CONCENTRACIÓN DE HIDRÓGENO EN AGUA
La concentración de hidrógeno gaseoso (H2) en el agua a menudo se expresa en molaridad (moles/litro (M) o milimoles/L mM), partes por millón (ppm), partes por billón (ppb) o miligramos por litro (mg/ L). En concentraciones diluidas, 1 ppm es casi lo mismo que 1 mg/L y, a menudo, se usan indistintamente.
La masa molar del hidrógeno molecular es de aproximadamente 2 mg/milimol, por lo que 1 mg es aproximadamente lo mismo que 0,5 moles, por lo que 1000 ppb = 1 ppm = 1 mg/L = 0,5 mM.
La concentración de hidrógeno gaseoso (H2) en agua convencional (p. ej., del grifo, embotellada, filtrada, etc.) es de aproximadamente 8,65 x 10-7 mg/L. En otras palabras, hay menos de una ochomillonésima parte de un mg de H2.
Por lo tanto, no hay valor terapéutico de H2 a una concentración tan baja en agua filtrada normal. Estudios usando hidrógeno gaseoso disuelto en agua rango de 0.5 mg/L a 1.6+ mg/L, con la mayoría de los estudios usando una concentración cercana 1,6 miligramos por litro (1,6 ppm o 0,8 mM).
En la literatura científica, la concentración de 1,6 mg/L (1,6 ppm o 0,8 mM) se considera la concentración en “saturación”.
Porque es lo que sería la concentración si solo estuviera presente gas hidrógeno con una presión igual a la presión al nivel del mar, que es 760 mm-mercurio (760 torrs, 101.325 kPa, 1.01325 Barr, o 14.69595 psi), también igual a uno atmósfera (atmósfera).
A continuación se incluye una explicación de la solubilidad de varios gases en agua seguida de un enfoque en la solubilidad del hidrógeno molecular.
SOLUBILIDAD DEL GAS EN AGUA
La cantidad de gas disuelto en el agua es principalmente una función de la presión y la temperatura. Según la ley de Henry, la concentración de cualquier gas en el agua es directamente proporcional a la presión parcial de ese gas sobre el agua.
Esto significa que si la presión de ese gas aumenta, entonces también aumenta la cantidad de ese gas disuelto en el agua. Así es como las empresas producen bebidas carbonatadas; aumentan la presión del dióxido de carbono (CO2), lo que hace que se disuelva más gas en la bebida.
La solubilidad del gas en agua también depende de las propiedades químicas/físicas intrínsecas del gas (por ejemplo, polarizabilidad, tamaño, hidrofobicidad, etc.).
Por lo tanto, cada gas tiene una constante de solubilidad diferente. A estas constantes de gas de solubilidad las llamamos “constantes de Henry” (KH), que se determinan experimentalmente a presiones y temperaturas específicas. La concentración de cualquier gas se puede calcular fácilmente usando la siguiente forma de la Ley de Henry:
C=P/kH
donde C representa la concentración del gas disuelto (mol/L), KH es una característica constante del gas particular (Latm/mol) y P representa la presión parcial del gas específico sobre la solución (atm).
La Tabla 1 muestra la concentración de varios gases atmosféricos en el agua a SATP (temperatura y presión ambiental estándar), que se calculó utilizando la ley de Henry.
Tabla 1. La concentración de equilibrio (saturación) de algunos gases atmosféricos comunes en el agua a sus respectivas presiones parciales atmosféricas naturales.
| Gas | Composición de gas en la atmósfera (%) | Constante de Henry (KH) a los 25 °C. (L*atmósfera/mol) | Concentración Normalmente en agua | |
| (mmol/L) | (mg/L) | |||
| Nitrógeno (N2) | 78.08 | 1639.34 | 0.48 | 13.34 |
| Oxígeno (O2) | 20.95 | 769.23 | 0.27 | 8.71 |
| *Dióxido de carbono (CO2) | 3.97×10-2 | 29.41 | 1.35×10-9 | 5.94×10-8 |
| Neón (Ne) | 1,82x10-3 | 2222.22 | 8.18×10-3 | 0.17 |
| Helio (He) | 5.24×10-4 | 2702.70 | 1.94×10-6 | 7.76×10-6 |
| Hidrógeno (H2) | 5,50x10-5 | 1282.05 | 4.29×10-7 | 8.65×10-7 |
SATURACIÓN
La saturación de un gas en agua se define como cuando la presión del gas sobre la solución es igual (es decir, en equilibrio con) la presión del gas en la solución. Por lo tanto, la saturación depende de la presión parcial del gas de interés.
Por ejemplo, si coloca un vaso de agua pura sin absolutamente ningún gas disuelto en él sobre el mostrador y lo deja reposar, entonces los gases atmosféricos (por ejemplo, oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, etc.) comenzarán a disolverse en el agua hasta que la cantidad de gas que entra en el agua es igual a la cantidad de gas que sale del agua.
Este principio también explica por qué las gaseosas eventualmente se vuelven "sin gas". Al abrir el recipiente, el dióxido de carbono disuelto (CO2) inmediatamente comenzará a escapar de la bebida hasta que la presión del CO2 en la bebida carbonatada sea igual a la presión del CO2 en la atmósfera.
Generalmente se habla de saturación en términos de la concentración de gas obtenida a su presión parcial atmosférica normal (como hicimos con el N2 arriba) o en la concentración obtenida si el gas sobre la solución es solo el gas puro de interés a una presión igual a una atmósfera (atm).
Se utiliza una presión de 1 atm porque esa es la presión atmosférica normal al nivel del mar.
Esta última definición de saturación es cómo este sitio web de MHF y muchos artículos científicos usan el término. Es importante tener esto en cuenta cuando se analiza la dosis y la concentración en términos del porcentaje de saturación o sobresaturación.
La Tabla 2 muestra la concentración de los gases disueltos en la saturación si su presión atmosférica fuera una atm (en SATP).
Generalmente se habla de saturación en términos de la concentración de gas obtenida a su presión parcial atmosférica normal (como hicimos con el N2 arriba) o en la concentración obtenida si el gas sobre la solución es solo el gas puro de interés a una presión igual a una atmósfera (atm).
Se utiliza una presión de 1 atm porque esa es la presión atmosférica normal al nivel del mar.
Tabla 2. La concentración de equilibrio (saturación) de algunos gases atmosféricos comunes en el agua a una presión parcial de una atm.
| Gas | Constante de Henry (KH) a los 25 °C. (Latmósfera/mol) | Concentración en agua a | |
| milimoles por litro | miligramos por litro | ||
| Nitrógeno (N2) | 1639.34 | 0.61 | 17.10 |
| Oxígeno (O2) | 769.23 | 1.30 | 41.60 |
| *Dióxido de carbono (CO2) | 29.41 | 34.00 | 1496.43 |
| Neón (Ne) | 2222.22 | 0.45 | 9.10 |
| Helio (He) | 2702.70 | 0.37 | 1.50 |
| Hidrógeno (H2) | 1282.05 | 0.78 | 1.57 |
Todos los cálculos se realizan a 1 atm del gas puro.
* Esta especie participa en reacciones ácido-base cuando se disuelve en agua (es decir, CO2 +H2O =>H2CO3), y como tal, no es un gas ideal y se desvía de la ley de Henry
Los valores de la Tabla 2 se calcularon utilizando la ley de Henry. Por ejemplo, la concentración de hidrógeno gaseoso (H2) usando la ley de Henry se obtuvo dividiendo P (que en este caso es 1 atm) por KH para obtener la concentración (C).
La Tabla 1 muestra que el KH para el hidrógeno gaseoso es 1282.05. Esto nos da 7,8 x 10-4 M o 0,78 mmol/L. Al convertir la molaridad a miligramos por litro, obtenemos 1,57 mg/L de H2 (aq) o alrededor de 1,6 ppm.
Esto significa que hay casi dos millones de veces más moléculas de hidrógeno en una solución saturada (presión de H2 puro a 1 atm) en comparación con lo que normalmente se encuentra en el agua.
VIDA MEDIA DEL H2 EN SOLUCIÓN
Al igual que al abrir una lata de refresco, en cuanto el agua H2 se expone a los gases y presiones atmosféricas normales, la concentración de H2 disminuye hasta estar en equilibrio con la presión parcial de H2 en la atmósfera, lo que sería una concentración de 8,67 x 10-7 mg/L.
Debido a que el gas hidrógeno es la molécula más pequeña del universo, también podrá difundirse a través de todo el plástico y muchos otros recipientes. El hidrógeno, por lo tanto, tiene la tasa de efusión más alta de todos los gases.
La tasa de disolución y disipación de H2 del agua se ve directamente afectada principalmente por la temperatura, la agitación y el área superficial. Un recipiente abierto de 500 ml de agua con hidrógeno disuelto tiene una vida media de aproximadamente dos horas.
Por lo tanto, si se deja a la intemperie sin turbulencias a temperatura ambiente con una concentración inicial de H2 de 1,6 mg/L, la concentración probablemente será de alrededor de 0,8 mg/L después de dos horas. Sin embargo, la tasa de disipación no es exactamente lineal.
La línea de fondo
En realidad, cuando se incluyen otros gases (oxígeno, nitrógeno, etc.) en el agua, se reduce la concentración máxima de hidrógeno en el agua.
En este caso, la concentración máxima de hidrógeno es un poco más de 1000 ppb (1 ppm).
En conclusión, todos los productos que introducen 1600 ppb o más entre el agua de hidrógeno o las máquinas de agua de hidrógeno para beber son productos falsos.
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