Химическая технология неорганических кислот, солей и щелочей. Учебное пособие

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.

ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРОКСИДАНАТРИЯ, ХЛОРА ИВОДОРОДА

Цель работы: смоделировать процесс электролиза водного раствора хлорида натрия для получения гидроксида натрия, хлора и водорода, получить гипохлорит кальция.

Приборы, посуда и реактивы

Пробирки, стакан, воронки, резиновая груша, пипетка, конические колбы на 200 см3, установка для проведения электролиза, лабораторные весы.

Хлорид натрия (насыщенный раствор), гидроксид кальция, иодид калия (5%ныйраствор), соляная кислота концентрацией 0,1 моль/л, крахмал (водный раствор), фенолфталеин (спиртовой раствор).

Краткие теоретические сведения

Сырьем для электролитического производства щелочи в промышленности являются водные растворы NaCl. При электролизе водного раствора хлорида натрия в качестве конечных продуктов образуются раствор гидроксид натрия, хлори водород. Получаемый в процессеэлектролиза хлор используется для производства гипохлорита натрия (белильная известь), раствора гипохлорита натрия (белильныйраствор) и в реакциях хлорирования. Поэтому в работе, кроме основной части ее – проведения процесса электролиза, изучаются также свойства получаемой хлорной извести.

Электролиз водного раствора хлорида натрия проводят в электролизере колокольного типа с железным катодом и графитовым анодом. В электролитической ванне протекают процессы диссоциации хлорида натрия и автопротолиза воды.

Уравнение электролиза водного раствора хлорида натрия можно представить в виде:

21

2NaCl + 2H2O = H2 + 2NaOH + Cl2.

Восстановление воды на катоде приводит к повышению концентрации ионов OH- в катодном пространстве. При еремепщении их к аноду возможно протекание побочной реакции разряда с образованием кислорода, загрязняющего выделяющийся на аноде хлор:

4OH- -4е = О2 +2H2O.

Для устранения этого в промышленных условиях катодное и анодное пространства разделяют «фильтрующей» диафрагмой, препятствующей смешению их продуктов, и подают свежий раствор хлорида натрия в анодное пространство со скоростью выше скорости образования ионов OH-, вытесняя тем самым продукты электролиза в катодное пространство.

Важнейший вторичный процес при электролизе водного раствора хлорида натрия с железным катодом – реакциибразования гипохлорита и хлората натрия, протекающиев результате растворения хлора в электролите, диффузии ионов OH- в анодное пространство или смешения продуктов из анодного и катодного пространства:

Cl2 + H2O HClO + HCl.

HClO +NaOH NaClO + H2O.

NaClO NaClO3 + NaCl.

Вторичные процессы снижают выход по току основных продуктов электролиза. Поэтому для их подавления применяют в качестве электролита концентрированный раствор хлорида натрия и ведут электролиз при повышенной температуре, что понижает растворимость хлора в электролите, а анодрасполагают на достаточном удалении от колокола электролизера, то тьес от катодного пространства. Чтобы избежать смешения образующихся при электролизе хлора и водорода, их отводят и собирают отдельно.

22

Хлорную известь получают в процессе проведения электролиза, пропуская ток выделяющегося хлора через твердый гидроксид кальция:

2Ca(OH)2 +2Cl2 = Ca(OCl)2 +CaCl2 + 2H2O.

Образующаяся хлорная известь представляет смесь гипохлорита, хлорида и не вошедшего в реакцию гидроксида кальция переменного состава. Привзаимодействии с кислотами она выделяет свободный, так называемый «активный» хлор:

Ca(OCl)2 + 4HCl= CaCl2+2H2O + Cl2.

Содержание активного хлора в техническом продукте - это условное выражение окислительной способности хлорной извести. Обычно содержание активного хлора составляет 30-38 %.

Порядок выполнения работы

1. Установка для проведения процесса электролиза раствора хлорида натрия и получения хлорной извести (рис. 4) состоит из системы электропитания, электролитической ванны и системы поглощения хлора.

Рис. 4. Установка для электролиза раствора хлорида натрия

23

Система электропитания включает источник постоянного тока (выпрямитель) 1, автотрансформатор 2, вольтметр 3 и амперметр 4. Если используется выпрямитель типа ВС-24, амперметр и вольтметр встроены непосредственно в прибор.

Электролитическая ванна (электролизер) - это стеклянный сосуд 5 с колоколом 6, внутри которого помещен катод 7 из стальной или никелевой проволоки диаметром 2–4 мм, не дох - дящей до нижнего среза колокола на 30–50 мм. Чезр отводную трубку 8 и промывную склянку 9, наполненную раствором гидроксида натрия (счетчик пузырьков), колокол соединен с цилиндром для сбора водорода 10, погруженным в кристаллизатор с водой. В пробке сосуда 5 укреплены угольной (графитовый) анод

вести состоит из стеклянной поглотительной трубки 13, последовательно соединенной с промывной склянкой 14, наполненной водой (счетчик пузырьков), и воронкой 15, погруженной раструбом в чашку с раствором гидроксида натрия для поглощения остатков хлора. Черезотводящую хлор трубку 11 поглотительная трубка присоединена к электролизеру. Термометр 16 служит для измерения температуры водорода, собираемого в мерном цилиндре 10.

2. Навеску гидроксида кальция 1,0-2,0 г, взятую на технических весах с точностью до 0,01 г, поместитев поглотительную трубку 13 так, чтобы над слоем гидроксида оставался только узкий канал для прохода газа. Поглотительную трубку соедините с газоотводной трубкой 11 и промывной склянкой 14.

При введенном автотрансформаторе включите выпрямитель и через минуту плавно выведите автотрансформатор, устанавливая силу тока по амперметру 2,0-2,5 А и напряжение по вольтметру 12-15 В. Как только начнется выделение газов на электродах, наконечник отводной трубки от промывной склянки 9 подводят под устье мерного цилиндра 10 и отмечают время электролиза. В процессе работы следят за интенсивностью прохождения пузырьков газа в промывной склянке 14. Сначала вследствие поглощения хлора гидроксидом кальция скорость выделения пузырьков неве-

24

лика, но в дальнейшем возрастает, что указывает на окончание реакции хлорирования гидроксида кальция в трубке 13.

По истечении заданного времени электролиза выключают выпрямитель, замеряют объем водорода в мерном цилиндре 10 и записывают барометрическое давление и температуру по термометру.

Содержание отчета

Задание. Получить раствор гидроксида натрия, хлора, водорода и хлорной извести.

1.Приготовьте 25%-ный раствор хлорида натрия массой 100 г.

2.Запишите массу навески гидроксида кальция.

3.Рассчитайте массу хлора, образовавшегося на аноде (расчет по закону Фарадея) при времени реакции 40 мин, силе тока 10 А.

4.По уравнению реакции взаимодействия хлора с гидроксидом кальция рассчитайте массу хлорной извести, образовавшейся в

поглотительной трубке.

5. Рассчитайте массовую долю раствора гидроксида натрия, образовавшегося на катоде (расчетпо закону Фарадея). При расчете учитывайте, что массараствора в результате электролиза уменьшается.

6.Рассчитайте объем водорода, образовавшегося на катоде (расчет по закону Фарадея).

7.Определите объем водорода, образовавшегося в мерном цилиндре, и рассчитайте выход реакции (по водороду).

8.Сделайте вывод.

Задания

1.Закон Фарадея.

2.Закономерности протекания катодного и анодного процессов.

25

3.Используя рис. 4, укажите номер в схеме, которым обозначен катод. Какая редас на катоде? Напишите уравнение катодного процесса. Какой на катоде образуется газ? Где он собирется (номерв схеме)?

4.Используя рис. 4, укажите номер в схеме, которым обозначен анод. Что образуется на аноде? Где собирется этот продукт (номера в схеме)? Какая среда в этих емкостях?

5.На рис. 4 изображены5 растворов в различных емкостях. Укажите, растворы каких веществ в них находятся и какая среда образуется в результате электролиза в каждом из растворов.

6.Почему один из электродов (рис. 4) помещен в колокол 6? Что это за электрод? Запишитеуравнение процесса, протекающего на этом электроде. Какой газ выделяется? Почему этот газ собирают таким образом?

7.Если в установку, представленную на рис. 4, поместить раствор не хлорида, а нитрата натрия, какие элементы установки нужно изменить. Внесите изменения в рис. 4. Какой из процессов (катодный или анодный) будет иметь другое уравнение? Запишите этот процесс для хлорида натрия и для нитрата натрия.

8.Выход по газу или выход по результатам титрования раствора, образовавшегося в результате электролиза, должен быть выше и почему? (Приловииус герметичности системы.)

9.Рассчитайте массу хлорида натрия, оставшегося в растворе после проведения электролиза.

10.Рассчитайте массовую долю раствора гидроксида натрия, и объем хлора, образовавшегося в результате электролиза раствора хлорида натрия, протекающего в течении 60 мин при силе тока 8,2 А. Примите выход по току равным 75 %.

11.Найдите объем водорода, образовавшегося в результате электролиза раствора хлорида натрия, протекающего в течении 30 мин при силе тока 12 А. Примите выход по току равным 65 %.

26

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5.

ПОЛУЧЕНИЕ КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ

Цель работы: изучить способ получения щелочи методом электролиза, рассчитать время электролиза, определить факторы, влияющие на выход продукта.

Приборы, посуда и реактивы

Электролизер (U-образная трубка) с графитовыми электродами; источник постоянного тока; мерные цилиндры; конические колбы на 100 см3; пипетки на 1, 5 см3; бюретка на 25 см3; химический стакан; резиноваягруша; штатив; фильтровальная бумага, наждачная бумага.

Растворы нитрата натрия с массовой долей NaNO3 5-10 %; соляной кислоты с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/дм3 (фиксанальный); гидроксида натрия с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/дм3 (фиксанальный); раствор фенолфталеина; раствор метилового оранжевого; дистиллированная вода.

Краткие теоретические сведения

Каустическая сода также называется едким натром, каустиком, едкой щёлочью, представляет собой гидроксид натрия. Гидроксид натрия применяется:

- в целлюлозно-бумажной промышленности для отделения лигнина от целлюлозы при производстве бумаги, картона;

-для омыления жиров при производстве мыла и других моющих средств;

-для нейтрализации кислот, как реагент или катализатор в химических реакциях, в химическом анализе для титрования;

-для травления алюминия и в производстве чистых металлов;

-для очистки нефти и масел;

-для изготовления биодизельного топлива;

27

-в гражданской обороне для дегазации и нейтрализации отравляющих веществ;

-в пищевой промышленности.

Самым современным из способов получения гидроксида натрия является электролитический. При электролизе водного раствора хлорида натрия образуются раствор гидроксид натрия, водород и хлор, который является токсичным удушающим газом. При попадании в лёгкие вызывает ожог лёгочной ткани, удушье.

Предельно допустимая концентрация хлора в атмосферном воздухе: среднесуточная — 0,03 мг/м³; максимально разовая — 0,10 мг/м³. При работе с хлором следует пользоваться защитной спецодеждой, противогазом, перчатками.

Чтобы избежать работы с опасным и высокоядовитым ве-

При разделении катодного и анодного пространства возможно получение раствора щелочи и кислоты в результате процесса электролиза.

Порядок выполнения работы

1. Для проведения электролиза используйте электролизер (рис. 5) с разделительной перегородкой – стекловолокном. С помощью мерной пипетки налейте в оба отделения электролизёра по 25 см3 раствора нитрата натрия и опустите инертные графитовые электроды, предварительно очищенные наждачной бумагой и промытые дистиллированной водой. Подсоедините электролизёр к источнику постоянного тока и подключите его к электрической сети. Наблюдайте выделение газа.

28

Рис. 5. Схема установки: 1 – сосуд; 2 – раствор нитрата натрия; 3 – графитовые электроды; 4 – стекловолокно

2. Используя первый закон Фарадея, рассчитайте время необходимоедля получения заданной массы щелочи при известной силе тока.

3. Проведите электролиз согласно рассчитанному времени. По окончании процесса отключите источник тока от электрической сети.

4. Подставив два стакана к катодному и анодному пространству электролизера, осторожно перелейте раствор, наклонив электролизер. Измерьте объем катодного и анодного пространства мерным цилиндром.

5. С помощью пипетки и резиновой груши отберите 5 см3 катодного раствора и перенесите в колбу для титрования. Добавьте 2- 3 капли фенолфталеина к данному раствору. В какой цвет окрасился индикатор? Оттитруйте раствор щелочи соляной кислотой с молярной концентрацией эквивалента 0,1моль/дм3 и рассчитайте концентрацию полученного гидроксида натрия. Вычислите массу полученной щелочи и выход продукта.

6. Отберите 5 см3 образовавшегося раствора кислоты из соответствующего стакана. Добавьте к данному раствору 10 см3 раствора гидроксида натрия с молярной концентрацией эквивалента

29

0,1 моль/дм3. Оттитруйте избыток добавленной щелочи соляной кислотой с молярной концентрацией эквивалента 0,1льмо/дм3, рассчитайте объем раствора щелочи, пошедшей на титрование соляной кислотой V(1NaOH) и объем раствора щелочи, пошедший на нейтрализацию азотной кислоты (V2NaOH). Зная объем раствора щелочи V2NaOH по закону эквивалентов, найдите концентрацию азотной кислоты в анодном пространстве. Вычислите массу полученной кислоты и выход продукта.

7. По окончании опыта промойте электролизер и электроды дистиллированной водой.

Содержание отчета

1.Опишите свои наблюдения (отразите их на рисунке). Напишите уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде, и общее уравнение электролиза раствора нитрата натрия.

2.Рассчитайте время, необходимое для получения заданной массы щелочи.

3.Внесите результаты титрования раствора щелочи в табл. 5.

Таблица 5

Результаты титрования катодного пространства

Приведите расчеты.

4. Внесите результаты обратного титрования раствора щелочи в табл. 6.

По закону Фарадея найдите массу азотной кислоты, которую можно получить теоретически. Рассчитайте выход по кислоте.

5. Сравните выход по щелочи и по кислоте. Сделайте вывод.

30