ลองค้นหาคำว่า "supersaturation"ในวิกิพีเดีย ซึ่งเป็นพจนานุกรมออนไลน์ฟรี

ในวิชาเคมีเชิงกายภาพภาวะอิ่มตัวยิ่งยวดเกิดขึ้นเมื่อความเข้มข้นของตัว ถูกละลาย เกินกว่าความเข้มข้นที่กำหนดโดยค่าความสามารถในการละลายที่สมดุลโดยทั่วไปแล้ว คำนี้มักใช้กับสารละลายของของแข็งในของเหลวแต่ก็สามารถใช้กับของเหลวและก๊าซที่ละลายในของเหลวได้เช่นกัน สารละลายอิ่มตัวยิ่งยวดอยู่ใน สภาวะ ไม่เสถียรอาจกลับสู่สมดุลได้โดยการแยกตัวถูกละลายส่วนเกินออกจากสารละลาย โดยการเจือจางสารละลายโดยการเติมตัวทำละลาย หรือโดยการเพิ่มความสามารถในการละลายของตัวถูกละลายในตัวทำละลาย

การศึกษาปรากฏการณ์ในระยะแรกดำเนินการโดยใช้โซเดียมซัลเฟตหรือที่รู้จักกันในชื่อเกลือของ Glauber เนื่องจากความสามารถในการละลายของเกลือนี้ในน้ำลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 33°C ซึ่งเป็นเรื่องผิดปกติ การศึกษาในระยะแรกได้รับการสรุปโดย Tomlinson ^{[ 1 ]}พบว่าการตกผลึกของสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวดไม่ได้เกิดจากการกวนเพียงอย่างเดียว (ความเชื่อก่อนหน้านี้) แต่เกิดจากของแข็งที่เข้าไปทำหน้าที่เป็น "จุดเริ่มต้น" สำหรับการก่อตัวของผลึก ซึ่งปัจจุบันเรียกว่า "เมล็ด" (สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดดูที่การเกิดนิวเคลียส ) Gay-Lussac ได้ขยายความจากเรื่องนี้ โดยให้ความสนใจกับจลนศาสตร์ของไอออนเกลือและลักษณะของภาชนะที่มีผลต่อสถานะอิ่มตัวยิ่งยวด เขายังสามารถขยายความเกี่ยวกับจำนวนเกลือที่สามารถทำให้เกิดสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวดได้ ต่อมา Henri Löwel ได้สรุปว่าทั้งนิวเคลียสของสารละลายและผนังของภาชนะมีผลเร่งปฏิกิริยาต่อสารละลายที่ทำให้เกิดการตกผลึก การอธิบายและสร้างแบบจำลองสำหรับปรากฏการณ์นี้เป็นงานที่นักวิจัยรุ่นใหม่ได้ดำเนินการ เดซิเร่ เกอร์เนซ มีส่วนร่วมในการวิจัยนี้โดยการค้นพบว่านิวเคลียสจะต้องเป็นเกลือชนิดเดียวกับที่กำลังตกผลึกเพื่อส่งเสริมการตกผลึก

นอกจากนี้ ในปี พ.ศ. 2493 Victor K. LaMerได้เสนอทฤษฎีการเกิดนิวเคลียส อีกทฤษฎีหนึ่ง [ ^{2 ]}ซึ่งเขาได้อธิบายถึงการเกิดนิวเคลียสและการเติบโตของ^{นิวเคลียส}ของกำมะถันในสารละลายที่ปฏิกิริยาเคมีทำให้เกิดการไหลเข้าอย่างต่อเนื่องของกำมะถันที่ละลายในระดับโมเลกุล อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้ไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะกรณีนี้เท่านั้น และสามารถสรุปได้โดยทั่วไปดังที่แสดงในแผนภาพของ LaMer ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}ที่แสดงในรูปที่สองของส่วนนี้

ในส่วน (I) ความเข้มข้นของตัวถูกละลายจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงเมื่อถูกสร้างขึ้น (หรือเพิ่มเข้าไป) ในสารละลาย เมื่อถึงจุดหนึ่ง ความเข้มข้นจะถึงจุดอิ่มตัว แต่จะไม่เริ่มตกตะกอนตัวถูกละลายทันที แต่จะยังคงดูดซับต่อไปจนกลายเป็นจุดอิ่มตัวยิ่งยวด ${\displaystyle c_{L}^{eq}\,\!}$

ในส่วนที่ (II) ความเข้มข้นจะถึงระดับความอิ่มตัววิกฤตเมื่อผลึกของตัวถูกละลายเริ่มก่อตัว การปรากฏของนิวเคลียสจะช่วยลดภาวะอิ่มตัวเกินลงบางส่วน อย่างน้อยก็เร็วพอที่อัตราการเกิดนิวเคลียสจะลดลงเกือบเป็นศูนย์ในทันที ระบบจะเข้าสู่สมดุลระหว่างปริมาณตัวถูกละลายและอัตราการบริโภคสำหรับการเกิดนิวเคลียสและการเติบโตอย่างรวดเร็ว ทำให้การเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นช้าลง หลังจากถึงจุดสูงสุด เส้นกราฟจะลดลงเนื่องจากการบริโภคตัวถูกละลายที่เพิ่มขึ้นสำหรับการเติบโตของนิวเคลียส และจะถึงระดับวิกฤตของการเกิดนิวเคลียสอีกครั้ง ซึ่งเป็นการสิ้นสุดขั้นตอนการเกิดนิวเคลียส ภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสมที่สุด โดยมีการเติมตัวถูกละลายลงในสารละลายอย่างสม่ำเสมอในขณะที่รักษาระบบให้ปราศจากการรบกวนและเมล็ดนิวเคลียส ความเข้มข้นสูงสุดที่สามารถทำได้ด้วยวิธีนี้จะถูกกำหนดให้เป็น ${\displaystyle c_{min}\,\!}$${\displaystyle c_{min}\,\!}$${\displaystyle c_{max}\,\!}$

ในส่วน (III) ความอิ่มตัวยิ่งยวดลดลงจนไม่สามารถเกิดผลึกใหม่ได้อีก ดังนั้นจึงไม่มีผลึกใหม่เกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสารละลายยังคงมีความอิ่มตัวยิ่งยวด ผลึกที่มีอยู่จึงเติบโตโดยการแพร่ ของตัวละลาย เมื่อเวลาผ่านไป อัตราการเติบโตของผลึกจะเท่ากับอัตราการป้อนตัวละลาย ดังนั้นความเข้มข้นจึงเข้าใกล้ค่าความอิ่มตัว ${\displaystyle c_{L}^{eq}\,\!}$

สารละลายของสารประกอบเคมีในของเหลวจะกลายเป็นสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวดเมื่ออุณหภูมิของสารละลายอิ่มตัวเปลี่ยนแปลง ในกรณีส่วนใหญ่ ความสามารถในการละลายจะลดลงเมื่ออุณหภูมิลดลง ในกรณีเช่นนี้ สารละลายส่วนเกินจะแยกตัวออกจากสารละลายอย่างรวดเร็วในรูปของผลึกหรือผงอสัณฐาน^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} ในบางกรณีจะเกิดผลตรงกันข้าม ตัวอย่างของโซเดียมซัลเฟตในน้ำเป็นที่รู้จักกันดี และนี่คือเหตุผลที่ใช้ในการศึกษาความสามารถในการละลายในยุคแรกๆ

การตกผลึกซ้ำ^{[ 9 ] [ 10 ]}เป็นกระบวนการที่ใช้ในการทำให้สารประกอบทางเคมีบริสุทธิ์ ส่วนผสมของสารประกอบที่ไม่บริสุทธิ์และตัวทำละลายจะถูกให้ความร้อนจนกว่าสารประกอบจะละลายหมด หากยังมีสิ่งเจือปนที่เป็นของแข็งหลงเหลืออยู่ จะถูกกำจัดออกโดยการกรองเมื่ออุณหภูมิของสารละลายลดลงในภายหลัง สารละลายจะกลายเป็นอิ่มตัวยิ่งยวดชั่วขณะ จากนั้นสารประกอบจะตกผลึกออกมาจนกว่า จะถึง สมดุลทางเคมีที่อุณหภูมิต่ำกว่า สิ่งเจือปนจะยังคงอยู่ใน ของเหลว ส่วนบนในบางกรณี ผลึกจะไม่ก่อตัวอย่างรวดเร็ว และสารละลายยังคงอิ่มตัวยิ่งยวดหลังจากเย็นตัวลง เนื่องจากมีอุปสรรคทางอุณหพลศาสตร์ต่อการก่อตัวของผลึกในตัวกลางที่เป็นของเหลว โดยทั่วไปจะเอาชนะอุปสรรคนี้ได้โดยการเติมผลึกเล็กๆ ของสารประกอบที่ละลายลงในสารละลายที่อิ่มตัวยิ่งยวด ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่า "การเพาะเมล็ด" อีกกระบวนการหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปคือการถูแท่งที่ด้านข้างของภาชนะแก้วที่บรรจุสารละลายเพื่อปล่อยอนุภาคแก้วขนาดเล็กซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางการเกิดนิวเคลียสได้ ในอุตสาหกรรม จะใช้ การเหวี่ยงแยกเพื่อแยกผลึกออกจากของเหลวส่วนบน

สารประกอบและสารผสมบางชนิดสามารถก่อตัวเป็นสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวดที่คงอยู่ได้นานคาร์โบไฮเดรตเป็นสารประกอบประเภทดังกล่าว อุปสรรคทางอุณหพลศาสตร์ต่อการก่อตัวของผลึกค่อนข้างสูงเนื่องจากพันธะไฮโดรเจน ที่กว้างขวางและไม่สม่ำเสมอระหว่างน้ำตาล กับตัวทำละลายคือน้ำ ตัวอย่างเช่น แม้ว่าซูโครสจะสามารถตกผลึกใหม่ได้ง่าย แต่ผลิตภัณฑ์จากการไฮโดรไลซิสของมัน ซึ่งรู้จักกันในชื่อ " น้ำตาลอินเวอร์ต " หรือ "น้ำเชื่อมสีทอง" เป็นส่วนผสมของกลูโคสและฟรุกโตสที่อยู่ในรูปของเหลวหนืดและอิ่มตัวยิ่งยวดน้ำผึ้ง ใส มีคาร์โบไฮเดรตซึ่งอาจตกผลึกได้ในระยะเวลาหลายสัปดาห์

อาจพบภาวะอิ่มตัวเกินเมื่อพยายามตกผลึกโปรตีน^{[ 11 ]}

ความสามารถในการละลายของแก๊สในของเหลวจะเพิ่มขึ้นเมื่อความดันของแก๊สเพิ่มขึ้น เมื่อความดันภายนอกลดลง แก๊สส่วนเกินจะแยกตัวออกจากสารละลาย

เครื่องดื่มอัดลมทำโดยการอัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เข้าไปในของเหลว ภายใต้ความดัน ในแชมเปญก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์_เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในขั้นตอนสุดท้ายของการหมักเมื่อเปิดขวดหรือกระป๋อง ก๊าซบางส่วนจะถูกปล่อยออกมาในรูปของฟองอากาศ

การปล่อยก๊าซจากเนื้อเยื่อที่อิ่มตัวเกินอาจทำให้ผู้ที่ดำน้ำใต้น้ำเป็นโรคจากการลดความดัน (หรือที่รู้จักกันในชื่อโรคเบนด์) เมื่อกลับขึ้นสู่ผิวน้ำ ซึ่งอาจถึงแก่ชีวิตได้หากก๊าซที่ปล่อยออกมาไปขัดขวางการไหลเวียนของเลือดที่สำคัญ ทำให้เกิดภาวะขาดเลือดในเนื้อเยื่อที่สำคัญ^{[ 12 ]}

ก๊าซที่ละลายอยู่ในน้ำมันสามารถถูกปล่อยออกมาได้ในระหว่างการสำรวจหาแหล่งน้ำมันเมื่อพบน้ำมันดิบ เนื่องจากน้ำมันในหินที่มีน้ำมันอยู่ภายใต้แรงดันสูงจากหินด้านบน ทำให้มีปริมาณก๊าซที่ละลายอยู่ในน้ำมันสูงเกินกว่าจุดอิ่มตัว

การเกิดฝนตกหนักเป็นรูปแบบสุดขั้วของการผลิตน้ำเหลวจากส่วนผสมที่อิ่มตัวเกินของอากาศและไอน้ำในบรรยากาศความอิ่มตัวเกินในเฟสไอเกี่ยวข้องกับแรงตึงผิวของของเหลวผ่านสมการของเคลวิน ผล ของกิบส์-ทอมสันและผลของพอยน์ติง^{[ 13 ]}

สมาคมระหว่างประเทศว่าด้วยคุณสมบัติของน้ำและไอน้ำ ( IAPWS ) ได้จัดทำสมการพิเศษสำหรับพลังงานอิสระของกิบส์ในบริเวณไอระเหยที่ไม่เสถียรของน้ำไว้ในเอกสารฉบับปรับปรุงของ IAPWS Industrial Formulation 1997 สำหรับคุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกของน้ำและไอน้ำคุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกทั้งหมดสำหรับบริเวณไอระเหยที่ไม่เสถียรของน้ำสามารถหาได้จากสมการนี้โดยใช้ความสัมพันธ์ที่เหมาะสมของคุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกกับพลังงานอิสระของกิบส์^{[ 14 ]}

เมื่อทำการวัดความเข้มข้นของสารละลายในส่วนผสมของก๊าซหรือของเหลวที่อิ่มตัวยิ่งยวด เป็นที่ชัดเจนว่าความดันภายในคิวเวตต์อาจมากกว่าความดันบรรยากาศในกรณีเช่นนี้จะต้องใช้คิวเวตต์แบบพิเศษ การเลือก เทคนิคการวิเคราะห์ที่จะใช้จะขึ้นอยู่กับลักษณะของ สาร ที่ต้องการวิเคราะห์^{[ 15 ]}

ลักษณะของภาวะอิ่มตัวยิ่งยวดมีประโยชน์ในทางปฏิบัติในด้านเภสัชกรรมโดยการสร้างสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวดของยาบางชนิด ยานั้นสามารถรับประทานได้ในรูปของเหลว ยาสามารถถูกผลักดันให้เข้าสู่สภาวะอิ่มตัวยิ่งยวดได้ด้วยกลไกปกติใดๆ จากนั้นจึงป้องกันการตกตะกอนโดยการเพิ่มสารยับยั้งการตกตะกอน^{[ 16 ]}ยาในสภาวะนี้เรียกว่า "บริการนำส่งยาอิ่มตัวยิ่งยวด" หรือ "SDDS" ^{[ 17 ]}การรับประทานยาในรูปแบบนี้ทำได้ง่ายและช่วยให้สามารถวัดปริมาณยาได้อย่างแม่นยำมาก โดยหลักแล้วเป็นวิธีการสำหรับยาที่มีความละลายต่ำมากในการทำเป็นสารละลายในน้ำ^{[ 18 ] [ 19 ]}นอกจากนี้ ยาบางชนิดสามารถเกิดภาวะอิ่มตัวยิ่งยวดภายในร่างกายได้แม้ว่าจะรับประทานในรูปผลึกก็ตาม^{[ 20 ]}ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ภาวะอิ่มตัว ยิ่งยวด ในร่างกาย

การระบุสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวดสามารถใช้เป็นเครื่องมือสำหรับนักนิเวศวิทยาทางทะเลในการศึกษาการทำงานของสิ่งมีชีวิตและประชากร สิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงจะปล่อย_ก๊าซ O2ลงในน้ำ ดังนั้น พื้นที่ในมหาสมุทรที่มีก๊าซ O2 อิ่มตัวยิ่งยวด_จึงมีแนวโน้มที่จะมีกิจกรรมการสังเคราะห์แสงสูง แม้ว่าจะมี O2 บางส่วน_อยู่ในมหาสมุทรตามธรรมชาติเนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีกายภาพ แต่ก๊าซออกซิเจนทั้งหมดที่พบในบริเวณอิ่มตัวยิ่งยวดมากกว่า 70% สามารถเกิดจากกิจกรรมการสังเคราะห์แสงได้^{[ 21 ]}

ภาวะอิ่มตัวยิ่งยวดในเฟสไอ มักเกิดขึ้นในกระบวนการขยายตัวผ่านหัวฉีด ไอน้ำ ที่ทำงานด้วยไอน้ำร้อนยวดยิ่งที่ทางเข้า ซึ่งจะเปลี่ยนไปเป็นสถานะอิ่มตัวที่ทางออก ดังนั้น ภาวะอิ่มตัวยิ่งยวดจึงเป็นปัจจัยสำคัญที่ต้องนำมาพิจารณาในการออกแบบกังหันไอน้ำเนื่องจากส่งผลให้ปริมาณการไหลของมวลไอน้ำจริงผ่านหัวฉีดมากกว่าค่าที่คำนวณทางทฤษฎีไว้ประมาณ 1 ถึง 3% ซึ่งเป็นค่าที่คาดว่าจะเกิดขึ้นหากไอน้ำที่ขยายตัวผ่านกระบวนการอะเดียแบติก แบบผันกลับได้ ผ่านสถานะสมดุล ในกรณีเหล่านี้ ภาวะอิ่มตัวยิ่งยวดเกิดขึ้นเนื่องจากกระบวนการขยายตัวเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและในระยะเวลาอันสั้นมาก จนไอที่ขยายตัวไม่สามารถเข้าถึงสถานะสมดุลได้ในกระบวนการ ทำให้มีพฤติกรรมราวกับว่าเป็นไอน้ำร้อนยวดยิ่ง ดังนั้น การกำหนดอัตราส่วนการขยายตัวที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณการไหลของมวลผ่านหัวฉีดจะต้องทำโดยใช้ดัชนีอะเดียแบติกประมาณ 1.3 เช่นเดียวกับไอน้ำร้อนยวดยิ่ง แทนที่จะเป็น 1.135 ซึ่งเป็นค่าที่ควรใช้สำหรับการขยายตัวแบบอะเดียแบติกกึ่งคงที่ในบริเวณอิ่มตัว^{[ 22 ]}

การศึกษาภาวะอิ่มตัวยิ่งยวดมีความเกี่ยวข้องกับการศึกษาบรรยากาศด้วยเช่นกัน นับตั้งแต่ทศวรรษ 1940 เป็นต้นมาเป็นที่ทราบกันดีว่า มีภาวะอิ่มตัวยิ่งยวดใน บรรยากาศ เมื่อน้ำมีภาวะอิ่มตัวยิ่งยวดใน ชั้นโทรโพสเฟียร์มักจะพบการก่อตัวของโครงสร้างน้ำแข็ง ในสภาวะอิ่มตัว อนุภาคน้ำจะไม่ก่อตัวเป็นน้ำแข็งภายใต้สภาวะของชั้นโทรโพสเฟียร์ การที่โมเลกุลของน้ำก่อตัวเป็นโครงสร้างน้ำแข็งที่ความดันอิ่มตัวนั้นไม่เพียงพอ พวกมันต้องการพื้นผิวที่จะควบแน่นหรือการรวมตัวของโมเลกุลน้ำเหลวเพื่อที่จะแข็งตัว ด้วยเหตุผลเหล่านี้ ความชื้นสัมพัทธ์เหนือน้ำแข็งในบรรยากาศจึงอาจสูงกว่า 100% ซึ่งหมายความว่าเกิดภาวะอิ่มตัวยิ่งยวดขึ้นแล้ว ภาวะอิ่มตัวยิ่งยวดของน้ำนั้นพบได้บ่อยมากในชั้นโทรโพสเฟียร์ตอนบน โดยเกิดขึ้นระหว่าง 20% ถึง 40% ของเวลา^{[ 23 ]}สามารถตรวจสอบได้โดยใช้ข้อมูลจากดาวเทียมจาก เครื่อง ตรวจวัดรังสีอินฟราเรดในบรรยากาศ^{[ 24 ]}