重力場對一杯溶液的濃度有影響嗎?

最近想到一個問題,放一勺鹽到一大杯水中,完全溶解後,在平衡條件下,一般會認為形成穩定均一的一杯溶液。那麼問,在這杯溶液中,其濃度是否為均一的?是否由於重力場的影響最後形成上稀下濃的平衡狀態?
注意,不要考慮杯子太小或者怎麼著,假定杯子高度很高。
最好從理論角度進行推導或者給出相關文獻,謝謝


看到匿名答主棄坑不填,我實在忍不住答一發~

先說結論:就算在常見的容器尺度下,也是有可能見到重力導致的分子濃度分布的。

我們常常忽略分子尺度的物質在重力影響下的分布。這是對小分子一般容器而言。這種情況下,重力勢能&<&<分子動能(kT);根據Boltzmann 分布定律,重力對於濃度影響很小。但是,既然題主說了「不要考慮杯子大小,假定很高」那就好辦了,我們只要算一算,在高度和分子質量滿足什麼關係的時候會存在明顯的濃度分布。

-------------------以下是推導,咦知乎莫非已經能寫公式了!!??!!--------------------------------------

重力勢能:
m*N*g*h
其中m是單位分子質量1.675*10^{-27} kg/Da,N是分子量,g是重力加速度,h是溶液的高度。


分子動能:E_{d} approx kT
其中k為 1.3806488 × 10^{-23} 	ext{ m}^{2} cdot	ext{ kg} /	ext{s}^{2} cdot 	ext{K},T是絕對溫度,假定在實驗條件下為300K。

假定當
m*N*g*hgeq 0.1kT
的時候就可以認為重力可以帶來可觀的濃度差別,那麼可以得到:

N*hgeq 25233.8 	ext{Da*m}
大功告成!!!!!!!!!!!!

--------------------------------哎呀這個結果也不是很厲害嘛--------------------------------------------------


根據上面算出來的這個關係式:
N*hgeq 25233.8 	ext{Da*m}

一個分子量兩萬五的蛋白質溶在水裡,大概一米高的水缸上下就會有濃度差別了哦~如果使用肌聯蛋白(分子量300萬)作為溶質,那麼8厘米高的杯子就可能出現濃度差了!


如果我們考慮馬里亞納海溝(10911m)這麼深的容器,那麼只需要分子量為2就存在顯著的的濃度差別了呀!當然了這種情況要考慮溶劑(假定是水,分子量18)本身的分布。加入這一修正之後,我們可以初步得到結論:在馬里亞那海溝處,如果不存在對流干擾,分子量大於20或者小於16的溶質的濃度在海面和水底是會有顯著差別的!

聽起來是個不錯的東西呢,看看啥時候跟老師說一下加入本科生教學實驗豪華午餐~~~


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(P.S.感謝 @陳陽提醒,蛋白質『溶液』其實是膠體分散液的範疇了……不過~意會意會不要被死板的分類束縛手腳啊哈哈哈哈哈哈哈)
(PP.S @陳陽 雖然沒有頭像不過是個清華優質單身工科男,有意思的妹子快去勾搭~)


嘛,我也獻一下丑吧。
首先我們用分子化學勢的觀念去考慮溶液體系分子間相互作用。
mu_{z}^{i} + kTlnX_{z} = mu_{0}^{i} + kTlnX_{0}
我們寫出了一個Boltzmann分布下平衡態化學勢與濃度的關係。
當然,溶液體系的相互作用是相對複雜的。如果要規範地寫出其化學勢,還是相當大工作量的。
所以我們簡單地假設考慮一個比較理想的情況:稀溶液。並進一步認為化學勢主要與重力相關,或者換而言之,除重力外,分子間作用勢對溶質分子在溶液內分布是基本均勻一致的(除了近表面)。
OK。體系定義好之後,這個問題就可以被十分簡單地寫出了:
X_z = X_0 e^{-mgz/kT}.
需要注意的是,我們的推導並沒考慮溶質受重力影響。從這個式子可以看出來分子質量越大的組分受重力影響(上稀下濃)越大。
需要說明的是,看起來這一公式還會導致液體溶劑的密度(壓強)變化。對於液體,這一密度變化則不能簡單用上面的公式計算了。因為此時化學勢不能再被忽略
給幾個例子。前面 徐克 學長給的肌聯蛋白的例子,分子量是300萬,我們就可以算出8cm的杯子頂部和底部有多大的濃度差了。
代入m = 3000 / Na kg,和R = k*Na,有 X_z = 0.3895*X_0
所以,頂部的肌聯蛋白濃度不足底部的0.4倍,是十分明顯的差別。
事實上,8mm的距離就足以讓其濃度產生9%的降低了。
收工!


玻~~爾茲曼分布呢~我就寫漢字不寫英語~~


地球在旋轉,重力提供向心力,物體還有一個向外甩出去的趨勢——離心力,差不多抵消了吧,哈哈,我猜的,有錯誤的話請更正


結果是顯然有的,只不過是效應大小問題。要不然離心機是怎麼做出來的╮(╯▽╰)╭


之前已經有很多人已經回答了,這裡只補充一個,題主請去查一查鈾濃縮技術。。。


如果把範圍擴大一點兒的話可以參考離心機的工作原理。
溶液不同高度密度不同,溶質找到跟自己密度相同的位置,待著。不過地球的重力效應不明顯,使用離心機得到增大重力加速度的效果。


我們高中物理老師做過一個實驗,就是拿一缸濃鹽水,靜置一段時間後,用激光筆照它。可以看到激光的光路有很明顯的偏折。就是因為重力場導致的溶液各處濃度不同引起的折射。

如果題主想要深入的話建議可以看看彭笑剛老師的《物理化學講義》59頁溶液中分子的分布,講的很詳細。


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