» » Механизм диффузии реагента из толщи раствора к поверхности твердого тела
17.05.2015

Теория диффузии частиц вещества из раствора к поверхности твердого тела, предложенная В.Г. Левичем, сводится к следующему.
Частицы растворенного в жидкости вещества могут при ее движении переноситься от точки к точке двояким образом: во-первых, при разности концентраций возникает молекулярная диффузия и появляется направленный поток частиц растворенного вещества от больших концентраций к меньшим; во-вторых, частицы вещества, растворенного в жидкости, увлекаются последней в процессе ее движения и переносятся вместе с ней. Перенос вещества происходит при этом и в направлении, перпендикулярном движению жидкости. Совокупность обоих процессов именуется конвективной диффузией.
Коэффициенты молекулярной диффузии молекул и ионов являются малыми величинами. Следовательно, перенос вещества молекулярной диффузией происходит очень медленно. Достаточно иметь весьма небольшую скорость течения жидкости, чтобы перенос вещества конвекцией начал бы преобладать над переносом вещества молекулярной диффузией. Поэтому при ламинарном потоке в пограничном слое только в самых близлежащих к поверхности слоях жидкости, которые двигаются крайне медленно, перенос вещества в основном осуществляется диффузией (диффузионный подслой). В остальной части пограничного слоя перенос в основном осуществляется конвекцией.
Процесс молекулярной диффузии много медленнее, чем конвекция, следовательно, в той части пограничного слоя, где перенос осуществляется конвекцией, концентрация реагента должна практически быть близка к таковой в толще раствора.
На рис. 2 пунктирной кривой обозначена граница диффузионного подслоя, толщина которого обозначена через δд. Толщина той части пограничного слоя, в которой перенос вещества происходит конвекцией, очевидно будет располагаться между пунктирной кривой и кривой аа'. Толщина ее будет δк. Толщина диффузионного слоя δд составляет примерно десятую часть толщины пограничного слоя δ0, в нем происходит падение концентрации реагента и скорость потока диффузии (на единицу поверхности) определяется таким же уравнением, как и в старой теории диффузионной кинетики, т. е. уравнением
Механизм диффузии реагента из толщи раствора к поверхности твердого тела

При турбулентном движении жидкости вдали от поверхности тела имеется область основного турбулентного потока, в которой средняя скорость потока всюду одинакова и, следовательно, концентрация реагента имеет постоянное значение. Вблизи поверхности скорость турбулентного движения начинает падать, но перенос вещества все еще осуществляется турбулентными пульсациями жидкости, и концентрация реагента равна концентрации в области основного турбулентного потока. При еще большем приближении к поверхности твердого тела существенную роль начинает играть вязкость жидкости, скорости движения потока падают, и перенос вещества осуществляется остатками турбулентных пульсаций. Последние уже не могут обеспечить в этом так называемом вязком подслое первоначальную концентрацию реагента, и она начинает несколько уменьшаться. Наконец, самые близлежащие к поверхности слои жидкости движутся настолько медленно, что в них начинает преобладать молекулярная диффузия и осуществляется основное падение концентрации реагента. Следовательно, и для турбулентного потока жидкости должно оправдываться уравнение (3).
В отличие от теории диффузионной кинетики Нернста, теория В.Г. Левича позволяет в ряде случаев количественно рассчитать толщину диффузионного слоя в зависимости от характера движения жидкости, ее скорости, формы омываемой твердой поверхности и т. д.
Согласно теории Нернста, диффузия реагента к поверхности или диффузия продуктов реакции от нее в неподвижной пленке жидкости происходит только нормально (перпендикулярно) к поверхности. Новые представления о пограничном слое позволяют предсказать возможность также и тангенциального переноса вещества. Тангенциальный перенос вещества оказывается особенно большим у краев поверхности реакции. Если мы имеем выщелачиваемую поверхность вкрапленной между пустой породой, то при тангенциальном движении жидкости она, проходя над пустой породой, не обедняется реагентом. Следовательно, к краям поверхности реакции в направлении набегания жидкости происходит подача реагента как диффузией нормально к поверхности, так и тангенциально, т. е. эти участки в смысле их питания реагентом оказываются в более благоприятных условиях, чем глубинные участки реагирующей поверхности. На глубинных участках тангенциальный перенос вещества к поверхности уже не оказывает значительного влияния, так как эти участки омываются раствором, сильно обедненным реагентом. Эти соображения, естественно, справедливы только в том случае, если взаимодействие реагента с поверхностью твердой фазы происходит быстро и его концентрация у поверхности достаточно мала.