Кіріспе

Дұрыс күйде ерігеннен артық еріген затты қамтитын ерітіндінің жағдайы. Физикалық химияда, ерітіндідегі еріген заттың концентрациясы тепе-теңдіктегі ерігіштік шамасымен анықталған концентрациядан асып кеткенде суперқанығу пайда болады. Көбінесе бұл термин сұйықтағы қатты заттың ерітіндісіне қолданылады, бірақ оны сұйықта еріген сұйықтықтар мен газдарға да қолдануға болады. Суперқаныққан ерітінді – метатұрақ күйде болады; ерітіндіден артық еріген затты бөліп шығару арқылы, ерітіндіге қосымша еріткіш қосу арқылы немесе еріткіште еріген заттың ерігіштігін арттыру арқылы тепе-теңдікке оралуы мүмкін.

Тарих

Бұл құбылысты зерттеудің алғашқы кезеңдері натрий сульфатымен, сондай-ақ Глаубер тұзы деп те аталатын затпен жүргізілді, себебі бұл тұздың судағы ерігіштігі температураның жоғарылауымен азаюы мүмкін. Алғашқы зерттеулерді Томлинсон жинақтаған. Жоғары қаныққан ерітіндінің кристалдануы бұрынғы сенімге сәйкес, оны қоздыру арқылы ғана емес, қатты заттың енуінен және кристаллдардың пайда болуы үшін "бастапқы" орын ретінде әрекет етуінен, қазір "тұқымдар" деп аталатын нәрседен туындайтыны көрсетілді. Осыған тоқталған Гей-Луссак тұз иондарының кинематикасына және суперқанығу күйіне ықпал ететін ыдыстың ерекшеліктеріне назар аударды. Ол сондай-ақ суперқаныққан ерітінді алуға болатын тұздардың тізімін кеңейтті. Кейін Анри Лёвел ерітіндінің ядролары мен ыдыс қабырғаларының екеуі де кристалдану процесін жеделдететін катализаторлық әсерге ие екенін анықтады. Бұл құбылысты түсіндіру және оған модель жасау соңғы зерттеулердің мақсаты болды. Дезире Гернес кристалдануды ынталандыру үшін ядролар кристалданып жатқан тұздың құрамында болуы керек екенін ашып, осы зерттеуге үлес қосты.

Қатты тұнба, сұйық еріткіш

Сұйықтағы химиялық қосылыстың ерітіндісі, қаныққан ерітіндінің температурасы өзгерген кезде аса қаныққан күйге жетеді. Көп жағдайда ерігіштік температура төмендеген сайын азаяды; мұндай жағдайларда еріген заттың артық мөлшері ерітіндіден кристаллдар немесе аморфты ұнтақ түрінде жылдам бөлінеді. Алайда, кейбір жағдайларда керісінше әсер байқалады. Судағы натрий сульфатының мысалы кеңінен белгілі және осы себепті ол ерігіштіктің алғашқы зерттеулерінде қолданылған. Рекристалдану – химиялық қосылыстарды тазартуға қолданылатын процесс. Таза емес қосылыс пен еріткіш қоспасы қосылыс толығымен ерігенше қыздырылады. Егер қатты қоспа қалса, ол сүзіліп алынады. Ерітіндінің температурасы төмендетілген кезде ол қысқа ғана уақытқа аса қаныққан күйге жетеді, содан кейін қосылыс төмен температурада химиялық тепе-теңдік орнағанша кристалданады. Қоспалар ерітіндінің үстіңгі қабатында қалады. Кейде кристалдар тез пайда болмайды және ерітінді суытылғаннан кейін де аса қаныққан күйінде қалады. Бұл сұйық ортада кристаллдың пайда болуына термодинамикалық кедергінің болуына байланысты. Әдетте, бұл "тұқым себу" деп аталатын процесс арқылы, аса қаныққан ерітіндіге еріген қосылыстың кішкентай кристаллын қосу арқылы жеңіледі. Тағы бір жиі қолданылатын әдіс – ерітіндісі бар шыны ыдыстың қабырғасына таяқты сүртіп, микроскопиялық шыны бөлшектерді босату, олар кристалдану орталықтары ретінде қызмет ете алады. Өнеркәсіпте кристалдарды ерітіндінің үстіңгі қабатынан бөлу үшін центрифуга қолданылады. Кейбір қосылыстар мен қосылыстар қоспалары ұзақ сақталатын аса қаныққан ерітінділерді құрауы мүмкін. Көмірсулар – осындай қосылыстардың бір класы; кристаллдардың пайда болуына термодинамикалық кедергі өте жоғары, себебі олар су еріткішімен кең және нашар реттелген сутекті байланыстарға түседі. Мысалы, сахарозаны қайта кристалдау оңай болса да, оның гидролиз өнімі, "инвертті қант" немесе "алтын сироп" деп аталатын глюкоза мен фруктоза қоспасы тұтқыр, аса қаныққан сұйықтық түрінде болады. Таза балдың құрамында бірнеше апта бойы кристалдануға болатын көмірсулар бар. Ақуызды кристалдауға тырысқанда аса қанығушылыққа тап болуы мүмкін.

Газды еріген зат, сұйық еріткіш

Сұйықтағы газдың ерігіштігі газ қысымының артуымен бірге артады. Сыртқы қысым төмендегенде, артық газ ерітіндіден шығады. Газды сусындар сұйықтықты көмірқышқыл газының қысымымен қаптау арқылы жасалады. Шампан шарабында СО2 айналудың соңғы сатысында табиғи түрде пайда болады. Бөтелке немесе банка ашылғанда, газдың бір бөлігі көпіршіктер түрінде шығарылады. Қаныққан тіндерден газдың шығуы су астындағы адамның су бетіне көтерілгенде декомпрессиялық ауруға (немесе «бұрылыстарға») шалдығуына себеп болуы мүмкін. Бұл газ маңызды қан тамырларын бітеп, тірілген тіндерде қан ағымын тоқтатса, өлімге әкелуі мүмкін. Мұнайды іздеу кезінде еріген газдар шығарылуы мүмкін. Бұл мұнайлы тау жыныстарындағы мұнайдың үстіндегі тау жыныстарының қысымынан туындайды, бұл мұнайдың еріген газдарға қатысты аса қанығуына мүмкіндік береді.

Газ қоспасынан сұйықтық түзілуі

Бұлт жарылуы – атмосферадағы ауа мен су буының қаныққан қоспасынан сұйық судың өндірілімінің ең жоғары деңгейі. Бу фазасындағы қаныққандық деңгейі, Кельвин теңдеуі, Гиббс-Томсон эффектісі және Пойнтинг эффектісі арқылы сұйықтардың беттік кернеуімен байланысты. Су мен будың қасиеттерін зерттейтін Халықаралық қауымдастық (IAPWS), су мен будың термодинамикалық қасиеттері жөніндегі IAPWS 1997 жылғы өндірістік формуласының қайта қаралуында судың тұрақсыз бу аймағындағы Гиббс еркін энергиясы үшін арнайы теңдеу ұсынады. Судың тұрақсыз бу аймағының барлық термодинамикалық қасиеттерін осы теңдеуден, термодинамикалық қасиеттердің Гиббс еркін энергиясына қатысты тиісті байланыстар арқылы алуға болады.

Өлшем

Өте қаныққан газды немесе сұйық қоспадағы ерітіндінің концентрациясын өлшегенде, куветка ішіндегі қысым сыртқы қысымнан артық болуы мүмкін екені белгілі. Мұндай жағдайда, арнайы куветті пайдалану қажет. Қолданылатын талдау әдісінің таңдалуы, зерттелетін заттың қасиеттеріне байланысты болады.

Қолданбалар

Суперқанығу сипаттамаларының фармацевтикалық заттарға қатысты практикалық қолданыстары бар. Белгілі бір дәрі-дәрмектің суперқаныққан ерітіндісін жасау арқылы оны сұйық түрінде қабылдауға болады. Дәрі-дәрмек кез келген қалыпты механизм арқылы суперқаныққан күйге жеткізілуі мүмкін, содан кейін тұнбалаудан сақтап қалу үшін тұнбалау тежегіштері қосылады. Осы күйдегі дәрі-дәрмектер "суперқанықтандыратын дәрі жеткізу қызметтері" немесе "SDDS" деп аталады. Дәріні ауызша қабылдау оңай және өте дәл дозаларды өлшеуге мүмкіндік береді. Ең алдымен, бұл өте төмен ерігіштігі бар дәрілерді сулы ерітіндіге айналдыруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, кейбір дәрілер кристалл түрінде қабылданғанда да дене ішінде суперқанығуға ұшырайды. Бұл құбылыс "in vivo" суперқанығу деп аталады. Суперқаныққан ерітінділерді анықтау теңіз экологтарына ағзалар мен популяциялардың белсенділігін зерттеу үшін құрал ретінде пайдалы болуы мүмкін. Фотосинтез жасайтын организмдер суға О2 газын бөліп шығарады. Осылайша, О2 газымен суперқаныққан мұхит аймағы фотосинтездік белсенділікке бай деп анықталуы мүмкін. Мұхитта қарапайым физикалық-химиялық қасиеттерге байланысты аздаған О2 табиғи түрде кездеседі, бірақ суперқаныққан аймақтардағы барлық оттегі газының 70% -нен астамы фотосинтездік қызметке байланысты болуы мүмкін. Бу фазасындағы суперқанығу әдетте, қыздырылған бумен жұмыс істейтін бу сораптары арқылы кеңею процесінде кездеседі, ол шығу жерінде қаныққан күйге өтеді. Осылайша, суперқанығу бу турбиналарын жобалау кезінде ескерілуі тиіс маңызды факторға айналады, өйткені бұл сорап арқылы будың нақты массалық ағыны теориялық есептелген мәннен шамамен 1-3% артық болуына әкеледі, егер кеңейіп жатқан бу тепе-теңдік күйлері арқылы кері адиабатикалық процеске ұшыраса. Бұл жағдайларда суперқанығу кеңею процесінің өте жылдам және қысқа уақыт ішінде дамуына байланысты пайда болады, сондықтан кеңейіп жатқан бу процесте тепе-теңдікке жете алмайды және қыздырылған бу сияқты әрекет етеді. Сондықтан, сорап арқылы массалық ағынды есептеуге қатысты кеңею коэффициентін анықтау 1,135 орнына шамамен 1,3 адиабатикалық индексін, қыздырылған бу сияқты пайдалану керек, ал қаныққан аймақтағы квазистатикалық адиабатикалық кеңею үшін 1,135 мәні қолданылуы тиіс. Суперқанығуды зерттеу атмосфералық зерттеулерге де қатысты. 1940 жылдан бері атмосферада суперқанығудың бар екені белгілі. Тропосферада судың суперқанығуы кезінде мұз кристалдарының пайда болуы жиі байқалады. Қанығу күйінде су бөлшектері тропосфералық жағдайларда мұзға айналмайды. Су молекулаларының қанығу қысымында мұз кристалдарын қалыптастыру үшін жеткіліксіз, олар конденсациялану үшін бетке немесе су молекулаларының конгломерациясына мұқтаж. Осы себептерге байланысты атмосферадағы мұздың салыстырмалы ылғалдылығы 100% -дан жоғары болуы мүмкін, яғни суперқанығу орын алған. Судың суперқанығуы жоғары тропосферада өте кең таралған, ол 20% -дан 40% -қа дейін кездеседі. Бұл атмосфералық инфрақызыл дыбыс зондының спутниктік деректерін пайдалану арқылы анықталуы мүмкін.