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水中の水素の最大濃度

水中の水素濃度

水中の水素ガス (H2) の濃度は、多くの場合、モル濃度 (モル/リットル (M) またはミリモル/L mM)、100 万分の 1 (ppm)、10 億分の 1 (ppb)、または 1 リットルあたりのミリグラム (mg/ L)。希釈濃度では、1 ppm は 1 mg/L とほぼ同じであり、しばしば同じ意味で使用されます。 

水素分子のモル質量は約 2 mg/ミリモルなので、1 mg は 0.5 モルとほぼ同じです。 1000 ppb = 1 ppm = 1 mg/L = 0.5 mM。

従来の水 (例: 水道水、ボトル詰め、濾過水など) の水素ガス (H2) の濃度は、約 8.65 x 10-7 mg/L です。言い換えれば、H2 は 800 万分の 1 mg 未満です。 

したがって、通常のろ過水では、このような低濃度の H2 には治療上の価値はありません。を使用した研究 水に溶けた水素ガス 0.5 mg/L から 1.6+ mg/L の範囲で、ほとんどの研究では濃度に近い濃度を使用しています。 1.6mg/L (1.6ppmまたは0.8mM).

科学文献では、1.6 mg/L (1.6 ppm または 0.8 mM) の濃度が「飽和」時の濃度と見なされます。 

これは、760 mm 水銀 (760 トル、101.325 kPa、1.01325 バール、または 14.69595 psi) である海面の圧力に等しい圧力で水素ガスのみが存在する場合の濃度であるためです。大気(気圧)。 

以下は、水へのさまざまなガスの溶解度の説明に続いて、分子状水素の溶解度に焦点を当てています。

水へのガスの溶解度

開いた容器の水 (例: 水道水、ボトル入りの水など) には、窒素、酸素、二酸化炭素などの大気中のすべての気体が少量含まれています。 、水素など)。

水に溶けているガスの量は、主に圧力と温度の関数です。ヘンリーの法則によれば、水中の気体の濃度は、水の上の気体の分圧に正比例します。 

これは、そのガスの圧力が増加すると、水に溶解しているそのガスの量も増加することを意味します。これは、企業が炭酸飲料を製造する方法です。それらは二酸化炭素(CO2)の圧力を高め、その結果、より多くのガスが飲料に溶解します。

水へのガスの溶解度は、ガス固有の化学的/物理的特性 (分極率、サイズ、疎水性など) にも依存します。 

したがって、各ガスは異なる溶解度定数を持っています。これらの溶解度ガス定数を「ヘンリー定数」(KH) と呼びます。これは、特定の圧力と温度で実験的に決定されます。気体の濃度は、次の形式のヘンリーの法則を使用して簡単に計算できます。

C=P/KH

ここで、C は溶存ガスの濃度 (mol/L)、KH は特定のガスの定数特性 (Latm/mol)、P は溶液上の特定のガスの分圧 (atm) を表します。 

表 1 は、ヘンリーの法則を使用して計算された、SATP (Standard Ambient Temperature and Pressure) における水中のさまざまな大気ガスの濃度を示しています。

表1。 それぞれの自然な大気圧分圧における水中のいくつかの一般的な大気ガスの平衡濃度 (飽和)。

ガスガスの組成
大気中 (%)
ヘンリー定数 (KH)
25時 
°C. (L*気圧/モル)
集中力 普通
水中で
(mmol/L)(mg/L)
窒素 (N2)78.081639.340.4813.34
酸素 (O2)20.95769.230.278.71
※二酸化炭素(CO2)3.97×10-229.411.35×10-95.94×10-8
ネオン(ネ)1.82×10-32222.228.18×10-30.17
ヘリウム (He)5.24×10-42702.701.94×10-67.76×10-6
水素 (H2)5.50×10-51282.054.29×10-78.65×10-7
* この種は、水に溶解すると酸塩基反応に関与し (つまり、CO2 +H2O => H2CO3)、理想気体ではなく、ヘンリーの法則から逸脱します。

飽和

水中の気体の飽和は、溶液上の気体の圧力が溶液中の気体の圧力と等しい (すなわち、平衡状態にある) 場合と定義されます。したがって、飽和は目的のガスの分圧に依存します。

たとえば、ガスがまったく溶けていない純水の入ったグラスをカウンターに置いて放置すると、大気中のガス (酸素、窒素、二酸化炭素など) が水に溶け始め、水に入るガスの量は、水から出るガスの量と同じです。

この原則は、ソーダポップが最終的に「フラット」になる理由も説明しています.容器を開けると、炭酸飲料の CO2 の圧力が大気中の CO2 の圧力と等しくなるまで、溶解した二酸化炭素 (CO2) がすぐに飲料から排出され始めます。

飽和は、一般に、通常の大気圧で得られるガスの濃度 (上記の N2 で行ったように)、または溶液上のガスが同じ圧力で目的の純粋なガスのみである場合に得られる濃度のいずれかで語られます。 1気圧(atm)まで。 

1 atm の圧力が使用されるのは、それが海面での通常の大気圧だからです。

この後者の飽和の定義は、この MHF Web サイトと多くの科学記事でこの用語が使用されている方法です。これは、飽和または過飽和のパーセンテージの観点から投与量と濃度を議論する際に留意することが重要です.

表 2 は、大気圧が 1 気圧 (SATP) の場合の飽和時の溶存ガスの濃度を示しています。

飽和は、一般に、通常の大気圧で得られるガスの濃度 (上記の N2 で行ったように)、または溶液上のガスが同じ圧力で目的の純粋なガスのみである場合に得られる濃度のいずれかで語られます。 1気圧(atm)まで。 

1 atm の圧力が使用されるのは、それが海面での通常の大気圧だからです。

表 2. 1 気圧の分圧における水中のいくつかの一般的な大気ガスの平衡濃度 (飽和)。

ガスヘンリー定数 (KH) 25時 °C. (L気圧/モル)水中濃度 a
ミリモル/Lmg/L
窒素 (N2)1639.340.6117.10
酸素 (O2)769.231.3041.60
※二酸化炭素(CO2)29.4134.001496.43
ネオン(ネ)2222.220.459.10
ヘリウム (He)2702.700.371.50
水素 (H2)1282.050.781.57

すべての計算は、純ガスの 1 気圧で行われます

* この種は、水に溶解すると酸塩基反応に関与し (つまり、CO2 +H2O => H2CO3)、理想気体ではなく、ヘンリーの法則から逸脱します。

表 2 の値は、ヘンリーの法則を使用して計算されました。たとえば、ヘンリーの法則を使用した水素ガスの濃度 (H2) は、P (この場合は 1 atm) を KH で割って濃度 (C) を求めることによって得られました。

表 1 は、水素ガスの KH が 1282.05 であることを示しています。これにより、7.8 x 10-4 M または 0.78 mmol/L が得られます。モル濃度をミリグラム/リットルに変換すると、1.57 mg/L の H2 (aq) または約 1.6 ppm が得られます。

これは、飽和溶液 (1 気圧での純粋な H2 の圧力) には、通常水に含まれる水素分子のほぼ 200 万倍の水素分子があることを意味します。

溶液中の H2 の半減期

ソーダの缶を開けるように、H2 水が通常の大気ガスと圧力にさらされるとすぐに、H2 の濃度は大気中の H2 の分圧と平衡になるまで減少します。これは 8.67 x の濃度になります。 10-7 mg/L。 

水素ガスは宇宙で最小の分子であるため、すべてのプラスチックや他の多くの容器を介して拡散することもできます.したがって、水素はすべてのガスの中で最も高い流出率を持っています。

水からの H2 の放出と消散の速度は、主に温度、攪拌、および表面積によって直接影響を受けます。 500mL の開放容器の溶存水素水の半減期は約 2 時間です。

したがって、H2 の初期濃度が 1.6 mg/L の室温で乱流のない屋外に放置した場合、2 時間後に濃度は約 0.8 mg/L になる可能性があります。ただし、散逸率は正確に線形ではありません。

結論

実際には、水に他のガス(酸素、窒素など)が含まれていると、水中の水素の最大濃度が低下します。
この場合、最大水素濃度は 1000 ppb (1 ppm) 強です。
結論から言うと、水素水や飲用水素水製造機で1600ppb以上を導入している製品は全て偽物です。

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