Лабораторный практикум по химической технологии неорганических веще

NH3 пр = N101 V1 ,

где N1 – нормальность раствора соляной кислоты; V1 – объем соляной кислоты, пошедшей на титрование, мл.

Полученная концентрация выражена в грамм-эквивалентах на литр (г-экв/л). В производстве соды результаты анализов растворов выражают в специальных единицах – нормальных делениях (н.д.). Одно нормальное деление составляет 1/20 часть концентрации, выражаемой в грамм-эквивалентах на литр. Таким образом, содержание прямого титра составит

NH3 пр = N101 V1 20.

2. Определение общего аммиака. Понятие «общий аммиак» характеризует суммарное содержание всех соединений аммиака в рассоле.

Содержание общего аммиака можно определить по методу обратного титрования, который заключается в том, что в пробе, полученной после определения прямого титра, переводят связанный аммиак в свободный с помощью титрованного раствора гидроксида натрия:

NH4Cl + NaOH = NaCl + NH4OH.

Аммиак удаляется кипячением раствора, а избыток гидроксида натрия оттитровывают кислотой.

Реактивы:

едкий натр, 1 н. раствор. соляная кислота, 1 н. раствор.

Ход анализа. Раствор, оставшийся после определения прямого титра, разбавляют дистиллированной водой до 100 мл и добавляют по бюретке 50 мл титрованного раствора NaOH. Раствор кипятят 5–10 мин до исчезновения запаха аммиака, охлаждают и оттитровывают 1 н. раствором HCl до появления золотисторозовой окраски.

81

Расчет. Содержание общего аммиака (в н.д.) определяют по формуле

где V2 – объем раствора NaOH, добавленного к пробе, мл; V3 – количество раствора HCl, пошедшего на титрование, мл; N2, N3 – нормальность раствора соответственно едкого натра и соляной кислоты.

3. Определение содержания связанного аммиака. Под «свя-

занным» аммиаком понимают содержание в рассоле хлорида аммония.

Содержание связанного аммиака (NH4Cl) определяют по разности между общим аммиаком и прямым титром:

[NH3 связ] = [NH3 общ] – [NH3 пр].

4. Определение содержания хлора. Для определения хло-

рид-иона широко применяют аргентометрические способы, которые могут обеспечить очень точные результаты. Однако общим их недостатком является использование дорогостоящего и дефицитного реактива – нитрата серебра.

Для определения иона хлора также применяют раствор Hg(NO3)2 (меркуриметрический метод) или раствор HgNO3 (меркурометрический метод).

Меркуриметрический метод основан на том, что хлоридионы образуют с ионами ртути (II) малодиссоциированный хлорид ртути (II):

Hg2+ + 2Cl– ↓= HgCl2.

В момент осаждения всего хлорид-иона избыток нитрата ртути начинает взаимодействовать с индикатором дефинилкарбазидом, дающим с ионом ртути фиолетовое окрашивание. Титрование проводят в азотнокислой среде при pH = 2,5. Резкость перехода окраски индикатора зависит от соблюдения правильного

82

значения pH раствора. При pH = 2,0 индикатор не окрашивается, при pH = 3,0 появление окраски запаздывает.

Реактивы:

нитрат ртути (II) Hg(NO3)2, 0,1 н. раствор; азотная кислота, 0,2 н. раствор;

дефинилкарбазид – индикатор, 2%-ный спиртовой раствор. Ход анализа. В мерную колбу емкостью 100 мл берут 5 мл исследуемого рассола и доводят объем его дистиллированной водой до метки. После тщательного перемешивания из мерной колбы отбирают 5 мл раствора в коническую колбу емкостью 100–250 мл, добавляют к нему 3–5 капель дефинилкарбазида, осторожно по каплям подкисляют раствор 0,2 н. HNO3 до перехода розовой окраски в желтую и титруют 0,1 н. раствором Hg(NO3)2

до появления фиолетового окрашивания.

Расчет. Расчет содержания хлора (в н.д.) производится по формуле

Cl− = V4 N4 100 20, 5 5

где V4 – количество нитрата ртути, пошедшей на титрование пробы, мл; N4 – нормальность раствора Hg(NO3)2.

Содержание NaCl в исходном рассоле (в г/л) определяют по формуле

GNaCl = V4 N4 100 ЭNaCl ,

5 5

где ЭNaCl – вес 1 г-экв NaCl.

5. Определение содержания диоксида углерода в растворе газообъемным методом заключается в обработке определенного количества исследуемого раствора сильной кислотой с последующим измерением объема выделившегося CO2.

Реактивы:

соляная кислота, 10%-ный раствор.

Ход анализа. Исследуемую жидкость анализируют с помощью прибора (рис. 2), состоящего из реакционного сосуда 5

83

с впаянным стаканчиком 6, бюретки 3, компенсационной трубки 2

иуравнительной склянки 1. Бюретка 4, компенсационная трубка 2

иуравнительная склянка 1 заполнены раствором хлорида натрия, в который добавлено несколько капель кислоты и метилового оранжевого.

Перед началом анализа прибор проверяют на герметичность. Для этого при закрытом трехходовом кране 3 поднимают склянку 1 так, чтобы уровень жидкости в бюретке 4 и склянке 1 оказался на одной высоте. Отмечают объем воздуха в бюретке 4 и опускают склянку. Через 5–10 мин вновь измеряют объем воздуха в бюретке. Прибор герметичен, если объем газа в бюретке остается неизменным. С помощью склянки 1 и крана 3 заполняют бюретку жидкостью до верхней отметки, закрывают кран 3 и склянку 1 ставят на стол.

Рис. 2. Прибордляопределениясодержания СО2 врастворе: 1 – склянка; 2 – измерительная трубка; 3 – кран; 4 – бюретка; 5 – реакционный сосуд; 6 – стаканчик

Пипеткой отмеряют 1 мл анализируемого раствора и наполняют им стаканчик 6. В реакционный сосуд 5 помещают 20 мл 10%-ный соляной кислоты. Закрывают сосуд 5, соединяют его

84

с помощью крана 3 с бюреткой 4 и встряхивают таким образом, чтобы произошло смешение кислоты с анализируемой жидкостью. Образовавшийся углекислый газ переходит в бюретку 4.

По окончании реакции (прекращение выделения пузырьков газа) с помощью склянки 1 устанавливают запорную жидкость в измерительной трубке 2 на одном уровне, измеряют истинный объем и отмечают температуру и давление. Объем выделившегося газа V приводят к нормальным условиям.

Расчет. Для приведения объема CO2 к нормальным условиям и сухому состоянию используют формулу

где V0 – объем CO2 при нормальных условиях и сухом состоянии, мл; P – барометрическое давление в момент проведения анализа, Па; pH2O – упругость водяных паров при температуре t, Па (бе-

рется из табл. 3); 0,8 pH2O – упругость водяного пара над насы-

щенным раствором NaCl, Па; t – температура при проведении анализа, °C.

Содержание CO2 в отобранной пробе (в н.д.) вычисляют по формуле

где Vж – количество исходного раствора, взятое на анализ, мл; 44 – молекулярный вес CO2; 22 – вес 1 г-экв CO2; 22,4 – объем 1 моль CO2 при нормальных условиях, л; 20 – коэффициент для выражения концентрации в нормальных делениях (н.д.).

Требования к отчету

В начале отчета указать цель работы. Привести схему и описание лабораторной установки, порядок выполнения работы и расчеты. Записать все исходные данные и на основании полученных результатов сделать соответствующие выводы.

Список литературы

1.Шокин И.Н., Крашенинников С.А. Технология соды. – М.:

Химия, 1975. – 288 с.

2.Зайцев И.Д., Ткач Г.А., Стоев Н.Д. Производство соды. –

М.: Химия, 1986. – 312 с.

3.Практикум по общей химической технологии / под ред. И.П. Мухленова. – М.: Высшая школа, 1979. – 421 с.

4.Посыпайко В.И., Козырева Н.А., Логачева Ю.П. Химические методы анализа. – М.: Высшая школа, 1989. – 447 с.

5.Технический анализ и контроль в производстве неорганических веществ / под ред. Н.С. Торочешникова. – М.: Высшая школа, 1976. – 344 с.

86

Работа 10. ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРОКСИДА НАТРИЯ КАУСТИФИКАЦИЕЙ СОДОВОГО РАСТВОРА

Цель работы – исследование зависимости степени каустификации содового раствора от времени процесса, концентрации исходного содового раствора и температуры.

Определение констант скорости процесса иэнергииактивации.

Теоретическая часть

Гидроксид натрия, или каустическая сода (каустик), широко применяется в производстве искусственных волокон, моющих средств, органических красителей, в бумажном и текстильном производствах, в технологии оксида алюминия, синтетического фенола и др.

Получают гидроксид натрия электрохимическим и химическим способами.

Электрохимический способ осуществляют электролизом водных растворов хлорида натрия. В результате образуется раствор гидроксида натрия, упариванием которого получают раствор либо твердый гидроксид натрия. Побочные продукты – газообразные хлор и водород.

К химическим способам относятся ферритный и известковый. Ферритный способ заключается в смешении сухой соды с измельченным оксидом железа в соотношении 1:3 и прокаливании смеси при температуре 1000 °С. При этом образуется плав – феррит натрия:

Na2CO3 + Fe2O3 = Na2O · Fe2O3 + CO2.

Плав разлагают горячей водой с образованием раствора гидроксида натрия и оксида железа:

Na2O · Fe2O3 + Н2О = 2 NaOH + Fe2O3.

Предпочтение отдают известковому способу. Основная реакция известкового метода, называемая реакцией каустификации, протекает в водном растворепривзаимодействии соды с известью:

87

Na2CO3 + Са(ОН)2 = СаСО3 + 2 NaOH.

Эта реакция является обратимой и при определенных условиях (концентрации, температуре) наступает состояние равновесия, реакция превращения Na2CO3 в NaOH не доходит до конца. Равновесие реакции определяется соотношением между растворимостями гидроксида и карбоната кальция или значениями концентраций ионов ОН– и СО32– в растворе. Константа равновесия Kс определяется из следующего соотношения:

Так как концентрации [СаСО3] и [Са(ОН)2] можно принять постоянными, то константа равновесия будет определяться отношением концентраций ионов ОН– и СО32–, т.е.

OH− 2 Kc = CO32− .

Степень каустификации, т.е. доля соды, превратившейся

вгидроксид, увеличивается с уменьшением концентрации соды

висходном растворе.

При повышении температуры значение константы равновесия уменьшается, так как реакция каустификации является экзотермической. Cледовательно, более полное превращение Na2CO3 в NaOH будет наблюдаться в интервале температур 15–20 °С. На практике процесс ведут при температуре 80–100 °С. Повышение температуры способствует увеличению скорости процесса, получению хорошо фильтрующегося осадка.

Скорость процесса зависит от свойств и количества применяемой извести, т.е. размеров частиц, наличия примесей. В качестве примесей известь содержит SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO. Каждая примесь по-разному влияет на процесс, замедляя процесс гашения, уменьшая скорость осаждения шлама. Уменьшение количе-

88

ства примесей улучшает технологический процесс. Интенсивное перемешивание суспензии способствует ускорению процесса растворения гидроксида кальция, что приводит к увеличению скорости процесса.

Таким образом, оптимальными условиями каустификации являются: концентрация соды 250 г/л, температура 80 °С, интенсивное перемешивание. При этом степень каустификации, т.е. отношение количества соды, перешедшей в гидроксид натрия, ко всему ееколичеству, участвующему вреакции, достигает 90–95 %.

Технологический процесс производства гидроксида натрия состоит из следующих стадий:

1)приготовление известкового молока;

2)приготовление содового раствора;

3)каустификация содового раствора;

4)отделение СаСО3 от раствора;

5)упаривание раствора;

6)фильтрация щелока и отделение выпавших солей Na2CO3

иNa2SO4;

7)окончательное упаривание раствора до получения плава

NaOH.

Практическая часть

Перед выполнением работы необходимо провести анализ исходных реагентов (соды и извести), чтобы правильно рассчитать их количество для проведения процесса каустификации.

Анализ извести

Пробу извести 20 г растирают в фарфоровой ступке до тонкого порошка. Для анализа взять навеску 0,1 г на аналитических весах, перенести в коническую колбу емкостью 250 мл, добавить 50 мл дистиллированной воды, тщательно взболтать, затем титровать 0,1 N раствором соляной кислоты в присутствии 2–3 капель фенолфталеина до появления устойчивого розового окрашивания. Титрование необходимо проводить медленно, так как из-

89

весть плохо растворяется в воде и переходит в раствор по мере титрования.

Содержание активной извести выражают в массовых процентах:

= V 0,0028

CCaO a 100,

где CCaO – концентрация активной извести, мас.%; V – количество кислоты, пошедшее на титрование, мл; а – навеска извести, г; 0,0028 – количество СаО, соответствующее 1 мл 0,1 N раствора кислоты, г.

Анализ исходного раствора соды

Концентрацию карбоната натрия в исходном содовом растворе определяют титрованием. Для этого пипеткой берут 5 мл анализируемого раствора в мерную колбу вместимостью 50 мл. Раствор доводят дистиллированной водой до метки и взбалтывают. Из мерной колбы 5 мл полученного раствора переносят пипеткой в коническую колбу вместимостью 250 мл, добавляют 50 мл дистиллированной воды, 2–3 капли метилового оранжевого и титруют 0,1 н. раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски в розовую. Количество соляной кислоты, израсходованное на титрование, эквивалентно количеству Nа2СО3.

Концентрацию карбоната натрия в растворе определяют по формуле

где CNaисх2CO3 – концентрация Nа2СО3 в растворе, г/л; V – объем 0,1 н.

раствора НСl, пошедший на титрование, мл; 0,0053 – количество Nа2СО3, соответствующее точно 1 мл 0,1 н. раствора НСl, г; K – коэффициент поправки.

90