Vodíková voda
Koncentrácia a rozpustnosť plynného vodíka H2
jan
Koncentrácia plynného vodíka (H2) sa často uvádza ako molarita (mol/l (M) alebo milimol/l mM), počet častíc na milión (ppm), počet častíc na bilión (ppb) alebo počet miligramov na liter (mg/l). V nízkych koncentráciách je 1 ppm približne rovnaká hodnota ako 1 mg/l, preto sa často zamieňajú. Molová hmotnosť molekulárneho vodíka je približne 2 mg/milimol a tak 1 mg je približne to isté ako 0,5 mol, čiže 1 ppm ≈ 1 mg/l ≈ 0.5 mM.
Koncentrácia plynného vodíka (H2) v bežnej vode (napr. vodovodná, balená, filtrovaná atď.) je približne 8,65 x 10-7 mg/l. Inými slovami, je tam menej ako jedna osemmilióntina miligramu H2. Pri tak nízkej koncentrácii v normálnom filtrovanej vody teda neexistuje terapeutická úroveň H2. Štúdie k použitiu plynného vodíka rozpusteného vo vode uvádzajú hodnoty v rozmedzí od 0,5 mg/l až do viac ako 1.6+ mg/l, pričom väčšina štúdií používa koncentráciu blízku hodnote 1,6 mg / l (0,8 mM).
Vo vedeckej literatúre sa koncentrácia 1,6 mg/l (1,6 ppm alebo 0,8 mM) považuje za koncentráciu „nasýtenia“, pretože takáto hodnota by sa dosiahla, ak by bol prítomný iba vodík pri tlaku rovnajúcom sa tlaku na úrovni hladiny mora, ktorý je rovný hodnote 760 mm ortuťového stĺpca (101,325 kPa) alebo jedna atmosféra (atm). V ďalšej časti textu je vysvetlená problematika rozpustnosti rôznych plynov vo vode, so zreteľom na rozpustnosť molekulárneho vodíka.
Rozpustnosť plynu vo vode
Otvorená nádoba s vodou (napr. s vodovodnou, balenou vodou, atď.) bude obsahovať malé množstvo všetkých plynov v atmosfére, ako sú dusík, kyslík, oxid uhličitý, a veľmi malé množstvo iných plynov (napr. neón, hélium, vodík, atď.).
Množstvo plynu rozpustené vo vode je najmä funkciou tlaku a teploty. Koncentrácia akéhokoľvek plynu vo vode je podľa Henryho zákona priamo úmerná parciálnemu tlaku uvedeného plynu nad vodou. To znamená, že ak sa tlak plynu zvyšuje, potom sa zvyšuje aj množstvo plynu rozpustené vo vode. Takým to spôsobom spoločnosti vyrábajú sýtené nápoje; zvýšia tlak oxidu uhličitého (CO2), čím sa zvýši množstvo plynu rozpusteného v nápoji.
Rozpustnosť plynu vo vode závisí aj od vnútorných chemických/fyzikálnych vlastností plynu (napr. od polarizovateľnosti, veľkosti, hydrofóbnosti, atď.). Preto má každý plyn odlišnú konštantu rozpustnosti. Tieto konštanty rozpustnosti plynu, ktoré boli stanovené experimentálne na základe konkrétnych hodnôt tlaku a teploty, nazývame Henryho konštanty (KH). Koncentráciu ktoréhokoľvek plynu možno ľahko vypočítať pomocou nasledujúceho Henryho zákona:
C= P/KH
kde C predstavuje koncentráciu rozpusteného plynu (mol/L), KH je konštantná charakteristika príslušného plynu (Latm/mol), a P predstavuje parciálny tlak konkrétneho plynu nad roztokom (atm).
V tabuľke 1 je uvedená koncentrácia rozličných atmosférických plynov vo vode pri štandardných hodnotách tlaku a teploty, ktorá bola vypočítaná pomocou Henryho zákona.
Tabuľka 1. Rovnovážna koncentrácia (nasýtenie) niektorých bežných atmosférických plynov vo vode pri svojich prirodzených príslušných atmosférických parciálnych tlakoch.
| Plyn | Podiel plynu v atmosfére (%) |
Henryho konštanta (KH) pri 25 °C (Latm/mol) |
Normálna koncentrácia vo vode | |
| (mmol/L) | (mg/L) | |||
| Dusík (N2) | 78,08 | 1639,34 | 0,48 | 13,34 |
| Kyslík (O2) | 20,95 | 769,23 | 0,27 | 8,71 |
| *Oxid uhličitý (CO2) | 3,97×10-2 | 29,41 | 1,35×10-9 | 5,94×10-8 |
| Neón (Ne) | 1,82 x 10-3 | 2222,22 | 8,18×10-3 | 0,17 |
| Hélium (He) | 5,24×10-4 | 2702,70 | 1,94×10-6 | 7,76×10-6 |
| Vodík (H2) | 5,50 x 10-5 | 1282,05 | 4,29×10-7 | 8,65×10-7 |
* Tento plyn sa podieľa na acidobázických reakciách, keď je rozpustený vo vode (napr. CO2 + H2O ⇌ H2CO3) a ako taký nie je ideálnym plynom a odchyľuje sa od Henryho zákona.
Nasýtenie
Nasýtenie plynu vo vode je definované stavom, kedy sa tlak plynu nad roztokom rovná tlaku plynu v roztoku (čiže je s ním v rovnováhe). Nasýtenie tak závisí od parciálneho tlaku skúmaného plynu.
Napríklad, ak pohár čistej vody, v ktorej nie sú rozpustené absolútne žiadne plyny, položíte na stôl a necháte ho tam, atmosférické plyny (napr. kyslík, dusík, oxid uhličitý, atď.) sa začnú rozpúšťať vo vode, až kým množstvo plynu vstupujúce do vody sa rovná množstvu plynu vystupujúceho z vody.
Tento princíp tiež vysvetľuje, prečo sóda nakoniec „vyprchá“. Rozpustený oxid uhličitý (CO2) ihneď po otvorení zásobníka začne unikať z nápoja, až kým sa tlak CO2 v nápoji sýtenom oxidom uhličitým vyrovná s tlakom CO2 v atmosfére.
O nasýtení hovoríme ako o koncentrácii plynu získanej pri jeho normálnom atmosférickom parciálnom tlaku alebo koncentrácii získanej v prípade, že nad roztokom je iba čistý skúmaný plyn pri tlaku rovnom jednej atmosfére (atm). Tlak 1 atm sa používa preto, lebo je to normálny atmosférický tlak pri hladine mora.
Túto druhú definíciu nasýtenia používa aj portál Nadácie molekulárneho vodíka a mnoho vedeckých článkov. Je dôležité mať to na pamäti pri diskusii o dávkovaní a koncentrácii a používaní pojmov percento nasýtenia alebo presýtenia.
V tabuľke 2 je uvedená koncentrácia rozpustených plynov pri nasýtení, ak by ich atmosférický tlak bol jedna atm (pri štandardných hodnotách tlaku a teploty).
Tabuľka 2. Rovnovážna koncentrácia (nasýtenie) niektorých bežných atmosférických plynov vo vode pri parciálnom tlaku jedna atm.
| Plyn | Henryho konštanta (KH) pri 25 °C (Latm/mol) |
Koncentrácia vo vode* | |
| mmol/L | mg/L | ||
| Dusík (N2) | 1639,34 | 0,61 | 17,10 |
| Kyslík (O2) | 769,23 | 1,30 | 41,60 |
| **Oxid uhličitý (CO2) | 29,41 | 34,00 | 1496,43 |
| Neón (Ne) | 2222,22 | 0,45 | 9,10 |
| Hélium (He) | 2702,70 | 0,37 | 1,50 |
| Vodík (H2) | 1282,05 | 0,78 | 1,57 |
* Všetky výpočty boli vykonané pri tlaku 1 atm čistého plynu
** Tento plyn sa podieľa na acidobázických reakciách, keď je rozpustený vo vode (napr. CO2 + H2O ⇌ H2CO3) a ako taký nie je ideálnym plynom a odchyľuje sa od Henryho zákona.
Hodnoty v tabuľke 2 boli vypočítané pomocou Henryho zákona. Napríklad koncentrácia (C) plynného vodíka (H2) sa získa ako podiel tlaku P (ktorý je v tomto prípade 1 atm) a konštanty KH.
Tabuľka 1 ukazuje, že KH pre plynný vodík je 1282,05. To nám dáva 7,8 x 10-4 M alebo 0,78 mmol/l. Prevedením molarity na miligramy na liter dostaneme 1,57 mg/l H2 alebo približne 1,6 ppm.
To znamená, že existuje takmer dva milióny krát viac molekuly vodíka v nasýtenom roztoku (tlak čistého H2 pri 1 atm) v porovnaní s tým, čo sa obvykle nachádzajú vo vode.
Polčas života H2 v roztoku
Podobne ako pri otvorení plechovky sódy, hneď ako je vodíková voda vystavená normálnym atmosférickým plynom a tlaku, koncentrácia H2 sa postupne znižuje až do vytvorenia rovnováhy s parciálnym tlakom H2 v atmosfére, ktorá by predstavovala 8,67 x 10-7 mg/l. Vzhľadom na to, že plynný (molekulárny) vodík má najmenšiu molekulu vo vesmíre, bude tiež schopný prenikať (difundovať) cez všetky plastové a mnohé iné obaly. Vodík má preto zo všetkých plynov najvyššiu rýchlosť efúzie (úniku).
Miera exsolúcie H2 a jeho úniku z vody je priamo ovplyvnená najmä teplotou, nepokojom vody a veľkosťou plochy. Otvorená nádoba 500 ml s vodou s rozpusteným vodíkom má polčas života približne dve hodiny. Ak ju teda necháte vonku bez turbulencií pri izbovej teplote s počiatočnou koncentráciou H2 1,6 mg/l, koncentrácia po dvoch hodinách by klesla na približne 0,8 mg / l. Miera úniku však nie je presne lineárna.
Zdroj: Molecular Hydrogen Foundation
Preklad: Aktívna voda
