ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Растворенное состояние веществ

Как в природе, так и в технике постоянно приходится иметь дело с веществами-растворами, содержащими примеси, а не с чистыми вещест­вами.

Раствор - это однородная смесь, состоящая из двух или более ве­ществ и продуктов их взаимодействия, состав которой в определенных пределах может непрерывно изменяться. Частицы, составляющие раствор­ную смесь, весьма малы и имеют молекулярные, атомные или ионные раз­меры.

Составляющие растворов (компоненты) условно делят на раствори­тель и растворенное вещество. Они равноценны. Растворителем принято считать тот компонент, которого в растворе больше.

В общем случае термин «раствор» может относиться к любому агре­гатному состоянию системы. Это газовые смеси, жидкие и твердые раство­ры.

Растворимость - это способность вещества переходить в раствор (водный или другого растворителя). В растворении могут участвовать твердые, жидкие и газообразные вещества. Растворение - самопроизволь­ный процесс. Рассмотрим его на примере водных растворов.

По растворимости в воде все вещества делятся на: хорошо раствори­мые, малорастворимые и практически нерастворимые. К последним от­носятся, например, стекло, серебро, золото, другие металлы (твердые ве­щества), нефть и продукты ее переработки, растительное масло (жидко­сти), инертные и другие однокомпонентные газы, метан и т. п. Малораство­римы многие горные породы (известняки, гипсы, руды), жидкости (аце­тон), газы (сернистый водород). Хорошо растворимыми являются, в част­ности, сахар, медный купорос, гидроксид натрия (твердые вещества), спирт, аммиак и др. Даже в последнем случае может наступить равновесие между массой вещества, переходящего в раствор и выпадающего из него, т. е. достигается насыщение раствора. Насыщенный раствор - это раствор, находящийся в динамическом равновесии с избытком растворяемого ве­щества. В некоторых случаях (жидкости типа вода - спирт и др.) вещества обладают полной взаимной растворимостью по отношению друг к другу, и насыщение раствора не наступает.

Различают также ненасыщенные и пересыщенные растворы. Очевид­но, что в ненасыщенном растворе содержится меньше вещества, а в пере­сыщенном - больше, чем в насыщенном. Пересыщенные растворы весьма неустойчивы и образуются в специальных условиях, например при мед­ленном и осторожном охлаждении растворов в отсутствие частиц приме­сей, которые послужили бы центрами кристаллизации, зародышами. Про­стое сотрясение сосуда или введение в раствор кристаллика соды (заро­дыша) вызывает выпадение в осадок избытка растворенного вещества. Пе­ресыщенные растворы образуют, например, сахароза, кристаллогидраты солей (^ЭДхЮ^О, N^&Ovx ЮН2О и др.).

Количественно растворимость выражается концентрацией насыщен­ного раствора, т. е. максимальным числом граммов вещества, которое при данной температуре можно растворить в 100 г растворителя. Раствори­мость твердых веществ с увеличением температуры обычно возрастает. Однако растворимость некоторых из них при повышении температуры практически не изменяется (хлориды натрия или алюминия) или даже уменьшается (гидроксид кальция, сульфат лития и др.).

При понижении температуры развиваются обратные процессы, т. е. растворенное вещество, как правило, выпадает из раствора. Этот процесс называется кристаллизацией. Если в растворе, помимо растворенного ве­щества, содержатся и другие (примеси), то по отношению к ним раствор будет оставаться ненасыщенным, и они не выпадут в осадок. На этом ос­нован метод очистки веществ, называемый перекристаллизацией.

Растворение веществ в воде может быть чисто физическим процессом или содержать элементы химического взаимодействия.

Чисто физические процессы имеют место в тех случаях, когда компо­ненты раствора в исходном состоянии (в виде самостоятельных фаз) мало разнятся между собой по свойствам, молекулы их достаточно близки по размерам и структуре. В подобных растворах молекулы каждого компо­нента существуют в условиях, мало отличающихся от тех, в которых они находятся в чистом компоненте. Образование подобных растворов не со­провождается ни тепловыми эффектами, ни изменением объема. Такие растворы называют идеальными. Их роль в теории растворов во многом аналогична месту идеальных газов в учении о газах.

Зависимости свойств идеального раствора от его состава и концентра­ции наиболее просты. В частности, давление pi насыщенного пара раство­ренного вещества над идеальным раствором подчиняется закону Рауля (1887 г.):

PI= P?-Nh (1.16)

Где - давление насыщенного пара над чистым i-м компонентом; Ni - мольная доля i-го вещества в растворе.

Установлено также, что понижение температуры ДТкр кристаллиза­ции таких растворов пропорционально концентрации С растворенного ве­щества:

ДТ = KC. (1.17)

Соответственно повышение температуры Ткип кипения идеальных рас­творов пропорционально концентрации C раствора:

ДТКип = EC (1.18)

В соответствии с теорией электролитической диссоциации, основные положения которой разработал шведский ученый С. Аррениус (1887 г.), вещества при растворении в воде или плавлении частично или полностью распадаются (диссоциируют) на ионы. При значительной степени диссо­циации растворов (расплавов) они являются хорошими проводниками электрического тока (электролитами).

Чистая вода часто рассматривается как вещество, практически не дис­социирующее на ионы. Однако в действительности и она, хотя и в малой степени, диссоциирует на ионы H и ОН, которые находятся в равновесии с диссоциирующими молекулами:

H2O ^^ H + OH - Q. (1.19)

При этом мольные (нормальные) концентрации ионов Н и ОН в воде равны друг другу.

В более общем случае равновесие между исходными и конечными продуктами химического взаимодействия характеризуется константой равновесия. Применительно к диссоциации раствора константа равновесия называется константой диссоциации KD, которая выражается через актив­ность а:

Kd = ан+аон-/ан2О. (1.20)

Константа диссоциации (равновесия) при заданной температуре есть величина постоянная.

Для разбавленных растворов или для чистой воды активность можно заменить концентрациями:

KD = CH+COH-/CH 2O. (1.21)

Так как степень диссоциации воды (концентрация ионов Н, ОН - очень мала, то активность (концентрация) недиссоциированных молекул в ней остается практически постоянной. Следовательно, можно записать:

C H+COH - = kB-, (1.22)

Где постоянная KB = KD СН2О = KD, так как СН2О чистой воды = 1.

Постоянная KB называется ионным произведением воды. Вычислено, что при 22°С оно равно 10, т. е. концентрации ионов Н и ОН в воде со-

-7

Ставляют 10 грамм-ионов на 1 л (г-ион/ л).

Добавляя к чистой воде различные вещества, дающие при растворе­нии ионы Н или ОН, можно нарушать равенство их концентраций, со­блюдаемое в чистой воде. Так, введение кислот увеличивает концентрацию водородных ионов, которая становится большей, чем 10 г-ион/л. При до­бавлении щелочей увеличивается концентрация гидроксильных ионов. По­скольку при этом ионное произведение воды остается постоянным, то лю­бое повышение концентрации водородных ионов вызывает соответствую­щее уменьшение концентрации гидроксильных ионов, и наоборот. Зная концентрацию водородных ионов в растворе, можно определить концен­трацию гидроксильного иона или решить обратную задачу. Например, ес­ли в водном растворе концентрация [Н+] равна 10 г-ион/л, то [ОН] = Kb/[H+] = 10-14/10-3 = 10-11 г-ион/л. Однако в любом водном растворе ни концентрация ионов водорода, ни концентрация гидроксильных групп не может быть равна нулю, поскольку KB отлична от нуля.

Таким образом, кислотность и щелочность водного раствора. можно выразить концентрацией либо ионов Н+, либо ионов ОН. Они в этом от­ношении равноценны. Условились использовать концентрацию водород­ных ионов. Тогда для нейтрального раствора [Н+] = 10-7, для кислого [Н+]>10-7 и для щелочного [Н+]<10-7 г-ион/л (квадратные скобки означают концентрацию).

Однако применять в расчетах концентрации водородных ионов с от­рицательными показателями степени неудобно, поэтому датский химик Соренсен (1909 г.) ввел понятие водородного показателя рН (по-датски potenz - математическая степень; Н - химический символ водорода).

Водородный показатель - это десятичный логарифм концентрации водородных ионов, взятый с обратным знаком. Тогда в нейтральной среде рН = 7, в кислой среде рН < 7, в щелочной - больше 7: чем меньше рН, тем больше концентрация ионов Н+, т. е. выше кислотность среды. И наоборот, чем больше рН, тем меньше концентрация ионов Н+, т. е. выше щелочность среды.

Понятие рН среды широко применяют в различных отраслях науки и технологии (в аналитической химии, почвоведении, экологии, гидрометал­лургии, очистке сточных вод, медицине и т. п.). В качестве практической значимости использования рН приведем его величины для некоторых рас­творов и соответствующую ему реакцию среды: желудочный сок - 1,7 (сильнокислая реакция), торфяная вода - 4 (слабокислая), дождевая вода - 6 (слабокислая), водопроводная вода - 7,5 (слабощелочная), кровь - 7,4 (сла­бощелочная), слюна - 6,9 (слабокислая), слеза - 7 (нейтральная). В сель­ском хозяйстве в зависимости от рН почвенного раствора почвы разделяют на группы: сильнокислые (рН 3.4), кислые (4.5), слабокислые (5.6), нейтральные (6.7), слабощелочные (7.8), сильнощелочные (8.9).

Законам идеальных растворов подчиняются также бесконечно разбав­ленные растворы. Бесконечно разбавленные растворы - это такие раство­ры, в которых концентрация растворенного вещества меньше любой напе­ред заданной малой величины.

Случаи идеальных или бесконечно разбавленных растворов являются частными. Значительно чаще встречаются растворы, образуемые компо­нентами, не обладающими сходными свойствами. В этом случае растворе­ние веществ сопровождается тепловыми эффектами (выделением или по­глощением теплоты), являющимися следствием взаимодействия раство­ренного вещества с растворителем. В некоторых случаях это взаимодейст­вие может привести к образованию достаточно прочных соединений. Их называют сольватами или гидратами (в водных растворах).

Образование сольватов сближает растворы с химическими соедине­ниями. Однако в отличие от последних, растворы не подчиняются закону постоянства состава, они, как и смеси, могут быть легко разделены на со­ставные части. Таким образом, растворы занимают промежуточное поло­жение между химическими соединениями постоянного состава и механи­ческими смесями. Лишь в некоторых случаях (выделение гидратов из рас­творов при кристаллизации) состав образующихся соединений (кристал­логидратов) может быть достаточно постоянным. Воду кристаллогидратов называют кристаллизационной. Кристаллогидратами являются многие природные соединения, в частности соли и оксиды: медный купорос (CuS04x5Н20), железный купорос (FeSO 4х7 Н2О), гидрогетит (Н^е- О2ХПН2О) и др.

Образование растворов в системах со сколько-нибудь интенсивным взаимодействием, помимо тепловых явлений, сопровождается также изменением объема.

Кроме того, в системах с отклонением свойств от идеальных (разбав­ленных) растворов зависимости, передаваемые уравнениями (1.16-1.18), строго не выполняются. В частности, могут наблюдаться отклонения кри­вых «давление пара - состав» от линейной зависимости (1.16) в сторону больших (положительные отклонения) или меньших (отрицательные от­клонения) значений давления пара.

Образование растворов с положительными отклонениями сопровож­дается, как правило, поглощением теплоты и обычно увеличением объема. Противоположные указанным, зависимости наблюдают в случае отрица­тельных отклонений давления пара (выделение теплоты и, большей ча­стью, уменьшение объема).

Уравнения (1.16-1.18) можно использовать для описания свойств ре­альных растворов, заменив в них концентрации веществ их термодинами­ческими активностями.

Закон распределения, сформулированный В. Нернстом, рассматри­вает распределение i-го вещества в системе, состоящей из двух несмеши - вающихся жидкостей. Он устанавливает, что при постоянной температуре в идеальных или в разбавленных растворах отношение концентраций С i - го компонента в одной и другой фазах является величиной постоянной:

C1/C2 = L, (1.23)

Где L - константа (коэффициент) распределения.

Коэффициент распределения не зависит от количеств растворенного вещества и обеих жидкостей. Он определяется только природой раствори­теля и растворенного вещества и температурой.

В неидеальных и неразбавленных растворах закон распределения вы­ражается через активность a и коэффициент активности у i-го вещества в обеих жидкостях:

L = ax/a2 = Y1 N1/(72. N2). (1.24)

Представление о коэффициенте распределения широко используется в различных отраслях промышленности, например в металлургии при ис­следовании распределения элементов между расплавленными металлами и шлаками, в химической промышленности (многочисленные экстракцион­ные процессы), при производстве полупроводниковой электроники, жаро­прочных материалов, при экстракционной очистке сточных вод и т. д.

ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Энергетическое загрязнение окружающей среды

Промышленные предприятия, объекты энергетики, связи и транс­порт являются основными источниками энергетического загрязнения про­мышленных регионов, городской среды, жилищ и природных зон. К энергетическим загрязнениям относят вибрационные и акустиче­ские воздействия, электромагнитные поля …

Десорбция и дегазация растворенных примесей

Многие сточные воды загрязнены летучими неорганическими и ор­ганическими примесями. При пропускании воздуха или другого инертного малорастворимого в воде газа (азот, диоксид углерода, топочные дымовые газы) через сточ­ную воду летучий компонент …

Основные показатели биохимических процессов очистки Сточных вод

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частич­но разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит - и сульфат - ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разру­шение органических …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.