Химическая технология неорганических кислот, солей и щелочей. Учебное пособие

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.

АДСОРБЦИЯ АММИАКА ИЗ ВОДНОГО РАСТВОРА НА УГЛЕ

Цель работы: изучить адсорбцию аммиака на активированном угле, определить константы в уравнении Фрейндлиха.

Приборы, посуда и реактивы

Конические колбы вместимостью 250 см3 (6 шт.), конические колбы вместимостью 100 см3 (9 шт.), мерный цилиндр на 100 см3, пипетки на 5; 10; 15; 25; 50 см3, 2 бюретки на 25 см3, весы химические.

Раствор аммиака 0,4 моль/дм3, раствор НCl 0,2 моль/дм3, активированный уголь, раствор метилового красного.

Краткие теоретические сведения

Молекулярная адсорбция из растворов описывается уравнением Фрейндлиха

А= mх = К С1р/n,

где Ср – равновесная концентрация растворённого вещества, моль/дм3; x/m – количество адсорбированного вещества на единицу масса адсорбента, моль/кг;К – константа, соответствующая массе адсорбированного вещества при равновесной концентрации, равной единице; 1/n – константа, характеризующая степень приближения изотермы адсорбции к прямой.

Количественной характеристикой адсорбционной системы является изотерма адсорбции (рис. 2)Она. показывает зависимость между количеством поглощенного вещества и его концентрацией в объеме фазы при постоянной температуре в условиях адсорбционного равновесия.

11

При малых концентрациях растворённого вещества адсорбция линейно возрастает с увеличением концентрации, константа 1/n = 1. Адсорбция прямо пропорциональна концентрации.

А

A= A¥

С

Рис. 2. Изотерма адсорбции

При больших концентрациях растворённого вещества достигается насыщение поверхности адсорбента, количество адсорбированного вещества при этом уже не зависит от концентрации, оно постоянно и соответствует предельной адсорбции, константа 1/n = 0. В области средних концентраций наблюдается нелинейная зависимость адсорбции от концентрации, 0 < 1/n < 1. Такой вид изотермы сорбции описывает уравнение Ленгмюра.

Порядок выполнения работы

1.Измерьте плотность раствора аммиака, определите его концентрацию. Для определения концентрации используйте дан-

ные табл. 6 приложения. Рассчитайте объем исходного раствора аммиака и объем воды. Приготовьте 500 см3 раствора аммиака с концентрацией 0,4 моль/дм3.

2.Приготовьте шесть растворов различных концентраций

аммиака (по 100 см3), смешивая указанные в табл. 2 объёмы 0,4 моль/дм3 аммиака и дистиллированной воды. Взвесьт шесть навесок активированного угля по 2,5 г.

12

Концентрации исследуемых растворов до (Со) и после адсорбции (С) определяют титрованием аликвотной части раствора (103) см 0,2 моль/дм3 раствором НCl в присутствии метилового красного (окраска изменяется с желтой в щелочной среде на розовую) и ссчира-

тывают по уравнению: С = СкV×Vк ,

где Ск – концентрация раствора кислоты, моль/дм3; Vк – объём раствора кислоты, пошедшийна титрование, см3; V – объём взятого для титрования раствора аммиака, см3.

4. Введите по 2,5 г адсорбента (активированный уголь) в каждый раствор и выдерживайте при периодическом встряхивании в течение 40 мин. Затемуголь из растворов отфильтруйте через бумажные складчатые фильтры и определите концентрацию растворов после адсорбции.

5. Количество адсорбированного вещества вычислите по формуле

V – объём раствора, из которого осуществляется адсорбция, дм3; m – масса адсорбента, г.

5. Найдите константы в уравнении Фрейндлиха. Для нахождения значений констант К и 1/n уравнение логарифмируйте:

13

lgА = lgK + 1/n lgС.

Рассчитайте величины lgA и lgC для всех растворов. Экспериментальные данные и результаты расчётов занесите в табл. 3. По полученным данным постройте график зависимости Аlg = f( lgС). При этом значения lgA отложите по оси ординат, а lgС – по оси абсцисс. Полученный график имеет вид прямой линии (рис. 3). Отрезок, отсекаемый на оси ординат, даёт значение lgK (значение берут в масштабе оси ординат). Тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс (tgφ) равен 1/n, его вычислите как отношение катетов треугольника с учётом масштаба осей координат (tgφ = y/x).

lgС

lgК

y

φ

x

lgA

Рис. 3. Графическое определение констант К и 1/n

Затем определите отношение концентрации раствора после адсорбции к величине адсорбцииС/А и постройте график зависимости отношения С/А = f(C). Эта зависимость выражается уравнением

Из графика зависимости отношенияС/А = f(C) найдите предель-

ное значение адсорбции А∞ как котангенс угла наклона прямой к оси абсцисс.

6. По величине предельной адсорбции определите удельную поверхность адсорбента – площадь поверхности, приходящуюся на 1 кг адсорбента, Sуд, м2/кг,

14

Sуд = А∞∙ S0∙ NA,

где NA – постоянная Авогадро, 6,02·1026 кмоль–1; S0 – площадь поперечного сечения молекулы, м2.

Содержание отчета

1. Рассчитайте исходную концентрацию раствора аммиака, объем раствора аммиака и объем воды для приготовления раствора аммиака с концентрацией 0,4 моль/дм3.

2.Запишите массы навесок активированного угля.

3.Проведите титрование растворов аммиака различной концентрации до сорбции и после сорбции. Результаты титрования занесите в табл. 3.

4.Проведите вычисления количества адсорбированного вещества, постройте изотерму сорбции (рис. 2). Определите предельное значение сорбции.

5. Рассчитайте величины lgA и lgC, постройте график зависимости lgА = f( lgС) (рис. 3), определите параметры уравнения Фрейндлиха.

15

6. Рассчитайте С/А и постройте график зависимости отношения С/А = f(C). Найдите предельное значение адсорбции и сравните со значением, полученным из изотермы сорбции.

7.Определите удельную поверхность адсорбента.

8.Сделайте вывод.

Задания

1.Физико-химические основы производства аммиака.

2.Адсорбионные методы очистки из смеси газов или паров.

3.Адсорбция из раствора на твёрдом адсорбенте, еёособенности.

4.Химическая и физическая адсорбция. Типы адсорбционных взаимодействий.

5.Количественная характеристика адсорбции.

6.Уравнение Фрейндлиха, нахождение констант этого уравнения.

7.Нахождение предельной адсорбции и расчёт удельной поверхности адсорбента.

8.Что собой представляет изотерма адсорбции?

9.Подчиняется ли сорбция аммиака модели Френдлиха?

10.Является ли справедливым для сорбции аммиака описание с помощью модели Ленгмюра?

16

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ЖЕЛЕЗА (III) В СЕРНОЙ И АЗОТНОЙ КИСЛОТАХ

Цель работы: освоить методы определения физикохимических показателей, нормируемых для продукционной серной и азотной кислоты

Приборы, посуда и реактивы

Мерная колба вместимостью 250 см3; 100 см3; 50 см3, мерные пипетки, мерные цилиндры.

Железоаммонийные квасцы NH4Fe(SO4)2·12H2O, вода дистиллированная, раствор соляной кислоты с концентрацией 10 % масс., раствор роданида аммония с концентрацией 10 % масс. Серная кислота техническая, азотная кислота техническая.

Фотоэлектроколориметр КФК–2 МП с комплектом кювет, имеющих толщину поглощающего слоя 10 мм.

Краткие теоретические сведения

Серная кислота является одним из основных продуктов химической промышленности. Она находит разнообразное применение в нефтяной, металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и других отраслях производства, используется при получении минеральных удобрений, кислот и солей, пластических масс и для многих других целей. В связи с дифференциацией требований к качеству серной кислоты, кроме технической контактной кислоты I и II сорта, выпускаются два сорта улучшенной кислоты высшего и I сорта. Все они различаются нормами физико-химических показателей, однимиз которых является содержание железа (III) (табл. 4 приложения).

Азотная кислота - сильная кислота, являющаяся сильным окислителем. Кислота с массовой долей около 60 % служит сырьем для получения огромного количества химических продуктов: азотных удобрений, взрывчатых веществ, красителей и

17

других. К качеству продукционной азотной кислоты предъявляют следующие требования (табл. 2, 3 приложения): массовая доля азотной кислоты не менее 57 %,содержание прокалённого остатка не более 0,004 %, хлоридов не более 10 мг/кг (в пересчете на Сl–), оксидов азота (в пересчете на N2O4) не более 0,07 %. По ГОСТ 4461–77 определяют также содержание катионов железа (не более 0,0003 %), кальция (не более 0,001 %), мышьяка (не более 0,000003 %), свинца (не более 0,00002 %), анионов сульфата (не более 0,002 %) и фосфата (не более

0,002 %).

Порядок выполнения работы

0,25 дм3 в небольшом количестве дистиллированной воды, добавьте 25 см3 10 % масс. раствора соляной кислоты для предотвращения гидролиза и доведите водой до метки.

2. Для определения содержания ионов железа необходимо построить градуировочный график зависимости оптической плотности от концентрации ионов железа в растворе. Для этого приготовьте серию эталонных растворов. В мерные колбы объемом 50 см3 налейте отмеренный объем стандартного раствора со-

ли железа (III) с концентрацией 0,1 мг/см3. Соответственно в первую колбу – 0 см3, во вторую – 0,5 см3, в каждую следующую 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 см3. В каждую колбу добавьте по 1 см3 10 % масс. раствора соляной кислоты и по 1 см3 10 % масс. раствора роданида аммония и доведите объем раствора водой до метки. Содержимое колбы перемешайте.

3.Измерьте оптическую плотность эталонных растворов на фотоэлектроколориметре КФК–2 МП в кюветах с толщиной слоя 10 мм, начиная с минимального по концентрации, при длине волны 490-510 нм. Постройте градуировочный график.

4.Отберите пробу технической серной кислоты пипеткой

18

В колбу прилейте 2 см3 раствора роданида аммония. Раствор охладите до комнатной температуры, долейте водой до метки и перемешайте.

5. Измерьте оптическую плотность исследуемого раствора на фотоэлектроколориметре в тех же условиях, чтоидля построения градуировочного графика. Пользуясьграфиком зависимости А = f(CFe3+), найдите содержание ионов железа в растворе.

Аналогично проведите определение содержания железа в азотной кислоте.

Содержание отчета

Задание. Анализ серной или азотной кислоты на содержание железа (III).

1. Рассчитайте массу исходного раствора для приготовления 10 % масс. раствора соляной кислоты, массу навески для 10 % масс. раствора роданида аммония.

2. Приготовьте серию эталонных растворов, измерьте оптическую плотность. Рассчитайте концентрацию эталонных растворов. Данные занесите в табл. 4.

3. Постройте градуировочный график зависимости оптической

плотности раствора А от концентрации ионов железа (III)С (мкг/см3).

19

4.По графику зависимости А = f(CFe3+) найдите содержание ионов железа в фотометрируемом растворе.

5.Рассчитайте концентрацию железа в кислоте и сделайте вывод, соответствует ли она ГОСТ 4461–77 (табл. 2, 3 приложения).

Задания

1.Классификация продукционной серной и азотной кислот.

2.Физико-химические показатели, нормируемые для концен-

4.Рассчитайте массу навески железоаммонийных квасцов

NH4Fe(SO4)2·12H2O, необходимую для получения раствора, содержащего 1 мг/см3 железа (III), объемом 500 см3.

5.Содержание железа в пробе рассчитано по результатам фотометрирования и составляет 2,1 мкг/см3. Для приготовления

раствора брали 5 мл азотной кислоты и готовили анализируемый раствор в мерной колбе на 200 см3. Рассчитайте содержание железа в азотной кислоте. Соответствует ли кислота ГОСТу по содержанию железа?

6.Для приготовления раствора брали 1 мл азотнойкислоты и готовили анализируемый раствор в мерной колбе на 100 см3.

Содержание в пробе рассчитано по результатам фотометрирования и составляет 1,5 мкг/см3. Рассчитайте содержание железа в азотной кислоте. Соответствует ли кислота ГОСТ 4461–77 по содержанию железа?

7.Содержание железа в пробе составляет 0,8 мкг/см3. Для при-

готовления раствора брали 2,5 мл азотной кислоты и готовили анализируемый раствор в мерной колбе на 100 3см. Рассчитайте содержание железа в азотной кислоте. Соответствует ли кислота ГОСТ 4461–77 по содержанию железа?

20