Химическая технология неорганических кислот, солей и щелочей. Учебное пособие

Задания

1.Назовите факторы, которые влияют на выход продукта электролиза.

2.Назовите области применения гидроксида натрия.

3.Электролиз раствора нитрата натрия проводили в течение

40 мин при силе тока 0,15 А. Раствор, полученный из катодного пространства, имеет объем 20 cм3. На титровании 5 мл раствора потрачено 7,5 мл 0,1 моль/дм3 раствора со-

ляной кислоты. Раствор, полученный из анодного пространства, имеет объем 20 cм3. Для обратного тирования

полученной щелочи и кислоты и выход по току.

5.Электролиз раствора нитрата натрия проводили в течение

25 мин при силе тока 0,08 А. Раствор, полученный из катодного пространства, имеет емобъ 20 3.cм На

полученной щелочи и кислоты и выход по току.

31

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОДУКЦИОННОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

Цель работы: научиться определять концентрацию азотной кислоты по плотности и температуре, а такженаходить массовую долю оксидов азота, растворенных в азотной кислоте, титриметрическим методом

Приборы, посуда и реактивы

Термометр ТЛ–2 с диапазономизмерения 0–150 оС, набор ареометров ГОСТ 18481–81, бюретка вместимостью 25 см3, 2 шт., мерные цилиндры вместимостью 10, 25 и 50 см3, мерная пипетка вместимостью 10 см3, коническая колба с пробкой вместимостью

250 см3, 2 шт.

Соль Мора FeSO4.(NH4)2SO4.6Н2О «х. ч., раствор с концентрацией эквивалентов 0,1 моль/дм3, серная кислота «х. ч., раствор с массовой долей 25 %, перманганат калия «х. ч., раствор с концентрацией эквивалентов 0,1 моль/дм3, концентрированная азотная кислота.

Краткие теоретические сведения

Азотная кислота HNO3 – это сильная одноосновная кислота, при обычных условиях бесцветная, едкая, очень кислая жидкость, дымящая на воздухе; один изнаиболее важных продуктов химической промышленности. В тсутствиио воды азотная кислота неустойчива, разлагается на свету с выделением кислорода уже при обычных температурах:

4HNO3=4NO2+2H2O+O2,

причем выделяющаяся двуокись азота окрашивает кислоту в желтый, а при высоких концентрациях NO2 – в красный цвет и раствор приобретает специфический запах.

32

В зависимости от концентрации азотной кислоты выпускают ряд коммерческих продуктов, которые различаются между собой не только по физическим свойствам, но ипо химическим, в частности, с величениему концентрации усиливаются окислительные свойства HNO3.

Выделяют неконцентрированную (слабую) и концентрированную азотную кислоту. Неконцентрированную кислоту используют для производства аммиачной селитры, сложныхинеральмных удобрений и для приготовления минеральной добавки к аммиачной селитре.

Концентрированная азотная кислота выпускается двух марок - А и Б. Азотная кислота марки А применяется в производстве изделий электронной и радиоэлектронной промышленности, в процессах нитрования органических соединений, в производстве взрывчатых веществ, при химической обработке металлов, в медицинской промышленности, в производстве пластмасс и для других целей. Азотная кислота марки Б применяется для гальванических работ, в производстве химических реактивов, для растворения примесей промышленных продуктов, в процессах нитрования органических соединений, в производстве взрывчатых веществ и для других целей.

Качество продукционной азотной кислоты должно удовлетворять ряду требований (табл. 2 и 3 приложения), наиболее важными из которых являются массовая доля азотной кислоты, и массовая доля оксидов азота (в пересчете на N2O4).

Порядок выполнения работы

1. Определите массовую долю азотной кислоты по плотности и температуре методом измерения плотности и температуры исследуемого образца с последующим определением массовой доли (%) азотной кислоты по табличным данным. Погрешность методики ±0,4 %, диапазон измерений концентрации ки-

слоты 30–70 %.

Мерный цилиндр ополосните небольшим объемом раствора анализируемой азотной кислоты. Наполнитецилиндр свежей порцией кислоты и погрузите в неё термометр и ареометр.

33

Ареометр погрузите так, чтобы он енкасался стенок цилиндра, окунув его полностью. Зафиксируйте показания. Измеренное значение плотности раствора приведите к температуре 20 ˚С по формулам:

ρ20 = ρt + K∙(t - 20),

если температура измерения выше 200С и

ρ20 = ρt - K∙(t - 20),

если температура ниже 20 0С.

Здесь ρ20 - плотность раствора азотной кислоты при 20 оС (г/см3), ρt - плотность этого же раствора, измеренная при температуре эксперимента (t), К поправочный коэффициент, величину которого определяют по табл. 7.

Таблица 7

Поправочный коэффициент к расчету плотности растворов азотной кислоты

Используя приведенную к 20 оС плотность исследуемого раствора, найдите массовую долю (%) азотной кислоты в образце.

2.Определите массовую долю оксидов азота, растворенных

вазотной кислоте, титриметрическим методом. Метод применя-

ют для определения массовой доли оксидов азота в диапазоне 0,01–0,46 %. Он обеспечивает выполнение измерений с погрешностью ±10 % в диапазоне массовых долей оксидов азота 0,02– 0,07 %.

Метод основан на окислении оксидов азота, растворенных в азотной кислоте, раствором перманганата калия в кислой среде с последующим титрованием избытка КМ4nOаствором соли

34

Мора. Схемы процессов (без стехиометрических коэффициентов) имеют вид:

N2O4 + KMnO4 + H2O → KNO3 + Mn(NO3)2 + HNO3,

FeSO4 +KMnO4 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + K2SO4 + MnSO4 + H2O.

пробу HNO3, закройте колбу пробкой и содержимое встряхивайте до полного поглощения оксидов азота. Обмойте пробку водой, промывные воды слейте в ту же колбу и титруйте содержимое раствором соли Мора до обесцвечивания. После этого прибавьте по каплям раствор КМnO4 до появления розового окрашивания от одной капли КМnO4. Зафиксируйте объёмы растворов, пошедших на титрование.

За результат анализа принимайте среднее арифметическое трех параллельных измерений, расхождение между которыми не превышает 0,01 % для интервала массовой доли оксидов азота 0,02–0,07 % и 0,04 % для интервала 0,07–0,20 %.

35

Содержание отчета

1.С помощью электронно-ионных уравнений расставьте коэффициенты в уравнениях.

2.Определите массовую долю азотной кислоты по плотности и температуре с учетом поправки.

3.Рассчитайте эквивалентную концентрацию раствора КМnO4 и массовую долю оксидов азота, растворенных в азотной кислоте, по результатам титрования. Данные представьте в виде табл. 8.

4.Рассчитайте ошибку эксперимента по результатам трех измерений.

5.Сделайте вывод.

Задания

1.Физико-химические основы технологии получения азотной кислоты.

2.Основные стадии получения азотной кислоты.

3.Основы процесса окисления нитрозных газов.

4.Прямой синтез концентрированной азотной кислоты.

5.Классификация продукционной азотной кислоты.

6.На абсорбцию поступает нитрозный газ содержащий 2 %

NO2 и 1.8 % (об) N2O2. Абсорбцию ведут 50%-ной HNO3 при 25 0С и 1∙10 5 Па ( 1 атм). Найти степень поглощения окислов азота степень превращения их в азотную кислоту и состав газа после абсорбции если будет достигнуто равновесие. Окисление NO кислородом в расчете не учитывать.

36

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7.

ОЧИСТКА ХЛОРИДА НАТРИЯМЕТОДОМ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Цель работы: познакомиться с методом кристаллизационной очистки твердых веществ, очистить хлорид натрия от примеси методом изотермической кристаллизации.

Приборы, посуда и реактивы

Химический стакан вместимостью 100 3см, мерный цилиндр вместимостью 50 см3 мерные колбы вместимостью 50 см3; конические колбы вместимостью 250 см3; бюретка вместимостью 25 см3; мерные пипетки на 5 и 10 см3, фарфоровая чашка, стеклянная палочка, фильтровальная бумага, асбестовая сетка.

Хлорид натрия (каменнаясоль), хлорид калия, х. ч., дистиллированная вода.

Весы, электрическая плитка, сушильный шкаф.

Краткие теоретические сведения

Кристаллизация — это процесс выделения твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов, протекающий без каких-либо химических реакций.

Известны следующие способы кристаллизации: кристаллизация с удалением части растворителя, кристаллизацияс охлаждением или нагреванием раствора, комбинированные способы.

Частичное удаление растворителя производят или его испарением, или вымораживанием. Испарение получило большее распространение. Способ называют изотермическим.

Кристаллизация с изменением температуры (изогидрическая) осуществляется при постоянном содержании в растворе растворителя. Пересыщение растворов чаще всего достигается охлаждением раствора. Охлаждающий агент - чаще всего вода, можно использовать воздух или рассолы.

37

Основными показателями кристаллизации определенного вещества из раствора можно считать:

1)концентрацию основного вещества в исходном растворе перед началом кристаллизации сисх;

2)концентрацию основного вещества в маточном растворе при конечных условиях кристаллизации см;

3)концентрацию основного вещества в кристаллах скр

4)степень выделения основного вещества в твердую фазу при конечных условиях кристаллизации (степень кристаллизации

основного вещества) - αтв, выражаемую обычно в долях.

При рассмотрении явлений очистки веществ в процессах

кристаллизации имеют первоочередное значение показатели, характеризующие уменьшение соотношения содержания примеси и основного вещества в кристаллах в сравнении с соотношением в исходном растворе перед кристаллизацией. Крометого, представляют интерес показатели, характеризующие концентрирование примеси в маточном растворе.

Важными показателями являются коэффициенты очистки или концентрирования примеси соответственно для кристаллов и маточного раствора с обозначениями Ккр и Км:

где а – концентрация примеси соответственно в кристаллах, исходном и маточном растворе.

Эти коэффициенты показывают, во сколько раз меньше относительная концентрация примеси в кристаллах и больше в маточном растворе по сравнению с исходным раствором перед кристаллизацией. Естественно, коэффициенты К всегда больше единицы или в пределе равны единице.

Практические коэффициенты очистки кристаллов и концентрирования в маточных растворах можно легко определить по непосредственным результатам анализов на основное вещество и примесь исходных растворов и конечных продуктов кристаллизации.

38

Суждение о сущности явлений сокристаллизации невозможно без применения еще одного показателя - коэффициента сокристаллизации микропримеси (или коэффициент распределения микропримеси) D, характеризующего фракционирование микропримеси между твердой фазой и маточным раствором:

D = акр : ам .

скр см

Понятно, что приочистке кристаллов в процессе кристаллизации D< 1. Если кристаллизация проводится путем охлаждения раствора без заметного испарения растворителя, то величина степени кристаллизации основного вещества αтв (в долях) рассчитывается по формулам:

aтв =1- см ×100- сисх . сисх 100- см

Вышеперечисленные формулы пригодны не только при кристаллизации путем охлаждения без испарения растворителя, но и при любых других условиях проведения кристаллизации, если заменить величину концентрации основного вещества в исходном растворе сисх величиной с концентрации основного вещества в системе (в совокупности кристаллов и маточного раствора) при конечных условиях кристаллизации.

Кристаллизацию обычно проводят, понижая растворимость кристаллизуемого вещества за счет изменения температуры раствора или удаления части растворителя. Под растворимостью понимают содержание растворенного вещества в насыщенном растворе. Растворимость можно выражать различными способами, например, молярной концентрацией насыщенного раствора или массовой долей растворенного вещества. Растворимость (коэф-

39

фициент растворимости КS) обычно выражается в граммах растворенного вещества на 100 грастворителя.

Поваренная соль отличается умеренной растворимостью в воде, причем это свойство мало зависит от температуры (табл. 9). Поэтому для очистки хлорида натрия не подходит

Для количественного определения хлорида натрия используют реакцию образования осадка галогенида серебра:

Ag+ + Clˉ = AgCl↓.

Раствор соли титруют раствором нитрата серебра, концентрация которого известна. Дляопределения конца реакции к раствору галогенида добавляют в качестве индикатора каплю на-

значительно больше растворимости хлорида серебра, хромат серебра начинает выпадать в осадок только после практически полного осаждения ионов хлора. Внешне это проявляется в побурении белого осадка хлорида серебра, чтои служит признаком конца реакции между хлоридом натрия и нитратом серебра.

40