Растворение твердых веществ (стр. 1 из 7)

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 Растворение как гетерогенный химический процесс

1.2 Уравнения кинетики растворения

II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

2.1 Определение энергии активации

2.2 Определение порядка реакции

2.3 Определение кинетической функции

2.4 Определение времени полного растворения

2.5 Рекомендации по проведению исследований и выполнению расчетов

III. ПРОСТЫЕ МОДЕЛИ РАСТВОРЕНИЯ И ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ

3.1 Определение времени полного растворения при наличии перемешивания

3.2 Идентификация кинетических параметров процессов растворения

ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Е – энергия активации;

- зависимость скорости растворения от температуры;

- зависимость скорости растворения от концентрации;

n - cкорость вращения мешалки;

- время;

Т - температура;

х - безразмерное время, равное отношению текущего времени

ко времени полного растворения .

- порядок реакции;

- коэффициент массоотдачи;

- степень растворения;

- доля нерастворившегося компонента в периодическом процессе;

- кинетическая функция.

ВВЕДЕНИЕ

Тема контрольной работы «Растворение твердых веществ» по дисциплине «Химическая технология неорганических веществ».

Под термином растворение понимают гетерогенные реакции, протекающие между твердым веществом и жидкостью и сопровождающиеся переходом твердого вещества в раствор. Наиболее часто этот процесс используется в химической промышленности, но он играет важную роль и в металлургической, пищевой промышленности и даже в машино- и приборостроении.

В данной работе рассмотрены основные кинетические закономерности процесса растворения твердых тел, приведена одна из методик экспериментального определения кинетических параметров растворения (константы скорости, энергии активации, порядка реакции) и оценки влияния интенсивности перемешивания на скорость растворения.

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 Растворение как гетерогенный химический процесс

Растворение твердых тел – один из важнейших процессов химической технологи. Непосредственный результат растворения заключается в получении раствора, т.е. гомогенной смеси двух и более веществ. Обычно взаимодействие растворителя с полностью растворяющейся твердой фазой происходит на поверхности частиц, в ряде случав это взаимодействие может затрагивать пористую структуру внутри частиц. Можно выделить два основных класса реакций растворения:

1. Обратимое растворение;

2. Необратимое растворение.

Обратимое растворение сводится к образованию сольватов на поверхности реагирующей твердой фазы и переносу их в раствор. Обратимость этого процесса заключается в том, что полученный раствор можно кристаллизацией разделить на исходные реагенты. Примером такого процесса является растворение ионных кристаллов в воде с образованием пересыщенных растворов и их кристаллизация.

Необратимое растворение можно по типу реакций разбить на 3 подгруппы:

а) реакции, сводящиеся к образованию сольватов на поверхности и последующему переносу их в раствор. По своему типу эти реакции могут быть сходными с теми, которые наблюдаются при обратимом растворении. Однако полученный раствор уже нельзя кристаллизацией разделить на исходные компоненты. Примером таких реакций может служить растворение смешанных кристаллов, состоящих из ионных молекул, либо стекол в полярных и неполярных жидкостях;

б) окислительно-восстановительные реакции, приводящие к образованию сольватированных ионов и продуктов восстановления окислителя. К такого рода реакциям относятся взаимодействие металлов или их сплавов с окислителями или комплексообразователями в водных растворах;

в) реакции присоединения, замещения, нейтрализации. К этой подгруппе относятся реакции взаимодействия молекулярных и ионных кристаллов с полярными и неполярными жидкостями, приводящие к образованию сольватированных молекул и ионов.

Все эти реакции объединяет общее для гетерогенных процессов свойство: реакции растворения всегда включают в себя несколько стадий. Первой из них является стадия переноса растворителя к поверхности растворяющегося вещества, на которой происходит реакция; на второй стадии происходит собственно химическая реакция; третья стадия заключается в отводе продуктов реакции от реакционной поверхности.

Суммарная скорость процесса растворения определяется скоростями отдельных стадий. Если скорость одной из стадий процесса существенно меньше, чем скорость других, суммарная скорость процесса будет определяться скоростью именно этой наиболее медленной стадии. В том случае, когда медленной (лимитирующей) стадией является химическое взаимодействие, концентрация реагирующего вещества у поверхности совпадает с концентрацией в объеме, а наблюдаемая скорость реакции зависит от внешних параметров (т.е. от температуры и концентрации) точно также, как и истинная скорость реакции на поверхности. Такую предельную область гетерогенного процесса принято называть кинетической.

Если же медленной стадией процесса является подвод реагентов к поверхности или отвод продуктов реакции от поверхности, то скорость процесса определяется скоростью диффузии, и макроскопическая кинетика реакции не имеет ничего общего с истинной кинетикой на поверхности. Эту предельную область гетерогенного процесса называют диффузионной.

Наконец, если скорости отдельных стадий сравнимы между собой, то процесс протекает в переходной области, и наблюдаемая скорость процесса определяется как скоростью диффузии, так и скоростью химической реакции на поверхности растворяющегося вещества.

1.2 Уравнения кинетики растворения

Общие уравнения диффузионно-кинетического режима получены Д.А. Франк-Каменецким в предположении, что условия диффузионного транспорта вещества могут приближенно считаться не зависящими от условий протекания химической реакции на поверхности. Это предположение справедливо в том случае, когда все участки поверхности можно считать одинаково доступными в диффузионном отношении (так называемая равнодоступная поверхность). Скорость реакции на поверхности

пропорциональна концентрации активного реагента С у поверхности в некоторой степени , определяющей формальный порядок реакции:

(1)

Диффузионный поток к поверхности можно определить с помощью коэффициента массоотдачи

:

(2)

где

- концентрация реагента в объеме.

В стационарном состоянии количество вещества, вступающее в реакцию на поверхности, равно диффузионному потоку:

(3)

Уравнение (3) является общим уравнением диффузионно-кинетического режима. При

, т.е. когда реакция имеет первый порядок, получаем:

(4)

Для квазистационарной скорости реакции получим при

:

(5)

где

. (6)

Это соотношение принимает особенно наглядный вид, если вместо константы скорости реакции и коэффициента массоотдачи рассматривать обратные им величины:

(7)

Таким образом, полное сопротивление диффузионно-кинетического процесса равно сумме кинетического и диффузионного сопротивлений.

В случае обратимой реакции у поверхности устанавливается концентрация, соответствующая термодинамическому равновесию. Поэтому для простых реакций растворения, сводящихся лишь к образованию на поверхности сольватов и отводу их в раствор, предельный диффузионный поток определяется выражением:

где

- концентрация насыщенного раствора,

- концентрация растворяемого компонента в объеме.

Следовательно, в диффузионной области роль константы скорости реакции играет коэффициент массоотдачи

, и наблюдаемая скорость процесса не имеет ничего общего с истинной кинетикой химической реакции.