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

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Работа № 3. Получение нитрата аммония

Цель работы: моделирование процесса получения нитрата аммония нейтрализацией азотной кислоты аммиаком.

Вопросы для самоподготовки

1.Основные методы получения аммиачной селитры.

2.Охарактеризуйте основные виды азотных минеральных удоб- рений.

3.Влияние концентрации азотной кислоты на производство нитрата аммония.

Теоретическое введение

Нитрат аммония получают нейтрализацией разбавленной азотной кислотой газообразным аммиаком с последующим выделением твер- дой соли:

NH3 + HNO3 = NH4NO3 – ∆H.

Реакция нейтрализации представляет собой гетерогенную экзотер- мическую реакцию хемосорбции, протекающую в системе «жидкость- газ». Концентрация получаемых растворов и методов выделения из них образовавшейся соли, зависит от растворимости соли в воде, концентрации используемой кислоты и температуры процесса ней- трализации. Влияние температуры связанно с тем, что выделяющаяся при реакции теплота может быть использована для частичного испаре- ния воды из раствора соли.

Реакция нейтрализации сопровождается выделением большого ко- личества тепла (145,8 кДж/моль для нитрата аммония). Поэтому для за- медления процесса и обеспечения процесса отвода тепла в окружающую среду применяют разбавленную (40%-ную) азотную кислоту и водный 25%-ный раствор аммиака.

Для выделения соли в твердом виде раствор нитрата аммония упари- вают (изотермическая кристаллизация) до выпадения из него кристаллов соответствующей соли.

Оборудование: фарфоровая чашка; делительная воронка (2 шт.); аб- сорбер; круглодонная колба; кипелки; электрическая плитка; воздуш- ная баня; демонстрационные пробирки (5 шт.); цилиндр (100 мл, 25 мл и 20 мл); конго-бумажка; мерная колба 250 мл; пипетка (25 мл и 2 мл); коническая колба 100 мл; бюретка; ареометр.

21

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

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ, ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Реактивы: аммиак 25%-ный раствор; азотная кислота 40%-ный рас- твор; спиртовой раствор фенолфталеина 0,1%-ный; раствор гидроксида натрия 0,1 М; раствор формальдегида.

Ход работы

Установка для получения нитрата аммония (рис. 2) состоит из аб- сорбера и системы подачи аммиака. Абсорбер (1) выполнен в виде стеклянной колонки, наполненной насадкой из обрезков стеклянных трубок. Абсорбер снабжен сливным краном (2). В абсорбер вставле- на капельная воронка (3). Абсорбер соединен с системой подачи ам- миака, состоящей из колбы (4), капельной воронки (6) с краном (5) и уравнивающей давление трубки с кранами (7) и (7а). Колба (4) по- догревается на электрической плитке (8). Для отбора проб и выполне- ния периодической циркуляции абсорбента (кислоты) через абсорбер служит пробирка (9). Установку собирают в соответствии с рисун- ком 1. В воронку (3) наливают мерным цилиндром 20 мл азотной кислоты, а в колбу (4) – 25 мл раствора аммиака.

Проведение реакции. Включают электрическую плитку (8), откры- вают краны (7) и (7а) и кран капельной воронки (3) и, осторожно нагре- вая колбу (4), приливают по каплям азотную кислоту в абсорбер с такой скоростью, чтобы слив всего количества ее продолжался 10–15 ми- нут. По окончании слива кислоты закрывают кран капельной ворон- ки и продолжают нагревание колбы (4), доводя постепенно жидкость

вней до слабого кипения. Через каждые 10 минут открывают кран во- ронки (3) и сливной кран абсорбера (2), сливают жидкость в пробир- ку и проверяют полноту абсорбции конго-бумажкой. В случае кислой реакции закрывают кран (2), открывают кран воронки (3) и заливают раствор из пробирки (9) обратно в абсорбер, продолжая пропускать

внего аммиак. Нагревание колбы и пропускание аммиака в абсорбер ведут до тех пор, пока жидкость, выходящая из абсорбера, не покажет нейтральной реакции. Если при этом взятого первоначально раствора аммиака окажется недостаточно, то в капельную воронку (6) заливают еще 5 мл раствора и, продолжая нагревание, по каплям приливают его

вколбу (4), открывая кран (5).

Выделение твердого продукта. Установку разбирают, отсоединя- ют колбу (4) от абсорбера, сливают жидкость из него в фарфоровую чашку. Чашку устанавливают на электрическую плитку (8). Жидкость выпаривают досуха. После того как вся жидкость выпарилась, чашку снимают с плитки и дают остыть. После того как фарфоровая чашка

22

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

снитратом аммония полностью остыла, взвешивают содержимое чаш- ки, предварительно взвесив чашку перед тем, как сливают жидкость

сабсорбера.

3

7

6

4

2

8

9

Рис. 2. Аппаратдля получения нитрата аммония

Определение содержания соли в твердом продукте.

Полученный твердый продукт содержит нитрат аммония и примеси. Содержание в твердом продукте чистой соли определяют формальде- гидным методом. При взаимодействии солей аммония с формальдеги- дом образуется уротропин и выделяется соответствующая свободная кислота:

4NH4NO3 + 6 CH2O = C6H12N4 + 6 H2O + 4 HNO3 (1).

23

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

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ, ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Выделившуюся азотную кислоту определяют ацидометрическим ти- трованием гидроксида натрия в присутствии фенолфталеина.

Для определения содержания соли навеску продукта (около 1,5 г нитрата аммония), взятую на аналитических весах, растворяют в дис- тиллированной воде и переносят раствор в мерную колбу на 250 мл. Раствор доводят до метки и перемешивают. Из мерной колбы отбирают пипеткой в коническую колбу 25 мл раствора, добавляют к нему граду- ированной пипеткой 2 мл раствора формальдегида, 2–3 капли раствора фенолфталеина и титруют раствором гидроксида натрия до появления розового окрашивания. Затем добавляют еще 3–5 капель раствора фе- нолфталеина и, если розовая окраска исчезает, дотитровывают пробу до ее появления.

Расчеты и оформление результатов

Количественным показателем процесса получения нитрата аммония является выход чистой (100%-ной) соли. Выход соли в долях единицы от теоретического количества рассчитывается по формуле:

η = mпракт. (2),

mтеор.

где mпракт. – масса чистой соли, г

mтеор. – масса соли, эквивалентная 100%-ной кислоты, взятой для ре- акции, г.

Величина mтеор. Рассчитывается исходя из уравнения нейтрализации кислоты

где М1 – молярная масса нитрата аммония (80); М2 – молярная масса азотной кислоты (63);

mK – масса100%-нойкислоты, взятойдляреакции, определяемаяпоплот- ности и объему кислоты:

mК = A × V (4),

где V – объем кислоты, залитой в абсорбер, мл;

А – содержание моногидрата HNO3 в кислоте, г/мл.

Величина «А» определяется из таблиц по измеренной плотности (см. табл. 4).

24

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Таблица 4

Содержание моногидрата HNO3 в азотной кислоте

Массу чистой 100%-ной соли определяют по результатам титрова- ния навески твердого сухого продукта и пересчитывают на массу его по формуле:

где mсоли – масса соли, эквивалентная 1 мл раствора гидроксида натрия концентрацией 0,1 моль/л; она равна для нитрата аммония 0,008;

V – объем мерной колбы, мл;

v1 – объем раствора гидроксида натрия, пошедший на титрование, мл; v – объем пробы для титрования, мл;

m1 – масса навески сухого продукта, г; m2 – масса сухого продукта, г.

Подставив в (4) численные значения величин, принятые в методике, получим выражение для нитрата аммония

Тогда из (1) получим расчетную формулу для определения выхода ни- трата аммония:

η = 0,063 × v1 × m2 (7). m1 × mK

25

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

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ, ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Контрольные вопросы

1.Нитрат аммония. Польза и вред удобрения.

2.Где применяется аммиачная селитра?

3.Чем объясняется слеживаемость нитрата аммония и какие меры принимаются для ее уменьшения?

4.Вкакихтехнологическихсхемахпроизводстванитратааммонияис- пользуется теплота нейтрализации полностью? Частично?

5.В чем заключаются особенности и преимущества безупарочного метода производства нитрата аммония?

26

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Работа № 4. Анализ и подготовка технической воды

Цель работы: познакомиться с методами определения общей жестко- сти и способами умягчения технической воды.

Вопросы для самоподготовки

1.Понятие о жесткости воды. Временная и постоянная жесткость.

2.Способы умягчения воды.

3.Промышленная водоподготовка.

Теоретическое введение

Вода, содержащая большое количество солей Са2+ и Мg2+, называ- ется жесткой. Различают два типа жесткости: карбонатная (времен-

ная) и некарбонатная (постоянная). Первая обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, вторая – наличием хлори- дов и сульфатов.

Карбонатная жесткость может быть легко удалена путем кипячения: образующиеся карбонаты кальция и магния не растворимы.

Жесткость, остающуюся после кипячения, называют постоянной. Присутствие в воде значительных количеств кальция и магния делает воду не пригодной для многих целей: она не мылится, накипь засоряет

устройства, требующие нагрева воды.

Устранениежесткости(умягчение) входитвсистемуводоподготовки– комплекса операций по удалению из природной воды вредных для произ- водства примесей.

При физическом методе умягчения воду нагревают до кипения, устра- няя временную жесткость.

К химическим методам умягчения относят фосфатный и известково- содовый, заключающиеся в обработке воды фосфатом натрия или смесью гидроксида и карбоната натрия. Этим способом устраняется как времен- ная, так и постоянная жесткость.

В качестве физико-химического применяют метод ионного обмена, основанный на свойстве некоторых твердых тел (ионитов) поглощать израствораионывобменнаэквивалентноеколичестводругихионовтого же знака. Иониты делят на катиониты и аниониты, а процессы обмена – на катионирование и анионирование соответственно. Ионный обмен – метод устранения временной и постоянной жесткости.

Оборудование: бюретки (5 шт.); градуированные пипетки 2 мл, 5 мл; конические колбы на 250 мл (9 шт.); колонка с катионитом КУ-2; цилиндр

27

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

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ, ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

100 мл, 20 мл, 10 мл, 5 мл; шпатель; коническая воронка (3 шт.); фильтро- вальная бумага; электрическая плитка.

Реактивы: раствор трилона Б 0,05 М; индикатор хромоген черный; дистиллированная вода; метиловый оранжевый; соляная кислота 0,1 М; буферный аммиачный раствор; иодид калия 10%-ный раствор; раствор крахмала; перманганат калия 0,002 М; щавелевая кислота 0,005 М; раствор умягчителя; раствор тиосульфата натрия 0,01 М; серная кислота 30%-ный раствор.

Ход работы

А. Определение карбонатной жесткости воды

В две конические колбы отбирают цилиндром по 100 мл исследу- емой воды и добавляют по 5 капель раствора метилового оранжевого. Содержимое одной из колб титруют соляной кислотой до перехода окра- ски из желтой в оранжевую. Изменение окраски наблюдают, сравнивая ее с окраской жидкости во второй колбе.

Б. Определение общей жесткости воды

Вконическую колбу вносят 100 мл воды и добавляют 5 мл буферно- го раствора и на кончике шпателя добавляют индикатор хромоген чер- ный. Смесь в колбе тщательно перемешивают до появления фиолетовой окраски. СодержимоеколбытитруютрастворомтрилонаБ, прибавляяего по каплям и встряхивая колбу после каждой капли, до перехода окраски из фиолетовой в синюю.

В. Определение содержания свободного хлора в воде

Вконическую колбу отбирают цилиндром 20 мл исследуемой воды, добавляют с помощью мерного цилиндра 10 мл раствора иодида калия

ипипеткой – 3 мл раствора крахмала. Содержимое колбы титруют рас- твором тиосульфата натрия до исчезновения сине-фиолетовой окраски раствора.

Г. Определение окисляемости воды

Вконическую колбу отмеряют цилиндром 100 мл воды и добавляют 5 мл серной кислоты и из бюретки – 20 мл раствора перманганата калия. Содержимое колбы нагревают на электрической плитке до кипения и сла- бо кипятят точно 10 минут (закрывают вставленным в нее обратным воз- душным холодильником (коническая воронка)), после чего немедленно(!) добавляют из бюретки 20 мл раствора щавелевой кислоты и титруют тем же раствором перманганата до появления слабо-розовой окраски, не ис- чезающей в течение одной минуты.

28

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Умягчение водопроводной воды

А. Умягчение воды содовонатронным методом

В колбу отмеряют мерным цилиндром 200 мл воды и добавляют пи- петкой 2 мл раствора умягчителя. Колбу закрывают вставленным в нее обратным воздушным холодильником (коническая воронка) и кипятят на плитке 10 минут, не допуская испарения воды через холодильник. По окончании кипячения умягченную воду фильтруют через складчатый бумажный фильтр, охлаждают до комнатной температуры и определяют в ней общую жесткость.

Б. Умягчение воды ионообменным методом

Через подготовленный катионообменник медленно пропускают 200 мл исследуемой воды. Умягченную воду собирают в коническую кол- бу и определяют в ней общую жесткость.

Аналогичным образом провести анализ воды типа конденса- та (дистиллированной)!

Оформление результатов

Кратко записать ход выполнения анализа. Составить уравнение про- текающих в работе реакций. Рассчитать жесткость воды.

Карбонатная жесткость рассчитывается по формуле:

Ж= V1 × С1× 1000 (1).

КV

Общую жесткость рассчитывают по формуле:

Ж = V2 × С2× к× 1000 (2),

O V

где V = 100 – объем пробы, взятой для титрования (мл);

V1 – объем соляной кислоты, израсходованный на титрование, мл; V2 – объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование, мл; С1 = 0,1 – концентрация соляной кислоты, моль/л; С2 = 0,05 – концентрация раствора трилона Б, моль/л; к – поправочный коэффициент раствора трилона Б.

Некарбонатную жесткость рассчитывают по формуле:

Жн = Жо – Жк (3).

29

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

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ, ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Содержание свободного хлора рассчитывают по формуле:

где V = 20 – объем пробы воды, мл;

к – поправочный коэффициент раствора тиосульфата натрия;

V1 – объем раствора тиосульфата натрия, израсходованный на тит- рование, мл; 0,00035 – количествохлора, эквивалентное1 млрастворатиосульфатана-

трия концентрацией 0,01 моль/л, г.

Окисляемость воды рассчитывают по формуле (в мг перманганата калия):

или по формуле (в мг кислорода):

где V = 100 – объем пробы исследуемой воды, мл;

V1 = 20 – объем раствора перманганата калия, введенного в колбу, мл; V2 – объем раствора перманганата калия, израсходованный на титро- вание, мл;

V3 = 20 – объем раствора щавелевой кислоты, введенного в колбу, мл; 0,000316 – количествоперманганатакалияв1 млраствораконцентрацией

0,002 моль/л, г; 0,00008 – количество кислорода, эквивалентное 1 мл раствора перманга-

ната калия концентрацией 0,002 моль/л, г.

Жесткость дистиллированной и умягченной воды рассчитывается по формуле:

Ж = 0,1 × А × К (7),

где К – поправочный коэффициент 0,05 М раствора трилона Б; А – объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование (мл).

30