Studie změn kyselosti po zamrazení vybraných vícesytných anorganických solí a kyselin

Bc. Radim Štůsek

Master's thesis

Study of freezing-induced acidity changes of selected polyprotic inorganic acids and salts

Abstract:

Mrazení je důležitý proces jak ve vědě, tak v každodenním životě. Jevy doprovázející mrazení jsou zkoumány již desítky let, jejich poznání a kvantifikace jsou však stále nedostačující. Tato práce se zabývá dvěma různými jevy okyselení způsobenými mrazením, které v některých případech mrazení doprovází. Těmito účinky jsou zakoncentrování mrazením a precipitace minerálů. Metoda použitá v této práci spočívá v aplikaci acidobazického indikátoru in-situ, který dokáže stanovit kyselost v žilách ledu. Pro pozorování zakoncentrování mrazením a krystalizace byly zmrazeny silné anorganické kyseliny (chlorovodíková, dusičná, sírová) a jejich kyselost byla stanovena. Ta byla následně přepočítána na koncentraci a byly odvozeny koncentrační faktory. Výsledky práce ukazují, že zředěné roztoky těchto kyselin se mohou koncentrovat nejméně 100 000krát. Srážení minerálů bylo demonstrováno zmrazením roztoků uhličitanu sodného a síranu sodného a měřením změn jejich kyselosti po zmrazení. Obě tyto soli vykazovaly zvýšení kyselosti přibližně o 5 jednotek, což bylo vysvětleno mechanismem preferenční precipitace. Výsledky této práce mohou pomoci zlepšit atmosférické modely zabývající se kapalnými aerosoly s obsahem zmíněných kyselin. Výsledky změn kyselosti uhličitanů vyvolaných mrazením mohou být zajímavé zejména pro mrazení léčiv, jakož i pro mrazení krve a dalších systémů využívajících uhličitany jako pufr.

Abstract:

Freezing is an important phenomenon both in science and everyday life. The effects occurring during freezing have been investigated for decades, however their understanding and quantification are still insufficient. This thesis deals with two distinct effects of freezing-induced acidification, which in some cases accompanies freezing. These effects are freeze-concentration and mineral precipitation. Our method utilizes an in-situ acid-base indicator which can probe the ice matrix and determine acidity therein. To observe freeze-concentration and crystallization, the strong inorganic (hydrochloric, nitric, sulphuric) acids were frozen and their acidity measured. The acidity was recalculated to concentration and the factors of concentration were derived. It was found that dilute solutions of these acids can concentrate by a factor of at least 100 000. The mineral precipitation was demonstrated by freezing sodium carbonate and sodium sulphate solutions and measuring their acidity changes upon freezing. Both of these salts showed an increase in acidity by approximately 5 units, which was explained by a mechanism of preferential precipitation. The results of this thesis can help to improve atmospheric models dealing with liquid aerosol particles containing the acids. The results of the freezing-induced acidity changes of carbonates can be of particular interest in pharmaceutical freezing, as well as freezing of blood and other systems utilizing carbonate as a buffer.

Keywords

Hammett acidity, polyprotic acids, acidity changes, freezing, freeze-concentration, precipitation, buffers, Hammettova kyselost, vícesytné kyseliny, změna kyselosti, mrazení, zakoncentrování mrazem, precipitace, pufr

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 5. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 26. 6. 2024
• Supervisor: doc. Mgr. Dominik Heger, Ph.D.
• Reader: Prof. Dr. Thomas Loerting

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Physical Chemistry