وبالتالي لا تتشكل بلورات جديدة. ومع ذلك، نظرًا لأن المحلول لا يزال فوق مشبع، فإن البلورات الموجودة تنمو عن طريق انتشار المذاب . ومع مرور الوقت، يتساوى معدل نمو البلورات مع معدل إمداد المذاب، وبالتالي يتقارب التركيز نحو قيمة التشبع.${\displaystyle c_{L}^{eq}\,\!}$.

عند قياس تركيز مادة مذابة في خليط غازي أو سائل فوق مشبع، من البديهي أن الضغط داخل الخلية قد يكون أعلى من الضغط الجوي المحيط . في هذه الحالة، يجب استخدام خلية قياس متخصصة. ويعتمد اختيار التقنية التحليلية على خصائص المادة المراد تحليلها . ^{[ 15 ]}

تُستخدم خصائص التشبع الفائق في تطبيقات عملية في مجال المستحضرات الصيدلانية . فمن خلال تحضير محلول مشبع فائق لدواء معين، يُمكن تناوله في صورة سائلة. ويمكن الوصول بالدواء إلى حالة التشبع الفائق عبر أي آلية طبيعية، ثم منعه من الترسيب بإضافة مثبطات الترسيب. ^{[ 16 ]} تُعرف الأدوية في هذه الحالة باسم "خدمات توصيل الأدوية المشبعة فائقًا" أو "SDDS". ^{[ 17 ]} يُعد تناول الدواء عن طريق الفم بهذه الصورة بسيطًا، ويسمح بقياس جرعات دقيقة للغاية. كما يوفر وسيلة لتحويل الأدوية ذات الذوبانية المنخفضة جدًا إلى محاليل مائية . ^{[ 18 ] [ 19 ]} بالإضافة إلى ذلك، قد تخضع بعض الأدوية للتشبع الفائق داخل الجسم على الرغم من تناولها في صورة بلورية. ^{[ 20 ]} تُعرف هذه الظاهرة بالتشبع الفائق داخل الجسم الحي .

يُمكن استخدام تحديد المحاليل فائقة التشبع كأداةٍ لعلماء البيئة البحرية لدراسة نشاط الكائنات الحية وتجمعاتها. تُطلق الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي غاز _{الأكسجين} (O2 ) في الماء. وبالتالي، يُمكن اعتبار منطقة المحيط فائقة التشبع بغاز الأكسجين _غنيةً بنشاط التمثيل الضوئي. على الرغم من وجود بعض الأكسجين _بشكل طبيعي في المحيط نتيجةً لخصائصه الفيزيائية والكيميائية البسيطة، إلا أن ما يزيد عن 70% من إجمالي غاز الأكسجين الموجود في المناطق فائقة التشبع يُعزى إلى نشاط التمثيل الضوئي. ^{[ 21 ]}

عادةً ما تحدث حالة التشبع الفائق في الطور البخاري أثناء عملية التمدد عبر فوهات البخار التي تعمل ببخار محمص عند المدخل، والذي يتحول إلى حالة التشبع عند المخرج. ولذلك، يُصبح التشبع الفائق عاملاً هاماً يجب مراعاته في تصميم التوربينات البخارية ، حيث ينتج عنه تدفق كتلي فعلي للبخار عبر الفوهة يزيد بنسبة تتراوح بين 1 و3% عن القيمة المحسوبة نظرياً والمتوقعة في حال خضع البخار المتمدد لعملية كظيمة عكسية عبر حالات التوازن. في هذه الحالات، يحدث التشبع الفائق نتيجة لتطور عملية التمدد بسرعة كبيرة وفي فترة زمنية قصيرة، بحيث لا يستطيع البخار المتمدد الوصول إلى حالة التوازن، فيتصرف كما لو كان محمصاً . لذا، يجب تحديد نسبة التمدد، ذات الصلة بحساب معدل التدفق الكتلي عبر الفوهة، باستخدام معامل تمدد حراري يبلغ حوالي 1.3، كما هو الحال في البخار المحمص، بدلاً من 1.135، وهي القيمة التي يجب استخدامها للتمدد الحراري شبه الساكن في المنطقة المشبعة. ^{[ 22 ]}

تُعدّ دراسة فرط التشبع ذات صلةٍ وثيقةٍ بدراسات الغلاف الجوي. فمنذ أربعينيات القرن العشرين، عُرف وجود فرط التشبع في الغلاف الجوي . وعندما يكون الماء مُفرط التشبع في طبقة التروبوسفير ، يُلاحظ تكوّن شبكات جليدية بشكلٍ متكرر. في حالة التشبع، لا تُشكّل جزيئات الماء جليدًا في ظروف التروبوسفير. ولا يكفي أن تُشكّل جزيئات الماء شبكة جليدية عند ضغوط التشبع؛ بل تحتاج إلى سطحٍ لتتكثّف عليه أو تجمعاتٍ من جزيئات الماء السائل لتتجمد. ولهذه الأسباب، قد تتجاوز الرطوبة النسبية فوق الجليد في الغلاف الجوي 100%، مما يعني حدوث فرط التشبع. ويُعدّ فرط تشبع الماء شائعًا جدًا في طبقات التروبوسفير العليا، حيث يحدث بنسبة تتراوح بين 20% و40% من الوقت. ^{[ 23 ]} ويمكن تحديد ذلك باستخدام بيانات الأقمار الصناعية من جهاز قياس الأشعة تحت الحمراء في الغلاف الجوي . ^{[ 24 ]}