работа по химии на тему: «управление химическими процессами» (стр. 4 из 6)

Схема ядерного топливного цикла представлена на рисунке 2. За основу принят распространенный в настоящее время цикл, связанный с переработкой облученного топлива АЭС водными методами по эстракцинной технологии. [4]

Рисунок 1 - Схема ядерного топливного цикла

В настоящее время наиболее распространенными типами реакторов являются аппараты, в которых в качестве теплоносителя и замедлителя применяется вода. В нашей стране в ядерной энергетике используются два типа реакторов: водо-водяные энергетические реакторы (двухконтурные) ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 и канальные реакторы (одноконтурные) типа РБМК-1000 и РБМК-1500.

В реакторах ВВЭР вода играет роль одновременно теплоносителя и замедлителя : в первом контуре вода циркулирует без кипения под давлением 10 –15, 7 Мпа при температуре на выходе из активной зоны 546-595 К.

В реакторах РБМК замедлителем является графит, а вода – только теплоноситель. В активной зоне происходит парообразование: температура насыщенного пара на выходе составляет 553 К, давление – 6, 5 Мпа.

Однако не следует забывать, что при всех достоинствах, основными проблемами при использовании радиационно-химических методов управления химическими процессами является высокая экологическая опасность эксплуатации данных технологий на всех этапах технологического процесса – от добычи радиоактивного горючего и до уничтожения или захоронения радиоактивных отходов. [4]

Растворитель как средство управления химическим процессом

Раствором называется твердая или жидкая гомогенная система, состоящая из двух или белее компонентов (составных частей), относительные количества которых могут изменяться в довольно широких пределах. Всякий раствор состоит из растворенного вещества и растворителя, т.е. среды, в которой это вещество равномерно распределено в виде молекул или еще более мелких частиц – ионов. [2]

Все разнообразие процессов в растворах можно свести к нескольким типам:

1. Равновесные процессы

1) Гомомолекулярная ассоциация.

В большинстве случаев растворенное вещество в растворителе существует в нескольких молекулярных формах, между которыми устанавливается равновесие процессов молекулярной ассоциации (диссоциации):

А_х ↔ … _хА

Причины образования молекулярных ассоциатов в растворе достаточно разнообразны, но две из них относятся к числу главнейших: диполь-дипольное взаимодействие и химическое взаимодействие между мономерными молекулами. Этот процесс в неводных растворах электролитов заметно сдвинут влево.

Димерные молекулы галогенидов могут образовывать в качестве конечных продуктов заряженные частицы:

А₂ ↔ А₂ + А^-

Этот процесс называется автоинозацией и относиться к числу наиболее общих особенностей жидкого состояния.

1. Конформерные и таутомерные равновесия, реакция изомеризации.

Соотношение концентраций различных таутомерных форм растворенного вещества, способного к таутомерному равновесию, сильно зависит от физико-химических свойств растворителя. Тут играет роль и диэлектрическая проницаемость растворителя, но прежде всего растворитель оказывает влияние на таутомерное равновесие, образуя более или менее прочные сольваты с различными таутомерными формами:

А⁽¹⁾Н + S↔^I А⁽¹⁾ HS ↔^II А^{(2) –}HS⁺↔^III А⁽²⁾ HS↔^IV А⁽²⁾ H + S

↕IIIa

А^{(1) –} + HS⁺

Данная схема включает такие последовательно устанавливающиеся равновесия: I – взаимодействие таутомерной формы А⁽¹⁾Н с растворителем, приводящее к образованию продукта соединения А⁽¹⁾ HS; II – ионизация сольвата с образованием ионной пары ^II А^{(2) –}HS⁺, которая может распадаться на ионы (стадия IIIa); III – переход ионизированного комплекса в продукт присоединения растворителя ко второй таутомерной форме А⁽²⁾ H; IV – образование свободной второй таутомерной формы.

Весьма распространенный в органической химии процесс перегруппировок часто протекает при участии растворителя:

АCR + S↔ АCR·S ↔ АCR+S

Поэтому равновесие процессов изомеризации обнаруживает сильную зависимость от физико-химических свойств растворителя.

2. Гетеромолекулярная ассоциация.

Образование продуктов присоединения двух веществ А и В в растворителе S:

mA + nB↔ ^(s) АmBn

Из данной реакции можно выделить подтип – реакции соединения, характеризующиеся тем, что образование продуктов присоединения ведет к глубокой перестройке связей, причем процесс становится практически необратимым:

mA + nB↔ рС

3. Обменное взаимодействие.

К этому типу взаимодействий относятся процессы, протекающие по схеме:

mA + nB↔ рС + qD

Сюда следует отнести реакции этерификации, ацелирования, ацетильного обмена и т.д.

4. Ионизация гетеромолекулярного ассоциата.

В продуктах присоединения возможно перераспределение связей, приводящее к образованию электронейтрального ионного ассоциата:

Am + Bn↔ K^q+_pL^p- _q

Процесс ионизации является необходимой стадией превращений, которым подвергается в растворе ионоген – соединение, в отличие от ионофоров, не содержащее в исходном состоянии ионов.

5. Электролитическая диссоциация.

Ионные ассоциаты могут в растворах подвергаться распаду на свободные ионы:

K^q+_pL^p- _qS₁↔ pK^q+S_a + _pL^p- S _q

II. Общая схема равновесия в растворах.

Большинство процессов в растворах не являются независимыми, так как ряд химических форм растворенного вещества в растворителе образуется постольку, поскольку прошел процесс образования предшествующей формы. Последовательно протекающие стадии общей схемы равновесия в растворах (по Н.А.Измайлову) выглядят следующим образом:

mA + nB↔ ^Кпр АmBn↔ ^Кмом[рK^q+· _qL^p-]↔ ^Кд_KaрK^q++ _qL^p-

Из данной схемы вытекает, что процесс электролитической диссоциации, ведущей к образованию свободных ионов в растворе возможен лишь в том случае, если реализуются все предшествующие процессу электролитической диссоциации стадии образования продукта присоединения и ионизации.

III. Сольватация растворов

Сольватация – процесс взаимодействия растворенного вещества с растворителем. Для решения проблем, связанных с влиянием растворителя на протекание процессов в растворах, важен учет изменений, которые претерпевают растворенные соединения при внесении в растворитель либо с переменой растворителя. При этом различают универсальную и специфическую разновидность сольватации.

Универсальная сольватация – это изменение энергии растворенных веществ, произошедшее вследствие электростатических взаимодействий растворенного вещества с растворителем, либо изменений энергии этого типа взаимодействий в результате реакции между растворенными соединениями.

Специфическая сольватация – изменения, произошедшие вследствие химического взаимодействия растворенного соединения с молекулами растворителя.

Различают следующие разновидности электростатических взаимодействий:

Диполь дипольные , энергия которых в приближении жесткости диполей и, следовательно, неизменности расстояния между дипольными молекулами ровна:

ΔG^эл_d-d = ^{- 2μ}₁^μ₂^/r3_d-d^{Є = Є}_{d – d}^/Є,

где μ_1, μ₂ – дипольные моменты двух взаимодействующих молекул, находящихся на расстоянии r _d-d; Є – статическая диэлектрическая проницаемость среды.

Ион-дипольные, энергия которых в том же приближении, что и в предыдущем случае, равна:

ΔG^эл_d-d = ^{- zeμ/r2}_i-d^{Є = a}_{i – d}^/Є,

Ион-ионные,

ΔG^эл_i-i = ^{- z} ₁^z ₂^e2/r_i-i^{Є = a}_{i – i}^/Є,

где z – заряд иона.

Процесс сольватации ионов можно представить схемой:

М_r^Z(±) + mS_ж↔М_р-р ^Z(±)↔M_сольв^Z(±) + kS_p-p ,

где S_ж – молекулы исходного растворителя, находившиеся в непосредственном контакте с ионом; S_p-p – молекулы растворителя, претерпевшие энергетические и взаимно-структурные изменения в результате процесса сольватации.

Общая энергия сольватации представляет собой сумму энергий специфической и универсальной сольватации:

ΔG_сольв = ΔG_{спец. сольв} + ΔG _{унив. сольв}

IV. Основные типы процессов переноса в растворах.

Для химических систем в стационарном состоянии особое значение для осуществления и регулирования процессов в растворах имеют процессы переноса. Первый из них – вязкое течение, обусловленное гравитационным полем. Вязкость раствора определяет многие его механические свойства, а также оказывает существенное влияние на электрическую проводимость раствора, коэффициент диффузии и т.п.