Как найти скорость растворения - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

Во
всех случаях растворения жидкая фаза
перемещается относительно твердой
поверхности растворяющегося вещества.
Даже в отсутствии внешних причин,
например, перемешивания, происходит
естественная конвекция жидкости
вследствие того, что плотность жидкой
фазы неодинакова у твердой поверхности
и вдали от нее.

Независимо
от характера движения жидкости у границы
раздела фаз всегда существует диффузионный
слой жидкости, через который в результате
молекулярной и конвективной диффузии
частицы растворяющегося вещества
проникают в массу раствора, а молекулы
растворителя – к растворяющейся твердой
поверхности. В случае химического
растворения в обратном направлении
диффундирует продукт реакции.

Скорость
растворения кристаллических тел в
жидкостях определяется, главным образов
законами диффузии – диффузионной
кинетикой. Иногда она лимитируется
скоростью гетерогенной химической
реакцией на поверхности контакта фаз,
то есть подчиняется законам химической
кинетики. В первом случае процесс
называют диффузионным,
во втором – кинетическим.

При
быстром физическом растворении у
поверхности кристалла образуется
насыщенный раствор, общее уравнение
скорости растворения имеет вид:

-dN/Fd
= K(x₀
– x) (1)

N
–масса растворяющегося вещества; F
– площадь поверхности кристаллов; 
— время; -dN/Fd
— скорость растворения, отнесенная к
единице площади контакта фаз, знак минус
указывает на уменьшение массы вещества
с увеличением времени растворения; K
– коэффициент скорости растворения;
x_0

–концентрация
насыщенного раствора при данной
температуре; x
– концентрация растворяемого вещества
в жидкой фазе.

Движущей
силой растворения является недонасыщенность
раствора, то есть разность
(x₀
– x).
По мере повышения концентрации
растворяющегося вещества в жидкой фазе
скорость растворения уменьшается по
логарифмическому закону, с наибольшей
скоростью растворение идет в чистом
растворителе, при получении разбавленных
растворов.

Движущая
сила (x₀
– x)
зависит от способа растворения и типа
аппарата растворителя. В аппаратах с
мешалкой при осуществлении периодического
процесса (x₀
– x)
практически одинакова во всех точках
системы, но уменьшается во времени. В
непрерывных аппаратах, где осуществляется
прямоточное или противоточное движение
твердой и жидкой фаз движущая сила
изменяется в направлении движения
потоков, но остается неизменной во
времени для любой координаты. Для расчета
процесса растворения обычно используют
среднелогарифмическую величину движущей
силы, вычисляемую по начальному и
конечному ее значениям.

Скорость
перехода вещества из твердой фазы в
жидкую определяется градиентом
концентрации в растворе у границы
раздела фаз, и выражается уравнением:

-dN/Fd
= K^/(x₀
– x_i)
(2),

а
скорость транспорта вещества через
диффузионный слой от границы раздела
в жидкость:

-dN/Fd
= K^//(x_i
– x) (3)

K^/
— коэффициент скорости межфазного
перехода вещества;

хⁱ
– концентрация раствора у границы
раздела фаз;

K^//
= D/
— коэффициент скорости перехода вещества
от межфазной поверхности в массу
раствора;

D
– коэффициент диффузии;

 —
эффективная (условная) толщина пограничного
слоя.

Вследствие
равенства скоростей (2) и (3) имеем:

K^/(x₀
– x_i)
= K^//(x_i
– x),

1/K
= 1/K^/
+ 1/K^//
или
K= K^/K^///(K^/+K^//)
= K^/D/(K^/
+ D).

Растворение
большинства солей (NaCl,
KCl,
Na₂CO₃10H₂O)
лимитируется диффузионной кинетикой;
к числу солей, растворение которых
лимитируется межфазовым переходом,
относится, например, MgSO₄H₂O.

По
значению энергии активации процесса
(Е) растворения можно судить о том, в
какой области протекает процесс. Если
Е25
кДж/моль – процесс диффузионный, если
Е40
– кинетический процесс.

Повышение
температуры
в большинстве случаев является эффективным
средством ускорения процесса: снижается
вязкость раствора, и следовательно,
уменьшается толщина диффузионного слоя
и его сопротивление массопередаче –
значение К возрастает; помимо этого,
возрастает растворимость большинства
веществ. Для веществ, растворимость
которых снижается с повышением
температуры, нагревание может не только
замедлить растворение, но и совсем
приостановить его.

Интенсивность
растворения зависит, как всякого
гетерогенного процесса, зависит от
площади
поверхности контакта
фаз. Чем мельче кристаллы, тем больше
их удельная поверхность, чем быстрее
они растворяются.

Разные
случаи химического растворения
подчиняются различным кинетическим
законам. Когда реакция идет только на
поверхности твердого тела, и в раствор
диффундируют образовавшиеся здесь
продукты реакции, скорость растворения
пропорциональна концентрации (с)
растворителя в массе раствора,
диффундирующего к поверхности:

-dN/Fd
= Кс

Когда
реакция между растворяющимся веществом
и раствором иде9т не только на межфазной
поверхности, но и в растворе, кинетическое
уравнение имеет вид:

-dN/Fd
— К₁
+ К₂с

К,
К₁,
К₂
– коэффициенты, зависящие от температуры,
гидродинамических и других условий
растворения.

Частным
случаем химического растворения является
кислотное разложение минералов. Здесь
скорость растворения зависит от
концентрации кислоты и пропорциональна
активности действующего раствора, то
есть концентрации ионов водорода. Если
в случае растворения образуется соль,
придающая раствору буферные свойства,
скорость растворения резко замедляется.

Перемешивание
в любом случае ускоряет процесс
растворения, причем здесь важна не
абсолютная скорость движения фаз, а
относительная скорость их перемешивания,
то есть скорость обтекания твердой фазы
жидкостью. Так, в аппарате с мешалкой
скорость растворения сначала растет
пропорционально частоте ее вращения,
затем по мере растворения рост скорости
сначала замедляется, а затем останавливается.
При растворении мелких частиц при
большой скорости перемешивания, они
движутся со скоростью увлекающего их
потока , и скорость их растворения может
оказаться меньшей, чем при неинтенсивном
перемешивании.

Выщелачивание
это извлечение (экстракция) жидким
растворителем растворимого твердого
компонента из системы, состоящей из
двух или большего числа твердых фаз.
Термин выщелачивание применяют к таким
процессам экстракции, в которых водой
или водными растворами кислот, щелочей
или солей извлекают содержащиеся в
твердых смесях неорганические вещества.
Например, извлечение алюмината нитрия
из спеков в производстве глинозема, или
выщелачивание KCl
из сильвинита (KCl
+ NaCl)
осуществляемое водным раствором,
насыщенным NaCl,
но не насыщенным KCl.

Растворимая
фаза полностью или частично заполняет
поры нерастворимой массы системы. Для
ее извлечения необходима диффузия
растворителя внутрь зерен сквозь
лабиринт пор к поверхности растворимых
частиц и обратная диффузия растворенного
вещества через заполняющий поры раствор.
Пористая инертная масса создает
существенное диффузионное сопротивление
в процессе выщелачивания по сравнению
с растворением чистого компонента.
Процессы выщелачивания идут значительно
медленнее растворения тех же веществ.

Скорость
выщелачивания зависит от структуры
обрабатываемого материала: степени
пористости, размер пор, массового
соотношения растворимой и нерастворимой
фаз. Обычно процесс выщелачивания
лимитируется внутренней диффузией и
мало зависит от скорости обтекания
пористой частицы жидкостью.

Если
часть растворимой фазы (а%) заключена в
закрытых порах, в которые растворитель
проникнуть не может, то предельная
степень выщелачивания в этом случае
равна (100 –а)%. Для ее увеличения необходимо
дополнительное измельчение материала.
Иногда с целью ускорения выщелачивания
процесс ведут при повышенных температурах,
превышающих температуру кипения раствора
при атмосферном давлении. В этих случаях
процесс проводят в автоклавах при
повышенном давлении.

В
процессе выщелачивания образуется
нерастворимый осадок – шлам. Процессы
выщелачивания обычно организуют
противоточным методом, при котором у
выхода из выщелачивателя шлам встречается
со свежим растворителем или слабым
раствором. Это обеспечивает уменьшение
потерь ценного продукта, оставшегося
в жидкости, смачивающей шлам.

Соседние файлы в папке Шпоры

Источник

Растворением называют химический или физический процесс, который происходит при внесении твердого или газообразного вещества в жидкое, приводит к получению раствора единой консистенции и с одинаковыми характеристиками. При этом особенности физического и химического типов процедуры будут несколько разными.

В первом варианте растворяемое вещество распадается на молекулы, но те не разделяются на ионы. В химическом варианте вещества проходят процессы образования гидратов. Их молекулы распадаются на ионы. Иногда реакция сопровождается повышением или снижением температуры раствора.

Что касается скорости растворения, то она зависит от множества факторов, в частности:

объем растворителя;
состояние, в котором находится растворяемое вещество;
площадь места и объекта растворения;
концентрация;
при каких температурных показателях происходит процесс;
показатели давления;
наличие в растворителе других веществ.

Все перечисленные факторы оказывают прямое влияние на процесс растворения. Для каких-то материалов требуется более высокая температура, другие растворяются лучше при высоком давлении (газы), есть и вещества, которые могут быть растворены при добавлении в жидкую среду катализаторов. Все зависит от особенностей движения атомов, других характеристик.

И в таком случае возникает соответствующий вопрос – как определить скорость процесса, если диффузия происходит всегда по-разному. Сразу обозначим, что с учетом зависимости от определенных моментов формулы расчета могут несколько отличаться. Рассмотрим один из частных примеров.

Уравнение для определения скорости процесса растворения

Рассмотрим уравнение для определения скорости растворения кристалла. Оно имеет следующий вид: -dN/Fdt = K(x0 – x). Здесь:

N – масса компонента, который растворяется;
F – площадь поверхности кристаллов;
t — время;
К – коэффициент скорости растворения;
х0 – концентрация раствора при конкретной температуре;
х – концентрация растворяемого компонента.

Стоит отметить, что движущей силой процесса растворения считается ненасыщенность раствора. Практика показывает, что чем выше концентрация растворяющегося вещества в растворителе, тем медленнее продолжает происходить реакция. И наоборот, быстрее всего растворение происходит именно в чистом растворителе, когда он еще не содержит никаких примесей.

Значимость скорости процесса растворения

Кинетика растворения, скорость этого процесса играют важную роль во множестве областей промышленности. Чаще всего они применяются в фармацевтике. Там очень важно оценивать способность лекарственного препарата к растворению, знать, как быстро оно произойдет. Иногда рассматриваемый показатель применяется и по отношению к металлу. Например, может понадобиться узнать скорость растворения оксида свинца в эквимолярном расплаве. Только формулы и способы проведения расчетов будут разными. Здесь нет одной константы.

Источник

Скорость — растворение — твердое тело

Cтраница 1

Скорость растворения твердого тела определяется в первую очередь энергией активации перехода поверхностных частиц твердого тела в раствор при условии взаимодействия их с частицами жидкости.
[1]

Измерение скорости растворения твердых тел в турбулентном потоке вязкой жидкости является важным методом изучения турбулентности в непосредственной близости от твердой поверхности. Тем самым удается получить сведения о распределении, скоростей турбулентного потока в зоне, непосредственно прилегающей к поверхности.
[2]

Измерение скорости растворения твердых тел в турбулентном потоке вязкой жидкости является важным методом изучения турбулентности в непосредственной близости от твердой поверхности. Тем самым удается получить сведения о распределении скоростей турбулентного потока в зоне, непосредственно прилегающей к поверхности.
[3]

Известно, что скорость растворения твердых тел с кова-лентной связью определяется скоростью химической реакции на поверхности этих веществ с энергией активации 10 ккал / моль.
[4]

Пусть при постоянной температуре скорость растворения твердого тела в жидкости пропорциональна количеству этого вещества, чце могущего раствориться до полного насыщения жидкости.
[5]

Основоположником современной теории гетерогенных реакций в растворах следует считать А. Н.Щукарева [1], который впервые установил, что скорость растворения твердых тел в жидкостях пропорциональна разности концентраций между насыщенным раствором и данным раствором и площади, на которой происходит процесс растворения.
[6]

Кроме перечисленных направлений следует еще назвать изучение кинетики гетерогенных процессов, среди которых можно выделить две подгруппы работ: исследования скорости растворения твердых тел ( И. Нернст и др. [60-63]) и исследования по кинетике гетерогенного катализа, среди которых особо следует отметить работу Д. П. Коновалова [64] по диссоциации паров органических соединений в результате контактных действий. Большой комплекс работ по кинетике термического разложения га-лоидокислородных и марганцевокислых солей был проведен А.
[7]

Наиболее медленным этапом разложения фосфатов азотной кислотой, определяющим его скорость, является диффузия растворенного вещества в объем растворителя и перенос водородных ионов к поверхности твердых веществ. Как известно, скорость растворения твердых тел зависит от величины поверхности соприкосновения фаз, интенсивности перемешивания, температуры и разности концентраций раствора у поверхности твердой фазы и в объеме раствора.
[8]

Обе стадии протекают с различной скоростью и кинетика растворения зависит от соотношения этих скоростей. Классические работы в этой области Нойеса и Уитнея, Брукнера и Нерн-ста, Щукарева и др. привели их к заключению, что скорость растворения твердых тел определяется скоростью диффузии. Позднее Нернст более детально разработал диффузионную теорию кинетики гетерогенных процессов. Согласно этой теории процесс взаимодействия твердого тела с растворителем на границе раздела фаз идет значительно быстрее диффузии продуктов растворения в объем и растворителя к поверхности. В таком случае скорость растворения определяется скоростью диффузии, как наиболее медленной стадии процесса.
[9]

Обе стадии протекают с различной скоростью, и кинетика растворения зависит от соотношения этих скоростей. Классические работы в этой области Нойеса и Уитнея, Брукнера и Нернста, Щукарева и др. привели их к заключению, что скорость растворения твердых тел определяется скоростью диффузии. Позднее Нернст более детально разработал диффузионную теорию кинетики гетерогенных процессов. Согласно этой теории процесс взаимодействия твердого тела с растворителем на границе раздела фаз идет значительно быстрее диффузии продуктов растворения в объем и растворителя к поверхности. В таком случае скорость растворения определяется скоростью диффузии, как наиболее медленной стадии процесса.
[10]

Поэтому относительно рано появились попытки описать скорость переноса вещества к электроду. При условии, что миграционный перенос ограничен до минимума, эти выводы действительны и для переноса в процессе электролиза, если принять, что массоперенос определяет скорость рассматриваемого процесса. Нойес и Уитней [46] пришли к заключению, что скорость растворения твердых тел в решающей степени зависит от скорости диффузии. Они считали, что на границе твердого тела и жидкости образуется очень тонкий слой насыщенного раствора и из этого слоя вещество диффундирует в глубь раствора.
[11]

Страницы:

Источник