Водоподготовка

Водоподготовка
курс лекций
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
1
к.т.н., доцент Константин Александрович Орлов
каф. ТЭС
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Email: orlov@twt.mpei.ru
Тел./факс: +7-495-362-71-71
Ком.: В-411
WWW: http://twt.mpei.ru/orlov
Skype: orlov_ka
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
2
Литература
http://twt.mpei.ru/books/vve/
УДК 621.311.22: 612.182.12 (075.8)
ББК 31.37я 73
К 659
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
3
Лекции
http://twt.mpei.ru/orlov/edu/
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
4
Лекция №2
СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ
КОНЦЕНТРАЦИЙ
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
5
Способы выражения
концентраций
• массовая доля (процентная
концентрация) [%, доли]
• молярная концентрация [моль/л,
моль/дм3]
• моляльная концентрация [моль/кг]
• молярная концентрация эквивалентов
(нормальность) [н, г-экв/л, г-экв/дм3]
• массовая концентрация [г/дм3, мг/дм3]
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
6
Массовая доля
(процентная концентрация)
Отношение массы растворенного вещества к
массе раствора:
𝑚𝑚масса растворенного вещества
𝜔𝜔 =
𝑚𝑚общая масса раствора
Измеряется:
• в долях
• в процентах (%)
𝑚𝑚общая масса раствора = 𝑚𝑚масса растворенного вещества +
𝑚𝑚растворителя
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
7
Массовая доля
(процентная концентрация)
Процентная концентрация [%] – сколько
грамм растворенного вещества в 100
граммах раствора:
𝑚𝑚масса растворенного вещества
𝜔𝜔 =
𝑚𝑚общая масса раствора
5% NaCl: 95 г воды и 5 г NaCl
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
8
Молярность
Количество растворенного вещества (число
молей) в единице объема раствора
𝑛𝑛число молей растворенного вещества
𝐶𝐶𝑀𝑀 =
𝑉𝑉общий объем раствора
Измеряется:
• 1М = 1 моль/л
• моль/дм3
• ммоль/дм3
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
9
Молярная масса вещества
• Молярная масса Ca:
MCa = 40 (г/моль),
т.е. число атомов Ca, равное
NA=6,022·1023 шт., будет весить 40 г
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
10
Молярные
массы
веществ
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
11
Моляльность
Количество растворенного вещества
(число молей) в 1 кг растворителя
𝑛𝑛число молей растворенного вещества
𝑚𝑚 =
𝑚𝑚масса растворителя
Измеряется:
• моль/кг
• ммоль/кг
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
12
Молярная концентрация
эквивалентов (нормальность)
Количество эквивалентов растворенного
вещества (число молей) в единице объема
раствора
𝑛𝑛число эквивалентов растворенного вещества
𝐶𝐶н =
𝑉𝑉общий объем раствора
Измеряется:
• г-экв/л = моль эквивалентов/л = н
• г-экв/дм3 = моль эквивалентов/дм3 = н
• мг-экв/дм3
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
13
Эквивалент
• реальная или условная частица
• может присоединять, высвобождать
или другим способом быть
эквивалентна катиону водорода H+ в
ионообменных реакциях или электрону
e- в окислительно-восстановительных
реакциях:
NaOH + HCl = NaCl + H2O
Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
14
Количество эквивалентов
𝑛𝑛экв
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
𝑚𝑚
=
𝑀𝑀экв
15
Закон эквивалентов
• все вещества реагируют и образуются в
эквивалентных отношениях:
nэкв1 = nэкв2
Cн1 ·V1 = Cн2 ·V2
Открыт:
Иеремия Вениамин Рихтер (1762-1807)
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
16
Молярная масса эквивалента
вещества
Молярная масса эквивалента Ca2+:
M
40
г/моль
Ca
Mэкв Ca2+ =
=
= 20 г/г−экв
z
2
где z = 2 – число эквивалентности для
Ca2+,
а фактор эквивалентности:
fэ = 1 / z = 1/2
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
17
Число эквивалентности z
z = k·В
где k – заряд функциональной частицы,
взятый по модулю
B – количество функциональных частиц
zNa+ = 1·1 = 1
zSO42– = 1·2 = 2
zFe2(SO4)3 = 2·3 = 6
zАl(OH)3 = 1·3 = 3
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
18
Молярные массы и эквиваленты
веществ
Ион, соединение
Ca2+
Mg2+
Na+
HCO3–
SO42–
Cl–
NaOH
М, г/моль
40
24
23
1+12+3*16=
32+4*16=
35,5
23+16+1=
z
2
2
1
1
2
1
1
Мэкв, г/г-экв
20
12
23
61
48
35,5
40
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
61
96
40
19
Массовая концентрация
Масса растворенного вещества в единице
объема раствора
𝑚𝑚масса растворенного вещества
𝐶𝐶 =
𝑉𝑉общий объем раствора
Измеряется:
• г/дм3
• мг/дм3
• мкг/дм3
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
20
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА
КОНЦЕНТРАЦИЙ
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
21
Исходные данные
Ложка соли (NaCl)
mмасса растворенного вещества = 10 г
Стакан воды (H2O)
Vрастворителя = 200 мл = 0,2 л = 0,2 дм3
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
Давление 1 атм
Температура 15°С
22
Растворение NaCl
NaCl →
+
Na
+ Cl–
1 моль NaCl → 1 моль Na+ + 1 моль Cl–
или
NA единиц NaCl → NA единиц катион Na+ + NA единиц анион Cl–
Массовая доля при максимальной
растворимости: ~ 26%
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
23
Растворитель (вода)
• объем растворителя: 0,2 дм3
• плотность растворителя
(15°С и 1 атм): 999,1 кг/м3 = 0,9991 кг/дм3
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
24
Зависимость плотности воды от
температуры при двух давлениях
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
25
Растворитель (вода)
• объем растворителя: 0,2 дм3
• плотность растворителя
(15°С и 1 атм): 999,1 кг/м3 = 0,9991 кг/дм3
• масса растворителя:
𝑚𝑚растворителя = 𝑉𝑉растворителя · 𝜌𝜌растворителя =
= 0,2 дм3 · 0,9991 кг/дм3 =
= 0,1998 кг = 199,8 г
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
26
Растворенное вещество
• масса: mрастворенного вещества = 10 г
• молекулярная масса:
Mрастворенного вещества = MNaCl =
= (23 + 35,5) г/моль = 58,5 г/моль
• число молей:
𝑛𝑛растворенного вещества =
𝑚𝑚растворенного вещества
𝑀𝑀растворенного вещества
=
10 г
=
= 0,1709 моль = 170,9 ммоль
58,5 г/моль
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
27
Растворенное вещество
• число эквивалентности: zNaCl = 1
• молекулярная масса эквивалента:
Mэкв растворенного вещества = MNaCl / zNaCl=
= 58,5 г/г-экв / 1 = 58,5 г/моль экв.
• число эквивалентов:
𝑛𝑛число эквивалентов растворенного вещества =
= 𝑛𝑛число молей растворенного вещества · 𝑧𝑧 =
= 0,1709 моль экв. = 0,1709 г-экв = 170,9 мг-экв
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
28
Масса раствора
mраствора = mрастворителя + mрастворенного вещества=
= 199,8 г + 10 г = 209,8 г
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
29
Массовая доля
(процентная концентрация)
Отношение массы растворенного
вещества к массе раствора:
𝑚𝑚масса растворенного вещества
𝜔𝜔 =
=
𝑚𝑚общая масса раствора
=
10 г
209,8 г
=
= 0,04766 г/г = 4,766 %
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
30
Моляльность
Количество растворенного вещества
(число молей) в 1 кг растворителя
𝑛𝑛число молей растворенного вещества
𝑚𝑚 =
=
𝑚𝑚масса растворителя
170,9 ммоль
=
=
199,8 г
= 0,855 ммоль/г = 0,855 моль/кг
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
31
Объем раствора
• точный подход (концентрированные
растворы):
в таблице по значению массовой доли ω:
ω = 4,766% => ρраствора = 1,032 кг/дм3
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
32
Зависимость плотности водного
раствора NaCl от массовой доли
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
33
Объем раствора
• точный подход (концентрированные
растворы):
ω = 4,766% => ρраствора = 1,032 кг/дм3
Vраствора = mраствора / ρраствора =
= 0,2098 кг / 1,032 кг/дм3 = 0,2032 дм3
• примерный подход (разбавленные
растворы):
Vраствора = Vрастворителя = 0,200 дм3
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
34
Молярность
Количество растворенного вещества
(число молей) в единице объема раствора
𝑛𝑛число молей растворенного вещества
𝐶𝐶𝑀𝑀 =
=
𝑉𝑉общий объем раствора
170,9 ммоль
=
=
3
0,2032 дм
= 841 ммоль/дм3 = 0,841 моль/дм3
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
35
Молярная концентрация
эквивалентов (нормальность)
Количество эквивалентов растворенного
вещества (число молей) в единице объема
раствора
𝑛𝑛число эквивалентов растворенного вещества
𝐶𝐶н =
=
𝑉𝑉общий объем раствора
170,9 мг − экв
=
=
3
0,2032 дм
= 841 мг-экв/дм3 = 0,841 г-экв/дм3 = 0,841 н
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
36
Массовая концентрация
Масса растворенного вещества в единице
объема раствора
𝑚𝑚масса растворенного вещества
𝐶𝐶 =
=
𝑉𝑉общий объем раствора
10 г
=
=
3
0,2032 дм
= 49,2 г/дм3
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
37
Итоги расчета концентраций
• массовая доля: 4,77%
• молярная концентрация:
841 ммоль/дм3
• моляльная концентрация:
855 ммоль/кг
• молярная концентрация эквивалентов:
0,841 н = 0,841 г-экв/дм3 = 841 мг-экв/дм3
• массовая концентрация: 49,2 г/дм3
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
38
Таблица перевода концентраций
(см. размерности!)
Определяемая
величина
Исходная величина
w, кг/кг
w, кг/кг
CM, моль/л
m, моль/кг
Cн ,
г-экв/л
C, кг/л
1
𝐶𝐶𝑀𝑀 �
𝑀𝑀
𝜌𝜌
𝑚𝑚 � 𝑚𝑚растворителя � 𝑀𝑀
𝑚𝑚раствора
𝐶𝐶н �
CM, моль/л
w�
𝜌𝜌
𝑀𝑀
1
m, моль/кг
w�
𝑚𝑚раствора
𝑚𝑚растворителя � 𝑀𝑀
Cн,
г-экв/л
w�
w� 𝜌𝜌
1
𝑀𝑀
𝜌𝜌 � z
𝐶𝐶
𝜌𝜌
𝜌𝜌
�z
𝑀𝑀
C, кг/л
1
1
где M – молярная масса растворенного вещества, кг/моль; ρ – плотность раствора, кг/л;
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
39
Таблица перевода концентраций
с переводными коэффициентами
Определяемая
величина
Исходная величина
w, кг/кг
CM, моль/л
m, моль/кг
Cн,
г-экв/л
C, кг/л
w, кг/кг
1
𝐶𝐶𝑀𝑀 � 𝑀𝑀
𝜌𝜌 � 1000
𝑚𝑚 � 𝑀𝑀
1000
𝐶𝐶н � 𝑀𝑀
𝜌𝜌 � 1000 � z
𝐶𝐶
𝜌𝜌 � 1000
CM, моль/л
w�
𝜌𝜌 � 1000
𝑀𝑀
1
Cн,
г-экв/л
m, моль/кг
𝑤𝑤 � 1000
𝑀𝑀
w�
𝜌𝜌 � 1000
�z
𝑀𝑀
C, г/л
1000 �w� 𝜌𝜌
1
1
1
где M – молярная масса растворенного вещества, г/моль; ρ – плотность раствора, кг/л;
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
40
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ТЕОРИИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
41
Закон действующих масс
Химическая реакция:
m·A + n·B  p·C + q·D
Скорость прямой и обратных реакций:
V1 = k1 · aAm · aBn
V2 = k2 · aСp · aDq
где ai – активность i-го вещества, моль/дм3
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
42
Закон действующих масс
Химическая реакция:
m·A + n·B  p·C + q·D
При равновесии (V1 = V2):
𝑎𝑎𝐴𝐴 𝑚𝑚 · 𝑎𝑎𝐵𝐵 𝑛𝑛
𝐾𝐾 =
𝑎𝑎𝐶𝐶 𝑝𝑝 · 𝑎𝑎𝐷𝐷 𝑞𝑞
где К – константа равновесия (диссоциации)
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
43
Растворимость
Растворить примесь
(вещество) – это разрыв
сил сцепления:
• между атомами в
молекуле: ковалентная
или ионная связи
• межмолекулярные
связи: водородная связь,
силы Ван-дер-Ваальса
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
44
Растворимость негашеной и
гашеной извести
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
45
Растворимость газов
© кафедра ТЭС НИУ «МЭИ», 2016
46