Содержание
Основы гидрометаллургического производства
Контрольная работа № 1
1.1.Что такое энергия гидратации иона и как она зависит от его радиуса?
Образование гидратных (сольватных) оболочек всегда сопровождается выделением энергии. При гидратации ионов количество выделившейся энергии и число удерживаемых молекул воды зависят от величины их заряда и радиуса.
Чем больше заряд иона и меньше его радиус, тем большее количество энергии выделяется и тем более устойчивой и большей по размерам будет образовавшаяся гидратная оболочка. В ряду однозарядных ионов размер гидратной оболочки зависит от их радиусов.
2.1.В чём различие ΔGoТ химического взаимодействия от ΔGТ? По какой величине надо определять термодинамическую вероятность реального химического процесса?
В химических процессах одновременно действуют два противоположных фактора — энтропийный() иэнтальпийный(). Суммарный эффект этих противоположных факторов в процессах, протекающих при постоянном давлении и температуре, определяет изменение энергии Гиббса():
Из этого выражения следует, что , то есть некоторое количество теплоты расходуется на увеличение энтропии (), эта часть энергии потеряна для совершения полезной работы(рассеивается в окружающую среду в виде тепла), её часто называют связанной энергией. Другая часть теплоты () может быть использована для совершения работы, поэтому энергию Гиббса часто называют также свободной энергией.
Характер изменения энергии Гиббса позволяет судить о принципиальной возможности осуществления процесса. При процесс может протекать, припроцесс протекать не может (иными словами, если энергия Гиббса в исходном состоянии системы больше, чем в конечном, то процесс принципиально может протекать, если наоборот — то не может). Если же, то система находится в состоянии химического равновесия.
Свободная энергия Гиббса (или просто энергия Гиббса, или потенциал Гиббса, или термодинамический потенциал в узком смысле) — это величина, показывающая изменение энергии в ходе химической реакции и дающая таким образом ответ на вопрос о принципиальной возможности протекания химической реакции; это термодинамический потенциал следующего вида:
Энергию Гиббса можно понимать как полную химическую энергию системы (кристалла, жидкости и т. д.)
Понятие энергии Гиббса широко используется в термодинамике и химии.
Самопроизвольное протекание изобарно-изотермического процесса определяется двумя факторами: энтальпийным, связанным с уменьшением энтальпии системы (ΔH), и энтропийным T ΔS, обусловленным увеличением беспорядка в системе вследствие роста её энтропии. Разность этих термодинамических факторов является функцией состояния системы, называемой изобарно-изотермическим потенциалом или свободной энергией Гиббса (G, кДж)
Классическим определением энергии Гиббса является выражение
где —внутренняя энергия,—давление,—объём,— абсолютная температура, —энтропия.
Дифференциал энергии Гиббса для системы с постоянным числом частиц, выраженный в собственных переменных — через давление p и температуру T:
Для системы с переменным числом частиц этот дифференциал записывается так:
Здесь —химический потенциал, который можно определить, как энергию, которую необходимо затратить, чтобы добавить в систему ещё одну частицу.
Термодинамическая вероятность протекания химической реакции определяется величиной изменения в процессе свободной энергии Гиббса.
3.1.Какова структура чистой воды? Что такое водородная связь?
Молекула обычной воды имеет, так называемое, угловое корпускулярное строение: если присмотреться в вершине угла, который в парах равен 104,27° ( а во льду 109°), располагается атом кислорода, на отрезке в 0,96 А от него расположены собственно атомы водорода. Электронные облака молекулы воды — s-водородных атомов и р-кислородного атома — четко перекрываются таким образом, что их основные оси направляются к углам образованного тетраэдра. К оставшимся двум углам этого тетраэдра, направляются оси облаков р-электронов уже кислорода, и, таким образом, получается, что полная электронная структура водной молекулы имеет тетраэдрическую форму. Электронные пары, которые остались не использованными в связи —О— с протонами водорода, обуславливают значительное увеличение электронной плотности в первой из частей молекулы воды, при одновременном избыточном положительном заряде в той части, где расположены протоны; в результате — это состояние молекулы в совокупности с ее угловой формой, вполне логично объясняют наличие у воды дипольного момента, приводящего к существующим силам физико-химического взаимодействия между отдельными молекулами обычной и удивительной воды Н2О: Н—О—Н.
Возникающие между внешними парами образованными электронами кислорода и собственно протонами соседних с ними молекул воды, водородные связи, имеют очень важное значение в структурной организации всего объема воды в ее жидком состоянии. Каждая из молекул Н2О имеет возможность принять участие в формировании четырех подобных связей: двух — за счет притяжения пары протонов из данной молекулы к уже электронным парам кислородного атома двух соседних с ними частиц, а две оставшиеся получаются посредством притяжения протонов от соседних молекул к другим электронным парам атома кислорода настоящей частицы. То есть, молекула воды одновременно является и донором, и акцептором протона.
В парообразном состоянии вода есть образует группы, состоящие из нескольких молекул Н2О — при не очень высоких температурах в парах воды образуются парные — так называемые димерные — частицы обычной воды. В кристаллической структуре воды, находящейся в замороженном твердом состоянии — в форме льда — каждая отдельная молекула воды оказывается окруженной четырьмя другими, таким образом, что в результате получается правильная тетраэдрическая физико-химическая структура, называемая гексагональной сингонией. Протоны, которые образуют водородные связи, расположены между атомами кислорода, а по характеру их движения нельзя понять, к какому именно атому кислорода относится данный протон. А в целом, протон связан почти одинаково прочно с обоими атомами кислорода. Возможно, водородная связь имеет возможность находиться и в состоянии ионизированном, при котором к одной из связанных в структуре молекул приближен протон, а оставшаяся молекула почти потеряла протон НО-… Н+—ОН2. Такое образование характеризуется наличием значительного дипольного момента.
Структура тетраэдра оставляет множество пустого пространства внутри своей структурной решетки. Эти «пустоты» достаточно велики, чтобы вместить в себя молекулу воды. По О. Я. Самойлову, при таянии льда пустоты заполняются жидкой водой, что несомненно приводит к увеличению плотности воды в жидком ее состоянии, по сравнению с ее твердой, кристаллической формой — льдом! Это вполне логически объясняет одну из важнейших особенностей воды.
Водородная связь представляет собой взаимодействие между двумя электроотрицательными атомами двух одинаковых, или двух разных, молекул, посредством одного атома водорода: А−Н … В(черта — это ковалентная связь, а три точки — водородная связь).
Водородная связь возможна за счет электростатического притяжения атома водорода, несущего положительный заряд δ+, к атому электроотрицательного элемента, несущего отрицательный заряд δ−. Чаще всего водородная связь слабее ковалентной, однако, значительно сильнее обычного физического притяжения молекул друг к другу, наблюдаемого в твердых и жидких средах. От межмолекулярных взаимодействий водородную связь отличает наличие свойств, обозначаемых как направленность и насыщаемость. От этого ее часто относят к одной из разновидностей ковалентной химической связи. Водородную связь можно описать, пользуясь методом молекулярных орбиталей, как трехцентровую двухэлектронную связь.
4.1. От чего зависит энергия гидратации ионов?
Является важнейшей величиной в энергии, обеспечивающей возможность растворения ионных или диссоциирующих на ионы соединений и определяющей теплоту растворения (L). Величина Э. г. для воды (а для др. растворителей — энергии сольватации) определяется диэлектрической постоянной для воды, равной 81. Это означает, что взаимодействие единичного положительного или отрицательного заряда в такой среде уменьшается в 81 раз, что и способствует растворению при совокупном влиянии тепловой энергии на подвижность ионов и атомов — кинетической энергии. Значение Э. г. состоит и в нередко преобразующей роли характера связей в соединениях, образующихся при кристаллизации из водных растворов, становящихся более ионными в сравнении с кристаллизацией из расплавов. Э. г. играет важнейшую роль в явлениях катионного обмена. Чем выше Э. г. иона при прочих равных условиях (валентности, концентрации), тем охотнее он переходит в раствор в обмен на катионы с меньшей Э. г. До последнего времени представлялось, что Э. г. есть результат чисто электростатического взаимодействия как анионов, так и катионов с дипольными зарядами молекул воды. Поэтому величина Э. г. соединений (H) вычислялась на основе представлений об энергии кристаллической решетки (U) с поправкой на теплоту растворения (L); H = U + L.
Энергия гидратации зависит не только от заряда, но и от природы иона.
5.2. Почему возможно уменьшение скорости выщелачивания при увеличении концентрации регента?
По мере увеличения степени выщелачивания концентрация реагента линейно убывает и одновременно уменьшается поверхность твердых частиц, что приводит к существенному снижению скорости. Увеличить скорость процесса растворения можно либо за счет увеличения избытка реагентов, либо это можно обеспечить без повышения общего расхода реагента — переходом от одностадийного процесса к противоточному двухстадийному.
При подаче всего реагента на вторую стадию выщелачивания уменьшение поверхности твердых частиц компенсируется повышением концентрации реагента, а в случае обратимой реакции — также понижением содержания растворимого продукта. Благодаря этому скорость на заключительном этапе выщелачивания гораздо выше и продолжительность его гораздо меньше, чем при одностадийном выщелачивании. В результате, хотя скорость начальной стадии несколько ниже, а ее продолжительность немного больше, чем при одностадийном процессе, в целом продолжительность полного выщелачивания значительно сокращается.
При осуществлении выщелачивания в непрерывном режиме в каскаде реакторов переход от прямоточного к двухстадийному противоточному варианту позволяет заметно повысить извлечение ценного компонента в раствор или — при том же извлечении — увеличить производительность каскада.
Выдержка из текста
Основы гидрометаллургического производства
Контрольная работа № 1
1. 1.Что такое энергия гидратации иона и как она зависит от его радиуса?
2. 1.В чём различие ΔGoТ химического взаимодействия от ΔGТ? По какой величине надо определять термодинамическую вероятность реального химического процесса?
3. 1.Какова структура чистой воды? Что такое водородная связь?
4. 1. От чего зависит энергия гидратации ионов?
5. 2.Почему возможно уменьшение скорости выщелачивания при увеличении концентрации регента?
6. 2.Что такое мольный объём? Как соотношение мольных объёмов твёрдого продукта и растворяемого твёрдого тела, на котором этот продукт образуется, влияет на уравнение общего потока растворения?
7. 2.Чему равен порядок по твёрдому при растворении монокристаллов?
8. 2. Приведите примеры отрицательного порядка процесса по реагенту.
9. 2.Каковы особенности выщелачивания с участием газообразных реагентов?
10. 2.Запишите уравнение потока для растворения твёрдого тела, лимитируемого внешнедиффузионным подводом реагента.
11. 2.Что такое сонолиз?
12. 2. Как ускорить процесс растворения, лимитируемый подводом реагента через слой образующегося на поверхности раздел фаз твердое — жидкость твёрдого продукта химической реакции?
13. 2.Что такое бактериальное выщелачивание. При ведите примеры использования его в промышленности.
14. 2. Как определяют производительность непрерывно работающих аппаратов?
15. 2. Зем исследуют механизм процессов, сопровождающих выщелачивание?
Список использованной литературы
мисис