Контрольные вопросы:
Сульфат аммония получают на коксохимических заводах, нейтрализуя содержащийся в коксовом газе аммиак разбавленной серной кислоты. Какая масса серной кислоты с массовой долей 100 % необходима для получения 1 т сульфата аммония (потери не учитывать)?
Почему некоторые фосфорные удобрения, внесенные в почву, сохраняют питательную ценность в течение нескольких лет, а калийные удобрения нужно вносить в почву ежегодно.
Охарактеризуйте роль основных питательных элементов (N, P, K) в жизни растений и как они поступают к растениям.
По каким признакам классифицируют минеральные удобрения?
Литература:
Пискарева, С.К. Аналитическая химия / С.К. Пискарева. – М. : Высш. шк., 1994. – 384 с.
Клевке, В.А. Технология азотных удобрений / В.А. Клевке, Н.Н. Поляков, Л.З. Арсеньева. – М. : Госхимиздат, 1963. – 392 с.
Соколовский, А.А. Технология минеральных удобрений и кислот / А.А. Соколовский, Е.В. Яшке. – М. : Химия, 1971. – 456 с.
Основы химической технологии / под ред. И.П.Мухленова. – М. : Высш. шк., 1991. – 463 с.
Кутепов, А.М. Общая химическая технология / А.М.Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен. – М. : Академкнига, 2005. – 528 с.
Кувшинников, И.М. Минеральные удобрения и соли / И.М. Кувшинников. – М. : Химия, 1987. – 256 с.
Позин, М.Е. Технология минеральных удобрений / М.Е.Позин. – М. : Химия, 1989. – 352 с.
Лабораторная работа № 2 Тема: Получение медного купороса
Медный купорос используют в электрохимических процессах нанесения медных покрытий, для консервации древесины, протравливания семян, в производстве минеральных красок, как исходное вещество для синтеза различных соединений меди и т. д.
Существуют различные способы производства медного купороса. Выбор того или иного способа производства зависит от вида исходного сырья. Основным сырьем служат серная кислота и медь: медный лом или отходы металлообрабатывающей промышленности, а также отходы или полупродукты цветной металлургии. Производство медного купороса состоит из двух стадий:
- получение очищенной гранулированной меди;
- получение медного купороса.
Способы получения медного купороса основаны на растворении металлической меди или оксида меди(II) в серной кислоте. Более экономичен способ, в котором вместо серной кислоты применяется сернистый газ (оксид серы(IV)).
Цель работы: Практическое изучение условий получения медного купороса, составление материального баланса и ознакомление с методами аналитического контроля в производстве этого вида неорганического материала.
Приборы и реактивы, оборудование: установка для получения медного купороса. Реактивы: сульфит натрия, оксид меди(II). Растворы: серной кислоты (конц.), сульфата меди(II).
Описание лабораторной установки
Лабораторная установка (см. рисунок) состоит из двух частей: колба 3 представляет собой реактор для получения SO2, в колбе 4 происходит синтез медного купороса в маточном растворе. В трехгорлую колбу-смеситель 3 загружают кристаллический сульфит натрия (Na2SO3), над ней устанавливают воронку с противодавлением, в которую наливают серную кислоту. С помощью компрессора 1 через систему прокачивают воздух для окисления оксида серы (IV).
В трёхгорлую колбу-реактор 4 загружают раствор CuSO4 и порошок CuO. Если в работе используют мелкодисперсный порошок оксида меди(II), который быстро оседает на дно, колбу заменяют четырёхгорлой и присоединяют верхнеприводную мешалку. Над реактором 4 устанавливают обратный водяной холодильник 5 для конденсации уносимого газом пара и возврата конденсата в реактор, что исключает чрезмерное увеличение концентрации раствора и кристаллизацию медного купороса в реакторе. Кроме того, к холодильнику присоединяют ловушку со щелочью 8. Реактор помещают в водяную баню 6, установленную на электроплитку 7.
Схема установки для получения медного купороса:
– компрессор; 2 – воронка капельная; 3 – колба-смеситель для получения SO2; 4 – реактор для получения медного купороса; 5 – холодильник; 6 – водяная баня; 7 – электроплитка; 8 – ловушка
Выполнение работы
Приготавливают насыщенный при 15–25ºС раствор медного купороса. Через боковой отвод в реактор 4 засыпают навеску оксида меди(II) массой около 5 г. Величину навески рассчитывают таким образом, чтобы после проведения реакции содержание CuSO4 в растворе приблизительно удвоилось. Через то же загрузочное отверстие наливают 100 см3 приготовленного раствора медного купороса и отверстие закрывают пробкой. При 15–25ºС насыщенный раствор содержит 190–225 г/дм3 CuSO4, при 90ºС − 627 г/дм3. Во избежание кристаллизации сульфата меди(II) в реакторе лучше ограничиться повышением концентрации к концу процесса приблизительно до 400 г/дм3, что отвечает растворимости соли при 60ºС.
Взвешивают около 20 г сульфита натрия и помещают в колбу 3. В нее наливают 10–20 см3 дистиллированной воды и по каплям приливают рассчитанное количество серной кислоты (избыток 1,5) для разложения сульфита натрия.
Реактор 4 нагревают до 85–90ºС. Температуру контролируют по термометру, опущенному в водяную баню. Затем включают компрессор 1 и пропускают смесь сернистого газа с воздухом из колбы-смесителя 3 в реактор 4. Подачу газовой смеси регулируют краном у колбы с Na2SO3. Поступающая в реактор смесь барботирует через суспензию. Отходящий газ проходит холодильник 5 и улавливается ловушкой 8 со щелочью.
Газовую смесь пропускают в реактор до практически полного исчезновения суспензии, т. е. до растворения твердой фазы − оксида меди(II) и образующейся в процессе растворения соли Шевреля, имеющей красный цвет. Состав и скорость пропускания газовой смеси регулируют, предварительно рассчитав соотношение объемов SO2 и воздуха. При объемном отношении SO2:О2 = 1:4 на 1 дм3 SO2 необходимо подать в реактор 19 дм3 воздуха; при этом объемная концентрация SO2 в газовой смеси будет равна 5 %.
По окончании реакции раствор (суспензию) медного купороса выливают на воронку Бюхнера, охлаждают до 20ºС и фильтруют, используя насос Комовского. Сушат в тигле в су-шильном шкафу при 90–100ºС и взвешивают.
Внимание! Для составления материального баланса необходимо сделать анализ на содержание CuSO4 в исходном растворе медного купороса и в маточном растворе, оставшемся после отделения кристаллов, а также измерить объем оставшегося маточного раствора.
По результатам анализа составляют материальный баланс процесса по CuSO4 и вычисляют выход продукта по затраченному оксиду меди(II).
АНАЛИЗ НА СОДЕРЖАНИЕ CuSO4
Фотометрический метод определения меди в растворе
Фотометрическое определение меди в растворе выполняют аммиачным методом, который основан на образовании ионом Cu2+ с аммиаком комплекса [Cu(NH3)4]2+, окрашенного в интенсивный синий цвет.
Перед определением концентрации меди в растворе необходимо построить градуировочный график, пользуясь специальным растворителем и стандартным раствором соли меди.
Приготовление раствора сравнения для построения градуировочного графика. 10 см3 разбавленного (1:3) раствора аммиака переносят в мерную колбу вместимостью 50 см3, добавляют 1 каплю концентрированной серной кислоты (ρ = 1,84 г/см3) и доводят дистиллированной водой до метки (нулевой раствор).
Приготовление стандартного раствора соли меди. 3,927 г химически чистого медного купороса CuSO4*5Н2О переносят в мерную колбу вместимостью 1000 см3 и приливают воду до полного растворения соли. Затем добавляют 5 см3 концентрированной серной кислоты (ρ = 1,84 г/см3) и доводят водой до метки. В 1 см3 этого раствора содержится 1 мг ионов Cu2+.
Построение градуировочного графика. В 6 мерных колб вместимостью по 50 см3 отмерьте бюреткой соответственно 25, 20, 15, 10, 5 и 2,5 см3 стандартного раствора соли меди. В каждую из колб добавьте по 10 см3 разбавленного (1:3) раствора аммиака и доведите объёмы до метки дистиллированной водой.
Измерение начните с раствора, имеющего наибольшую концентрацию меди. Раствор из колбы налейте в кювету с рабочей шириной 1 см, закройте кювету крышкой и измерьте абсорбционность (А) раствора при красном светофильтре. Измерив абсорбционность всех растворов, постройте градуировочный график. По оси абсцисс откладывайте известные концентрации Cu2+ (т. е. 0,5; 0,4; 0,3; 0,2; 0,1; 0,025 мг меди в 1 см3), а по оси ординат соответствующие им абсорбционности (А) растворов.
Ход определения меди в исследуемом растворе. В мерную колбу вместимостью 50 см3 добавьте некоторое количество (по заданию преподавателя) исследуемого раствора, который может содержать от 0,01 до 0,5 мг Cu2+. Прибавьте в колбу 1 каплю концентрированной серной кислоты (ρ = 1,84 г/см3) и нейтрализуйте разбавленным (1:3) раствором аммиака, добавляя его по капле до появления мути. После этого прилейте ещё 10 см3 аммиака и доведите объём в колбе до метки.
Раствор тщательно перемешайте, наполните им кювету шириной 1 см и измерьте абсорбционность (А) при красном светофильтре, т. е. при тех же условиях при которых был построен градуировочный график. Зная абсорбционность, найдите по градуировочному графику концентрацию ионов Cu2+ в растворе в мг/см3. Исходя из объёма ис-следуемого раствора (50 см3) вычислите общую массу меди.
Контрольные вопросы:
1. В каких отраслях промышленности используют медный купорос?
2. Назовите способы получения медного купороса.
3. Перечислите условия и основные технологические параметры, влияющие на скорость и эффективность процесса.
4. Почему ускоряется окисление меди в присутствии медного купороса?
5. Опишите аналитические методы анализа меди в растворах.
6. Осуществите превращения: Cu → CuO → Cu(OH)2→ (CuOH)2SO4→ CuSO4.
7. Можно ли получить сульфат меди при действии серной кислоты на металлическую медь? Ответ обоснуйте.
8. Как взаимодействуют соли меди с растворами щелочей и гидроксидом аммония? Приведите примеры реакций.
9. Определите молярную концентрацию (моль/л) растворенного вещества, если масса кристаллогидрата CuSO4∙5H2O, взятого для приготовления раствора, равна 11,44 г, а объем раствора составляет 0,5 л.
10. Какое количество CuSO4∙5H2O надо взять для приготовления 1 л 0,5 н. раствора?
11. При участии кислорода воздуха медь реагирует с разбавленной серной кислотой. Вычислите количество веществ, необходимых для получения сульфата меди(II), заключающегося в 1 т стандартного (96,2 %-ного) медного купороса.
12. Необходимо получить медный купорос, затратив возможно меньше кислоты. Какой способ следует предпочесть: действие серной кислоты на оксид меди(II) или же на медь? Почему?
13. При электролизе раствора сульфата меди на аноде выделилось 560 см3 газа (н.у.). Опишите процессы, происходящие на электродах, и найдите массу меди, выделившейся на катоде.
14. Определите массовую долю сульфата меди в растворе, полученном при растворении 50 г CuSO4*5Н2О в 450 г воды. В ка-кой массе воды нужно растворить 25 г медного купороса, чтобы получить 8 %-ный по массе раствор?