Химическая технология неорганических кислот, солей и щелочей. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ФГБОУ ВО

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

С. И. НИФТАЛИЕВ, С. Е. ПЛОТНИКОВА, Е. М. ГОРБУНОВА, Ю. С. ПЕРЕГУДОВ,

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ, СОЛЕЙ И ЩЕЛОЧЕЙ

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ВОРОНЕЖ

2021

УДК 661 (075) ББК Л20/46 я7 Х46

Научный редактор профессор С. И. НИФТАЛИЕВ

Р е ц е н з е н т ы:

зав. кафедрой химии Воронежского государственного лесотехнического университета им. Г. Ф. Морозова Е. В. ТОМИЛИНА;

зам. главного инженера В. В. ОКШИН (АО «Минудобрения»)

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Воронежского государственного университета инженерных технологий

кова, Е. М. Горбунова, Ю. С. Перегудов; Воронеж. гос. ун-т инж. технол. – Воронеж: ВГУИТ, 2021. – 78 с.

ISBN 978-5-00032-565-0

Пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВО подготовки обучающихся по направлению 18.0301. - «Химическая технология». В учебном пособии представлены лабораторные работы, в которых рассматривается производство серной и азотной кислот, аммиака, каустической соды, поваренной соли, сульфата натрия и сульфата меди.

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ВХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

При проведении лабораторных работ занимайте определенное место на лабораторном столе. Нагревательными приборами являются электроплитки, которые размещаются в специально отведенном для этого месте. Рабочее место должно быть свободным и чистым. На столедолжна находиться только необходимая химическая посуда и реактивы. Находиться в лаборатории можно только в рабочей одежде – хлопчатобумажном халате.

В работе используйте только чистую и целую (без трещин) химическую посуду. Иногда необходимо иметь сухую посуду. Использованную во время работы посуду сразу же вымойте и сдайте лаборанту. Грязную посуду мойте теплой водой с применением моющих средств. При этом используйте различные щетки и ерши. Стеклянная посуда может считаться чистой, если на ее стенках вода образует равномерную пленку. Перед тем как приступить к выполнению лабораторной работы, изучитеметодику проведения опыта, свойства вещества и исходных соединений.

Приступайте к работе в лаборатории только в присутствии преподавателя или лаборанта. Работатьдному в лаборатории запрещается. Во время работы в лаборатории соблюдайте тишину, чистоту и порядок на рабочем месте. Нельзя оставлять действующую установку без присмотра.

Прежде чем взять необходимое количество вещества, внимательно прочитайте надпись на этикетке ёмкости, в которой содержится вещество. Нельзябрать химические реактивы руками. Сыпучие реактивы отбирайте сухим чистым шпателем или ложкой, жидкости отмеряйте цилиндром.

В лаборатории нельзя пить воду и принимать пищу. Запрещается выливать в раковины ненужные реактивы, концентрированные кислоты и щёлочи. Для слива этих веществ в вытяжном шкафу находятся отдельные ёмкости.

Не разрешается бросать в раковину бумагу, вату,разбитое стекло. Эти материалы выбрасывают в мусорное ведро.

3

Работать с ядовитыми, раздражающими органы дыхания и сильно пахнущими веществами необходимо только в вытяжном шкафу при хорошо действующей вентиляции.

При нагревании реакционной смеси нельзя наглухо закрывать прибор. Приборы для синтеза и перегонки должны сообщаться с атмосферой. Несоблюдение этого правила может привести к взрыву.

При работе с концентрированными кислотами и щелочами соблюдайте осторожность. При разбавлении кислоты необходимо при перемешивании небольшими порциями кислоту прибавлять к воде, а не наоборот. Глаза при этом должны быть защищены очками или маской из органического стекла.

При попадании кислот на кожу быстро промойте обожжённое место струёй воды, а затем 2-3%-ным раствором соды. При ожоге едкими щелочами также хорошо промойте обожжённое место водой, а затем 2-3%-ным раствором уксусной кислоты. При случайном попадании кислоты или щёлочи в глаза тотчас промойте их большим количеством воды, а затембработайте тампоном, смоченным в растворе соды или борной кислоты, и вновь промойте водой.

Приступая к работе в лаборатории, познакомьтесь со средствами пожаротушения (ящикс песком, асбестовое одеяло, огнетушитель) и аптечкой с набором необходимых средств оказания первой помощи, а также с их местонахождением.

При возникновении пожара нужно сразу отключить в лаборатории вентиляцию и подачу электроэнергии, принятьмеры по ликвидации загорания. В случае воспламенения одежды необходимо немедленно набросить на пострадавшего халат, одеяло, куртку.

Закончив работу в лаборатории, выключите электроплитку, вымойте лабораторную посуду, остаткихимических веществ сдайте лаборанту на слив, поставьте на место штативы, протрите стол, сдайте преподавателю свое рабочее место. После работы тщательно вымойте руки.

4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРА КИСЛОТЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ЭФФЕКТА РАЗБАВЛЕНИЯ

Цель работы: освоить физико-химические основы подготовки растворов кислот разбавлением концентрированных растворов.

Приборы, посуда и реактивы

Мерные цилиндры вместимостью 50 и 100 см3, стеклянные воронки, набор ареометров.

Концентрированные растворы кислот – серной, азотной соляной.

Калориметрическая установка.

Краткие теоретические сведения

Растворение веществ сопровождается тепловым эффектом: выделением или поглощением теплоты - в зависимости от природы вещества. При растворении в воде, например, гидроксида калия, серной кислоты наблюдается сильное разогревание раствора, т.е. выделение теплоты, а при растворении нитрата аммония - сильное охлаждение раствора, т.е. поглощение теплоты. В первом случае осуществляется экзотермический процесс (∆H < 0), во втором - эндотермический (∆H > 0). Теплота растворения – тепловой эффект процесса растворения 1 моля вещества в бесконечно большом количестве растворителя.

Теплота растворения складывается из двух составляющих: теплоты разрушения кристаллической решетки (для твердого вещества) и теплоты сольватации.

Если растворение вещества является экзотермическим процессом, то придобавлении воды к растворенному веществу выделяется теплота, количество которой на 1 моль вещества пропорционально числу молей прибавленной воды. Количество теп-

5

лоты, выделяемой при добавленииn молей воды к 1 моль вещества, называется теплотой разбавления.

Растворение кислот является экзотермическим процессом. Если кислоту, в которой на 1 моль приходится n молей воды, разбавить еще некоторым количеством воды, выделится дополнительное количество теплоты. Эта разность тепловых эффектов разбавления конечной и исходной кислот называется дифференциальной теплотой разбавления.

Порядок выполнения работы

1. Измерьте плотность раствора кислоты ареометром, рассчитайте по плотности ее концентрацию. Приеобходимостин воспользуйтесь методом интерполяции и данными табл. 1 и 5 приложения.

Например, измереннаяплотность ρ раствора серной кислоты равна 1,8185 г/см3. В таблице имеются значения:

Полученное значение отличается от плотности 90 % раствора на 1,8185 - 1,8144 = 0,0041 г/см3. Составляем пропорцию

Таким образом, массовая доля раствора серной кислоты с плотностью 1,8185 г/см3 равна 90 + 0,85 = 90,85 %.

Рассчитав концентрацию исходного раствора, найдите сколько миллилитров исходного раствора и воды следует взять для приготовления указанного объема заданного раствора. Например, необходимо приготовить 250 см3 раствора серной кислоты с молярной концентрацией 0,5 моль/дм3. Для этого нужно рассчитать следующие данные.

6

1. Масса чистой Н2SО4, содержащейся в заданном растворе: 0,25∙0,5 ∙ 98 = 12,25 г.

Масса исходного раствора, содержащего данное количест-

во Н2SО4: 12,25 / 0,9085 = 13,48 г.

Объем исходного раствора: 13,48 / 1,8185 = 7,4 см3.

2.Определите, сколько кислоты имеющейся концентрации

иводы необходимо соединить, чтобыполучить кислоту заданной концентрации.

3.Приготовьте раствор кислоты заданной концентрации и измерьте тепловой эффект процесса разбавления концентриро-

ванного раствора кислоты.

Тепловые эффекты, сопровождающие физико-химические химические процессы, измеряют вприборах, называемых калориметрами или калориметрическими установками (рис. 1).

Рис. 1. Калориметрическая установка

Простейший калориметр состоит из 2 сосудов (рис. 1): наружного 4 и внутреннего калориметрического 3. Калориметр закрывается крышкой 5 стремя отверстиями: для воронки 2, мешалки 1 и термометра 6.

7

Перед началом опыта необходимо взвесить сухой калориметрический сосуд (m1).

Соберите калориметрическую установку и через воронку налейте во внутренний калориметрический сосуд рассчитанный объем воды. В мерный цилиндр налейте необходимый объем кислоты и оставьте его на 3-4 мин для выравнивания температур.

Опустите термометр в стакан с кислотой и замерьте ее температуру ТК. Затем, ополоснув шарик термометра водой и осушив его фильтровальной бумагой, опустите термометр в калориметрический стакан и измерьте температуру водыТВ. Среднее арифметическое ТК и ТВ даст Т1 – начальную температуру раствора в калориметре: Т1 = (ТК+ТВ)/2.

Не вынимая термометра, осторожно перемешивая раствор, в калориметре через воронку вылейте раствор кислоты во внутренний калориметрический сосуд с водой. Отметьте самую высокую температуру (Т2) после сливания растворов. Рассчитайте из-

менение температуры в калориметре DТ = Т2 – Т1.

4. Измерьте плотность приготовленного раствора кислоты. Рассчитайте концентрацию полученной кислоты. Сравнитеее с заданной преподавателем величиной.

Содержание отчета

Задание. Приготовить раствор серной или азотной кислоты объемом 200 см3 с заданной концентрацией.

1.Рассчитайте концентрацию исходного раствора.

2.Рассчитайте массу и объем раствора исходной кислоты и воды.

3.Проведите измерения и занесите данные в табл. 1. Количество

8

кость раствора, которуюпринимают равной теплоемкости воды 4,184 Дж/(г∙К); m2 – суммарная масса раствора.

Таблица 1

Экспериментальные данные

Для расчета энтальпии разбавления используйте формулу:

DНразбавления = - Q /n,

где n - число молей кислоты.

4. Рассчитайте теоретическое значение молярной теплоты разбавления и сравните с экспериментально полученным значе-

нием. Молярную энтальпию процесса разбавленияDНразбавления определите по разности энтальпий растворения исходного и ко-

нечного раствора заданной концентрации. Длярасчета энтальпии растворения необходимы данные табл. 7 приложения.

5.Измерьте плотность полученного раствора кислоты и определите его концентрацию. Определите ошибку эксперимента.

6.Сделайте вывод.

7.Ответьте на вопросы, заданные преподавателем.

Задания

1.Сформулируйте закон Гесса и следствия из него.

2.Рассчитайте моляльную концентрацию раствора серной кислоты с массовой долей 62 %.

3.Рассчитайте молярную энтальпию растворения КОН при

приготовлении раствора с молярной концентрацией

2 моль/дм3.

4.Необходимо приготовить 200 г 15%-ногораствора азот-

ной кислоты. Исходный раствор имеет плотность 1,3742 г/см3. Сколько исходного раствора и воды нужно взять?

9

5. В калориметрический стакан массой 120 г сливне 96 г воды и 4 г NaOH. емператураТ раствора увеличилась на 8 ºС. Удельная теплоемкость стекла равна 0,753 Дж/(г∙К); удельную теплоемкость раствора принимают равной теплоемкости воды 4,184 Дж/(г∙К. )Рассчитайте молярную энтальпию растворения Н, сравните ее с табличным значением (табл. 8 приложения) и найдите ошибку.

6.Рассчитайте изменение температуры, которое произойдет при приготовлении 120 г 50%-ного растворасерной кислоты из раствора с массовой долей 90 %. Массу калориметрического стакана возьмите из предыдущей задачи.

7.Необходимо приготовить 250 г 5%-ного растворасерной кислоты. Исходный раствор имеет плотность 1,835 г/см3. Сколько исходного раствора и воды нужно взять?

8.В калориметрический стакан массой 120 г внесли94,4 г воды и 5,6 г КOH.Температура раствора увеличилась на

9.Рассчитайте изменение температуры, которое произойдет при приготовлении 125 г 40%-ного растворасерной кислоты из раствора с массовой долей 80 %. Массу калориметрического стакана возьмите из предыдущей задачи.

10.Необходимо приготовить 200 г 5%-ного растворааммиа-

ка. Исходный раствор имеет плотность 0,89553. г/см Сколько исходного раствора и воды нужно взять?

11.Рассчитайте изменение температуры, которое произойдет при приготовлении 100 г 36%-ного растворасерной кислоты из раствора с массовой долей 80 %. Массу калориметрического стакана примите равной 120 г. Удельная теплоемкость стекла равна 0,753 Дж/(г∙К); удельная теплоемкость раствора 4,184 Дж/(г∙К).

10