Химическая технология неорганических кислот, солей и щелочей. Учебное пособие

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9.

ПОЛУЧЕНИЕ КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ ИЗВЕСТКОВЫМ МЕТОДОМ

Цель работы: изучить процесс получения гидроксида натрия известковым способом.

Приборы, посуда и реактивы

Цилиндры мерные на 200 и 25 см3, бюретка для титрования на 20 см3, колбы на 500, 250, 100 см3, стакан лабораторный на 100 см3, воронка для фильтрования, стеклянная воронка к бюретке, фильтр тканевый, пипетка на 10 см3, груша.

Гидроксид кальция, кальцинированная сода (карбонат натрия), индикаторы фенолфталеин и метиловый оранжевый, хлорид бария 10%-ный раствор, раствор соляной кислоты 0,2 моль-экв/дм3.

Шкаф сушильный, набор денсиметров, плитка с магнитной мешалкой, весы технические.

Краткие теоретические сведения

Гидроксид натрия (NaOH) представляет собой белую кристаллическую непрозрачную массу, расползающуюся на воздухе. Удельный вес твердого гидроксида натрия равен 2,13 гсм/ 3. Чистый NaOH плавится при температуре 328 °С. Гидроксид натрия представляет собой сильную щелочь с молекулярной массой 40 г/моль. Расплавленный гидроксид натрия кипит при температуре 1388 °С и проводит электрический ток.

Гидроксид натрия получают в промышленности электрохимическим и химическим способами. Практически весь производимый в промышленности гидроксид натрия получают электролизом водного раствора NaCl.

В электрохимическом способе используют электролиз с твердым катодом (диафрагменный и мембранный методы производства), и электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный метод производства). Ртутный метод имеет существенный недоста-

51

ток в плане воздействия на окружающую среду, хотя гораздо более прост в техническом исполнении. Мембранный метод производства гидроксида натрия самый эффективный, хотяи самый сложный.

В диафрагменном методе полость электролизера с твердым катодом разделена на катодное и анодное пространства фильтрующей асбестовой или полимерной перегородкой – диафрагмой. В анодное пространство диафрагменного электролизера непрерывно поступает поток насыщенного раствора хлорида натрия. На аноде выделяется хлор, на катоде водород. При этом прикатодная зона обогащается гидроксидом натрия. Собирающийся в

катодном пространстве гидроксид натрия упаривают до 50 % концентрации для отделения от хлорида натрия. Основныенедостатки процесса – большой расход энергии, необходимой для упаривания раствора, а такжезначительная примесь хлорида натрия в конечном продукте.

Мембранный метод аналогичен диафрагменному, но анодное и катодное пространство разделены катионообменной мембраной. Мембранный электролиз обеспечивает получение наиболее чистого гидроксида натрия, но требует более чистого, чем в других методах, хлорида натрия.

В процессе ртутного электролиза катодом служит поток постоянно обновляющейся ртути, а анодом малоизнашивающиеся графитовые электроды. В результате протекания процесса на аноде выделяется хлор, а на катоде (в потоке ртути) накапливается амальгама натрия. Поток ртути отводится из электролизера и поступает в разлагатель. В разлагатель непрерывно подается вода. В нем амальгама в результате самопроизвольного электрохимического процесса разлагается водой с образованием ртути, раствора гидроксида натрия и водорода.

Наиболее применяемые химические методы получения гидроксида натрия – это известковый и ферритный. Известковый метод заключается во взаимодействии раствора кальцинированной соды (карбоната натрия) с гашеной известью (гидроксидом кальция) по следующей реакции:

Na2CO3+Ca(OH)2= 2NaOH+CaCO3.

Этот процесс называют каустификацией.

52

Далее раствор гидроксида натрия упаривают, после чего его можно перерабатывать в твердый плавленый продукт, а карбонат кальция является отходом производства.

С повышением температуры уменьшается степень превращения. Но на практике процесс каустификации ведут при повышенной температуре (80-100 Сº ). Объясняется это, с одной стороны, тем, что скорость взаимодействия между реагирующими веществами возрастает с повышением температуры. С другой стороны, при температурах ниже 80 °С в процессе каустификации образуется тонкодисперсный осадок карбоната кальция, который адсорбирует значительное количество гидроксида натрия и трудно отделяется от жидкости. Дляполучения осадка, легко отделяющегося от жидкой фазы, требуется более высокая температура.

Ферритный метод требует применения кальцинированной соды и оксида железа. Процесс протекает в две стадии. При прокаливании смеси соды с оксидом железа образуется феррит натрия:

Na2CO3+Fe2O3=Na2O∙Fe2O3+CO2.

Феррит натрия разлагают водой:

Na2O∙Fe2O3 + H2O=2NaOH+Fe2O3.

Полученный раствор гидроксида натрия упаривают, из упаренного раствора получают твердый продукт. Оксиджелеза возвращают в производственный цикл.

К преимуществам известкового метода следует отнести возможность применения растворов соды вместо твердой соды. При этом удешевляется производство гидроксида натрия. Недостатками известкового метода являются: большой расход извести или известкового молока, получение 1300-1400 кг карбоната кальция (отход производства) на каждую тонну продукта, а также повышенный расход пара на упаривание слабых растворов гидроксида натрия.

53

Порядок выполнения работы

1. Для проведения процесса приготовьте раствор кальцинированной соды (Na2CO3), содержащий 21,2 г основного вещества. Навеску Na2CO3 взвесьте на технических весах, поместите в колбу на 500 см3 и прилейте цилиндром 200 см3 дистиллированной воды.

2. Рассчитайте необходимое стехиометрическое количество гидроксида кальция на основании уравнения реакции:

Na2CO3+Ca(OH)2= 2NaOH+CaCO3.

Молярные массы карбоната натрия и гидроксида кальция равны соответственно 106 и 74 г/моль.Необходимое количество гидроксида кальция рассчитайте в избытке 5 % от теоретического, находимого из стехиометрического соотношения.

3.Рассчитанное количество гидроксида кальция взвесьте на технических весах.

4.Раствор кальцинированной соды в колбе на 5003 см поставьте на электрическую плитку и перемешайте. После достижения температуры в растворе 80–90 °С в колбу начинайте за-

гружать порциями взвешенное количество извести. Навеску извести разделите на 3–4 части и загрузку проводите равными порциями через 2–3 мин. Отметьтевремя начала опыта с момента загрузки первой порции извести. Закройтеколбу пробкой. Каустификацию проводите в течение 30–60 мин при перемешивании.

5. После проведения процесса для отделения выпавшего в осадок карбоната кальция суспензию отфильтруйте в колбу на 500 (250) см3 на стеклянной воронке с использованием хлопчатобумажного тканевого фильтра, сложенного вдвое. Тканевый фильтр предварительно взвесьте.

6. Воронку с тканевым фильтром после завершения фильтрования установите над пустой колбой и промойте отфильтрованный продукт 100 см3 дистиллированной воды. Послепромывки фильтр поместите в сушильный шкаф и сушите до полного высыхания при температуре 110-130 °С.

54

7.Высушенный фильтр с карбонатом кальция взвесьте и по разнице массы фильтра с осадком и начальной массы фильтра найдите массу образовавшегося карбоната кальция (mир).

8.По уравнению реакции, зная массу загруженной кальци-

нированной соды, рассчитайте массу карбоната кальция, которая должна была образоваться теоретически при 100 % протекании процесса m(т). (Молярная масса карбоната кальция равна 100 г/моль.) Степень превращения (%) определите по уравнению:

х = mпр ×100. mт

При расчете допускается, что малорастворимый гидроксид кальция, который не израсходовался в процессе, вымывается из осадка при промывке и по причине мелкозернистости проходит через фильтр (у выпавшего карбоната кальция кристаллы более крупные, задерживаемые тканевым фильтром).

Рис. 8. Зависимость плотности NaOH от концентрации раствора

9. В цилиндр на 200 см3 вылейте отфильтрованный раствор гидроксида натрия и измерьте его объем. С помощью ареометра определите плотность полученного раствора. Используя графическую зависимость, определите концентрацию гидроксида натрия (концентрацию раствора можно также рассчитать, используя уравнение на рис. 8, отражающее зависимость плотности раствора (у) от концентрации (х).

55

Содержание отчета

Задание. Рассчитайте теоретическое количество гидроксида кальция, необходимое для реакции с навеской кальцинированной соды, заданной преподавателем, получите раствор гидроксида натрия, определите его концентрацию.

1. Рассчитайте степень превращения по гидроксиду натрия. По уравнению реакции с использованием массы загруженного карбоната натрия рассчитайте количество гидроксида натрия m( теор), которое должно было образоваться теоретически в результате проведения процесса. Зная бъемо, плотность полученного раствора и концентрацию гидроксида натрия определите массу образовавшегося NaOH (mпракт). Рассчитайте степень превращения по карбонату кальция. Сделайте выводы, сравнивая степень превращения реакции по гидроксиду натрия и по карбонату кальция.

2. Определите содержание гидроксида и карбоната натрия в полученном продукте.

А) Определение общей щелочности. Общая щелочность соответствует сумме гидроксида и карбоната натрия в растворе. Сумму гидроксида натрия и карбоната натрия находят титрованием пробы анализируемого раствора 0,2 моль-экв/дм3 соляной кислотой в присутствии метилового оранжевого. Дляанализа отбирают пипеткой 2 см3 полученного раствора щелочи, вносят в колбу на 100 см3 и добавляют цилиндром 10 см3 дистиллированной воды, 2-3капли метилового оранжевого и титруют 0,2 моль-экв/дм3 раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски в розовую. Фиксируют объем соляной кислоты, пошедшей на титрование (а, см3).

Б) Определение содержания гидроксида натрия. 5 см3 полученного раствора гидроксида натрия внесите в колбу на 100мс3, добавьте 20 см3 10%-ного раствора хлорида бария, который осаждает карбонат ионы. После осаждения карбоната бария отфильтруйте образовавшийся раствор. Отберите 10 см3 фильтрата, добавляют 2-3 капли нолфталеина и сразу титруйте 0,2 моль-экв/дм3 раствором соляной кислоты при осторожном перемешивании до обесцвечивания. Объемсоляной кислоты, по-

56

шедший на титрование в(, см3), отвечает содержанию в пробе гидроксида натрия:

m(NaOH) = 16∙в.

В) Определение содержания карбоната натрия. Количество карбоната натрия в пробе рассчитайте как разность между общей щелочностью раствора и содержанием в нем гидроксида натрия:

m(Na2CO3)=(а-в)∙21,2.

Общее количество карбоната натрия, оставшегося в растворе определяется по формуле

mостатка=m(Na2CO3)∙V,

где V – объем раствора, дм3.

3. Сделайте выводы о причинах неполноты протекания процесса.

Задания

1.Перечислите промышленные способы получения гидроксида натрия.

2.Назовите области применения гидроксида натрия.

3.Достоинства и недостатки получения гидроксида натрия электрохимическими методами.

4.Опишите сущность известкового и ферритного способов производства гидроксида натрия.

5.Достоинства и недостатки известкового метода получения гидроксида натрия.

6.Опишите стадии процесса получения гидроксида натрия, реализуемого в лабораторной работе.

7.Что такое общая щелочность раствора? Как нао определяется?

8.Какую максимальную концентрацию раствора гидроксида натрия можно получить, используя насыщенный раствор соды. Для расчета используйте данные табл. 9 приложения.

57

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10.

ПОЛУЧЕНИЕ И АНАЛИЗМЕДНОГО КУПОРОСА

Цель работы: изучить условия получения медного купороса, составить материальный баланс и познакомиться с методами аналитического контроля в производстве этого вида неорганической соли.

Приборы, посуда и реактивы

Воронка капельная; 2 колбы вместимостью 500 см3, холодильник; водяная баня, 6 мерных колб вместимостью по 50 см3 Сульфит натрия, оксид меди (II), сульфат меди (II), раствор

серной кислоты (конц.), раствр аммиака, тиосульфат натрия (0,1 моль-экв/дм3 титрованный раствор), крахмал растворимый (1%-ный раствор), раствор йода (0,1 моль/дм3), раствор серной кислоты (2 моль-экв/дм3.), раствор йодида калия (20%-ный).

Водоструйный насос, электроплитка, сушильный шкаф.

Краткие теоретические сведения

Среди солей меди (II) наибольший интерес представляет медный купорос CuSO4∙5H2O, выделяющийся из водных растворов сульфата меди (II) в виде крупных сине-голубых кристаллов. В природе он встречается в виде минерала халькантита − продукта окисления сульфидных руд. При температуре 56 °С медный купорос претерпевает полиморфный переход; при 93°С превращается в голубой тригидрат CuSO4∙3H2O. Дальнейшая дегидратация при температуре 105°С приводит к серо-голубому моногидрату, который сохраняет устойчивость до 230°С. Выше этой температуры он полностью обезвоживается, окончательно утрачивая голубую окраску и превращаясь в светло-серый порошок безводного сульфата меди (II).

Медный купорос используют в электрохимических процессах нанесения медных покрытий, для консервации древеси-

58

ны, протравливания семян, в производстве минеральных красок, как исходное вещество для синтеза различных соединений меди.

Существуют различные способы производства медного купороса. Выбор того или иного способа производства зависит от вида исходного сырья. Основным сырьем служат серная кислота и медь: медный лом или отходы металлообрабатывающей промышленности, а также отходы или полупродукты цветной металлургии. Производство медного купороса состоит из двух стадий:

-получение очищенной гранулированной меди;

-получение медного купороса.

Способы получения медного купороса основаны на растворении металлической меди или оксида меди (II) в серной кислоте. Более экономичен способ, в котором вместо серной кислоты применяется сернистый газ (оксид серы (IV)). При пропускании газа, содержащего SO2 и O2, через нагретый раствор, в котором содержатся ионы меди (II), происходит каталитическое окисление SO2 и образуется серная кислота:

2SO2 + O2 + 2H2O = 2H2SO4.

Поэтому при обработке водной суспензии оксида меди (II), содержащей ионы меди (II), отбросным сернистым газом, смешанным с воздухом оксид меди (II) растворяется в образующейся серной кислоте, и суспензия превращается в раствор медного купороса, кристаллизацией которого получают готовый продукт:

CuO + H2SO4 = CuSO4 + Н2O или CuSO4∙5H2O.

В действительности процесс более сложен. Сернистый газ реагирует с медным купоросом, что приводит к образованию малорастворимого промежуточного продукта − соли Шевреля CuSO3∙Cu2SO3∙2H2O; при этом также образуется серная кислота:

3CuSO4 + 3H2SO3 + 3Н2O = CuSO3∙Cu2SO3∙2H2O + 4H2SO4.

При дальнейшей обработке суспензии сернистым газом CuSO3∙Cu2SO3∙2H2O превращается в медный купорос:

59

CuSO3∙Cu2SO3∙2H2O + SO2 + 2O2 = 3CuSO4 + 2Н2O.

В общем процесс может быть выражен уравнением: 2CuO + 2SO2 + O2 = 2CuSO4.

Растворимость CuSO3∙Cu2SO3∙2H2O в растворе сульфата меди (II) значительно выше, чем в воде. Поэтому эта соль, будучи суспендирована в растворе медного купороса, окисляется быстрее, чем в водной суспензии. Следовательно, для приготовления исходной суспензии оксида меди (II) целесообразно брать не воду, а раствор медного купороса.

Технологическая схема производства включает следующие операции. Оксид меди (II) суспендируют в маточном растворе, оставшемся после кристаллизации медного купороса, суспензию нагревают до 85-95°С и обрабатывают смесью отбросного сернистого газа с воздухом. Отношение O2:SO2 в газовой смеси должно быть не менее 4:1 по объему, так как в противном случае реакция резко замедляется. Из полученного раствора при охлаждении до 20 °С кристаллизуется медный купорос CuSO4∙5H2O. Кристаллы отделяют, а маточный раствор возвращают в производство. Таким образом, медный купорос получают без затраты серной кислоты за счет использования сернистого газа.

Порядок выполнения работы

Лабораторная установка (рис. 9) состоит из двух частей: колба 3 представляет собой реактор для получения SO2, в колбе 4 происходит синтез медного купороса в маточном растворе. В трехгорлую колбу-смеситель 3 загружают кристаллический сульфит натрия (Na2SO3), над ней устанавливают воронку с противодавлением, в которую наливают серную кислоту. С помощью компрессора 1 через систему прокачивают воздух для окисления оксида серы (IV).

В трёхгорлую колбу-реактор 4 загружают раствор CuSO4 и порошок CuO. Если в работе используют мелкодисперсный порошок оксида меди (II), который быстро оседает на дно, колбу

60