ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ В ЖИДКИХ РАСТВОРАХ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
В работе рассмотрен способ экспериментальной оценки молекулярной диффузии в водных растворах. Способ основан на решении уравнения нестационарной молекулярной диффузии в безразмерном виде

Ключевые слова:
молекулярная диффузия, водный раствор медного купороса
Текст
Текст (PDF): Читать Скачать

Значение коэффициента диффузии вещества в смеси определяет скорость молекулярной диффузии. Значение коэффициента D участвует в расчетах скорости массопереноса при проектировании аппаратов химической промышленности [1].

Pic_1

Рисунок 1 –­ Экспериментальная установка по оценке коэффициента молекулярной диффузии

 

В работе выполнена оценка значения коэффициента молекулярной диффузии для ионов медного купороса в водном растворе. Для этого была разработана экспериментальная установка, схема которой изображена на рис. 1.

 

Экспериментальная установка представляла собой кювету 1, которую закрепляли на штативе 2. В ходе опыта кювета находилась внутри емкости с чистой водой 3. Установка емкости 3 по высоте выполнялась при помощи регулировочной платформы 4. Чтобы уменьшить воздействие внешних вибраций из помещения лаборатории вся конструкция устанавливалась на слое песка 5 и тяжелом металлическом грузе 6 с пенопластовой прокладкой 7. Для предотвращения резких колебаний температур в ходе измерения вся установка устанавливалась в шкаф с теплоизоляционными стенками 8.

Изначально в кювету заливался раствор исследуемого вещества с известной начальной концентрацией С0. За счет подъема регулировочной платформы 4 зафиксированная на штативе 2 кювета 1 погружалась в емкость 3. В начале процесса образовывалась граница раздела двух фаз: раствора в кювете и чистого растворителя в емкости. Именно этот момент фиксировался как начальная точка отсчета времени процесса массопереноса растворенного вещества из кюветы 3 в емкость с водой 1.

Кювета помещалась в объем дистиллированной воды с такой скоростью, чтобы не вызвать излишнюю турбулентность среды и не нарушить перепад концентраций вещества на выходе из кюветы. После этого экспериментальная установка оставлялась на длительное время в шкафу с теплоизолирующими стенками. В течение этого времени растворенное вещество диффундировало из кюветы в большой объем чистого растворителя – воды.

Диффузия вещества в слое жидкости, которая находится в состоянии покоя, описывается уравнением нестационарной молекулярной диффузии. В безразмерном виде это уравнение можно представит как:

,

где: ω=С/С0 безразмерная концентрация; η=x/h безразмерная координата; τ=tD/h2 – безразмерное время; С0 – начальная концентрация вещества раствора в кювете, кг/м3; h – глубина кюветы, м; t – время процесса, с.

Начальные и граничные условия для данного процесса имеют вид:

            τ=0, 0<η<1: ω=1;    τ>0, η=0: ω=0;         τ>0, η=1: ω/η=0.

Решение данного уравнения для усредненной концентрации раствора в кювете может быть получено в виде следующего бесконечного ряда:

.

В эксперименте измерялось время процесса перехода вещества из кюветы в большой объем чистого растворителя. По окончанию процесса кювета извлекалась и измерялась остаточная концентрация раствора в ней . Экспериментальное значения  позволило при помощи метода Ньютона оценить соответствующее ей неизвестное безразмерное время τ, из которого, в свою очередь, высчитывалось значение коэффициента диффузии D. Для водного раствора медного купороса в воде оно составило 3,8∙10-10 м2.

Описанный метод экспериментальной оценки значения молекулярной диффузии может аналогичным образом применен к другим жидких системам.

Список литературы

1. Никольский, Б.П. Справочник химика. В 6-ти т., - Т.3. - Москва : Химия, 1965 - 1008 с.

Войти или Создать
* Забыли пароль?