Химическая технология неорганических кислот, солей и щелочей. Учебное пособие

Порядок выполнения работы

1. Во взвешенный химический стакан емкостью 100 см3 насыпьте ≈ 25 г загрязненного хлорида натрия и взвесьте. По разности найдите массу пробы хлорида натрия.

2. Пользуясь данными по растворимости (табл. 9), рассчитайте объем воды, необходимый для получения насыщенного раствора при 100 °С. Прибавьте кнему 2-5 см3. Отмерьте требуемый объем воды мерным цилиндром и налейте ее в стакан с навеской NaСl.

3. Смесь нагрейте до кипения, помешивая стеклянной палочкой, при этомвся соль должна раствориться. Как только весь хлорид натрия растворится, нагревание прекращают.

4.Горячий раствор отфильтруйте через складчатый фильтр, используя воронку для горячего фильтрования для удаления нерастворимых примесей

5.Выпаривайте раствор до тех пор, пока его объем не уменьшится в два раза.

6.Охладите полученный раствор до 20 °С.

7.Выпавшие кристаллы отфильтруйте через предварительно взвешенный фильтр. Взвесьте маточный раствор.

8.Перекристаллизованную чистую соль на фильтре поместите в фарфоровую чашку и высушите в сушильном шкафу при 80 °С до постоянной массы (взвешивание проводите каждые 15–

20 мин, если после двух взвешиваний масса не изменилась, то соль высушена).

9.Определите массу полученной соли, отняв из массы соли

сфильтром массу фильтра.

10.Определите содержание NaСl в неочищенной и очищенной пробах. Дляэтого взвесьте по 1 г неочищенной соли, очищенной соли и 0,4 г химически чистого хлорида калия. На-

вески перенесите в 3 мерные колбы на 50 см3 и добавьте в каждую колбу дистиллированную воду до метки.

11. Приготовьте раствор нитрата серебра с эквивалентой концентрацией 0,1 моль/дм3. Для этого навеску 8,5 г нитрата серебра перенесите в мерную колбу на 500 см3. Точную концентра-

41

цию раствора определите по результатам титрования раствора хлорида калия.

12. В коническую колбу ёмкостью 250 3смсухой мерной пипеткой внесите 5 см3 приготовленного раствора хлорида калия. Туда же добавьте одну каплю насыщенного раствора индикатора

– хромата калия. Проведите титрование раствором нитрата серебра. Необходимо уловить момент, когда чисто-жёлтый раствор с осадком станет бурым. В этот момент прекратите титрование и определите объём израсходованного раствора нитрата серебра. Повторите титрование еще три раза. Из результатов трёх титрований возьмите среднее значение объёма израсходованного раствора нитрата серебра. Данные внесите в табл. 10.

13. Рассчитайте эквивалентную концентрацию раствора хлорида калия и по данным титрования определите эквивалентную концентрацию раствора нитрата серебра.

14.Проведите титрование очищенного и неочищенного хлорида натрия. Рассчитайте эквивалентную концентрацию хлорида натрия в растворах и содержание его в исходных кристаллах

ив очищенных перекристаллизацией.

15.Рассчитайте, сколько должно выделиться NaСl из раствора с учетом потерь в маточном растворе, и относительно этого

количества определите выход очищенного хлорида натрия. Найдите потери с маточным раствором (%).

Содержание отчета

Задание. Очистить хлорида натрия от растворимых и нерастворимых примесей, рассчитать показатели кристаллизации.

1.Запишите массу загрязненной соли.

2.Приведите массу маточного раствора и рассчитайте массу потерь с маточным раствором.

3.Результаты титрования представьте в виде табл.10.

42

Таблица 10

Экспериментальные данные

№Объем нитрата серебра на титрование, см3

4.Рассчитайте эквивалентную концентрацию в растворе загрязненной соли и эквивалентную концентрацию хлорида натрия в растворе очищенной соли.

5.Рассчитайте содержание NaCl в исходных и в очищенных кристаллах.

6.Рассчитайте показатели кристаллизации (сисх,аисх , скр, акр,Ккр).

7.Найдите массу соли, рассчитанную с учетом потерь и выход очищенного хлорида калия.

8.Сделайте вывод.

Задания

1.Кристаллизация. Классификация по способам создания пересыщения.

2.Изотермическая кристаллизация. В каком случае ее применяют?

3.Изогидрическая кристаллизация.

4.На чем основан процесс перекристаллизации веществ? Какие другие процессы при этом используются?

5.Какой раствор может находиться в контакте с кристаллами растворенного вещества:

а) ненасыщенный, б) насыщенный, в) пересыщенный?

7.При охлаждении насыщенного при 100 ºС раствора NaNO3 до 20 ºС выделилась соль массой 42 г. Какая масса

NaNO3 и масса воды была взята для перекристаллизации? Коэффициент растворимости соли при указанных температурах равен 1,76 и 0,88.

43

8.Приготовлен ненасыщенный раствор бромида калия при 80 °С. Какими двумя способами из этого раствора можно приготовить насыщенный раствор?

9.Приготовлен насыщенный раствор сульфата натрия при

20 °С. С помощью каких двух способов из этого раствора можно приготовить ненасыщенный раствор?

10.Коэффициент растворимости бромида калия при темпе-

ратуре 20 °С равен 65,2 г/100 г Н2О. Определите массовую долю бромида калия в насыщенном растворе.

11.Рассчитайте массу чистой соли, полученной перекри-

сталлизацией, если масса NH4Cl, взятого для перекристаллизации, составила 200 г, интервал температур от

90 до 0 ºС, K90 = 0,70 и K0 = 0,30 Какая масса воды потребовалась?

12.Для следующих показателей:

в100 г исходного раствора перед началом изогидрической

кристаллизации содержится 45 госновного вещества и 10 г примеси; в маточном растворе при конечных условиях кристаллизации содержится 12 г основного вещества и 8 г примеси; рассчитайте концентрации (в массовых долях) основного вещества и примеси в исходном и маточном растворе. Определите степень кристаллизации и коэффициент очистки для маточного раствора.

13.Для следующих показателей:

в100 г исходного раствора перед началом изогидрической

кристаллизации содержится 60 госновного вещества и 15 г примеси; в маточном растворе при конечных условиях кристаллизации содержится 20 г основного вещества и 10 г примеси;рассчитайте концентрации (в массовых долях) основного вещества и примеси в исходном и маточном растворе. Определите степень кристаллизации и коэффициент очистки для маточного раствора.

44

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8.

ПОЛУЧЕНИЕ МИРАБИЛИТАИ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЕГО В БЕЗВОДНУЮСОЛЬ

Цель работы: получить мирабилит и провести аналитическую работу по определению температуры превращения мирабилита в безводную соль – сульфат натрияпостроить, часть диаграммы состояния системы Na2SO4 – H2О

Приборы, посуда и реактивы

Стаканы вместимостью 250 и 1000 см3; термометр на 50 ºС; ареометр (в пределах 1–1,35 г/см3); мерный цилиндр вместимостью 100 см3, фильтровальная бумага, сушильный шкаф или эксикатор, выпарительная чашка, электрическая плитка.

Сульфат натрия.

Краткие теоретические сведения

Сульфат натрия применяется в целлюлозно-бумажной и стекольной промышленности, в производстве моющих средств, в цветной металлургии, текстильной и кожевенной промышленности. Он является сырьем в производстве силикатов натрия, серной кислоты, сульфата аммония, сульфида, карбоната и гидроксида натрия. Значительное количество производимого сульфата натрия получают обезвоживанием мирабилита.

Сульфат натрия встречается в природе в виде минералов: мирабилита Na2SO4·10H2O; глауберита Na2Ca(SO4)2; тенардита

Na2SO4; глазерита Na2K6(SO4)4; астраханита Na2Mg(SO4)2·H2O; др.

Сульфат натрия кристаллизуется из водных растворов при температуре от 32,4 до 233 ºС в ромбической системе, а выше 233 ºС – в моноклинной. Ниже 32,4 ºС выделяются прозрачные моноклинные кристаллы Na2SO4·10H2O (мирабилита), от – 3,5 до 24,25 ºС – метастабильный гептагидрат Na2SO4·7H2O (рис. 6).

При 32,4 ºС мирабилит инконгруэнтно плавится – разлагается на безводный сульфат натрия и его насыщенный раствор. Раство-

45

римость сульфата натрия в воде с повышением температуры от

32,4 до ~120 ºС уменьшается, затем возрастает, а выше 233 ºС резко снижается, приближаясь к нулю при критической температуре воды 365 ºС. Процесс растворения безводного сульфата натрия в воде сопровождается выделением теплоты вследствие гидратации, а растворение мирабилита протекает с поглощением теплоты, затрачиваемой на разрушение гидратных связей.

Рис. 6. Диаграмма растворимости в системе Na2SO4 – H2О

После получения мирабилита в лабораторных условиях для определения температуры превращения кристаллогидрата Na2SO4 · 10H2O в безводную соль необходимо провести исследование и построить соответствующую диаграмму. Этосвойство

46

соли используется в технологии получения сульфата натрия из мирабилита.

Порядок выполнения работы

1. В стакан вместимостью 250 см3 налейте 100 см3 дистиллированной воды и добавьте небольшими порциями безводную соль Na2SO4 при комнатной температуре, непрерывно помешивая раствор стеклянной палочкой. Когда получится насыщенный раствор (соль перестанет растворяться и начнет накапливаться на дне стакана), прекратите перемешивание и дайте раствору отстояться в течение нескольких минут. Измерьте температуру, внесите ее в табл. 11. Слейте часть отстоявшегося раствора в цилиндр и измерьте ареометром его плотность, а термометром – температуру. Результаты измерений запишите в табл. 11. Температуру в цилиндре используйте для расчета значения плотности с учетом поправки на температуру.

2. Вылейте раствор обратно в стакан, поставьте в водяную баню и нагрейте на плитке до температуры выше комнатной на 4–6 ºС при перемешивании раствора. Когда весь осадок в стакане растворится, добавьте новые порции соли до получения насыщенного раствора с осадком при новой температуре. Стакан вместе с водяной баней снимите с плитки и перемешивайте в течение 5 мин. Измерьте температуру раствора. Снова слейте часть отсто-

явшегося раствора в цилиндр и измерьте ареометром его плотность и температуру. Аналогичным образом определите плотность насыщенных растворов еще при пяти или шести значениях температуры не выше 55 ºС.

При некоторых температурах в конце работы не только не потребуется добавления новых порций соли, а будет наблюдаться увеличение нерастворимого осадка в стакане. Втомэ случае перемешайте содержимое стакана в течение 1015мин, после чего проведите измерение плотности и температуры, как казаноу выше. Как правило, кристаллизация протекает гораздо медленнее, чем растворение, поэтому для установления равновесия в системе, нужно больше времени.

47

Содержание отчета

1. Полученные экспериментальные данные запишите в табл. 11.

Таблица 11

Результаты опыта

2. Нанесите точки, отображающие плотность растворовr при каждой исследованной температуре, на график (рис. 7), на оси абсцисс которой предварительно разместите в определенном масштабе температуру от 0 до 60 ºС через каждые 10 ºС (температура в стакане), ана оси ординат экспериментальное значение плотности.

r

t, °C

Рис. 7. Зависмость плотности растворов сульфата натрия от температуры

48

Обратите внимание, чтосначала плотность насыщенных растворов сульфата натрия увеличивается с повышением температуры, а потом начинает уменьшаться. Проведите одну линию через точки, показывающие повышение плотности, другую – через точки, отвечающие понижению плотности. Точка пересечения этих линий соответствует превращению кристаллогидрата Na2SO4·10H2O в безводную соль. Опустив перпендикуляр, из точки пересечения на ось абсцисс, найдитетемпературу, при которой происходит это превращение. Найденнаятемпература является приближенной, так как работа проводится в условиях нестабильного равновесия.

3. Сделайте оценку точности определения, если известно, что температура превращения

Na2SO4 · 10H2O Û Na2SO4 + 10H2O равна 32,4 ºС (tтеор):

δ = t ×100.

tтеор

4.Рассчитайте значение плотности с учетом поправки на температуру. Для учета влияния температуры можно использовать выражение

ρ20 = ρt + K∙(t - 20),

где К - поправочный коэффициент, величину которого определяют по табл. 7 (см. с. 34).

5. По значениям плотности определите концентрацию сульфата натрия. Для этого по данным табл. 12 постройте график - зависимость плотности от массовой доли сульфата натрия в растворе, аппроксимируйте линейной функцией.

6. По уравнению, полученному аппроксимацией, определите массовую долю сульфата натрия, соответствующую каждому значению плотности, приведенному к 20 °C.

7. Постройте часть диаграммы состояния в области температур от 20 до 55 ºС (рис. 6). Для построения используйте значения темпе-

49

ратуры, при которой устанавливается равновесие (температура в стакане).

8. Сделайте вывод.

Задания

1.В каких отраслях промышленности и для чего используют сульфат натрия?

2.В каких минералах содержится сульфат натрия?

3.Способы получения сульфата натрия в промышленности.

4.Свойство сульфата натрия, на котором основаны методы его получения.

5.Технология получения сульфата натрия по методу "плавле- ние-выпаривание".

6.Технология получения сульфата натрия по методу "плавле- ние-высаливание". Что является высаливающим агентом?

7.Технология получения сульфата натрия по методу "плавле- ние-высаливание".

8.Что показывает диаграмма состояния? Как можно определить фазовые превращения?

50