Lista substanțelor anorganice produse utilizând metodele tehnologiei chimice este foarte diversă și este măsurată în mii de titluri. Dintre acestea, se pot distinge mai multe clase principale:
substanțe anorganice primare (apă, hidrogen și compuși ai azotului (amoniac, acid azotic), sulf și compușii săi (acid sulfuric), halogen și compuși (acid clorhidric, acid fluorhidric, acid percloric));
îngrășăminte minerale (N, P, K);
metale și compuși ai acestora (alcalii, oxizi, catalizatori, pigmenți);
silicat și materiale de construcție (zeoliți, sticlă, ceramică, ciment, var, gips);
Sarcina principală a prelucrării materialelor prime proces este că, în urma reacțiilor chimice ale componentelor inițiale pentru obținerea substanțelor țintă având proprietățile dorite cu materiale de cost minim prime, energie, munca, cu excluderea poluării mediului.
O caracteristică a tehnologiei substanțelor anorganice este necesitatea procesării sistemelor multicomponente, cel mai adesea eterogene. Principalele tipuri de sisteme utilizate (pe stare agregată):
M-G (absorbție, rectificare)
GT (adsorbție, cataliză)
M-T (cristalizare, dizolvare, leșiere, schimb de ioni, cataliză.)
T-T (sinterizarea, prăjirea, descompunerea.).
Tipuri speciale de procese: la presiuni mari,
la temperaturi foarte scăzute,
la temperaturi ridicate,
Dizolvarea substanțelor solide
1. Formarea unei soluții
Dizolvarea unui solid în lichid este distrugerea unei structuri cristaline sub acțiunea unui solvent pentru a forma o soluție - un sistem omogen constând dintr-un solvent și molecule și ioni care au trecut în el. Astfel, dizolvarea este o reacție chimică eterogenă. Dizolvarea este însoțită de solvatare (dacă solventul este hidratarea apei), adică formarea în soluție a compușilor mai mult sau mai puțin stabili de particule dizolvate cu molecule de solvent, adesea cu compoziție variabilă. Dacă este posibilă cristalizarea inversă a substanței dizolvate din soluție, are loc dizolvarea fizică. Dizolvarea chimică are loc atunci când solventul sau agentul activ conținut în acesta interacționează cu substanța dizolvată, astfel încât este imposibilă separarea substanței dizolvate de soluția rezultată prin cristalizare.
Termodinamica procesului de dizolvare
Abilitatea substanțelor de dizolvare la contactul cu solventul depinde de schimbarea energiei Gibbs G. Această valoare este determinată de diferența:
Nm - căldura integrală a soluției în intervalul de la prima serie de soluție la Nm0 diluție infinită la căldură a soluției pentru a forma o soluție saturată de Nm, 0; Sm este schimbarea entropiei în aceleași condiții.
Modificarea energiei sistemului în timpul dizolvării cristalelor sub ionizare completă cu formarea unei soluții infinit diluate este determinată de prima căldură integrată de dizolvare, Hm0:
Nesh - schimbare în entalpie atunci când ionii sunt îndepărtați de la distanța lor în rețea până la infinit (energie de rețea)
N este căldura totală de hidratare a ionilor pozitivi și negativi.
Neresh și N - valori apropiate în valoare absolută, dar diferite în semn, suma lor, i. E. Hm0 pentru majoritatea electroliților are o valoare relativ mică (în intervalul de la -170 până la 65 kJ / mol). Pentru NaOH Hm0 = -48,5 kJ / mol - acesta este un proces exotermic. Dizolvarea KOH este un proces endotermic, pentru care valoarea Hm0 este de 40 kJ / mol.
Atunci când zăbrelele cristaline sunt distruse, entropia crește, dar hidratarea ionilor transferați în soluție este asociată cu o scădere a entropiei. Prin urmare, Sm poate fi pozitiv sau negativ, care, la rândul său, se reflectă în semnul lui G. Numai acele substanțe sunt solubile pentru care G0, dar dacă G 0, atunci substanța este insolubilă. De exemplu, pentru NaOH G = -44 kJ / mol, 28,1 moli de NaOH se dizolvă în 1 kg de apă pentru a forma o soluție concentrată. CaF2 este practic insolubil în apă (0,005 mol per 1 kg de H2O), pentru că G = 78 kJ / mol.
Disoluția substanței continuă până când potențialul chimic al ionilor din soluție și din cristal este egal: k = 0 + RT lna0
k - potentialul chimic al cristalului, 0 - potențial chimic a substanței într-o stare normala, a0 = 0 x0 - substanțe active în soluție, 0 - coeficient de activitate, x0 - concentrația soluției saturate.
Când potențialele chimice sunt egale, dizolvarea încetează. Fazele lichide și solide sunt în echilibru dinamic. Se pot forma, de asemenea, soluții suprasaturate, dar ele sunt instabile, deoarece nu se află în echilibru termodinamic cu faza solidă.
Concentrația soluției saturate este o măsură a solubilității substanței, adică, cu cât este mai mare concentrația soluției saturate, cu atât este mai bine solubilă. Este practic independent de presiunea externă. Influența sa asupra proprietăților sistemelor condensate este neglijabilă. Astfel, presiunea care rezultă din manifestarea forțelor de interacțiune dintre ionul dizolvat și moleculele de apă din jur depășește atmosfericul cu zeci de mii de ori. Efectul temperaturii asupra solubilității este semnificativ. Pentru cele mai multe substanțe, solubilitatea crește odată cu creșterea temperaturii, dar poate scădea și ea.
Structurile soluțiilor saturate ale diferitelor substanțe pot varia foarte mult. Pentru foarte puțin solubili electroliți, soluțiile saturate ale acestora fiind foarte diluați, structurile sunt aproape de structura apei pure. Structurile de soluții saturate de electroliți foarte solubili abordează structurile laturilor cristaline.
Potențialul chimic al diferitelor elemente ale cristalului nu este același. Are mai multe vârfuri și muchii decât fețele dezvoltate. Din acest motiv, solubilitatea lor este diferită. Prin urmare, cristale mici, în care cota relativă a masei la vârfurile și muchiile este mai mare decât în cazul cristalelor mari și are o solubilitate mai mare. La contactul soluției concentrate cu masa polidispersă, cristalele mici continuă să se dizolve atunci când soluția este deja suprasaturată în raport cu cristalele mari de pe suprafața cărora substanța cristalizează. Ca urmare a acestui fapt, în ciuda diferenței mici nesemnificative de solubilitate, cristalele mici se dizolvă, iar cele mari cresc.
2. Rata de dizolvare
În toate cazurile de dizolvare, faza lichidă se mișcă în raport cu suprafața solidă a substanței dizolvate. Chiar și în absența unor cauze externe, de exemplu amestecarea, convecția naturală a lichidului apare deoarece densitatea fazei lichide nu este aceeași pentru o suprafață solidă și departe de ea.
Indiferent de natura mișcării fazei lichide la interfața este întotdeauna un strat de difuzie fluid, prin care, ca rezultat al difuziei moleculare și a particulelor de solut convectiva pătrunde în greutate soluție, ca o moleculă de solvent - prin dizolvarea suprafeței solide. În cazul dizolvării chimice, produsul de reacție difuzează în direcția opusă.
Rata dizolvării corpurilor cristaline în lichide este determinată de cinetica difuziei, în principal de legile de difuzie. Uneori este limitat de viteza unei reacții chimice eterogene pe suprafața de contact a fazelor, adică respectă legile cineticii chimice. În primul caz, procesul se numește difuzie. în cel de-al doilea - cinetic.
Cu dizolvarea fizică rapidă, se formează o soluție saturată în apropierea suprafeței cristalului, ecuația generală a ratei dizolvării este:
N este masa substanței dizolvate; F este suprafața cristalelor; - timp; -dN / Fd este rata de dizolvare pe unitatea de suprafață a contactului de fază, semnul minus indică o scădere a masei substanței cu un timp de dizolvare în creștere; K - coeficient de rată de dizolvare; x0 este concentrația de soluție saturată la o temperatură dată; x este concentrația substanței dizolvate în faza lichidă.
Forța motrice a dizolvării este lipsa de saturație a soluției, adică diferența (x0-x). Odată cu creșterea concentrației de substanță dizolvată în faza lichidă, viteza de dizolvare scade logaritmic cu viteza de dizolvare este mai mare în solvent pur, în prepararea soluțiilor diluate.
Forța motrice (x0 - x) depinde de metoda de dizolvare și de tipul de aparat cu solvent. În mașinile cu agitator, atunci când se efectuează un proces lot (x0 - x), acesta este practic același în toate punctele sistemului, însă scade în timp. În aparatele continue, în care fazele solide și lichide se mișcă direct sau în contracurent, forța motrice se schimbă în direcția fluxului, dar rămâne neschimbată în timp pentru orice coordonate. Pentru a calcula procesul de dizolvare, se folosește de obicei valoarea logaritmică medie a forței motrice, calculată din valorile inițiale și finale.
Rata de trecere a materiei de la faza solidă la faza lichidă este determinată de gradientul de concentrație în soluție la interfață și este exprimată prin ecuația:
și viteza de transport a materiei prin stratul de difuzie din interfață în lichid:
K / - coeficientul vitezei tranziției interfațiale a materiei;
x i este concentrația soluției la interfață;
K // = D / este coeficientul vitezei de tranziție a substanței de la suprafața interfacială la masa soluției;
D este coeficientul de difuzie;
este grosimea efectivă (condiționată) a stratului de graniță.
Din cauza egalității vitezelor (2) și (3), avem:
1 / K = 1 / K / + 1 / K / sau K = K / K // / K / + K //) = K / D / (K / + D).
Dizolvarea majorității sărurilor (NaCI, KCI, Na2C03 * 10H2O) este limitată de cinetica difuziei; la numărul de săruri, dizolvarea cărora este limitată de tranziția interfazică, este, de exemplu, MgS04.H2O.
Prin valoarea energiei de activare a procesului de dizolvare (E), este posibil să se judece în ce regiune are loc procesul. Dacă E≤25 kJ / mol - procesul este difuziv, dacă E40 - procesul cinetic.
Creșterea temperaturii în majoritatea cazurilor este un mijloc eficace de accelerare a procesului: vâscozitatea soluției scade și, prin urmare, grosimea stratului de difuzie scade și rezistența sa la transferul de masă crește; În plus, solubilitatea majorității substanțelor crește. Pentru substanțele a căror solubilitate scade odată cu creșterea temperaturii, încălzirea nu poate doar să încetinească dizolvarea, ci și să o oprească complet.
Intensitatea dizolvării depinde, ca și în cazul oricărui proces eterogen, de suprafața de contact a fazelor. Cu cât cristalele sunt mai mici, cu atât suprafața lor specifică este mai mare, cu atât mai rapid se dizolvă.
Diferitele cazuri de dizolvare chimică sunt supuse unor legi cinetice diferite. Când reacția are loc numai pe suprafața unui solid și produsele de reacție formate în soluția difuză, viteza de dizolvare este proporțională cu concentrația (c) a solventului în masa soluției care difuzează la suprafață:
Atunci când reacția dintre substanța dizolvată și soluția este ideală nu numai pe suprafața interfazică, ci și în soluție, ecuația cinetică are forma:
K, K1. K2 - coeficienți care depind de temperatură, condiții hidrodinamice și alte condiții de dizolvare.
Un caz special de dizolvare chimică este descompunerea acidă a mineralelor. Aici, viteza de dizolvare depinde de concentrația de acid și este proporțională cu activitatea soluției active, adică concentrația de ioni de hidrogen. Dacă în cazul dizolvării se formează o sare care dă proprietățile soluției tampon, viteza de dizolvare se încetinește brusc.
Amestecarea în orice caz accelerează procesul de dizolvare, unde viteza absolută a fazelor este importantă, dar viteza relativă a amestecării lor, adică viteza de curgere în jurul fazei solide a lichidului. Astfel, într-o viteză de dizolvare vas agitat mai întâi crește proporțional cu frecvența de rotație, apoi ca prima rată de creștere de dizolvare încetinește și apoi se oprește. După dizolvarea particulelor fine, la o viteză mare de agitare, se deplasează la o viteză de flux de antrenare. iar viteza de dizolvare a acestora poate fi mai mică decât cu amestecarea neintensivă.
Levigarea este îndepărtarea (extracție) lichid solvent component solid solubil sistemului constând din două sau mai multe faze solide. Termenul este aplicat acestor procese de extracție levigare în care soluții apoase sau apoase de acizi, baze sau săruri recuperate în amestecuri solide conținute anorganicele. De exemplu, extracția aluminatului turte nitro în producția de alumină, sau levigare din Silviti KCl (KCl + NaCl) realizată cu o soluție apoasă saturată cu clorură de sodiu, dar nu saturat KCl.
Faza solubilă umple complet sau parțial porii din masa insolubilă a sistemului. Pentru a se extrage, este necesar să se difuzeze solventul în interiorul granulelor prin labirintul porilor pe suprafața particulelor solubile și prin difuzia înapoi a soluției prin soluția de umplere a porilor. Masa inertă poroasă creează o rezistență semnificativă la difuzie în procesul de leșiere în comparație cu dizolvarea componentei pure. Procesul de leșiere este mult mai lent decât dizolvarea acelorași substanțe.
Rata de scurgere depinde de structura materialului prelucrat: gradul de porozitate, dimensiunea porilor, raportul masic al fazelor solubile și insolubile. De obicei, procesul de leșiere este limitat de difuzia internă și depinde foarte puțin de viteza fluxului în jurul particulei poroase de către lichid.
Dacă o parte a fazei solubile (a%) este închisă în pori închisi, la care solventul nu poate penetra, atunci nivelul de leșiere final este în acest caz (100 -a)%. Pentru ao mări, este necesară o măcinare suplimentară a materialului. Uneori, în vederea accelerării procesului de leșiere se realizează la temperaturi ridicate deasupra punctului de fierbere al soluției la presiune atmosferică. În aceste cazuri, procesul se realizează în autoclave la presiune ridicată.
În procesul de leșiere se formează un depozit insolubil - nămol. Procedeele de leșiere sunt organizate în mod obișnuit într-o metodă contra-curentă, unde se găsește la ieșirea din lixivant praful cu solvent proaspăt sau cu o soluție slabă. Aceasta asigură o reducere a pierderii produsului valoros rămas în lichidul care umezește nămolul.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: