РозрахуНково-графічне завдання за темою

Індивідуальні та домашні завдання для самостійної роботи студентів

ДОМАШНІ РОЗРАХУНКОВІ ЗАВДАННЯ

2.1. Завдання 1. Визначити кількість катіоніту та аніоніту відомої марки, необхідну для знесолення 1 м³ води, що містить домішки неорганічних солей (табл. 2.1). Запишіть рівняння реакцій, які перебігають під час знесолення.

Таблиця 2.1

                                                                                             Продовження табл. 2.1

2.1.1. Приклад.Скільки катіоніту та аніоніту знадобиться для знесолення 20 л 1%-го водного розчину А1С1₃? ПОЄ катіоніту 5,2 мг-екв/г, аніоніту – 3,8 мг-екв/г, густина розчину – 1.

Розв’язання

1. Записуємо рівняння дисоціації солі: А1С1₃ → А1³⁺ + 3 С1^-.

2. Записуємо рівняння іонного обміну:

а) на катіоніті: 3R-Н + А1³⁺ → R₃А1 + 3 Н⁺;

б) на аніоніті: R-ОН + С1^- → R-С1 + ОН^-.

3. Визначаємо, скільки еквівалентів солі міститься у розчині:

n_А1С13= 3g _А1С13/М _А1С13 = 3ω∙g_р  ⁄ M _А1С13= 3∙1∙20∙10/133,5 = 4,49 екв.

де g _А1С13 – маса солі у розчині; М _А1С13  – молекулярна маса солі; ω – масовий процент солі у розчині; g_р – маса розчину, кг; 3 і 10 – перевідні коефіцієнти, що залежать від заряду іонів та одиниць вимірювання кількості розчину.

4. Знаходимо необхідну кількість іонітів за рівнянням:

g = n_А1С13/ПОЄ

а) катіоніту: g_к = n_А1С13/ПОЄ_к = 4,49екв/5,2екв/кг = 0,86 кг;

б) аніоніту: g_а  = n_А1С13/ПОЄ_а = 4,49екв/3,8екв/кг = 1,18 кг.

Примітка: при наявності у розчині не однієї, а декількох солей, необхідно обчислювати загальну кількість еквівалентів електролітів.

2.2. Завдання 2. Використовуючи рівняння теорії ДЛФО визначте сумарну потенціальну енергію взаємодії частинок у водних розчинах 1-1 валентних електролітів. Дані для розрахунків наведені в таблиці 2.2. Радіуси сферичних частинок вимірюються в нанометрах. За отриманими даними побудуйте графік залежності енергії взаємодії від відстані між частинками. Проаналізуйте отриману залежність, поясніть природу екстремумів на кривій.

           Таблиця 2.2

2.2.1. Приклад.Теорія ДЛФО розглядає процес коагуляції як результат сумісної дії вандерваальсових сил притягування та електростатичних сил відштовхування. В залежності від балансу цих сил у тонкому прошарку рідини між частинками, що зближуються, виникає або позитивний „розклинювальний” тиск, який запобігає їх об’єднанню, або негативний, який призводить до виникнення контакту між частинками.

Для області малих електростатичних потенціалів сумарна енергія взаємодії визначається наступним чином:

U = U_е + U_м,                                           (2.1)

де U_е – енергія електростатичного відштовхування частинок;

U_м – енергія притягування.

1) Частинки є плоским тілом (пластини)

U_е = 2 ε₀ ε χ φ_δ² е ^–χh ,                                       (2.2)

де ε₀ = 8,85 · 10^-12 Ф·м^-1 (електрична стала);

φ_δ – електричний потенціал дифузного шару, В;

ε – діелектрична проникність дисперсійного середовища;

χ – величина, що є зворотною товщині дифузного шару;

h – відстань між частинками, м.

Для визначення χ використовується рівняння:

,                                          (2.3)

де R=8,314 Дж/мольК – універсальна газова стала;

T – температура, К;

F=96500 Кл/моль – стала Фарадея;

I – іонна сила розчину, яка дорівнює I=1/2 Σс_iz_i.

,                                           (2.4)

де А* – стала Гамакера, Дж;

π=3,1416;

h – відстань між частинками, м.

2) Для частинок, які є сферами.

U_е = 2 π ε₀ ε r φ_δ² (1+е ^–χh);                                        (2.5)

.                                             (2.6)

Розрахунки проводяться для всіх наведених значень h, після чого будуються графіки залежностей U_е=f(h), U_м=f(h), U=f(h).

РозрахуНково-графічне завдання за темою

„ОТРИМАННЯ І КОАГУЛЯЦІЯ ЛІОФОБНИХ ЗОЛІВ”

І. При досить повільному введенні розчину речовини В (концентрація С_В, об’єм V_В) у розчин речовини А (концентрація С_А, об’єм V_А) можливе утворення золю (табл. 3.1).

1) Наведіть рівняння реакції, запишіть формулу міцели.

2) До якого полюсу будуть прямувати частинки золю у полі постійного електричного струму? Чому? Як називається це явище? Які ще з явищ цього типу Вам відомі? Коротко опишіть кожне.

3) Оберіть найбільш економічний коагулятор з ряду запропонованих. Від заряду яких іонів залежить порог коагуляції? Відповідь обгрунтуйте за допомогою відповідного правила.

4) Схематично накресліть подвійний електричний шар, що утвориться на поверхні частинки золю, покажіть і поясніть хід залежності потенціалу від відстані від твердої фази у відсутності коагулятора та при його введенні у систему у різних кількостях.

5) Яким чином можна стабілізувати колоїдну систему? Охарактеризуйте основні стабілізаційні фактори.

6) У якому випадку, при проведенні даної реакції, утворення золю не відбудеться? Яку кількість розчину речовини В з концентрацією С_В для цього необхідно додати до заданого об’єму розчину речовини А?

ІІ. При вивченні кінетики коагуляції отриманого золю обраним коагулятором отримали експериментальні дані, наведені у табл. 3.2.

7) Сформулюйте основні положення теорії швидкої коагуляції Смолуховського, покажіть можливість застосування рівняння Смолуховського до даного процесу.

8) Визначте час половинної коагуляції і константу швидкості коагуляції за експериментальними даними.

9) Обчисліть теоретичні значення цих величин за температури Т і в’язкості 10^-3Па та порівняйте з дослідними, зробіть висновок щодо швидкості коагуляції.

10) Розрахуйте і побудуйте залежності загальної кількості частинок, одинарних, подвійних та потрійних частинок від часу, поясніть хід цих залежностей.

Таблиця 3.1

Продовження табл. 3.1

Таблиця 3.2

Продовження табл. 3.2

3.1. Пояснення до виконання РГЗ.

До п. 1. За приклад візьмемо реакцію між розведеними розчинами фосфорної кислоти та гідроксиду кальцію:

2Н₃РО₄ + 3Са(ОН)₂ → Са₃(РО₄)₂↓ + 6Н₂О.

Оскільки в осад випадає Са₃(РО₄)₂,то саме він буде складати тверду фазу золю. Але структура міцели буде залежати від того, який саме з компонентів реакції буде взятий у надлишку. Тобто можливі дві структури:

а) у надлишку Н₃РО₄: {[﴾m Са₃(РО₄)₂ ﴿·n РО₄^3-·3(n-х)Н⁺]^3х-·3хН⁺};

б) у надлишку Са(ОН)₂: {[﴾m Са₃(РО₄)₂ ﴿·nСа²⁺·2(n-х)ОН^-]^2х+·2хОН^-}.

Отже, після написання реакції необхідно визначити, яка з речовин взята у надлишку, і структуру міцели складати відповідно.

До п. 3. Вибір економічного коагулятора здійснюють, керуючись правилами Шульце-Гарді.

До п. 8. Використовують рівняння Смолуховського у лінійній формі:

ν₀/ν_Σ = 1 + τ/θ (ν₀ – концентрація частинок у початковий момент часу; ν_Σ – у довільний момент часу τ; θ – час половинної коагуляції).

Побудова графіка у координатах ν₀/ν_Σ від τ дає пряму лінію, яка відтинає на осі ординат 1 при нульовому значенні часу. Величина θ, таким чином, визначається як котангенс кута нахилу прямої α.

ν₀/ν_Σ                                   θ = сtgα

                                                    θ = сtgα

                       α