ФИЗИКО-ХИМИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ

Добавил статью: Роман

Дата: 2022-09-27

УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ В АКВАРИУМЕ

Сейчас хорошо известно, что концентрация углекислого газа в воде - один из мощнейших факторов, влияющих на благоденствие аквариумных растений. Использование С02-подкормки позволяет культивировать требовательные, капризные виды и добиваться необыкновенной интенсивности роста более простых.

Для повышения содержания углекислоты используются различные технические устройства, начиная от самодельных «бражечных бульбуляторов» и заканчивая аппаратами, действующими на принципе электролиза или разложения таблеток с хитрым химическим составом. Однако самыми эффективными по-прежнему остаются баллонные системы, обеспечивающие наиболее длительную и управляемую С02- продувку.

К их недостаткам можно отнести лишь высокую стоимость и необходимость время от времени пере заправлять опустевшие баллоны на специализированных станциях газозаправки. А вот здесь-то и кроется одна весьма серьезная неприятность.

Не так давно в аквариумном рунете прошло несколько сообщений о нештатных ситуациях со свежезаправленными баллонами. В одном случае манометр на принесенном домой баллоне зашкаливал за 200 атмосфер (вместо обычных 55-70), в другом
баллон взорвался у человека в машине. Удача еще, что в это время в ней никого не было, однако ущерб оказался значительным...

Фото манометр

Эта статья дает объяснение, отчего это могло произойти, а также содержит информацию, необходимую, на мой взгляд, всем аквариумистам, использующим баллонные системы.

Понятно, что любого владельца баллона прежде всего волнуют два момента: чтобы очередной заправки хватило на возможно более длительный срок, и чтобы его использование было безопасным.

Интуитивно понятно, что вещи эти находятся в некоем противоречии: чем больше в баллон загрузить углекислоты, тем дольше он будет работать, но и тем выше вероятность того, что с ним может случиться что-нибудь не то... и что надо находить некий разумный компромисс.

А чтобы понять, как его можно достичь, позволю себе напомнить некоторые положения физико-химии гетерогенных систем (вздрагивать не надо - ничего страшного, не бином Ньютона). Впрочем, все эти околонаучные рассуждения можно и пропустить, но в таком случае придется приведенным в конце выводам поверить на слово.

Итак, на станциях в баллон заливается жидкая углекислота. После его закупоривания часть этой углекислоты испаряется внутри и переходит в парообразное состояние, нашим языком выражаясь - в углекислый газ. Деваться ему из закрытого баллона некуда, часть его молекул возвращается обратно в жидкость, на их место вылетают новые.

В результате довольно скоро устанавливается равновесие между количествами парообразного и жидкого С 02. Те молекулы, которые оказались в паре, определяют давление внутри баллона, которое, естественно, именуется «равновесным давлением паров».

Понятно, что чем выше температура баллона, тем больше молекул вырывается в пар и тем выше будет это равновесное давление. Таким образом, в нашем баллоне одновременно сосуществуют парообразная и жидкая фазы углекислоты, находящейся под равновесным приданной температуре давлением.

Наглядно зависимости равновесных давлений от температуры изображают в вида фазовых диаграмм. Такая диаграмма для С02 приведена нарис .1. На ней представлены «температурно-давленческие» (выражаясь более научно - температурно-барические) области существования С02 в различном агрегатном состоянии: слева - твердая («сухой лёд»), вверху в середине -жидкость, внизу - пар (углекислый газ), справа вверху в пунктирных линиях - закритический флющ (вкратце о нем чуть ниже).

Нетрудно догадаться, что если в этих областях представлены условия существования индивидуальных фаз, то границы между ними будут составлены точками, отвечающими одновременному сосуществованию двух соседних фаз.

Диаграмма CO2

Не очень внятно? Для иллюстрации: нас интересует давление в нашем баллоне в случае, когда С02 находится в нем одновременно в двух фазах - жвдкой и парообразной. Смотрим на красную кривую. И видим, что, например, при -30° давление установится на уровне 28 атмосфер, а при +20 - около 60.

И только так! Любое отклонение давления вверх или вниз от этой кривой - и углекислота в баллоне либо вся становится жидкой, либо полностью переходит в пар. Казалось бы, это несущественная для нас экзотика -какие отклонения от равновесных давлений, когда у нас изначально залита жидкая углекислота с паровой подушкой над ней?!

Однако не будем спешить, представим, что в наш баллон залито при температуре -10° некоторое небольшое количество С02 (какое конкретно, сейчас не очень существенно, но именно небольшое). Баллон принесли домой, он разогрелся до 20°С. Понятно, что жидкость в нем начинает расширяться (а коэффициент объемного расширения у С02 весьма значителен!).

Поскольку свободного места для расширения в полупустом баллоне предостаточно, может получиться так, что жидкость расширится до такого состояния, что полностью перейдет в пар. Давление упадет - вот вам и срыв с равновесной кривой вниз, в паровую область. Ведь температура-то осталась той же самой. Эта ситуация показана на диаграмме синей стрелкой.

Возможна и обратно зеркальная: жидкости залили слишком много, при нагревании у нее нет возможности свободно расширяться. Объем, занятый паровой подушкой, съеживается, давление в баллоне растет, пар под его действием (в соответствии с диаграммой) превращается в жидкость. В результате вся паровая подушка полностью залавливается жидкостью, которая стремится расшириться еще больше.

Дальнейшая судьба баллона зависит от его прочности и количества избыточно залитой углекислоты. Именно такая ситуация и произошла в описанных выше случаях из жизни. Только в одном случае баллон все-таки выдержал, а во втором - нет... А на диаграмме такой ход событий показан красной стрелкой.

Подчеркну важный момент все эти вещи происходят при изменении температуры.

И еще один важный вывод, следующий из рассмотрения этой диаграммы: на участке двухфазной красной кривой, соответствующем условной комнатной температуре (от 10 до ЗГС), давление находится в пределах от 52 до 73 атмосфер. То есть манометр на правильно заправленном баллоне (другими словами: баллоне, где находится одновременно и жидкий, и парообразный С02) должен показыватъ именно такие величины.

В ходе анализа этих драматических событий у нас промелькнули понятия «мало» и «много» жидкости. Причем привязаны они были к обсуждению ключевого момента: сколько же надо заливать углекислоты, чтобы не бегать на заправку каждые две недели или, наоборот, не испытывать баллон и свою нервную систему на прочность. Чтобы она вся там не превратилась в газ или, напротив, в задавленную избыточным давлением жидкость.

Для того чтобы это прикинуть, проще всего (не слишком греша против истины) воспользоваться данными по плотностям (или, если угодно, - удельному весу) жидкого С02, находящегося под давлением равновесных паров (ведь мы уже поняли, что именно красная равновесная кривая на рис.1 и отвечает необходимые нам условиям одновременного сосуществования в баллоне и жидкости, и газа). Такие данные имеются в литературе; на рис.2 приведена зависимость плотности от температуры в интересующем нас температурном диапазоне от 0 до ЗГ(очевидно, что плотность жидкости будет зависеть от температуры).

Фото зависимость плотности CO2 от температуры

Что дает нам эта кривая? А вот что: пользуясь ею, мы можем больше не беспокоиться о том, при какой температуре нам заправили баллон. Для определения предельно допустимого количества С02 нам нужны лишь две цифры: емкость нашего баллона и максимальная температура, при которой он будет у нас эксплуатироваться.

Берем график, смотрим, какая плотность соответствует этой температуре, и умножаем это значение на величину емкости баллона. Например, у нас 2-литровый баллон. Если мы уверены, что температура в комнате не поднимется выше 2ГС, то умножаем снятые с графика 760 г/л на 2 л и получаем 1520 г углекислоты. 5% на всякий случай скидываем - выходит 1440 г. Аналогично рассчитываем для случая, если температура может подняться до 30°. Получаем 1140 г. И так далее.

На «фирменных» баллонах всегда указывается его емкость. Именно на эту цифру и следует ориентироваться. Если же для самодельной установки вдруг взят баллон неизвестного происхождения (хотя этого категорически не рекомендуется делать!), его обязательно нужно «оттарировать», т.е. определить объем. Проще всего это сделать, если залить в него под горлышко какую-нибудь жидкость, а потом вылить и измерить ее количество. Баллон, понятное дело, после этого надо просушить.

Несколько обещанных слов по поводу закритической области (хотя к нашему вопросу это может иметь отношение лишь при температурах выше 31° и представляет преимущественно познавательный интерес).

При давлениях и температурах, превышающих определенные значения, именуемые критической точкой (ЗГС и 73 атм.), ни пара, ни жидкости в привычном понимании уже не существует. Образуется некая однородная фаза, именуемая флюидом, сочетающая признаки как одного, так и другого.

Например, плотность флюида может приближаться к плотности жидкости при сохранении типично газовой сжимаемости. Для наших дел это означает, что если есть вероятность того, что баллон будет перегреваться выше 31° (критическая температура), то при расчете заполнения надо брать значение критической плотности, равное 468 г/л. Понятно, что максимальное заполнение при этом сильно упадет (аждо 890 г для 2-литрового баллона), но зато при возможном дальнейшем перегреве давление будет развиваться не столь драматически, а существенно более плавно.

Маленькая ремарка: мне приходилось наблюдать этот самый флюид вживую - в лабораторной установке с сапфировым окном.

На практике это выглядело так: в окошко видно, как плещется жидкая углекислота (заполнялась установка, естественно, не под завязку).

При плавном подъеме температуры ничего не изменяется, кроме показаний манометра, и вдруг внезапно жидкость вспучивается, газ над ней как будто густеет и стремительно струится вниз (буквально «пало небо на воды!»), через мгновение все заволакивает плотным туманом, а потом резко проясняется. И перед глазами возникает прозрачно-однородное колышущееся марево, примерно как над разогретым по лету асфальтом.

Так что закритическое состояние вещества - не досужая выдумка теоретиков, а вполне реальная ситуация, доступная наблюдению воочию.

Выводы:

1. Углекислоту в баллоны заправляют по весу. Именно на значение веса, а не на показания манометра и нужно ориентироваться при заправке.


2. На станциях всегда имеются таблички, указывающие, в какой баллон «скоко точно в граммах вешать». На случай, если у оператора скакнет глаз или дрогнет рука, или еще чего окажется не так, с помощью данных по плотности можно всегда проверить, правильно ли баллон был заправлен.


3. Формула для расчета максимального заполнения баллона: вес (г) = плотность (г/л) х объем (л) х 0,95.
   
   Данные по плотности снимаем с кривой на рис.2, отталкиваясь от температуры, при которой баллон будет находиться в комнате.


4. Такая самостоятельная проверка особенно актуальна в зимних условиях, когда температура при заливке может оказаться существенно ниже комнатной.


5. Давление в принесенном в комнату баллоне никогда не должно превышать 73 атмосферы. Более высокое означает перезалив, в этом случае избыточные количества С02 необходимо плавно стравить.


6. Вооруженность приведенными выше сведениями безусловно должна способствовать более спокойному сну счастливого баллонообладателя.

Е.ЗАГНИТЬКО

Еще по этой теме:

ВОДА ДЛЯ АКВАРИУМА

Просмотров: 123

Комментарии к этой статье:

Добавить ваш комментарий: