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水中氢气的最大浓度

水中氢气的浓度

水中氢气 (H2) 的浓度通常以摩尔浓度(摩尔/升 (M) 或毫摩尔/L mM)、百万分之一 (ppm)、十亿分之一 (ppb) 或毫克每升 (mg/ L)。在稀浓度下,1 ppm 与 1 mg/L 大致相同,它们通常可以互换使用。 

分子氢的摩尔质量约为 2 毫克/毫摩尔,因此 1 毫克约等于 0.5 摩尔,因此 1000 ppb = 1 ppm = 1 mg/L =0.5 mM。

常规水(例如自来水、瓶装水、过滤水等)中氢气 (H2) 的浓度约为 8.65 x 10-7 mg/L。换句话说,H2 的含量不到百万分之一。 

因此,在正常过滤水中如此低浓度的 H2 没有治疗价值。研究使用 溶于水的氢气 范围从 0.5 mg/L 到 1.6+ mg/L,大多数研究使用的浓度接近 1.6毫克/升 (1.6 ppm 或 0.8 mM).

在科学文献中,1.6 mg/L(1.6 ppm 或 0.8 mM)的浓度被认为是“饱和”时的浓度。 

因为如果只有氢气的压力等于海平面的压力,即 760 毫米汞柱(760 托、101.325 kPa、1.01325 Barr 或 14.69595 psi)也等于一大气 (atm)。 

下面是对各种气体在水中的溶解度的解释,然后是氢分子的溶解度。

气体在水中的溶解度

一个开水容器(例如自来水、瓶装水等)将包含少量大气中的所有气体,例如氮气、氧气、二氧化碳,以及极少量的其他气体(例如氖气、氦气) 、氢气等)。

溶解在水中的气体量主要是压力和温度的函数。根据亨利定律,水中任何气体的浓度都与该气体在水面上的分压成正比。 

这意味着如果该气体的压力增加,那么溶解在水中的该气体的量也会增加。这就是公司生产碳酸饮料的方式;它们会增加二氧化碳 (CO2) 的压力,从而导致更多的气体溶解在饮料中。

气体在水中的溶解度还取决于气体固有的化学/物理性质(例如极化率、尺寸、疏水性等)。 

因此,每种气体都有不同的溶解度常数。我们将这些溶解度气体常数称为“亨利常数”(KH),它是在特定压力和温度下通过实验确定的。任何气体的浓度都可以通过使用以下形式的亨利定律轻松计算:

C=P/ķH

其中C代表溶解气体的浓度(mol/L),KH是特定气体的常数特性(Latm/mol),P代表特定气体在溶液上方的分压(atm)。 

表 1 显示了 SATP(标准环境温度和压力)下水中各种大气气体的浓度,该浓度是使用亨利定律计算的。

表格1。 水中某些常见大气气体在其各自自然大气分压下的平衡浓度(饱和度)。

气体气体成分
在大气中 (%)
亨利常数 (KH)
25 岁 
°C. (L*大气压/摩尔)
浓度正常
在水里
(毫摩尔/升)(毫克/升)
氮 (N2)78.081639.340.4813.34
氧气(O2)20.95769.230.278.71
*二氧化碳(CO2)3.97×10-229.411.35×10-95.94×10-8
霓虹灯(氖)1.82 x 10-32222.228.18×10-30.17
氦气 (He)5.24×10-42702.701.94×10-67.76×10-6
氢(H2)5.50 x 10-51282.054.29×10-78.65×10-7
* 该物质溶于水时会发生酸碱反应(即CO2 +H2O =>H2CO3),因此它不是理想气体,偏离亨利定律。

饱和

气体在水中的饱和定义为当溶液上方的气体压力等于(即平衡)溶液中气体的压力时。因此饱和度取决于感兴趣气体的分压。

例如,如果您将一杯完全不含任何气体的纯净水放在柜台上并让它静置,那么大气中的气体(例如氧气、氮气、二氧化碳等)将开始溶解到水中,直到进入水中的气体量等于从水中排出的气体量。

这个原则也解释了为什么汽水最终会“平淡”。打开容器后,溶解的二氧化碳 (CO2) 将立即开始从饮料中逸出,直到碳酸饮料中的二氧化碳压力等于大气中的二氧化碳压力。

饱和度通常是指在正常大气分压下获得的气体浓度(就像我们对上面的 N2 所做的那样),或者在溶液上方的气体只是压力相等的纯感兴趣气体时获得的浓度到一个大气压(atm)。 

使用 1 个大气压的压力是因为这是海平面的正常大气压。

饱和度的后一种定义是 MHF 网站和许多科学文章如何使用该术语。在根据饱和或过饱和百分比讨论剂量和浓度时,请牢记这一点。

表 2 显示了溶解气体在饱和时的浓度,如果它们的大气压为 1 个大气压(在 SATP 时)。

饱和度通常是指在正常大气分压下获得的气体浓度(就像我们对上面的 N2 所做的那样),或者在溶液上方的气体只是压力相等的纯感兴趣气体时获得的浓度到一个大气压(atm)。 

使用 1 个大气压的压力是因为这是海平面的正常大气压。

表 2。 在分压为 1 个大气压的情况下,水中某些常见大气气体的平衡浓度(饱和度)。

气体亨利常数 (KH) 在 25 °C. (L大气压/摩尔)水中浓度 一个
毫摩尔/升毫克/升
氮 (N2)1639.340.6117.10
氧气(O2)769.231.3041.60
*二氧化碳(CO2)29.4134.001496.43
霓虹灯(氖)2222.220.459.10
氦气 (He)2702.700.371.50
氢(H2)1282.050.781.57

所有计算均在 1 个大气压的纯气体下完成

* 该物质溶于水时会发生酸碱反应(即CO2 +H2O =>H2CO3),因此不是理想气体,偏离亨利定律

表 2 中的值是使用亨利定律计算的。例如,使用亨利定律的氢气 (H2) 浓度是通过将 P(在本例中为 1 个大气压)除以 KH 得到浓度 (C)。

表 1 显示氢气的 KH 为 1282.05。这给了我们 7.8 x 10-4 M 或 0.78 mmol/L。通过将摩尔浓度转换为毫克每升,我们得到 1.57 mg/L 的 H2(水溶液)或约 1.6 ppm。

这意味着与通常在水中发现的氢分子相比,饱和溶液中的氢分子(纯 H2 在 1 个大气压下的压力)几乎多出 200 万倍。

溶液中 H2 的半衰期

就像打开一罐苏打水一样,一旦 H2 水暴露在正常的大气气体和压力下,H2 的浓度就会降低,直到它与大气中 H2 的分压平衡,即浓度为 8.67 x 10-7 毫克/升。 

因为氢气是宇宙中最小的分子,它也能够通过所有塑料和许多其他容器扩散。因此,氢气在所有气体中具有最高的渗出率。

H2 从水中溶解和消散的速率主要受温度、搅拌和表面积的直接影响。一个 500 毫升的溶解氢水开口容器的半衰期约为 2 小时。

因此,如果将 H2 的初始浓度为 1.6 mg/L,在室温下无湍流露天放置,两小时后浓度可能约为 0.8 mg/L。然而,耗散率并不是完全线性的。

底线

实际上,当水中包含其他气体(氧气、氮气等)时,水中氢气的最大浓度会降低。
在这种情况下,最大氢浓度略高于 1000 ppb (1 ppm)。
综上所述,饮用氢水或氢水机中引入1600ppb及以上的产品均为假冒产品。

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