Процессы переноса массы на границах раздела фаз

Процессы переноса массы на границах раздела фаз
ЭКСТРАКЦИЯ
• Экстракция (от лат. extraho — извлекаю) — метод извлечения вещества из
раствора или сухой смеси с помощью подходящего растворителя
(экстрагента).
• Для извлечения из смеси применяются растворители, не смешивающейся
с этой смесью.
• Экстракция может быть разовой (однократной или многократной) или
непрерывной (перколяция).
• Простейший способ экстракции из раствора — однократная или
многократная промывка экстрагентом в делительной воронке.
Делительная воронка представляет собой сосуд с пробкой и краном для
слива нижнего слоя жидкости.
1
Процессы переноса массы на границах раздела фаз
ЭКСТРАКЦИЯ
• Экстракция (от лат. extraho — извлекаю) — метод извлечения вещества из
раствора или сухой смеси с помощью подходящего растворителя
(экстрагента).
• Для извлечения из смеси применяются растворители, не смешивающейся
с этой смесью.
• Экстракция может быть разовой (однократной или многократной) или
непрерывной (перколяция).
• Простейший способ экстракции из раствора — однократная или
многократная промывка экстрагентом в делительной воронке.
Делительная воронка представляет собой сосуд с пробкой и краном для
слива нижнего слоя жидкости.
2
ЭКСТРАКЦИЯ
•
Для извлечения индивидуального вещества или определённой смеси
(экстракта) из сухих продуктов в лабораториях широко применяется
непрерывная экстракция по Сокслету.
Аппарат Сокслета: 1 – круглодонная колба,
2 – трубка для экстракта, 3 – гильза, 4 –
холодильник.
• Видео о работе аппарата:
• http://youtu.be/CYyDVZPaZng?list=PLK6vjplHvYogydJ1UVDNMIK
-aVDNo4Qlv
3
ЭКСТРАКЦИЯ
• Количественные характеристики
• Коэффициент распределения К характеризует возможность выделения
растворенного вещества путем экстракции данным растворителем.
• Пусть объем раствора v1 (мл), содержащий g0 г экстрагируемого вещества,
обрабатывается v2 мл растворителя, причем
•
К = с1/с2
• Количество экстрагируемого в-ва, оставшегося после однократной
экстракции, равняется g1. Тогда
• с𝟏 =
• Преобразуем:
𝒈𝟏
𝒗𝟏
и с2 =
• 𝑔1 = 𝑔0 ∗
𝑔0 −𝑔1
𝑣2
𝑣1 ∗К
𝑣1 ∗𝐾 +𝑣2
4
ЭКСТРАКЦИЯ
• Повторяя операцию экстракции тем же объемом v2 мл свежего
растворителя, так же можно определить, какое количество вещества
остается в растворе после второй экстракции:
• 𝑔2 = 𝑔1 ∗
𝑣1 ∗К
= 𝑔0
𝑣1 ∗𝐾 +𝑣2
∗
𝑣1 ∗К 2
(
)
𝑣1 ∗𝐾 +𝑣2
• Отсюда количество экстрагированного вещества gэ = g0-gn составляет:
𝑣1 ∗К n
• gэ = g0- [1 - (
)]
𝑣1 ∗𝐾 +𝑣2
5
ЭКСТРАКЦИЯ
• С помощью экстракции можно не только выделить какое-либо вещество,
но и разделить вещества, имеющие достаточно большие различия в
коэффициентах распределения.
• Два вещества (с коэффициентами распределения К1 и К2) в идеальном
случае распределяются между двумя жидкими фазами независимо друг от
друга. Возможности разделения этих веществ определяются фактором
разделения в:
• в = К 1 / К2
• Оба вещества могут быть удовлетворительно разделены простой
экстракцией, если в≥100. Для разделения смесей с в≤100 следует
применять методы дробной экстракции, основанные на противоточном
распределении.
6
ЭКСТРАКЦИЯ
• Массообмен веществ при всех способах распределения возможен только
на поверхности раздела фаз. Чтобы ускорить установление равновесия,
необходимо по возможности увеличить поверхность соприкосновения фаз:
 Жидкости для этого встряхивают или смешивают продавливанием через
пористые фильтры.
 Твёрдые вещества перед экстракцией тонко измельчают.
• Тем не менее, во многих случаях, особенно если в распределении
участвует твёрдая фаза, равновесие так и не достигается.
7
ЭКСТРАКЦИЯ
Применение экстракции: часто применяется для выделения
веществ из природного сырья (например, получения кофеина из
кофе или чая, выделения облепихового масла из ягод облепихи,
гуминовых кислот – стимулятор роста растений – из каменного угля
и т.п.)
8
ЭКСТРАКЦИЯ
•
Контрольные вопросы
•
1. По какому закону распределяется растворенное вещество между двумя
растворителями?
•
2. Почему более целесообразно проводить экстракцию многократно,
небольшими порциями экстрагента, чем сразу использовать весь объем
экстрагента?
•
3. Какие требования предъявляются к экстрагенту при извлечении вещества: а)
из твёрдой фазы; б) из жидкости?
•
4. Вещество растворяется в экстрагенте в 500 раз лучше, чем в воде.
Рассчитайте остаточную концентрацию этого вещества в водной фазе: а) после
однократной экстракции экстрагентом, взятым в количестве 1/2 объёма
раствора; б) после 5-ти кратной экстракции равными порциями того же
количества экстрагента.
9
ЭКСТРАКЦИЯ
• Задача: 2 литра водного раствора содержат 0.02 г йода. Какое количество
йода останется в водном растворе после экстракции его 50 мл
сероуглерода:
1. Если экстракцию производить однократно
2. Если экстракцию производить пятикратно порциями по 10 мл
сероуглерода.
• К = сH2O/сCS2 = 0.001167
10
Диффузия в твердых телах
Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс
переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с
низкой концентрацией.
Газы, жидкости, тв. тела
 Тепловая диффузия
 Диффузия молекул
 Диффузия одного твердого тела в другое
если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в
медь, но при н.у. золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько
мкм через несколько тысяч лет.
11
Диффузия в твердых телах
Пример: очень гладко отшлифованные пластинки свинца и золота кладут одна на
другую и ставят на них некоторый груз. (Пластинку золота, как более тяжелую,
располагают внизу.) При комнатной температуре (20 °С) за 4—5 лет золото и свинец
взаимно проникают друг в друга на расстояние около 1 мм
Слой 1 мм
12
Диффузия в твердых телах
Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам!
Скорость диффузии пропорциональна:
 площади поперечного сечения образца S
 разности концентраций ΔC, температур Δ T или зарядов Δq (в случае
относительно небольших величин этих параметров).
Так тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень с
диаметром в два сантиметра, чем через стержень с диаметром в один
сантиметр. Это тепло будет распространяться в два раза быстрее, если
перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C.
 параметру, характеризующему конкретный материал.
В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность,
в случае потока электрических зарядов — электропроводность.
Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого
времени и расстояние, проходимое диффундирующим веществом,
пропорциональны квадратному корню времени.
13
Диффузия в твердых телах
Диффузия - процесс на молекулярном уровне и определяется случайным
характером движения отдельных молекул.
Скорость диффузии пропорциональна средней скорости молекул. В случае
газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно
пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с
повышением температуры.
Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах
часто находят практическое применение. Например, в определённых
типах электронно-лучевых трубок применяется металлический торий,
продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C .
Если в смеси газов одна молекула в четыре раза тяжелее другой, то такая
молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в
чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в
скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять
субстанции с различными молекулярными весами.
14
Диффузия в твердых телах
Разделение изотопов.
Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану,
более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для
лучшего разделения процесс производится в несколько этапов энергозатраты!
широко применялся для разделения изотопов урана (отделение
делящегося под нейтронным облучением 235U от основной массы
238U
Более экономичные способы разделения:
Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой
поддерживается пространственный перепад (градиент) температур.
При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в
холодной области.
15
Диффузия в твердых телах
Количественное описание диффузии
c
Закон Генри
где:
Р — парциальное давление газа над
раствором, С — молярная концентрация
газа в растворе, K— коэффициент Генри.
p
16
Диффузия в твердых телах
С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого
выравнивающего процесса является рост энтропии.
При постоянных Р и Т в роли такого потенциала выступает химический
потенциал µ, обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц
вещества пропорционален при этом градиенту потенциала
J~
В большинстве практических случаев вместо химического потенциала
применяется концентрация C:
которая показывает, что плотность потока вещества J [cm - 2s - 1]
пропорциональна коэффициенту диффузии D [(cm2s - 1)] и градиенту
концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика (Адольф Фик —
немецкий физиолог, установивший законы диффузии).
17
Диффузия в твердых телах
Первый закон Фика
Количество вещества, переносимое в результате диффузии за единицу
времени через сечение, равное единице площади (поток диффузии) прямо
пропорционально градиенту концентрации. Эта зависимость наблюдается при
стационарном состоянии системы, когда величина потока вещества не зависит
от времени. В случае нестационарной диффузии скорость изменения
концентрации пропорциональна второй производной концентрации по
координате (второй закон Фика).
Концентрация C здесь зависит от времени t и от глубины диффузии x.
Коэффициент диффузии D зависит от температуры.
18
Данные о типах кристаллических
решеток, коэффициентах диффузии
и энергиях активации диффузии
19
20
Коллоидные системы. Особенности
диффузии
21
Коллоидные системы. Особенности
диффузии
22
23
24
25
Ссылки по теме диффузии в твердых
телах
• http://www.chem.msu.su/rus/vmgu/066/421.pdf
• http://www.actualresearch.ru/nn/2010_1/Article
/chemistry/tsygankova-protasov.doc.
• http://cyberleninka.ru/article/n/issledovanieakkumulirovaniya-vodoroda-mnogostennymiuglerodnymi-nanotrubkami
• http://elibrary.ru/download/47513863.pdf