В.Г. Левич - Физико-химическая гидродинамика (1124062), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Элсктролиточ сг>рки.>з 2 ° 10 " и. соляная кислота с лобавкоИ хлористого калия, >го~мгсптрация которого составляла О 1 и. Скорость вращения диска измсиялзсь от 1,5 ло 12 ог>!се>г. Выбор в кз >се>в- обьс>шоь исследования яолорода и кислорода был обусловлен тгм, что ионы водоролз и ь>олску.и,> кпслорола имсюг сп.>ьиг> от>п>чаюпп>сея коэфйипи>с>~ты дпфч узии. Э>о оо сне >и- 312 прохождрниз токов чарзз растворы электролитов (г.т. леь зало нзибольшую точность измерений.
Значения коэффициентов диффузии ионов водорода и атомов кислорода были заимствованы из литературных данных и не отличалисЬ большой точностью. Результаты изльереннй Б. Н. Кабанова и Ю. Г. Сивера приведены в табл. 7. В ней указаны значения отношения величин диффузионного тока, переносимого ионами водорода и молекулами кислорода прн различных скоростях вращения электрода. Согласно теории Нернста, это отношение должно равняться отношению коэффициентов диффузии, но по формуле (53,1!) оно равно отношению коэффициентов диффузии в степени еье. Через К в табл. 7 обозначено отнон+ и+ шение = 3,85.
со,ло Таблица 7 Зависимость ьп от коэффициента диффузии .и+ ! пр к! ' лр н+ ь, а!ем" лр Экепер. Х ЬО' ! *, а!ем' о, пр' Экепер. Х ЬО' он+ оо, л.! ' ар ешсек 44,46 20,98 29,14 35,76 41,91 2,52 2,48 2,44 2,47 2,39 140,7 201,0 273,4 340.7 386,9 1,5 3,17 6,0 9,0 12,0 55,6 81,2 112,0 137,7 161,3 2,42 3,76 Как видно из цифр шестого столбца, измеренное отношение лцффузионных токов не зависит от числа оборотов диска и имеет значение, близкое к вычисленному ио формуле (53,11). Наблюдавшиеся расхождения между измеренными и вычисленными по теории Нернста значениями отношения токов лежат далеко за пределами погрешности эксперимента. Учитывая, что велич!.ны коэффициентов диффузии ноно! водорода и кислорода, взятые из литературных данных, определеш! довольно грубо, нужно признать с!гласие между теоретической фо(- мулой (53,! 1) и опытом очень хорошим.
В качестве дополнительной пс! верни теоретических расчетных данных укаэанные авторы измеряаь зависимость предельного тока по водороду от числа оборотов лиска. Результаты их наблюдений и в этом случае подтвердили правил!,юсть формулы (53,11). согласно которой диффузионный ток на врыцающийся диск пропорциоаален корьпо из угловой скорости. В той же работе описываются результаты произведенного авторами сравь ния вычисленной и измеренной нз опыте поляризационных кривых (ьь!. нпьке). 3!3 3 56! ллмииаяиый Режим авив(впия жидкости Из лругих исследований, поставленных специально с целью проверки формулы для лиффузиоипого тока па диск при ламипарпом режиче, отметим прежде всего работу Хогге и Крсйчмепа !20!.
В работе Хогге и Крсйчмеяа катодом служил врапшюшийся платиповый диск диаметром около 2 сж. Ои был погружеп в сосуд г /б ь /Л О 2 4 б В ъ'м Рис. 54. Сравнение плотности тока па лиск, опрелельемой по !53,11), с данными Хогге и Крсйчмспа. Разные прямые отвечают разпым коццеп. трациям раствора. объемом О,б л и диаметром около 9 слп содержавший апол, пло.
шадь которого примсрио в 20 раз превышала плошадь катода а который был улалеп па 5 сж от катода. Скорость врашепия лиска изме. палась в пределах от 1,5 до 44,3 об!сгк. При максимальной ско. росзи врашепия число Рсйпольдса составляло около 5000. Изучалась реакция восстановления иопз полз 1, +2с — 31 в системе К1 — К!з. !1пдпфферсцтпым электролпточ служил К1, Сосу; с Рзавором тшатсльпо освобождался от лпслорода.
!!зучаласз 314 пРОхои(ление тОкОВ чеРГЗ РАстВОРы электРОлитОВ 1гл. т! /О зависимость плотности предельного тока от числа оборотов диска нри различных концентрациях 14 в растворе. Оценка точности измерений, дзваемая автором, составляет 5"(В. Результаты из~лерений приведены на рис. 54, на котором представлены теоретические кривые, рассчиганные по формуле (53.11). Мы видим, что согласие теории с опытом, как и в опытах Б, Н. Кабанова и 1О, Г. Сивера, оказывается очень хорошим, В работе Э.
А. Айказяна и А. И. Федоровой 121~ формула (53,11) подверглась проверке иа примере анодного процесса ионнзацни аз омов водорода в различных электролитах. Анодом служил платиновый диск диаметром 5 жм, приваренный к латунному конусу, укреплен- ному на латунном же стержне. 4 1О,*а,'см' Латунные части прибора были покрыты плексигласом.
Числа Рейнольдса в этих измерениях лежали ° м в пределах 80 — 1700. Результат ы + 3 измерений приведены на рис. 55. 35 Согласие с теорией оказывается очень хорошим. Однако точки, отвечающие 1,5 и 2,0 об!сек, ле- 20 ( жат несколько выше теоретической пряхой. По-видимому, здесь на поток вынужденной конвекции накладывается поток частиц, псрено- СИМЫХ ЕетветВЕННОй КОНВЕКЦНнй. Последняя точка, получешшя при 43,7 об/сек, лежит ниже теоретической прямой. При боль- 445 ших скоростях конвекции начинают, по-видимому, сказываться кииетеыеские ограничения (коиеч- 0 3 4 б В,обугел ная ск.рость ионизации атомов Водород, ).
Ряд з утих исследовзний, про- веденных с вращающимся диском, будет рас..Вотрен ниже. Имеютс. также данные по опытной пр верке других случаев конвективно1 диффузии при ламинарном режии . для которых были Выведены выражения для диффузиогшых потоко~ случай диффузии на поверхность сферы прн Ке <~ 1 и Ре )) ! 1 случай диффузии на поверхность пластинки. В работе Г, А. Аксельруда 122~ измерялась скорос1ь рзстворения шарика, прессованного нз бензойной кислоты, в рас~ительном масле. Шарик был закреплен на острие, соязщишм с врашшощсйся штангой, и описывал, таким Образом, к1уго- ф 561 ллм~н>лгн>,>й дгжнч двнжгния жидкости 315 выс трвсктории.
л(ля >ого чтобы шарик, совершивший полныИ оборот, ис нонзл в свой собствснныИ след, обогз>псиный бенчойноИ кислотой, вслед за шаром по сто траектории двнгзлзсь враншншз>ся мешалкз. Мешалка, энергично перемешивая раствор зз шзром, обеспечивала омываиие шара сне>кой >килкостью. Поскольку вязкость жидкое>и била велика (ч — 0,7), возмущения, вызванные мешзлкой, быс>ро затухали, и к моменту подхода шара к каждой данной точке жидкость в ней полностью прихолила в состояние покоя.
Лиаз>етр рзстворявшихся шаров лежал в пределах 0,4 — 0,7 с.к. скорости движенил ог 0,2 до 2,5 сл>/се>с. Числа РеИнольдса составляли от 0,1 до 2,5, тогда как числя Пекле лежзли в пределах примерно от 4900 ж> 2 "> >во >>о во ВО аа >ВО 2ОО ь»е Рнс. 56. Кинстика рзстворепнл шара прн лами- нарном обтекании. до 29 000.
Результаты измерений приведены на рис. 56. Злесь )чн' =- — —,, Ре' = —, 7) = 0,32 ° 10 ' сл>е/се>г. Теоре> ич:скос 2>а 1, 2(/а, — я >>бч' )Л выражение лля Хн' = 1,1 '1> Рс изображено на рис. 56 прюи>й. Совпллеиис опытных дянных с теоретическими оказывается полнь>м '). Работз Трюмплсрз и 1(еллсрз (23) былз поставлена с келью проверки формулы для потока нз пластинку, обтекаему>о жидкостью. В этой рзботе электролит прогонялся мимо пластинки, служившей катодом.
Ток измерялся при помощи спепиальных зондов Скорости электролн>а изменялись в пределах от 0,7 до 27,6 сш)сем, что соотвстс > новллп >ислам РсИнольдсз в нрслелэх 104 — 6! 00. Репу>п, гзты из>>ерсний оннсывао>ся эмпирической формулой 7 — ив . Учить>взя возмущение потока жидкости введенными зондзми, согласие с теорией, кзк отмсчвют зв>'ор>» работы, оказьншстся вполне уловлстворнтсльвым, '> 11рнчечапис прн корректуре. Формулз весьма бди>к;и> к 14,10), была лолучсип ннлснныч ннтсгрнровлннся Фрн>ыянлером 1641. В рвс>отал 1'а>щв )651 и Ерамсрсз 1561 врнвслсиы данные, хоро~во согласую.цнсся с (11,!1>).
31б пРОхожленне тОЕОВ чеРез РАстВОРы злш<тРОлнтов (гл х<т Ба>нный вывод из общей теории диффузионной кинетики гетерогенных реакций (й 18), касавшийся длины релаксации диффузионного слоя, был экспериментально проверен М. М. Никифоровой под руководством Б. Н. Кабанова. Измерялся диффузионный ток на поверхность лнскового электрода, центральная часть которого покрывалась глифталевым лаком. Таким образом, рабочей поверхностью электРода слУ1кила кольцеваЯ повеРхность, шиРина котоРой /7 — еь изменялась в пределах 0,1 — 1,25 см (радиус диска /7 = 1,25 сд<), Измерялся ток восстановления растворенного кислорода.
Раствор, кроме растворенного кислорода (2,55 ° 1О ' л<оль/литр), содержал серную кислоту (5 ° 1О ' л<оль/лиг<р), сернокислый калий (1О ' моль/литр) и перекись водорола (3 ° 10 ' д<оль/литр). Скорость вращения электрода во Всех опытах подлерживалась постоянной и равной 422 -1- 2 об/мин, Результаты измерений тока по кислороду изображены на рис. 57. «5 (О (г5 Шоршр ваввса г,сн Рнс. 57.
Предельный ток <„нв поверхность пр лакированного влектродв. Лля количественного сравнения теории с опытом построена кривая, изображенная на рис. 58. На оси абсцнс< отложены значения отношения г<//7, на осн ординат — значение функции 7 (г<), определенной равенством (55 1) где среднее значение плотности тока определено <ак н 2п ( <<Г<ТГ (55,2) 317 й 56) ллминлРиый Режим движения жидкости Поскольку 1; лается формулой 118,24), а плошадь ие покрытой лаком поверхности ранна 5! = п(Й2 — г,), для 11!)2 можно написател Р А 177> — г2) " 1>)2 .
2 112 — г, 156, 3) и 11е), =Л, тле Л= =. Поэтому окончательно иахо- Веч 1,61(~)'"~/ " дим теоретическое выра>кение лля 7(г!)! 156,4) ~Яр 12Ь Опытные значения 7(г!) Изхолились путем пересчета измере>шых значений предельных плотностей тока л,>я шести различных значений гп Результаты измерений с учетом погрешностей пзобршкеиы на рис. 58. Согласие теории с опытом Оказывается вполис !д удовлетворительным. Из рис. 58 следует, 1 что плотность тока су- 12 шсстпенпо увеличивается с умепыпением ширины кольца.
Это нахолится в полком согласии с прсдсказанием теории. Чем 10 меньше ширина кольца, 12 й/~ тем большая часть рабочей поверхности элок- Рис. 68. Сравнение теории с опытом для лакитродз нзходится в в>,>год- РО'а!'ПО"О 'ЛЕ"тРОЛа. иых условиях подзчи иеобеднеииого раствора. Соответственно должна возрастать плотность тока иа электрол. Если бы таигеициальиого переноса вещества к электроду ие было или если бы он пе игрзл существенной роли в полном балансе веи>ества, подаваемого к электроду, что имеет место условиях диффузии в нсподви>иной среде, то при уменьшении >ирины кольца плотность тока иа поверхности кольца оставалась ы практически неизменной. В лаб>оратории проф.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
