какие стадии растворения вы знаете
Растворимость. Факторы влияющие на растворимость.
Процесс растворения протекает в две стадии. На первой стадии происходит разрушение агрегатного состояния растворяемого вещества. На этой стадии происходит затрата энергии. Энтальпия первой стадии процесса растворения имеет знак плюс.
На второй стадии процесса растворения происходит образование сольватов (в частном случае гидратов), т.е. группировок, состоящих из молекул (ионов) растворяемого вещества, окруженных молекулами растворителя. Процесс сольватации сопровождается выделением теплоты. Энтальпия второй стадии процесса растворения идет со знаком минус.
ΔHII 0) наблюдается при растворении твердых веществ. Например, растворение в воде Na2S2O3*7H2O приводит к сильному охлаждению раствора. И, наоборот, если растворяются газы или жидкости в жидких растворителях, то процесс сольватации выделяет значительно больше энергии, чем ее затрачено на первой стадии процесса (ΔHII>ΔHI) раствор сильно нагревается. Этот тепловой эффект процесса растворения называется экзоэффектом. (ΔHраств 0).
Рассмотрим несколько частных случаев.
а). Растворимость твердых веществ в жидкостях.
С повышением температуры растворимость твердых веществ увеличивается, так на разрушение кристаллической решетки твердого тела расходуется энергии больше, чем ее выделяется при сольватации (гидротации). ΔHI>ΔHII. Однако степент увеличения растворимости от температуры различна (табл.12.2.). В некоторых случаях кривая растворимости может проходить через своеобразный максимум. Примером может служить растворимость сульфата натрия в воде.
б). Растворимость газов.
Стадии растворения. Факторы, влияющие на процесс растворения: измельчение, изменение температуры, перемешивание.
Растворение – спонтанный, самопроизвольный диффузионно-кинетический процесс, протекающий при соприкосновении растворяемого вещества с растворителем.
В фармацевтической практике растворы получают из твердых, порошкообразных, жидких и газообразных веществ. Как правило, получение растворов из жидких веществ, взаимно растворимых друг в друге или смешивающихся между собой, протекает без особых трудностей как простое смешение двух жидкостей.
Растворение твердых веществ, особенно медленно и трудно растворимых, является сложным и трудоемким процессом. При растворении можно выделить условно следующие стадии:
· Поверхность твердого вещества контактирует с растворителем, контакт сопровождается смачиванием и адсорбцией растворителя, проникновением в макропоры частиц твердого вещества.
· Молекулы растворителя взаимодействуют со слоями твердого вещества на поверхности раздела фаз.
· Сольватированные молекулы или ионы переходят в жидкую фазу
· Выравнивание концентраций вещества во всех слоях растворителя.
Длительность 1 и 4 фаз зависит от скорости диффузионного процесса, 2 и 3 фазы протекают мгновенно и достаточно быстро и носят кинетический характер. Из этого следует, что в основном скорость растворения зависит от диффузионных процессов.
Показатели растворимости веществ в различных растворителях и обозначение растворимости в Государственной фармакопеи Республики Беларусь.
Под «растворимостью» подразумевают свойство вещества растворяться в различных растворителях, принятых в ГФ РБ. Показатели растворимости вещества в различных растворителях приводятся в частных фармакопейных статьях. Для обозначения растворимости в данном подразделе используются описательные термины, которые в температурном интервале от 15 о С до 25 о С имеют смысл, обозначенный в Табл.
Примечание: для определения растворимости навеску вещества вносят в отмеренное количество растворителя и непрерывно встряхивают в течение 10 минут при температуре 20±5°С. Предварительно образец может быть растерт. Для медленно растворимых образцов, требующих для своего растворения более 10 минут, допускается также нагревание на водяной бане до 30°С; наблюдение производят после охлаждения раствора до температуры 20±5°С и энергичного
встряхивания в течение 1-2 минут. Вещество считают растворившимся, если в растворе при наблюдении в проходящем свете не обнаруживаются частицы вещества. Для веществ, образующих при растворении мутные растворы, соответствующее указание должно быть приведено в частой фармакопейной статье. Если указано, что субстанция растворима в жирных маслах. то имеется в виду, что она растворима в любом масле, относящемуся к классу жирных масел.
Использование механического перемешивания в производстве медицинских растворов. Конструкции мешалок, их характеристики.
Наиболее распространенный способ перемешивания в жидких средах – механическое перемешивание.
В качестве основных составляющих оборудования для механического перемешивания используются: корпус, привод, уплотнение, вал и мешалка. Конструкция мешалки имеет наиболее важное значение в работе аппарата для перемешивания, в то время как тип используемого резервуара (сосуда) также может оказать значительное влияние на его работу.
У аппаратов, работающих при давлении выше или ниже атмосферного, форма днища и крышки сосуда, обычно эллиптическая. У аппаратов, предназначенных для работы при атмосферном давлении («под налив») крышка и днище сосуда плоские. У аппаратов с периодической выгрузкой вязких продуктов используются конические днища. Однако конические днища в общем случае затрудняют перемешивание и способствуют забивке выпускного патрубка. Недостатком конических днищ является также значительный объем перемешиваемой жидкости ниже уровня расположения мешалки. В результате этого прекращение перемешивания вызывает отложение большого количества осадка. Для подвода или отвода теплоты, корпуса аппарата имеют теплообменные рубашки.
В промышленности для перемешивания в основном используют механические мешалки с вращательным движением. При работе таких мешалок возникает сложное трехмерное течение жидкости (тангенциальное, радиальное, аксиальное) с преобладающей окружной составляющей скорости.
Профиль жидкости при тангенциальном (а), радиальном (б) и осевом (в) течении.
Циркуляция жидкости при перемешивании лопастными мешалками
Объем циркулирующей жидкости в единицу времени в аппарате с мешалкой называют насосным эффектом, который является важной характеристикой мешалки: чем больше насосный эффект, тем лучше в данном аппарате идет процесс перемешивания.
При работе вращающихся механических мешалок на поверхности жидкости возникает воронка, глубина которой растет с увеличением частоты вращения мешалки (в пределе она может достигать дна сосуда). Это явление отрицательно сказывается на эффективности перемешивания и значительно снижает устойчивость работы мешалки. На глубину и форму воронки большое влияние оказывают диаметр мешалки и частота ее вращения.
Для предотвращения образования воронки у стенок аппаратов с быстроходными мешалками устанавливают радиальные отражательные перегородки, причем наиболее часто – на некотором расстоянии от стенки корпуса (для снижения возможности образования застойных зон). Экспериментальным путем найдено, что оптимальное число отражательных перегородок равно четырем, а их ширина составляет примерно 10% от диаметра аппарата.
Перемешивание жидкости в сосудах с перегородками
Основной деталью любой мешалки является одна или несколько различающихся по форме лопастей, закрепленных на вращающемся валу. Вал приводится в движение при помощи обычной зубчатой передачи, чаще всего непосредственно от электродвигателя.
Механические мешалки разделяются по устройству лопастей на следующие группы:
1) Лопастные – с плоскими лопастями
2) Пропеллерные – с винтовыми лопастями
4) Специальные (барабанная, дисковая и вибрационная)
Все применяемые мешалки могут быть разделены на быстроходные и тихоходные. Под быстроходными понимаются мешалки, используемые для перемешивания жидких сред при турбулентном и переходном режимах движения жидкости; под тихоходными – при ламинарином движении жидкости.
Лопастные мешалки
Лопастные мешалки являются наиболее старым типом перемешивающих механизмов. По своему устройству они наиболее простые вследствие чего широко распространены.
Достоинства лопастных мешалок
1) Простота устройства и дешевизны изготовления
2) Вполне удовлетворительное перемешивание умеренно вязких жидкостей
1) Малая интенсивность перемешивания вязких жидкостей
2) Непригодность для перемешивания легко расслаивающихся веществ.
Основные области применения лопастных мешалок
1) Перемешивание жидкостей небольшой вязкости
2) Растворение и суспендирование твердых веществ
3) Грубое смешение жидкостей
Лопастные мешалки простого типа наиболее эффективны при перемешивании маловязких сред.
Для перемешивания жидкостей с вязкостью выше более пригодны рамные мешалки или лопастные мешалки в сосудах с отражательными перегородками.
В указанных областях применения лопастные мешалки обеспечивают хорошее перемешивание при небольшом расходе энергии. Лопастные мешалки непригодны для быстрого растворения, тонкого диспергирования, а также для получения суспензий, содержащих твердую фазу большой плотности.
Аппарат с мешалкой с вертикальными лопатками.
Типы лопастных мешалок с вертикальными лопатками:
· Двухлопастная мешалка с прямыми вертикальными лопатками
· Трехлопастная мешалка с изогнутыми вертикальными лопатками
· Шестилопастная мешалка с наклонными лопастями
С целью уменьшения образования вокруг вала воронки и предупреждения выброса жидкости через край аппарата скорость вращения ограничивается 8 об/с.
Перемешивание вязких и «тяжелых» жидкостей
Предотвращение выпадения осадков на стенках и днище
Диспергирование твердых частиц в вязких средах
Якорные мешалки. Устанавливаются в тех случаях, когда дно котла является сферическим. Скорость вращения до 80 об/мин.
аппарат с якорной мешалкой
Нижняя кромка якоря обычно соответствует форме дна реакционного сосуда. В стеклянных сосудах трущиеся о стенки и дно части мешалки должны быть обязательно снабжены протектором (покровом), например из резинового шланга или пластмассовых колец.
Особенно удобны в лабораторных условиях якорные мешалки со сменными лопастями, вырезанными из листовой пластмассы, например фторопласта или полиэтилена. Шарнирно закрепленные на оси они могут быть введены даже в колбу с узким горлом.
Перемешивание вязких и «тяжелых» жидкостей
Предотвращение выпадения осадков на стенках и днище
Перемешивание твердых частиц в вязких средах
Производят перемешивание как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Планетарная мешалка вращается медленно, тем не менее, она весьма эффективна благодаря большому объему жидкости захватываемой мешалками. Планетарные мешалки пригодны для перемешивания мазей и суспензий, а также для изготовления эмульсий, которые легко образуются из их компонентов.
Пропеллерные мешалки
У пропеллерных мешалок лопатки имеют постепенно меняющийся наклон по длине радиуса, причем этот наклон изменяется почти от 0 0 у вала до 90 0 на конце лопатки. В связи с этим различные участки лопатки будут отражать частицы жидкости под разными углами. В результате возникают встречные токи, способствующие лучшему перемешиванию. Перемешивание пропеллерными мешалками происходит под действием движения жидкости, возникающего в результате сложения двух потоков: 1) аксиального, обусловленного напором пропеллера (основного) и 2) спирального вихревого потока всего содержимого вызванного разными скоростями слоев жидкости на различном расстоянии от мешалки.
Перемешивание пропеллерными мешалками также улучшается при установке в аппарате диффузора – короткого цилиндрического (иногда слегка конического) стакана, в котором помещается пропеллер. Диффузор направляет циркуляцию жидкости в осевом направлении и благоприятно влияет на перемешивание в аппаратах с большим отношением высоты к диаметру.
Пропеллерная мешалка с диффузором.
Для улучшения перемешивания массы жидкости по всей высоте применяют пропеллерные мешалки с несколькими пропеллерами и диффузором в виде змеевика с витками, плотно прилегающими друг к другу. Такое устройство диффузора позволяет легко регулировать температурный режим перемешивания.
Достоинства пропеллерных мешалок:
1) Интенсивное перемешивание
2) Умеренный расход энергии, даже при значительном числе оборотов
3) Невысокая стоимость
1) Малая эффективность перемешивания вязких жидкостей
2) Ограниченный объем интенсивно перемешиваемой жидкости
Пропеллерные мешалки применяются главным образом для следующих целей:
1) Интенсивное перемешивание маловязких жидкостей
2) Приготовление суспензий и эмульсий
3) Взмучивание осадков, содержащих до 10% твердой фазы, состоящей из частиц размером до 0,15 мм.
Турбинные мешалки
Турбинные мешалки состоят из одного или нескольких центробежных колес (турбинок), укрепленных на вертикальном валу и снабженных большим числом лопаток – от 6 до 16 и более. Лопатки турбинок могут быть плоскими (прямые или наклонные) или изогнутыми по кривой, как в пропеллерных мешалках. Выбор турбинки зависит от характера перемешиваемой жидкости. Так, при перемешивании подвижных жидкостей применяют турбинки с прямыми лопатками, а при более вязких жидкостях и содержащих взвесь твердых частичек более целесообразны турбинки с наклонными или криволинейными лопатками.
Достоинства турбинных мешалок:
1) Быстрота перемешивания и растворения
2) Эффективное перемешивание вязких жидкостей
3) Пригодность для непрерывных процессов
Недостатком турбинных мешалок является сравнительная сложность и высокая стоимость изготовления.
1) Интенсивное перемешивание и смешивание жидкостей различной вязкости, которая может изменяться в широких пределах
2) Тонкое диспергирование быстрое растворение
3) Взмучивание осадков и жидкостях, содержащих 60% и более твердой фазы (для открытых мешалок – до 60%); допустимые размеры твердых частиц: до 1,5 мм для открытых мешалок, до 25 мм для закрытых мешалок.
Специальные мешалки
К этой группе относятся мешалки, имеющие ограниченное применение. Некоторые мешалки, предложенные сравнительно недавно (исковые и вибрационные) приобретают в последнее время более широкое распространение.
Барабанные мешалки
Барабанные мешалка состоит из двух цилиндрических колец, соединенных между собой вертикальными лопастями прямоугольного сечения называемого беличьего колеса. Мешалки этой конструкции создают большую подъемную силу и потому весьма эффективны при проведении реакций между газом и жидкостью, а также при получении эмульсий, обработке быстро расслаивающихся суспензий и взмучивании тяжелых осадков.
Рекомендуемые условия применения барабанных мешалок: отношение диаметра барабана к диаметру сосуда от 1:4 до 1:6, отношение диаметра барабана к высоте должна быть 2:3, отношение высоты жидкости к диаметру барабана не менее 10.
Дисковые мешалки
Дисковые мешалки представляют собой один или несколько гладких дисков, укрепленных на небольшом расстоянии друг от друга на вертикальном валу и вращающихся с большой скоростью в направляющих цилиндрах.
Дата добавления: 2019-07-15 ; просмотров: 808 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Химическая реакция растворения
Растворение — что это за процесс
Растворы — однородные (гомогенные) системы, в состав которых входят: растворенные вещества, растворитель и (возможно) продукты химической реакции, протекающей между ними.
Особенностью растворенного вещества является равномерное распределение в объеме вещества, которое играет роль растворителя. Для раствора характерно содержание двух и более компонентов.
Растворитель представляет собой вещество, сохраняющее стабильность агрегатного состояния в процессе растворения.
Когда смешивают вещества с идентичными агрегатными состояниями, к примеру, жидкость с жидкостью, газ с газом, твердый материал с твердым, роль растворителя играет компонент с большим содержанием. Процесс, при котором образуется раствор, определяется особенностью взаимодействия частиц растворителя с частицами растворенного вещества и их природой.
Растворение является физико-химическим процессом, в котором можно наблюдать взаимодействие частиц между собой, что приводит к образованию раствора.
Растворение представляет собой результат взаимодействия молекул вещества, играющего роль растворителя, с частицами растворенного вещества. При растворении твердых веществ наблюдают увеличение энтропии. В процессе растворения газообразных веществ энтропия уменьшается. Растворение сопровождается исчезновением межфазной границы, изменением физических свойств раствора, в том числе плотности, вязкости, в некоторых случаях, окраски.
Когда растворитель и растворенное вещество участвуют в химическом взаимодействии, можно наблюдать изменение химических свойств раствора. В качестве примера можно привести растворение газа хлороводорода в воде, результатом которого является образование жидкой соляной кислоты.
Теплота растворения зависит от природы компонентов раствора.
Например: если растворяются кристаллические вещества с растворимостью, увеличивающейся при повышении температуры, то раствор охлаждается. Это объясняется тем, что раствор обладает большей внутренней энергией по сравнению с аналогичными характеристиками кристаллического вещества и растворителя, взятых по отдельности. Как пример, можно рассмотреть кипяток, в котором происходит растворение сахара. В результате раствор значительно охлаждается.
Основные этапы: физическая и химическая стадия
Этапы растворения кристаллических веществ в водной среде:
Классификация растворов в зависимости от механизма растворения:
Физическим растворением называют процесс разрыва и образования лишь межмолекулярных связей, в том числе, водородных.
Физическое растворение можно наблюдать только в случае определенных веществ, выполняющих роль растворителя и растворенного вещества, не вступающих в химические реакции между собой. К примеру, нафталин растворяется в спирте.
Химическое растворение является видом растворения, которое предполагает разрушение исходных химических связей в процессе химического превращения.
Например: химическое растворение протекает при электрической диссоциации растворяемого вещества.
При растворении имеет место следующая закономерность: подобное хорошо растворяется в подобном. Так, в неполярных растворителях хорошо растворяются неполярные вещества. Полярными растворителями целесообразно растворять полярные вещества. Благодаря исследованиям механизмов растворения, природы растворяемых веществ и растворителей, определяют степень растворимости одного вещества в другом.
Признаки химического взаимодействия при растворении
Физические признаки растворения выражаются в виде диффузии. Процесс заключается в распределении частиц растворенного вещества между молекулами вещества, которое является растворителем. В результате «качества» растворенного вещества проявляются в растворе.
Признаками химических явлений являются:
Когда концентрированная серная кислота растворяется в водной среде, температура раствора значительно повышается. Данное явление нашло практическое применение в «химических грелках».
Процесс растворения нитрата аммония в воде сопровождается сильным поглощением теплоты, что объясняет охлаждение раствора. На данном эффекте основан принцип действия гипотермического пакета, который входит в состав автомобильной аптечки для оказания первой медицинской помощи.
Безводный сульфат меди (II) обладает белой окраской. Когда вещество растворяют в воде, раствор окрашивается в голубой цвет.
В современной науке имеет место теория, объединяющая две точки зрения. Ее называют физико-химической теорией растворов. Предпосылки к данной теории были сформулированы еще в 1906 году Д.И. Менделеевым в учебнике «Основы химии».
Факторы растворимости веществ
Растворимость представляет собой свойство вещества растворяться в каком-либо растворителе.
Мера растворимости при заданных условиях определена содержанием данного вещества в насыщенном растворе. Существует условная классификация веществ в зависимости от их способности растворяться:
Когда вещество контактирует с водной средой, можно получить следующий результат:
Коэффициент растворимости определяется, как отношение массы растворенного вещества к массе растворителя (к примеру, 10 г соли на 100 г воды).
В зависимости от того, какой концентрацией обладает растворенное вещество, растворы условно разделяют на:
Ненасыщенные растворы — это те, в которых концентрация растворенного вещества меньше по сравнению с концентрацией в соответствующем насыщенном растворе. Особенность ненасыщенного раствора заключается в возможности при заданных условиях растворить в нем еще определенное количество растворенного вещества.
Насыщенные растворы представляют собой растворы с максимальной концентрацией растворенного вещества при заданных условиях.
В некоторых случаях нет необходимости создавать специальные условия для приготовления насыщенного раствора. Эксперимент можно поставить в домашних условиях.
При смешивании поваренной соли с водой образуется раствор. Когда смесь становится насыщенной, поваренная соль перестает растворяться в воде, так как достигнута ее максимальная концентрация.
Перенасыщенным раствором называют такой раствор, в котором растворенное вещество находится в концентрации, превышающей его концентрацию в насыщенном растворе.
Излишки растворенного вещества достаточно просто выпадают в виде осадка. Для получения перенасыщенного раствора можно, к примеру, охладить насыщенный раствор, компонентами которого являются поваренная соль и вода. В том случае, когда температура снижается, уменьшается растворимость поваренной соли. В результате получают перенасыщенный раствор.
В зависимости от концентрации растворенного вещества растворы бывают:
Концентрированные растворы являются растворами, для которых характерно относительно высокое содержание растворенного вещества.
Разбавленные растворы представляют собой растворы, в которых растворенное вещество характеризуется относительно низким содержанием.
Подобная классификация является условной и не зависит от деления раствора по насыщенности. Разбавленный раствор может являться насыщенным. Концентрированный раствор не во всех случаях можно отнести к насыщенным растворам.
где m р.в. определяет массу растворенного вещества, г;
m р-ля является массой растворителя, г.
Растворимость некоторых веществ в воде при температуре 20 °C:
Растворимость веществ зависит от нескольких факторов:
Абсолютно нерастворимых веществ не существует. Все вещества лишь условно классифицируют на растворимые, малорастворимые и нерастворимые. Даже такие материалы, как серебро и золото, частично растворяются в воде. С другой стороны, растворимость этих металлов столь мала, что ей допустимо пренебречь.
Растворимость, которой характеризуются твердые вещества, определяется структурой этих веществ, то есть типом кристаллической решетки. К примеру, вещества с металлическими кристаллическими решетками, в том числе железо и медь, отличаются малой растворимостью в воде. Вещества, для которых характерна ионная кристаллическая решетка, обычно хорошо растворяются в воде.
Подобное хорошо растворяется в подобном.
Согласно озвученному правилу, вещества, обладающие связями ионного или ковалентного полярного типа, хорошо растворяются в полярных растворителях. В качестве примера можно привести соли, которые характеризуются хорошей растворимостью в воде. С другой стороны, неполярные вещества в распространенных случаях способны хорошо растворяться в неполярных растворителях.
В большинстве своем соли щелочных металлов и аммония хорошо растворяются в водной среде. Высокой степенью растворимости характеризуются практически все нитраты, нитриты, многие галогениды, за исключением галогенидов серебра, ртути, свинца, таллия, и сульфаты, кроме сульфатов щелочноземельных металлов, серебра и свинца. Сульфиды, фосфаты, карбонаты, некоторые другие соли переходных металлов обладают небольшими показателями растворимости.
Растворимость газообразных веществ в жидких средах определяется их природой. К примеру, в 100 объемах воды при температуре 20 °C можно растворить 2 объема водорода, 3 объема кислорода. При аналогичных условиях в 1 доле воды можно растворить 700 объемов аммиака.
Процесс растворения газообразных веществ в воде, как результат гидратации молекул растворяемого газа, протекает с выделением теплоты. В связи с этим, когда температура повышается, растворимость газообразных веществ снижается.
Температурный режим неодинаково влияет на способность твердых веществ растворяться в воде. В распространенных случаях можно наблюдать повышение растворимости при нагреве твердых веществ.
Растворимость твердых и жидких веществ в жидких средах почти не меняется при перепадах давления. Это связано с незначительным изменением объема в процессе растворения. Когда в жидкости растворяют газы, объем системы уменьшается. В связи с этим, при повышении давления увеличивается растворимость газообразных веществ. Общий вид зависимости растворимости газов от давления описан законом У. Генри (Англия, 1803 г.).
Закон У. Генри: растворимость газа при стабильной температуре прямо пропорциональна его давлению над жидкостью.
Рассмотренная закономерность справедлива для небольших давлений в случае газообразных веществ со сравнительно небольшой растворимостью и при условии отсутствия химического взаимодействия между молекулами растворяемого газа и растворителя.
В том случае, когда вода содержит примеси других веществ, например, соли, кислоты и щелочи, газы хуже растворяются в такой среде. Газообразный хлор характеризуется растворимостью в насыщенном водном растворе поваренной соли, которая в 10 раз меньше по сравнению с аналогичным показателем в чистой воде.
Эффект, предполагающий снижение растворимости в присутствии солей, называют высаливанием. Ухудшение свойств растворимости связано с гидратацией солей, которая является причиной уменьшения количества свободных молекул воды. Молекулы воды, образовавшие связи с ионами электролита, не являются растворителем для каких-либо веществ.
Примеры растворения твердых веществ в воде
Данные о растворимости веществ необходимы для решения многих задач по химии, связанных с записью уравнений реакций. Таблица растворимости содержит информацию о зарядах веществ, которую используют для корректной записи реагентов и схем химического взаимодействия. По растворимости в воде определяют способность соли или основания диссоциировать.
Водные соединения, проводящие ток, являются сильными электролитами. Существует и другой тип веществ, которые отличаются тем, что плохо проводят ток. Такие соединения являются слабыми электролитами. Сильные электролиты представляет собой вещества, практически полностью ионизирующиеся в воде. В отличие от них, слабые электролиты проявляют это свойство лишь в малой степени.
Существует несколько видов уравнений:
Краткие ионные уравнения являются сокращенным вариантом полных ионных уравнений. В полном уравнении принято записывать все ионы из которых состоят реагенты и продукты реакции.
В виде отдельных ионов можно записывать только сильные электролиты.
Затем, сократив одинаковые ионы, присутствующие в обоих частях химического уравнения, получают уравнение в кратком виде.
В молекулярных уравнениях все, без исключения, вещества записаны в молекулярном виде.