2.3.3. Осмос
Входы: концентрация.
Выходы: давление.
Графическая иллюстрация:
Рис. 2.11. Осмос через полупроницаемую мембрану: частицы растворителя (синие) способны пересекать мембрану, частицы растворённого вещества (красные) — нет
Сущность:
Осмос - самопроизвольный переход вещества через полупроницаемую перегородку (мембрану), разделяющую два раствора различной концентрации или раствор и чистый растворитель. Осмос приближает систему к равновесию путем выравнивания концентраций по обе стороны перегородки.
Наиболее важный случай осмоса - переход молекул чистого растворителя в раствор через полупроницаемую мембрану, не пропускающую молекулы растворенного вещества (рис 2.11). В этом случае происходит переход молекул из чистого растворителя в раствор, концентрация которого при этом понижается. В общем случае двух растворов А и В разной концентрации (концентрация раствора А больше, чем В) возникает поток вещества от А к В. Этот поток можно предотвратить, если повысить давление в растворе В, причем разность давлений π по обе стороны перегородки при этих условиях называется осмотическим давлением, а достигнутое термодинамическое равновесие - осмотическим равновесием.
Электроосмос (электроэндоосмос) - движение жидкостей или газов через капилляры, твердые пористые диафрагмы и мембраны, а также через слои очень мелких частиц под действием внешнего электрического поля.
Осмос можно усилить (или ослабить), применяя электрические поля.
Математическое описание:
,где:
-
осмотическое давление;
V - молярный объем растворителя;
R – универсальная газовая постоянная;
T – температура;
х - молярная доля растворенного вещества.
Уравнение состояния Вант-Гоффа:
-
для разбавленных растворов неэлектролитов,
где
с - молярность раствора;
-
для разбавленных растворов электролитов,
где
-
коэффициент Вант-Гоффа;
-
степень диссоциации;
υ- число ионов, на которое распадается молекула электролита.
Применение.
1. Осмос (электроосмос) применяется для очистки коллоидных растворов от примесей, для очистки глицерина, сахарных сиропов, воды, при дублении кожи, а также при окраске некоторых материалов.
A.c. 240825: Способ сушки изоляции кабелей в шахтах электросетях с изолированной нейтралью отличается тем, что, с целью упрощения процесса, токоведущие жилы кабелей подсоединяют к положительному полюсу источника постоянного тока, отрицательный полюс которого соединяют с землей для осуществления сушки за счет использования явления электроосмоса.
2.3.4. Цеолиты
Входы: нет.
Выходы: цвет, адсорбционные свойства.
Графическая иллюстрация:
Рис.2.12. Структура кристалла цеолита:
-
кислород;
-
кремний или алюминий.
Сущность:
Цеолиты – вещества, способные менять свои свойства (цвет, адсорбционная способность и др.) под действием других веществ или в результате изменения внешних условий.
Цеолиты являются кристаллическими водными алюмосиликатами , они относятся к группе каркасных алюмосиликатов. Каркасы цеолитов (Рис.2.12) содержат каналы и сообщающиеся между собой полости, в которых находятся ионы и молекулы воды. Катионы довольно подвижны и обычно могут в той или иной степени обмениваться на другие катионы. Чистые цеолиты бесцветны. Если катионы щелочных или щелочноземельных металлов, обычно присутствующие в синтетических цеолитов, обменять на ионы переходных металлов, цеолиты могут приобрести окраску. Если окраска индивидуального иона зависит от того, находится он в гидратизированном или безводном состоянии, окраска цеолита будет меняться со степенью гидратации.
Математическое описание:
Общая формула цеолита
Mex/n [AlxSiyO2(x+y)]×zH2O,
где
Me — металл,
n — его степень окисления,
х — число атомов алюминия,
у — число атомов кремния,
z — число молекул воды.
Применение.
1. Цеолиты используются для выделения и очистки углеводородов нефти и как катализаторы, а также для очистки, осушки и разделения газов (в т. ч. воздуха), осушки фреонов, извлечения радиоактивных элементов, создания глубокого вакуума и т.д.
2. Способность цеолитов менять цвет в присутствии паров воды используется для определения последней.
3. Каркасы цеолитов похожи на пчелиные соты и образованы из цепочек анионитов кремня и алюминия. Из-за своего строения каркас имеет отрицательный электрический заряд, и этот заряд компенсируется катионами щелочных или щелочноземельных металлов, находящимися в полостях - сотах. Цеолит (диаметр его пор) определяется соотношением кремния и алюминия и типом катионов (главным образом, это вода). Она удаляется при нагревании до 600, 800°С, сам каркас при этом не разрушается, он сохраняет первоначальную структуру. Именно поэтому цеолит способен вновь поглощать воду и другие вещества. Размером пор определяется и размер частиц, способных в них проникать. Цеолиты могут как бы просеивать молекулы, сортировать их по размерам. Кроме того, они используются как адсорбенты, которые в 10-100 раз эффективнее, чем все другие осушители и работают при различных температурах. При 190°С адсорбционная способность цеолитов резко повышается. Они поглощают даже воздух, создавая в сосуде разряжение.
4. Цеолиты используют как ионообменники, не разрушающиеся под действием излучения, а также в качестве катализаторов устойчивых к действию высоких температур, каталитических ядов, позволяют гибко менять свойства.