Произведение активностей карбоната кальция и ионные равновесия в его насыщенных водных растворах Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

664.1:532.739.2

ПРОИЗВЕДЕНИЕ АКТИВНОСТЕЙ КАРБОНАТА КАЛЬЦИЯ И ИОННЫЕ РАВНОВЕСИЯ В ЕГО НАСЫЩЕННЫХ

ВОДНЫХ РАСТВОРАХ

В.М. ПЕРЕЛЫГИН, Н.М. ПОДГОРНОВА,

А.И. СИТНИКОВ

Воронежская государственная технологическая академия

Сведения о произведении активностей карбоната кальция [1, 2] весьма противоречивы и не отражают реального состояния его насыщенных водных растворов. В настоящей работе предпринята попытка анализа ионных равновесий в насыщенных водных растворах СаС03 с учетом гидролиза ионов Са2+ и С03‘ .

С этой целью проведено экспериментальное исследование растворимости карбоната кальция в воде по методике [3]. Для приготовления насыщенных растворов применялся карбонат кальция кристаллической модификации кальцит квалификаций х. ч. Данные о растворимости СаС03 в воде в интервале температур 298,15-353,15 К приведены в таблице.

Таблица

Температура, К тСаС03'1°4- МОЛЬ «!• % а2, % ах • 102, % V ю13

1000 г Н20

298,15 1,76 99,91 31,83 8,63 22,63

313,15 1,84 99,92 19,81 8,17 6,92

333,15 1,97 99,93 9,78 7,16 3,13

343,15 2,05 99,93 6,85 6,77 2,70

353,15 2,14 99,94 4,64 6,11 2,52

В насыщенном водном растворе карбоната кальция имеют место равновесия

Са:

2+ + Н2О^СаОН+ + Нн

со:

+ Н2О^НСОГ

+ ОН'

СаОН+ ^Са2+ + ОН-

, нсо: ^СОГ + н+;

Н+ + ОН“

-н20.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Константы этих равновесий

К,

Я,

К

К

СТ +Ґ7 "Ь иН СаОН

аСа5+аН20 ’

ДСа2+КОН~ «СаОН +

к„

ан+аон-

(10)

где а1 — термодинамическая активность г-го

сорта ионов или молекул. Уравнения материального баланса в насыщенном водном растворе карбоната кальция в соответствии с (1)—(5):

гп,

СаС03 тСг+ тСаОН+ тС03 тЯ

т.

ОН

тСі2+ ~ тСіСОзаі’

т.

171 + =

СаОН

т,

СаСО

Xі -а1);

а, =

«Са2 +

ти2+ + .ПСмОН+’

ш 2-

тС.Ог

тСиСОза2’

тГ

т,

нсо,

тН+ = '«СаСО^1 - Й1 - а,);

т,

он

= тг

(1 -а2 - а);

тг

(11)

СаС03

и те -

где тс

моляльности соответственно СаС03 в насыщенном растворе и воды, образовавшейся в результате реакции (5).

Число молей воды в насыщенном растворе с учетом соотношений ( 1)—(11)

а2-ах). (12)

СаС03(^

а,

Заметим, что а, и а2 в соотношениях (11) являются степенями диссоциации соответственно ионов СаОН+ и НС03 , а константы гидролиза Кк и К2 связаны с константами диссоциации К* и К2 уравнениями

к,=кж/к*-, К2 = КШ/К2\ (13) С учетом соотношений (11) перепишем уравнения (б), (7), (10) в виде

т

К,

(6)

к~-

(7)

(8) К*

где

(9)

СаСО30 а\) О а\ ах)Ун+УсгОИ+

;(14)

а,ГСа2+[55,51 - т (1

а, - а2

ах)У

ГПСаС03'у

1 -а2)(1

а.

а2ус

тг

,¡¡-[55,51 -

тг

2 ах)тСаС0чУнС0-,У0Н

3 3 -(15)

-'З

(2

«,)]

(1 - а, -ах)( 1

а>н+Уон_

55,51 - тСаС (2 - а, - а2 - ах)

,(16)

у1 — моляльный коэффициент активности /-го сорта ионов или молекул в насыщенном растворе.

№ 2-3,2000 -.532.739.2

чя

(10)

івность г-го

'Л.

і насыщен-я в соответ-

т-

нот.

т_сҐ_ + т,

СаОН

т,

со,

2- + т

(И)

'СаСО^

ветственно а растворе и в результате

и растворе с

-с*). (12)

ІШЄНИЯХ (И) »ответственно гидролиза ации и К2

/к;, (із)

ишем уравне-

нсо.

СаОН

;(14)

/„cogw (15)

а, - ах)\

гї)5/н+Уон

діб)

¡лент активно-или молекул в ре.

В соотношениях (14)—(16) принято.допущение

При равновесии химический потенциал твердого карбоната кальция ^саго, Равен ег0 химическому

потенциалу в насыщенном растворе ^хасо3М:

нием данных таблицы и сведений [3, 5] о константах диссоциации СаОН+ и НС03~ и приведены в таблице.

Для расчета коэффициентов активности ионов применяли уравнение Дэвиса [6]

О) = О)

Г СаС03 ГСаСОд-

(17)

kYi = -Az;

V/

1 + у/

-0,2/

(27)

С учетом полной диссоциации СаС03 в растворе, преобразуем уравнение (17) к виду

/иСаСО,_<иСа2"1 А*СО? = Са2 + + О ~ад^ Са2+ +

где

г. — число зарядов ионов г-го сорта; / — ионная сила раствора;

А = 1,825-10в/(еГ)3/2;

(18)

При установившихся химических равновесиях (1), (2), (5) [4]:

^Са2+ +^Н„0 =А*СаОН+ +^Н+^

f*ool~ + = f*

"HCOQ

". ^он

^ Мн+ + /*он~ ш |»н2о-

Из соотношений (11), (18)—(21) получаем

(19)

(20) (21)

^СаСОз + ^СОд а\Р Са2 + 0 К1)|МСаОН+ +

+ (1 — а1 - н++а2 ,и СС|2 + (1 — сх2){1 нсо3

+ (1 - а2 - а>'он- - (2 - ^ - а2 - а у що, (22) где

ц' 1 = ЯТ 1п а:, (23)

а1 — термодинамическая активность ¿-го сорта ионов или молекул.

Из уравнений (22), (23) следует

Т — температура, К;

£ — диэлектрическая проницаемость 'воды при соответствующей температуре [7].

Ионная сила раствора с учетом (1)—(5), (11);

. / = ^СаС03(^ + СС1 + (Х2 ~ (28)

Зная Ьа, К*, К2 , К№, можно решением системы

уравнений (14)—(16), (26) рассчитать растворимость и ионный состав насыщенных растворов карбоната кальция.

ВЫВОДЫ ^ ;

1. Полученные значения произведения активностей СаС03 уменьшаются с повышением температуры в интервале 298,15-353,15 К.:

2. Предложен способ расчета состава насыщенных растворов карбоната кальция.

ЛИТЕРАТУРА

aai2+al а> +а* а*аа22~сі1 а^а1 ^ а*

(¿2. СаОН Н wurn unu

где

La = exp■

2-ara2-ax ын2о

(тв) 0 0 і 0 п_

^СаСО, Iм Са .WCO,

(24)

RT

(25)

La имеет постоянное значение при Т = const и является произведением активностей СаСО,.

Уравнение (24) с учетом соотношений (6)-(10) преобразуется к виду

“ «Са2+«С02^Га^Га2^- (26)

Численные значения La найдены совместным решением уравнений (14)-(16), (26) с использова-

1. Жукова Л.А., Рачинский B.B. Исследование осаждения карбонатов кальция и цинка"// Изв. ТСХА. — 1972. — Вып. 6. — С. 204-208.

2. Штангеев В.О., Мишук Р.Ц., Грабова Л.С. Накипеоб-разование при переработке сахара-сырца / / Сахарная пром-сть. — 1992. — № 2. — С. 12-14.

3. Перелыгин В.М., Подгорнова Н.М., Ситников А.И. Диссоциация гидроксида кальция в водных растворах / / Изв.. вузов. Пищевая технология. — 1999. — № 4. — С. 52-53.

4. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. — М.: Высш. школа, 1988. — 496 с.

5. Harned H.S., Scholes S.R. The ionization of НСОз from 0 to 50"C // J. Amer. Chem. Soc. — 1941. — 63. — P. 1706-1709.

6. Батлер Дж. H. Ионные равновесия: Пер. с англ. — Л.: Химия, 1973. — 448 с.

7. Гороновский Й.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф.

Краткий справочник по химии. — Киев: Наукова думка, '1974.— 985.с. -

Кафедра физической и коллоидной химии Кафедра процессов и аппаратов химических и пищевых производств

Поступила 24.02.2000 г.

664.1.002.52

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ УТФЕЛЕЙ В ЦЕНТРИФУГАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Г.М. ЧУДАКОВ

Северо-Кавказский научно-исследовательский институт сахарной свеклы и сахара

Разделение утфелей свеклосахарного производства выполняют в фильтрующих центрифугах пе-

риодического и непрерывного действия. Процесс непрерывного центрифугирования утфеля основан на принципе ’’тонкого слоя”, который предполагает относительное перемещение по наклонному фильтрующему ситу слоя продуктов толщиной 1 -3 мм в поле действия нарастающих по величине