Особо чистые вещества. Занятие 12

Законы распределения
Большинство методов очистки основано на распределении примеси (микрокомпонента) между двумя фазами.
Известен ряд законов, описывающих равновесное распределение примесей в двухфазных системах.
Для равновесия жидкости с паром – это закон Генри-Дальтона.
Для случая равновесия двух жидкостей равновесие описывается законом Бертло-Нернста.
Для распределения примесей между жидкостью и кристаллами соответствующее правило было получено Хлопиным.

Закон Генри-Далтона
При некотором определенном давлении и постоянной температуре в жидкости растворяется определенное количество газа, зависящее также от свойств жидкости. При увеличении или уменьшении давления газовой атмосферы на жидкость с сохранением температуры увеличивается или уменьшается в таком же отношении количество растворенного газа.
Зависимость первоначально открыта Джозефом Генри, а затем распространена Джоном Далтоном на тот случай, когда газовая атмосфера состоит из двух или большего числа газов.
Растворимость газов зависит от полярности молекул газа и растворителя. Мерой полярности растворителя является его диэлектрическая проницаемость.

Закон Бертло-Нернста
Отношение концентраций каждой из имеющихся в системе форм вещества (каждого компонента) в сопряженных фазах при постоянных температуре и давлении – величина постоянная.
СiI и СiII – концентрации i-й формы в первой и второй фазах,
ki – константа распределения.
Если отношение общей концентрации вещества в I-й фазе к концентрации отдельной его формы во II-й фазе не зависит от её доли во II-й фазе, то в I-й фазе вещество практически полностью находится в виде этой формы.

Конвекция
Конвекция – это явление переноса теплоты в жидкостях, или в газах, или сыпучих средах потоками вещества. Существует естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз. Затем процесс повторяется снова и снова. При определенных условиях процесс самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решетка из конвекционных ячеек.
Возможна и принудительная конвекция, при которой перемещение вещества обусловлено действием каких-то внешних сил (насос, лопасти вентилятора) и которая применяется, когда естественная конвекция недостаточно эффективна.

Конвекция
Перемещение вещества, которое нагрето сильнее, происходит под действием архимедовой силы FA относительно менее нагретого вещества.
FA = Δρ∙V ,
где Δρ – разность плотностей нагретого вещества и окружающей среды,
V – объем нагретого вещества.
Направление силы, а, следовательно, и конвекции для нагретых объемов вещества противоположно направлению силы тяжести. Конвекция приводит к выравниванию температуры.

Диффузия – процесс переноса вещества или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.
Все виды диффузии подчиняются общим законам: скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур (или зарядов). Скорость диффузии пропорциональна параметру, характеризующему конкретный материал.
С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого процесса является рост энтропии. При постоянном давлении и температуре таким потециалом является химический потенциал. Поток вещества пропорционален градиенту потенциала.
Диффузия

Диффузия

Диффузия

Эффективный коэффициент распределения
по диаграмме состояния – весьма приблизительно;
по касательным к линиям ликвидуса и солидуса;
по уравнению Ван-Лаара, если известна только линия ликвидуса*;
если в присутствии примеси температура плавления основного вещества понижается, то α < 1, и наоборот;
α = 10 См,
где См – максимальная растворимость примеси в твердом состоянии, в мол. долях.