Молекулярные явления II рода

К молекулярным явлениям II рода относятся:

1) сорбция — поглощение одного вещества другим;

2) диффузия — выравнивание концентраций вещества по всему объему;

3) осмос — самопроизвольный переход вещества через полупрони­цаемую перегородку, разделяющую два раствора различной кон­центрации;

4) цеолиты — вещества, способные менять свои свойства при изме­нении внешних условий.

 

Сорбция

Входы: нет.

Выходы: количество вещества.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.9.

Сущность

Сорбция — это поглощение одного вещества другим. Поглоти­тель — сорбент, поглощаемое вещество — сорбат.

Если поглощение происходит только в поверхностном слое сорбен­та, т. е. происходит поверхностная сорбция, она называется адсорбцией.

 

Если же сорбат продиффундировал по всему объему сорбента, т. е. если произошла объемная сорбция, она называется абсорбцией.

По механизму протекания процесса сорбция подразделяется на физическую и химическую.

Рис.2.9. Зависимость величины адсорбции от давления при постоянной температуре

При физической сорбции между сорбентом и сорбатом происходит только межмолекулярное взаимодей­ствие, т. е. сцепление достаточно не­прочное, и со временем начинается об­ратный процесс — процесс отдачи по­глощенного вещества, и в конце концов устанавливается равенство скоростей обоих процессов: V_{адсорбции}=V_{десорбции}

Химическая сорбция намного прочнее физической, десорбция самопроизвольно практически не проис­ходит.

Еще одно отличие между физической и химической сорбцией за­ключается в том, что при повышении температуры физическая сорбция уменьшается, а химическая увеличивается.

В чистом виде физическая и химическая сорбция встречаются редко, чаще всего сорбция включает в себя элементы их обеих.

Адсорбция происходит на границе раздела следующих фаз:

- твердое тело — газ;

- твердое тело — раствор;

- раствор — газ.

В случае поглощения газа твердым адсорбентом адсорбция является функцией температуры и газового давления.

На рис. 2.9 показана зависимость величины адсорбции от давления при постоянной температуре.

Математическое описание

Г=

где Г —величина адсорбции, кмоль/м²;

X — количество адсорбата, кмоль;

S — площадь адсорбента, м².

 

В случае если площадь адсорбента измерить трудно, то площадь его поверхности заменяют его массой:

Г=

где m-масса адсорбента, кг.

Применение

Сорбция применяется для очистки воды. Под сорбционной очисткой воды обычно понимают сорбцию (концентрирование) веществ на по­верхности или в объеме пор твердого материала. Теоретически любое те­ло в пространстве ограничено поверхностью, и, следовательно, вещество его потенциально является сорбентом. Однако в практике очистки воды используются лишь сорбенты с развитой или специфической поверхно­стью естественного или искусственного происхождения, применение ко­торых значительно эффективнее. Исторически применение сорбентов связано с микропористыми углеродными материалами — активными уг­лями.

А. с. 24743. Двухфазное рабочее тело для компрессора теплосило­вых установок, состоящее из газа и мелких частиц твердого тела, отли­чающееся тем, что с целью дополнительного сжатия газа в холодильнике и компрессоре и дополнительного расширения в нагревателе в качестве твердой фазы использованы сорбенты с общей или избирательной по­глотительной способностью.

2.3.2. Диффузия

Входы: нет.

Выходы: концентрация.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.10.

Сущность

semipermeable membrane Рис. 2.10. Схема диффузии через полупроницаемую мембрану

Если состав газовой смеси или жидкости не однороден, то тепловое движение молекул рано или поздно приводит к выравниванию концен­трации каждого компонента во всем объеме. Такой процесс называется диффузией. При протекании процесса диффузии всегда имеются так на­зываемые диффузионные потоки вещества, величина и скорость кото­рых определяется свойствами среды и градиентов концентрации. Ско­рость диффузии в газах увеличивается с понижением давления и ростом температуры. Увеличение температуры вызывает ускорение диффузи­онных потоков в жидкостях и твердых телах. Кроме градиента концентрации, к возникновению диффузионных потоков приводит наличие температурных градиентов в веществе (термодиффузия). Перепад тем­ператур в однородной по составу смеси вызывает появление разности концентрации между областями с различной температурой, при этом в газах более легкий компонент газовой смеси скапливается в области с более низкой температурой. Таким образом, явление термодиффузии можно использовать для разделения газовых смесей; этот метод весьма ценен для разделения изотопов.

При диффузионном перемещении двух газов, находящихся при оди­наковой температуре, наблюдается явление, обратное термодиффузии: в смеси возникает разность температур — эффект Дюфора. При диффу­зионном смешивании газов, составляющих воздух, возникающая раз­ность температур составляет несколько градусов.

Явление диффузии молекул в струю пара лежит в основе работы диффузионных вакуумных насосов (пароструйные насосы); термодиф­фузия паров метилового спирта обеспечивает возможность надежной ра­боты так называемых диффузионных камер -— приборов для наблюде­ния ионизирующих частиц.

Диффузия в твердых сплавах со временем приводит к однородности сплава. Для ускорения диффузии применяется длительный нагрев спла­ва (отжиг); уничтожение внутренних напряжений при отжиге металла также есть следствие процессов диффузии и их ускорения при повыше­нии температуры.

Создание больших концентраций газа на границе с металлом при соз­дании условий, обеспечивающих некоторое «разрыхление» поверхност­ного слоя металла, приводит к диффузии газа внутрь металла; диффузия азота в металлы лежит в основе процесса азотирования. Диффузионное насыщение поверхностных слоев металла различными элементами позво­ляет получать самые различные свойства поверхностей, необходимые в практике. Фактически процессы цементации, алитирования, фосфатирования есть процессы диффузии углерода, алюминия, фосфора внутрь структуры металла. Скорость диффузии при этом легко регулируется с помощью различных режимов термообработки.

Математическое описание

Уравнение диффузии (описывает распространение растворяемого вещества вследствие диффузии)

 

где D — коэффициент диффузии;

С — концентрация;

t — время;

х — смещение.

Применение

А. с. 461774. Способ производства изделий из низкоуглеродистых сталей путем отжига заготовки и холодного выдавливания, отличаю­щийся тем, что с целью улучшения условий выдавливания перед отжи­гом заготовку подвергают термодиффузионной обработке, преимущест­венно цементации.

 

Осмос

Входы: концентрация.

Выходы: давление.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.11.

Сущность

Осмос — самопроизвольный переход вещества через полупроницае­мую перегородку (мембрану), разделяющую два раствора различной концентрации или раствор и чистый растворитель. Осмос приближает систему к равновесию путем выравнивания концентраций по обе сторо­ны перегородки.

Наиболее важный случай осмоса-переход

Рис. 2.11. Осмос через полупроницаемую мембрану: частицы растворителя (мелкие) способны пересекать мембрану, частицы растворенного вещества (крупные) — нет

молекул чистого растворителя в раствор через полупроницаемую мембрану, не пропускающую молекулы растворенного ве­щества (см. рис. 2.11).

В этом слу­чае происходит переход молекул из чистого растворителя в раствор, концентрация которого при этом понижается.

В общем случае двух растворов А и В разной концентра­ции (концентрация раствора А больше, чем В) возникает поток вещества от А к В. Этот поток можно предотвратить, если повы­сить давление в растворе В, при­чем разность давлений л по обе стороны перегородки при этих ус­ловиях называется осмотическим давлением, а достигнутое термо­динамическое равновесие — осмо­тическим равновесием.

Электро­осмос (электроэндоосмос) — движение жидкостей или газов через ка­пилляры, твердые пористые диафрагмы и мембраны, а также через слои очень мелких частиц под действием внешнего электрического поля.

Осмос можно усилить (или ослабить), применяя электрические поля.Математическое описание

π V = -RT ln(l-x),

где π — осмотическое давление;

V — молярный объем растворителя;

R — универсальная газовая постоянная;

Т — температура;

х — молярная доля растворенного вещества.

Уравнение состояния Вант — Гоффа:

- для разбавленных растворов неэлектролитов

π =cRT,

где с — молярность раствора;

- для разбавленных растворов электролитов

 

π =icRT,

где i — коэффициент Вант — Гоффа, i = 1 + α ( v— 1);

α — степень диссоциации;

v — число ионов, на которое распадается молекула электролита.

 

Применение

Осмос (электроосмос) применяется для очистки коллоидных раство­ров от примесей, для очистки глицерина, сахарных сиропов, воды, при дублении кожи, а также при окраске некоторых материалов.

А. с. 240825. Способ сушки изоляции кабелей в шахтах электросе­тях с изолированной нейтралью отличается тем, что с целью упрощения процесса токоведущие жилы кабелей подсоединяют к положительному полюсу источника постоянного тока, отрицательный полюс которого со­единяют с землей для осуществления сушки за счет использования явле­ния электроосмоса.

Цеолиты

Входы: нет.

Выходы: цвет, адсорбционные свойства.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.12.

Сущность

Цеолиты — вещества, способ­ные менять свои свойства (цвет, адсорбционная способность и др.) под действием других веществ или в результате изменения внешних условий.

Рис. 2.12. Структура кристалла цеолита

Цеолиты являются кристаллическими водными алюмосиликата­ми, они относятся к группе каркас­ных алюмосиликатов. Каркасы цеолитов (см. рис. 2.12) содержат каналы и сообщающиеся между собой полости, в которых находятся ионы и мо­лекулы воды. Катионы довольно подвижны и обычно могут в той или иной степени обмениваться на другие катионы. Чистые цеолиты бес­цветны. Если катионы щелочных или щелочно-земельных металлов, обычно присутствующие в синтетических цеолитах, обменять на ионы переходных металлов, цеолиты могут приобрести окраску. Если окраска индивидуального иона зависит от того, находится он в гидратизированном или безводном состоянии, окраска цеолита будет меняться со степе­нью гидратации.

Математическое описание

Общая формула цеолита

Ме_x/n[AlxSiyO_2(x+y)]*zH₂O

 

где Me — металл;

п — его степень окисления;

х — число атомов алюминия;

у — число атомов кремния;

z — число молекул воды.

 

Применение

1. Цеолиты используются для выделения и очистки углеводородов нефти и как катализаторы, а также для очистки, осушки и разделения га­зов (в том числе воздуха), осушки фреонов, извлечения радиоактивных элементов, создания глубокого вакуума и т. д.

2. Способность цеолитов менять цвет в присутствии паров воды ис­пользуется для определения последней.

3. Каркасы цеолитов похожи на пчелиные соты и образованы из це­почек анионитов кремния и алюминия. Из-за своего строения каркас имеет отрицательный электрический заряд, и этот заряд компенсируется катионами щелочных или щелочно-земельных металлов, находящимися в полостях — сотах. Цеолит (диаметр его пор) определяется соотноше­нием кремния и алюминия и типом катионов (главным образом, это во­да). Она удаляется при нагревании до 600, 800 °С, сам каркас при этом не разрушается, он сохраняет первоначальную структуру. Именно поэтому цеолит способен вновь поглощать воду и другие вещества. Размером пор определяется и размер частиц, способных в них проникать. Цеолиты мо­гут как бы просеивать молекулы, сортировать их по размерам. Кроме то­го, они используются как адсорбенты, которые в 10-100 раз эффектив­нее, чем все другие осушители и работают при различных температурах. При 190 °С адсорбционная способность цеолитов резко повышается. Они поглощают даже воздух, создавая в сосуде разрежение.

4.Цеолиты используют как ионообменники, не разрушающиеся под действием излучения, а также в качестве катализаторов, устойчивых к действию высоких температур, каталитических ядов, позволяют гибко менять свойства.

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. A. Очень рыхлая порода — высокая скорость проходки и быстрое замывание ствола
2. Formal letter 1 (Sales letter) – письмо с предложением о продаже
3. I.5. Природа киноповествования
4. Qt-1 - сглаженный объем продаж для периода t-1.
5. XI. Здоровье личности и народа
6. Автоматизация учета продаж в оптовой торговле
7. Алкогольная зависимость. Клинические проявления и стадии алкоголизма.
8. Алкогольный галлюциноз. Клинические проявления, дифференциальная диагностика с алкогольным делирием и галлюцинаторным синдромом при эндогениях.
9. Анализ online рекламных кампаний на рынке розничных продаж
10. Анализ доходов от обычной деятельности. Анализ продаж.
11. Анализ названий коммерческих организаций Железнодорожного района города Орла
12. Анализ публичного заявления.