Лабораторный практикум по прикладной химии, химической технологии и экологической безопасности. Учебное пособие

Министерство просвещения Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Московский педагогический государственный университет»

Н. В. Кутяшева, Г. И. Курочкина, М. К. Грачев

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ, ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Учебное пособие

МПГУ Москва • 2023

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Работа № 1. Сырье химической промышленности. Гранулометрический анализ и флотациятвердого сырья . . . . . . . 9

Работа № 2. Выделение хлорида калия из сильвинита . . . . . . . . . 17 Работа № 3. Получение нитрата аммония . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Работа № 4. Анализ и подготовкатехнической воды. . . . . . . . . . . 27

Работа № 5. Получение гидроксида натрия химическим способом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Работа № 6. Производство уксусной кислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Работа № 7. Получение мыла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Работа № 8. Получение неорганических пигментов . . . . . . . . . . . 40 Работа № 9. Определение коррозийной стойкости металлов . . . 43 Работа № 10. Анализ пищевых продуктов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Работа № 11. Классификация пятен и их удаление . . . . . . . . . . . . 50

Работа № 12. Анализ удобрений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Приложение. Приготовление некоторых растворов. . . . . . . . . . . 59

3

ВВЕДЕНИЕ

Преподавание прикладной химии должно обеспечить подготовку вы- сококвалифицированных учителей химии, способных освещать в школь- ном курсе вопросы химического производства на уровне современного состояния науки и техники. Курс должен ознакомить студентов с основ- ными областями применения химии в народном хозяйстве и с использо- ванием продуктов конкретных химических производств. Получив такую подготовку, будущий учитель сможет ясно представить значение химиза- ции народного хозяйства и ее основные направления.

Впрограммах по прикладной химии, химической технологии и эко- логической безопасности для педагогических вузов предусмотрены лабораторные занятия по основным темам курса, включающие про- ведение лабораторных работ и контрольные вопросы по теме лабора- торной работы.

Влабораторном практикуме студенты выполняют эксперименталь- ные работы по изучению типовых химико-технологических процессов, проводят исследования на установках, моделирующих производствен- ные аппараты. Цель лабораторного практикума – закрепить и углубить знания, полученные в лекционном курсе, развить практические умения

впроведенииисследованияиколичественнойобработкерезультатовопы- та, ознакомитьстудентовссовременнымиметодамианализахимического сырья и получаемого продукта. В связи с этим лабораторный практикум включаетработыповсемосновнымразделамкурса: подготовкеианализу сырья, осуществлению типовых процессов неорганической и органиче- ской технологии, элементов «бытовой химии».

Вкурс прикладной химии, химической технологии и экологической безопасности входят новые понятия – технологические и технико-эконо- мические показатели химического производства: себестоимость продук- ции, расходные коэффициенты, материальный баланс, производитель- ность работы аппаратов, интенсивность работы аппарата. Эти понятия оттачиваются и прорабатываются при решении расчетных задач на ауди- торных занятиях и при выполнении лабораторных работ.

Данное пособие обеспечивает выполнение различных видов работ студентами химических специальностей педагогических универси- тетов. Каждая работа сопровождается кратким теоретическим введе- нием, облегчающим студенту понимание проводимого эксперимента. Для улучшения качества выполнения лабораторной работы включены вопросы для самоподготовки, что позволит студенту заранее ознако-

4

ВВЕДЕНИЕ

миться с изучаемой темой. В завершение работы приведены теорети- ческие контрольные вопросы, которые позволят закрепить усвоение материала лабораторного занятия. Данные задачи могут быть исполь- зованы на индивидуальных собеседованиях при защите лабораторных работ и в самостоятельной работе студентов.

В пособии также изложены цели лабораторного практикума, порядок выполнения лабораторных работ и форма отчетности студентов, а так- же правила техники безопасности при выполнении эксперимента по при- кладной химии.

Цели и содержание лабораторного практикума

Цель лабораторного практикума по прикладной химии и экологиче- скойбезопасности– закреплениеиуглублениезнаний, полученныхвлек- ционном курсе, приобретение практических умений и навыков в прове- дении и количественной обработке результатов опыта, ознакомление студентов с различными методами анализа химического сырья и полу- ченного продукта.

Основные задачи практикума:

1)исследование основных параметров и установление оптимальных условий протекания изучаемых процессов;

2)определение технико-экономических показателей химического производства и проведение их расчетов;

3)ознакомление на практике со свойствами сырья для химической промышленности и методами анализа сырья и полученной про- дукции;

4)изучение способов конструирования лабораторных установок, мо-

делирующих промышленные системы.

По завершении практикума студент должен знать:

1)состав различных видов материалов, топлива, удобрений, средств бытовой химии, основных продуктов питания;

2)химическую сущность и особенности процессов получения про- дуктов химического производства;

3)научные, экологические и социальные проблемы использования

различных продуктов производства.

Студент должен уметь:

1)составлять условия расчетных и экспериментальных задач;

2)проводить расчеты технико-экономических показателей, матери- ального и теплового балансов химических процессов;

5

Н. В. КУТЯШЕВА, Г. И. КУРОЧКИНА, М. К. ГРАЧЕВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ, ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

3)ориентироваться в технологических схемах основных химических производств, уметь видеть основные звенья химического произ- водства;

4)распознавать визуально или с помощью простых испытаний важ- нейшие виды природного сырья и важнейшие продукты химиче- ского производства;

5)конструировать лабораторные установки и приборы для иллю- страции отдельных стадий технологических процессов.

Каждой лабораторной работе предшествует краткое теоретическое введение, способствующее пониманию физико-химических основ изу- чаемого процесса.

6

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Порядок выполнения лабораторных работ

Работа студентов в лабораторном практикуме включает:

1)ознакомление с методикой проведения работы;

2)предварительную беседу с преподавателем, которая должна вы- явить полноту понимания студентом выполняемой работы и озна- комить с ее особенностями;

3)выполнение лабораторной работы и проведение необходимых рас- четов;

4)защиту выполненной работы, которая состоит из представления

полученных результатов, ответов на теоретические вопросы и ре- шения предложенных расчетных задач по теме работы.

Все запланированные работы выполняются студентами в постоянных на весь семестр группах из 2–3 человек, в соответствии с методическим пособием.

При подготовке к работе студенту необходимо:

1)изучить теоретический материал, относящийся к работе;

2)заполнить лабораторный журнал, занеся в него название работы, ее цели и задачи, схему лабораторной установки, ход работы и не-

обходимые предварительные расчеты (журнал оформляется каж- дым членом группы индивидуально).

Выполнение работы начинается с подготовки необходимых реакти- вов, оборудования и сборки рабочего прибора из его различных узлов. Передвключениемприборастудентдолженпоказатьсобраннуюустанов- ку преподавателю и получить разрешение на выполнение работы.

При выполнении работ студент должен строго соблюдать инструкцию по проведению работы, не допуская собственных изменений и строго со- блюдая правила техники безопасности.

По окончании лабораторной работы необходимо выключить электро- приборы, перекрыть газометры и восстановить порядок на рабочем месте.

Защита выполненной работы производится индивидуально каждым членом группы. К защите студенты представляют оформленный лабора- торный журнал, заполненный по следующим пунктам:

1.Название работы.

2.Цель работы.

3.Оборудование и реактивы.

4.Физико-химические основы процессов, протекающих в проведен- ной работе.

7

Н. В. КУТЯШЕВА, Г. И. КУРОЧКИНА, М. К. ГРАЧЕВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ, ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

5.Расчеты, необходимые для проведения работы.

6.Записать все необходимые уравнения реакции.

7.Рисунок прибора.

8.Основные этапы работы.

9.Полученные результаты.

10.Выводы по работе.

Техника безопасности при выполнении работ

Студенты допускаются к работе в лаборатории только после озна- комления с инструкциями по технике безопасности и подтверждающей подписивжурнале. Кромеобщихправилтехникибезопасностиприрабо- тевхимическойлаборатории, кстудентампредъявляетсярядтребований, специфичных для работы в лаборатории прикладной химии:

Выполнение работы начинается со сборки установки или присоеди- нения в ней отдельных деталей, выяснения принципа работы ее узлов, получения навески веществ и приготовления рабочих растворов. В боль- шинстве работ используется разнообразная нагревательная аппаратура

ирегулирующие температуру устройства различной конструкции. После сборки установки она должна быть включена в сеть и выведена на рабо- чий режим. Следует принять за правило, что все реагенты должны быть загружены в установку до ее включения. Перед включением электро- приборов студент должен показать собранную установку преподавателю

иполучить разрешение на начало работы.

Лабораторные работы, моделирующие химико-технологические про- цессы, достаточно длительны. Поэтому при их выполнении большое зна- чение имеет правильное распределение времени. Каждая работа рассчита- на на четыре академических часа, что вполне достаточно для проведения эксперимента и предварительных расчетов результатов работы. В отдель- ных случаях возможно выполнение за одно занятие и двух коротких работ. Следуетрациональноиспользоватьвремяопераций, нетребующихприсут- ствия экспериментатора (сушка, охлаждение, выдержка и т.п.), для выпол- нения других этапов работы, требующих его активного участия.

Впроцессевыполненияработыстудентыдолжнычеткопредставлятьсебе цель и содержание каждой операции и быть готовыми ответить на вопросы преподавателяпоходуработы. Всеуказанияпреподавателяисотрудникала- боратории, обеспечивающего практикум по организации работ и методике их проведения, должны обязательно выполняться. По окончании лаборатор- ной работы необходимо выключить электроприборы, вымыть и поставить всушилкуиспользованнуюпосуду, навестипорядокнарабочемместе.

8

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Работа № 1. Сырье химической промышленности. Гранулометрический анализ и флотация твердого сырья

Цель работы: ознакомление с основными видами сырья, применяе- мыми в химической промышленности, моделирование процесса флота- ционного обогащения твердого сырья и определение его гранулометри- ческого состава.

Вопросы для самоподготовки

1.Классификация и требования к химическому сырью.

2.Рациональное использование химического сырья.

3.Подготовка химического сырья к переработке.

Теоретическое введение

Перед химической переработкой сырье подвергают предваритель- ной подготовке с целью придания ему состава и свойств, необходи- мых для осуществления химико-технологического процесса, повы- шения концентрации полезного компонента, понижения содержания влаги и вредных примесей, достижения определенной дисперсно- сти. Важнейшими операциями подготовки твердого сырья являются измельчение, классификация и обогащение. Для оценки степени из- мельчения сырья определяют содержание в нем частиц различных раз- меров – гранулометрический состав. Наиболее распространенным ме- тодом обогащения твердого сырья является флотация. Флотационное обогащение представляет собой физико-химический процесс разделе- ния компонентов сырья (полезного материала и пустой породы), осно- ванного на их различной смачиваемости. Смачиваемость минералов характеризуется краевым углом смачивания Q вдоль границы раздела фаз «твердое тело – жидкость – воздух». В соответствии со значением угла смачивания минералы подразделяются на несмачиваемые (гидро- фобные), для которых Q > 90º и смачиваемые (гидрофильные), для ко- торых Q < 90º. Так как силы поверхностного натяжения стремятся вы- ровнять уровень жидкости, то вследствие различия углов смачивания частицы гидрофобных материалов всплывают с пузырьками воздуха в виде пены и могут быть собраны, а частицы гидрофильных матери- алов погружаются в жидкость. Таким образом, в результате флотации

9

Н. В. КУТЯШЕВА, Г. И. КУРОЧКИНА, М. К. ГРАЧЕВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ, ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

получают один или несколько флотационных концентратов, содержа- щих полезные компоненты, извлеченные из сырья, и флотационные хвосты, состоящие главным образом из пустой породы. Эффективность флотации, полнота выделения полезного компонента из сырья зависят от ряда факторов, а именно: природы и состава флотируемого сырья, в том числе различия в смачиваемости полезного минерала и пустой породы; дисперсности сырья (достаточная скорость и избирательность процесса достигаются только при размере частиц сырья 0,1–0,3 мм); концентрации пульпы, т.е. соотношения твердой и жидкой фаз в ней (обычно колеблется в пределах от 1 : 5 до 1 : 3); состава воды, рН

иприроды содержащихся в ней примесей (эффективность флотации максимальна при рН = 7); ассортимента применяемых флотореаген- тов. Флотореагентами называются вещества, способствующие более полному разделению полезного минерала и пустой породы, т.е. повы- шению эффективности флотации. Так как природные минералы, вхо- дящие в состав сырья, обычно не сильно различаются по смачиваемо- сти, то для повышения гидрофобности полезного компонента в пульпу вводят коллекторы (собиратели) – поверхностно-активные вещества, адсорбирующиеся на его частицах и покрывающие их мономолекуляр- ной гидрофобной пленкой. Коллекторы обладают избирательной спо- собностью, поэтому выбор их зависит от типа флотируемого сырья. Для создания устойчивой пены в пульпу добавляют пенообразователи (вспениватели) – ПАВ, образующие на пузырьках воздуха адсорбци- онную пленку, препятствующую их слипанию. В качестве вспенивате- ля применяют терпеновые спирты (сосновое масло), каменноугольную смолу, высокомолекулярные алифатические спирты, крезолы, алки- ларилсульфонаты и другие вещества. При флотации полиметалличе- ских руд для выделения в виде отдельных концентратов всех полезных компонентов в пульпу вводят регуляторы, повышающие гидрофобное действие собирателей (активаторы) или способствующие повышению гидрофильности (подавители) и предотвращающие адсорбцию соби- рателя на поверхности минерала. В некоторых случаях один и тот же флотореагент может играть различные роли: собиратель может быть

ипенообразователем, пенообразователь может проявлять собира- тельные свойства и т.п. Так как флотореагенты обладают весьма вы- сокой активностью, количество их, вводимое в пульпу, не превышает 100–200 г на тонну флотируемого сырья. Только в отдельных случаях, например, при флотации углей, оно повышается до 400–3000 г на тон- ну. В качестве материала для изучения флотации в работе используют

10