放射性核素的吸附现象.ppt
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1、1,第四章 放射性核素的低浓物理化学,Chapter 4,2,4.1 放射性核素的共沉淀现象 4.1.1 同晶现象 4.1.2 共沉淀规律 4.1.3 共沉淀时的热力学平衡分配 4.1.4 共沉淀时各种因素对平衡分配的影响4.2 放射性核素的吸附现象 4.2.1 吸附类型 4.2.2 在离子晶体上的吸附,Contents,第四章目录,3,4.2.3 一级交换吸附 4.2.4 二级交换吸附 4.2.4 吸附动力学4.3 放射性胶体和放射性气溶胶 4.3.1 概述 4.3.2 放射性同位素在胶体中的状态 4.3.3 放射性胶体 4.3.4 影响溶液中放射性同位素状态的因素 4.3.4 放射性气溶胶
2、,Contents,4,在放射化学中,微量浓度的放射性同位素在溶液和固体之间的分配,有其独特的规律,因而特别重要。共沉淀 吸附微量浓度的放射性同位素在气体和液体间的分配,由放射性气体在液体中的溶解度来确定,并遵循亨利定律。胶体 气溶胶,5,如果放射性同位素以超低浓度的离子形式存在于溶液中,以致于加入能与该元素形成微溶化合物的物质时,它也不能形成独立的固相,则可用载体(carrier)共沉淀法将其从溶液中析出。用常量组分沉淀从溶液中提取微量组分的过程,称为共沉淀(coprecipitation)。,6,微量组分还可以在早先形成的常量组分的稳定固相和微量组分溶液间进行分配。与晶体共沉淀时:微量组分
3、分布于整个固相体积内,并进入常量组分的晶格结构时,叫共结晶(cocrystallizition);微量组分在常量组分固体表面的沉淀过程叫吸附(Sorption)。,7,Pd2+离子附着在CaCO3沉淀的表面,形成共沉淀。,共沉淀过程,8,共吸附,共结晶,9,微量组分在溶液和固相之间的分配过程,对一系列技术领域有重要意义:半导体的导电性催化剂的活性荧光材料和量子发生器的性能金属的强度和塑性,10,共沉淀和吸附还可以从盐中除去杂质,以制备纯物质:玛莉和皮埃尔.居里提取并发现了钋和镭伊伦和弗雷德里克.约里奥居里提取了磷和硅的人工放射性同位素哈恩和斯特拉斯曼发现了铀的裂变产物镧和钡的放射性同位素西柏格
4、小组发现了钚和一系列超铀元素,11,放化实践中,放射性核素浓度很低,常常达不到难溶化合物的溶度积,因而不能沉淀,但是,当加入某种常量物质并使之沉淀时,微量物质随常量物质一起进入沉淀,这就是放射性共沉淀现象。共沉淀按其机理不同,分为 同晶共沉淀 吸附共沉淀,4.1 放射性核素的共沉淀现象,12,米歇利希(E.Mitscherlich)1819年发现了同晶现象,他指出,化学组成类似的物质,当化学元素的性质相似时,他们可以以相同或者相似的形式结晶出来。同晶物质易于共结晶,并形成可变组成的相,后者叫固体溶液(混晶,Solid Solution),这是同晶现象的主要标志。,4.1.1 同晶现象,13,根
5、据米歇利希的观点,只有带同样的晶体结构,并且在分子中有相同数目的原子,以相同形式结合的物质,才可能是同晶物质。同时,根据他的观点,形成混晶不仅证明了两种物质结晶形式相近,而且证明了化合物结构属于同一类型,其结构单位的氧化态一样,多数情况下,形成化合物的元素化学性质也相似。米歇利希曾发现所谓同二晶现象,即化学组成相同,晶体结构不同的物质也能形成混晶。如:硫酸锰含五个水分子的三斜晶系(8.6)-含七个水分子的单斜晶系(8.6),14,格利姆(H.Grimm,1924)和戈德施米特(V.Goldschmidt,1927)发展了上述工作,扩大了对同晶的认识。在相似的化合物中,如二价碳酸盐系列,提高阳离
6、子半径将导致方解石转变为文石结构(表4.1)。,15,16,按戈德施米特的说法,如果存在下列情况,就有可能同晶:两种化合物原子的电荷总数及分布一样,Sr2S6O42-和Ra2S6O42-电荷总数相同,但电荷分布不同,Sr2S6O42-和KCl7O42-C)电荷总数不同,但原子数目一样,TiO4O22-和Mg2F2-,17,同晶现象的现代概念完全建立在对化合物晶格的研究上。目前,混晶分为五类:1.第类混晶(取代同晶现象)。晶格中第一组分的离子被第二组分离子取代。对于这类混晶,原子大小必须相近,基元晶格要有同样的对称性以及相近的离子极化性(如KClRbCl)。同二晶也属于该类同晶现象。,18,2.
7、第类混晶(植入同晶现象)。第二组分的原子占据第一组分晶格的空间,对于这类同晶现象,主体原子和植入原子的大小必须有很大差异。如C可以植入Fe或Ti中。3.空间充满的混晶(空间充满同晶现象)。在这种情况下,第一组分的原子既被第二组分原子取代,第二组分原子又充满第一组分晶格中原子的空间。如YF3与CaF2形成的混晶(下图)。,19,20,4.格利姆混晶(格利姆同晶现象)。相互差别很大,但满足格利姆戈德施密特规则的化合物,如 Ba(Sr,Pb)SO4-K(NH4,Na)MnO4,可形成混晶。混晶的形成是由于一种组分的晶体参到另一组分之故。5.反常混晶。不符合格利姆戈德施密特同晶现象的混晶。如氯化氨与氯
8、化铁(),氟化镭与氟化镧,Am(V)与K4UO2(CO3)3。由于形成类似常量组分晶格的络合物,因此还可能存在无限混溶度。,21,1926年,哈恩将沉淀分为两类真共沉淀和吸附共沉淀。在真共沉淀中微量组分分配在沉淀的表面(有时分配在沉淀内部)。区别真共沉淀和吸附共沉淀的标志是,在真共沉淀时,微量组分的分配系数是常值,而吸附共沉淀时,沉淀溶液间很快建立平衡,而真沉淀时,建立平衡较慢;表面电荷对吸附共沉淀有影响,而对真共沉淀没有影响。但这些并不是总能将两类沉淀区分开。,4.1.2 共沉淀规律,22,哈恩曾建立了吸附共沉淀和真共沉淀的两个原则。真共沉淀规则的内容是:“放射性核素或者其他处于微量的化学元
9、素仅在下列情况下转到固相晶体:如果它能加入构成常量组分的晶格,即微量组分与固相阴离子形成化合物,该化合物的晶体与相应的常量组分化合物同晶。赫洛宾(1924)指出:如果两个物质是同晶或者同二晶,而其中一个的浓度很小,则微量组分于恒温和恒压下在结晶相和溶液间的分配是一恒定值,与两相的量之比无关。,23,(4.1),x微量组分在晶体中的量;x0微量组分在体系中的总量;mT晶体质量;mP溶液质量;T晶体密度;p溶液密度;Kx赫洛宾常数。,24,方程(4.1)与能斯特方程一致,因为VT和VP固相和溶液的体积;cT和cP微量组分在晶体和溶液中的浓度。对于实用目的,更为方便的表达式如下:,x0和x微量组分在
10、体系和晶体中的量;y0和y常量组分在体系和晶体中的量;D结晶系数,25,如果常量组分和微量组分在溶液中活度系数不为1,那么微量组分在溶液和固相间的热力学结论也必须十分严格。如果在含有组分A与组分B的结晶溶液体系中存在等温平衡,那么,4.1.3 共沉淀法(共结晶)时的热力学平衡分配,下标T,P表示固相和溶液相中的组分平衡时,AT AP BT BP,26,AT+BT AP+BP(4.3)i=i0+RTlnai(4.4)式中,ai i组分的热力学活度 根据以下方式选取体系各组分的标准状态。1、对于固相中的任意纯组分:aixifi(4.6)limfi(x1)lim ai(x1)1(4.7)式中xii组
11、分在固相中的摩尔份数;fi中i组分在固相中的热力学活度系数。,27,这样选取标准状态时,根据4.4式得AT 和BT为纯组分A、B的 化学势;AP、BP 为mi1时假设理想溶液中组分A、B的化学势。平衡常数 K aBT aAP/(aAT aBP)(4.7a)由于纯固相的热力学活度aT1,故对于纯组分A、B的饱和溶液:0AT AH 0AP+RTln aAH(4.8a)0BT BH 0BP+RTln aBH(4.8b),28,可得aAHexp(0AP 0AT)/RT(4.9a)aBHexp(0BP 0BT)/RT(4.9b)由(4.9a)、(4.9b)得K aAH/aBH(4.10)因此,平衡常数等
12、于组分A和B在其饱和溶液中的热力学活度比,如果两组分在溶液中的活度系数相等,平衡常数也等与两组分的溶解度比。,29,如v可离解成v和v两种离子ai ai v ai v aiv共结晶时,液体溶液常被常量组分A所饱和。由(4.5)-(4.7)得mAH 组分A在饱和液体溶液中的摩尔浓度;AH组分A的热力学活度系数,4.11,30,对于无限稀释溶液,xA1,fA1,fB为定值,由式(4.11)或者 K=D0fB(4.13)D0为拉特涅尔分馏“真”常数。该值同K一样,与温度有关。此外,它还与固体溶液中常量组分的热力学活度有关。,4.12,31,方程(4.11)可写成(4.15),D=xBmAH/(xAm
13、B)(4.16)DA、B体系中的结晶系数,32,由于热力学活度系数与温度及溶液组成有关,而平衡常数仅与温度有关,故结晶系数不仅是温度,而且还是溶液组成的函数。对于理想溶液,1,因此D=K,即仅与温度有关。当组分B浓度很小时,xA1,这时D=xBmAH/mB(4.17)当xB xA时,组分B在固相中的摩尔份数可用4.18式,M为分子量,33,溶液中A、B的摩尔浓度比等于每个组分的摩尔数比:将4.18-19带入4.17,得4.2式,4.19,34,由式4.14和4.17得:D0=D(AH/B)即A、B两组分的热力学平衡分配与体系中的结晶系数有关,与两组分在溶液中的活度系数有关。,4.20,35,4
14、.1.4 共沉淀时各种因素对平衡分配过程的影响,1 温度的影响由共沉淀时的热力学平衡分配(参见4.15)得:(4.21)含微量组分的稀固体溶液中,常量组分A的摩尔份数接近1,因此活度系数也接近1。因此,(4.22),36,平衡常数随温度的变化遵循(4.23),此方程由(4.3)(4.4)(4.7)求得:0BP 0BT 一摩尔组分B溶于mB1的该物质组分溶液中化学势变化。化学势的变化由下式表示H-TS(4.24),4.23,37,如果同晶物质中A、B化学势的熵相等,此过程化学势的变化等于标准焓变,且在固体中微量组分的热力学活度系数fB还是温度的函数。根据组分B在实际固体溶液中的化学势和在理想固体
15、的化学势的表达式,可得fB与温度的函数:,4.25,38,BT 0BT+RTln xBfB(4.26)BT 0BT+RTln xB由此得,(4.27),式中 BT-BT 从实际固体溶液过渡到理想固体溶液时化学势的变化。,39,fB精确到熵相等,等于一摩尔组分B在理想固体溶液中的溶解热。由式(4.20)(4.22)(4.27)得KD0eH/RT(4.28)B/A之比随温度变化,并用溶液中组分的摩尔焓测定。鉴于该原因,D、D0随温度变化有复杂的特点。多数情况下,D随温度升高而下降,但有的情况例外。,40,41,2 液相组成的影响赫洛宾提出以下规则:“改变液相组成时,如果常量组分和微量组分离子的热力
16、学活度之比保持不变,则结晶系数实际上不发生变化。如果改变液相组成时,由于络合形成不离解的化合物或其他原因,导致常量组分的热力学活度发生不同的变化则Kx、D发生相应的变化。如常量与微量组分热力学活度比降低,则Kx、D值增加。,42,此外,溶液中常量组分的总浓度发生变化时,Kx也变化。当浓度增加时,Kx下降;浓度降低时,Kx增加;如果向溶液加入与常量组分有相同阴离子的物质时,则共结晶时,Kx增加,而D变化不大。,43,44,在Ba(NO3)2-Ra(NO3)2-H2O中,加入BaCl2,Kx降低。BaCl2与常量组分有相同离子,但不形成混晶。Kx近似地与常量组分浓度成反比。,45,系数D随溶液中常
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