Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химическая технология. Учебно-методическое пособие
.pdf
При определении зольности топлива уголь нужно измельчить
m
до небольших кусков, тщательно перемешать, отобрать пробу в несколько десятков граммов, а затем эту пробу растереть в ступке
и снова перемешать.
Оборудование и материалы
1. Твердое топливо (каменный уголь, антрацит, сланец и т.д.).
2. Фарфоровый тигель.
3. Муфельная электрическая печь.
4. Тигельные щипцы.
5. Аналитические весы.
6. Эксикатор.
Проведение работы
В предварительно прокаленный и взвешенный фарфоровый тигель отвешивают 1–2 г топлива и помещают его в муфельную печь,
которая может быть предварительно нагрета до 250–300 С. Затем
температуру печи постепенно повышают до 800–825 С в течение 1–
2 ч и выдерживают при указанной температуре 1 ч. После этого тигель вынимают из муфельной печи, охлаждают 5 мин на воздухе
и переносят в эксикатор, где он охлаждается до комнатной температуры. После взвешивания тигля зольность рассчитывается по формуле:
М
Зольность
(%) ,
100
где М – масса зольного остатка, г;
m – масса топлива, г.
Для проверки правильности определения зольности тигель
с зольным остатком можно еще раз прокалить. Между двумя определениями разница не должна превышать 0,001 г.
Оформление результатов работы
Полученные результаты записать в таблицу.
Масса
топлива, г золы, г золы, %
31
Вопросы и задачи
1. Состав топлива. Виды топлива. К чему сводится технический
анализ твердого топлива?
2. Что называется воздушно-сухим и абсолютно сухим топ-
ливом?
3. Применение гравиметрии при анализе твердого топлива
на влажность, зольность и количество летучих веществ.
4. Почему при высокотемпературном крекинге (600–700 С)
жидкого топлива газообразных продуктов образуется больше,
чем при низкотемпературном?
5. Запишите уравнение реакции термического распада гептана
при крекинге на два углеводорода с меньшей молекулярной массой.
6. Запишите уравнение реакции дегидрирования бутана
при крекинге.
7. Почему увеличение давления при крекинге снижает выход
газообразных продуктов?
6. АНАЛИЗ ВОДЫ И ЕЕ УМЯГЧЕНИЕ МЕТОДОМ
ИОННОГО ОБМЕНА И СОДОВО-ИЗВЕСТКОВЫМ МЕТОДОМ
Природная вода в своем составе всегда содержит различные
примеси – соли и газы, механические примеси, находящиеся во взвешенном состоянии, иногда органические вещества и т.д. Соли, присутствующие в воде, вызывают жесткость воды.
Бикарбонаты кальция и магния обусловливают карбонатную
(временную) жесткость. При нагревании воды растворенные бикарбонаты разлагаются, и карбонатная жесткость сильно снижается.
Полного устранения карбонатной жесткости не происходит, так как
карбонат кальция и особенно магния несколько растворим в воде.
Хлориды и сульфаты кальция и магния обусловливают некарбонатную (постоянную) жесткость воды. Оба вида жесткости в сумме
дают общую жесткость воды, которую выражают в виде суммы миллиграмм-эквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в 1 л
воды. 1 мг-экв. жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л Са2+ или
12,16 мг/л Mg2+.
По величине жесткости различают очень мягкие (менее 1,5 мгэкв.), мягкие (1,5–3,0 мг-экв.), жесткие (3,0–11 мг-экв.) и очень жесткие (более 11 мг-экв.) воды.
32
Жесткость воды определяется аналитически. Устраняется жесткость при помощи ионитов и известково-содовым методом. Другие
методы находят более ограниченное применение.
Работа 7. Определение жесткости воды
Современным методом определения жесткости является титрование воды раствором трилона Б в присутствии специальных индикаторов – хромогенов (кислотного хрома черного или кислотного хрома
темно-синего). Титрование проводится в аммиачной среде при рН
в пределах 9–10.
Хромогены образуют с ионами металлов комплексные соединения, окрашенные в красно-фиолетовый цвет. При титровании трилоном содержащиеся в воде ионы кальция и магния, а также ионы меди,
цинка, марганца, кадмия, никеля, алюминия, двух- и трехвалентного
железа и некоторые другие реагируют с ним с образованием малодиссоциированных соединений. В момент наступления точки эквивалентности ионы комплексные соединения металлов с хромогеном
разрушаются, а металлы образуют комплексы с трилоном. Раствор
окрашивается в сине-фиолетовый цвет – цвет самого красителя,
что указывает на окончание титрования.
Для определения железа в качестве индикатора применяют роданид аммония, дающий вишнево-красное окрашивание с ионом трехвалентного железа. Для определения меди и кальция в качестве индикатора применяют пурпуреат аммония (мурексид). Определение каждого
иона необходимо проводить при таком значении рН среды, при котором
трилон Б дает с определяемым ионом более прочное соединение
по сравнению с индикатором. Так, жесткость воды, т.е. определение содержания кальция магния, проводится при рН выше 9, железа –
при рН 1–2, кальция в присутствии индикатора мурексида – при рН 12.
Проба воды, которая берется для анализа, должна характеризовать действительный ее состав, поэтому при отборе пробы из водопровода воду спускают в течение 10–15 мин. Когда склянка наполнится, воду некоторое время переливают через край.
Из рек и ручьев воду отбирают на глубине 0,75 м в нескольких
местах, около берегов и в середине реки. Отдельные пробы смешивают вместе. Анализ воды проводится немедленно после взятия пробы
или, в крайнем случае, при соответствующем хранении спустя несколько часов.
33
Цель работы: определить общую, карбонатную и некарбонатную жесткость воды.
Определить количество ионов кальция, магния и двуокиси углерода.
Оборудование и материалы
1. Бюретки, пипетки на 100 мл или мерные цилиндры, колбы
на 250 и 500 мл, стаканы на 200–250 мл, мерные колбы на 200 мл,
фильтры.
2. Водяная баня.
3. Соляная кислота (1 : 9).
4. Хлорид аммония, 10%-й раствор.
5. Оксалат аммония, содержащий 50 г соли в 1 л.
6. Перманганат калия, 0,05 н. раствор.
7. Серная кислота (10 мл концентрированной в 1 л воды).
8. Соляная кислота, 0,1 н. раствор
9. Едкий натр, 0,1 н. раствор.
10. Метиловый оранжевый, 0,1%-й раствор.
11. Фенолфталеин, 1%-й раствор.
12. Специальные реактивы: 0,1 н. раствор трилона Б, сухой кислотный хром темно-синий, аммиачная буферная смесь, раствор оксалата кальция и эталонный раствор.
Проведение работы
Определение ионов двухвалентных металлов. Перед началом
определения поверяют кислотность воды, так как комплексное соединение кальция с трилоном Б в кислой среде неустойчиво. Для этого
к пробе воды, налитой в пробирку, приливают 3–4 капли раствора метилового оранжевого. Если раствор будет окрашен в желтый цвет,
то можно проводить трилонометрическое определение жесткости.
В противном случае воду нужно нейтрализовать разбавленным раствором щелочи (примерно 0,1Н) в присутствии метилового оранжевого. Для этого к 200–300 мл воды приливают 2–3 капли щелочи и после перемешивания отбирают пробу воды в пробирку и приливают
3–4 капли метилового оранжевого. Щелочь приливают до тех пор,
пока метиловый оранжевый будет окрашиваться в желтый цвет. После этого определяют жесткость воды.
В коническую колбу емкостью на 250 мл отмеряют 100 мл воды,
добавляют 5 мл аммиачного буферного раствора, 10 капель индикато-
34
ра хромогена и титруют по 1 капле 0,1 н. раствором трилона Б до пе-
V
100
рехода красно-фиолетовой окраски в сине-фиолетовую.
Жесткость воды рассчитывается по формуле (мг-экв/л):
Ж
1000 ,
где а – количество раствора трилона Б, израсходованного на титрование, мл;
н – нормальная концентрация трилона Б;
V – объем воды, взятой на титрование, мл;
К – поправочный коэффициент трилона Б к данной его нор-
мальной концентрации.
Если, например, раствор был 0,1 н., и при хранении его концентрация изменилась, то для определения поправочного коэффициента
истинную нормальность раствора делят на 0,1. Раствор трилона Б
(0,1 н.) рекомендуется применять при значительной жесткости воды,
например 20 мг-экв./л. При жесткости от 0,5 до 20 мг-экв./л следует
использовать 0,05 н. раствор и, наконец, при жесткости ниже
0,5 мг-экв./л применяют 0,01 н. раствор.
Определение иона кальция. К 100 мл анализируемой воды прибавляют соляную кислоту (1 : 9) до кислой реакции на лакмус. Рас-
Кна
твор нагревают до кипения, прибавляют пипеткой 10 мл 10%-го раствора хлорида аммония и при перемешивании 15 мл раствора оксалата аммония. Через 15 мин прибавляют 3–4 капли раствора аммиака
до слабого запаха. Ставят раствор с осадком в кипящую баню на 10–
15 мин. После этого осадок отфильтровывают, смывая осадок со стенок стакана раствором оксалата кальция. Осадок на фильтре промывают раствором оксалата кальция, определяя полноту промывания
5%-й раствором нитрата серебра. Отмытый осадок растворяют
на фильтре серной кислотой, на что требуется около 10–12 мл кислоты, собирают фильтрат в тот же стакан, в котором проводилось осаждение. Фильтрат нагревают до кипения и титруют раствором перманганата калия до появления розовой окраски. После этого фильтр
переносят в тот же стакан, взбалтывают и в случае исчезновения розовой окраски титруют перманганатом калия.
Концентрацию ионов кальция рассчитывают по формуле (в мг/л):
Концентрация Са2+ (мг/л) =
V
Т
/
4
2
CaKMnO
1001000
,
T
где
– титр перманганата калия по кальцию;
2
/CaKMnO
4
V – объем раствора перманганата калия, взятого на титрование.
35
Определение иона магния. В коническую колбу на 250 мл отби-
100
рают пипеткой 100 мл анализируемой воды и, прибавив к ней три
капли раствора метилового оранжевого, воду оттитровывают 0,1 н.
раствором соляной кислоты до оранжевой окраски. Одновременно также оттитровывают 100 мл дистиллированной воды до такой же окраски.
Колбы с растворами нагревают до кипения, а затем растворы
переливают в мерные колбы на 200 мл. В колбы добавляют по 50 мл
насыщенного раствора гидроокиси кальция и доливают до нижней
части горлышка дистиллированной водой. Содержимое колбы перемешивают и нагревают на водяной бане 30 мин. При этом гидроокись
кальция вступает в реакцию с солями магния и осаждает малорастворимую гидроокись магния как более сильное основание. Затем растворы в колбах охлаждают, доливают дистиллированной водой
до метки, перемешивают и тут же отфильтровывают выпавшую в осадок гидроокись магния. Фильтраты собирают в сухие конические
колбы. Из каждой колбы отбирают по 100 мл раствора и титруют
оставшийся избыток гидроокиси кальция 0,1 н. раствором соляной
кислоты в присутствии фенолфталеина.
Количество магния в 1 л воды рассчитывается по формуле:
1000)(216,12
VнVн
Количество Mg2+ (мг/л) =
21
,
где 12,16 – грамм-эквивалент магния;
н – нормальная концентрация соляной кислоты;
V1 – количество соляной кислоты, которое пошло на титрование
раствора, полученного из дистиллированной воды, мл;
V2 – количество соляной кислоты, которое израсходовано на тит-
рование раствора, полученного из анализируемой воды, мл.
Для определения общей жесткости (суммарное количество
мг-экв. Са2+ и Mg2+ в 1 л) нужно вычисленные концентрации кальция
и магния (в мг-экв./л) разделить на соответствующие эквивалентные
массы, полученные концентрации сложить:
Жесткость воды =
/ лэквмгMgлэквмгСа
04,20
/.
.
16,12
Определение карбонатной и некарбонатной жесткости. В коническую колбу на 250 мл отбирают 100 мл анализируемой воды
и титруют ее 0,1 н. раствором соляной кислоты с индикатором метиловым оранжевым до появления розового окрашивания.
Карбонатная жесткость рассчитывается по формуле:
36
Vн
200
1
1000
V
2
(мг-экв./л),
где н – нормальная концентрация соляной кислоты;
V1 – объем кислоты, затраченной на титрование, мл;
V1 – объем воды, взятой на титрование, мл.
Определение содержания двуокиси углерода. В колбу отмеряют
200 мл анализируемой воды, прибавляют 0,2 мл 1%-го раствора фенолфталеина и перемешивают. Если вода окрасилась от фенолфталеина, а эта окраска более интенсивна по сравнению с окраской эталонного раствора, то вода не содержит свободной двуокиси углерода.
Если же вода не окрасилась от фенолфталеина или окрасилась слабее,
чем раствор эталона, то ее титруют 0,01 н. раствором едкого натра
до окраски эталонного раствора.
Количество двуокиси углерода определяется по формуле:
100044
)/(
2
лмгСО ,
Vн
где н – нормальная концентрация раствора едкого натра;
V – объем едкого натра, израсходованного на титрование, мл.
Оформление результатов работы
Описать ход анализа и провести соответствующие расчеты.
Вопросы и задачи
1. Теоретические основы комплексонометрии и ее применение
для определения ионов двухвалентных металлов.
2. Перманганатометрия, применение ее для определения ионов
Са2+ в воде оксалатным способом.
3. Методика определения ионов Mg2+ в анализируемой воде.
4. Применение кислотно-основного титрования при определе-
нии некоторых видов жесткости.
5. Понятие о титрованных растворах и сущности их приготов-
ления. Закон эквивалентов.
6. Расчеты в объемном анализе с применением понятий и спо-
собов выражения концентрации растворов: СН, СМ, Т, Т
7. Понятие жесткости воды, способы ее выражения.
37
1/2
.
Работа 8. Умягчение воды методом ионного обмена
и известково-содовым методом
Умягчение воды производится с целью предотвращения образования в паровых котлах и теплообменных аппаратах накипи.
Умягчение воды может быть достигнуто:
1) осаждением иона кальция (совместно с ионом магния) и по-
следующим удалением осадка;
2) удалением иона кальция (и магния) методом ионного обмена.
Метод ионного обмена основан на способности ионитов поглощать из растворов одни ионы и отдавать взамен другие. Иониты, способные обменивать находящиеся в растворе катионы, называются катионитами. К катионитам относятся: алюмосиликаты, сульфированные угли, синтетические смолы. Характерной способностью катионитов является наличие в них большого числа кислотных групп: силикатных, карбоксильных и сульфогрупп. Эти кислотные группы содержат ионы водорода, которые подвижны и могут быть замещены
на различные катионы.
Иониты, обменивающие анионы на находящиеся в растворе ионы солей и кислот, называются анионитами. Аниониты представляют
собой аминосмолы, содержащие амино- (–NH2) и имино- (–NH) группы. Способность этих групп образовывать соли с различными анионами и используется для ионного обмена.
Для умягчения воды применяются обычно катиониты в водородной (Н-катиониты) и натриевой (Na-катиониты) формах. Если
обозначить весь катионит, кроме подвижного иона (например,
натрия), буквой R, то реакции ионного обмена в жесткой воде могут
быть выражены следующими уравнениями:
Na2R + (Ca, Mg)(HCO3)2 (Ca, Mg)R + 2NaHCO3;
Na2R + (Ca, Mg)SO4 (Ca, Mg)R + Na2SO4;
Na2R + (Ca, Mg)Cl2 (Ca, Mg)R + 2NaCl.
Количество катионов кальция и магния, которое может быть поглощено определенным количеством катионита, называется емкостью
поглощения Е и выражается в грамм-эквивалентах на 1 м3 ионита.
Емкость поглощения некоторых катионитов приводится ниже:
сульфоуголь – 1000 г-экв./м3;
эспатит – 1700 г-экв./м3;
алюмосиликаты – 850 г-экв./м3.
После длительной работы, т.е. после замены иона натрия
на кальций, ионит подвергают процессу регенерации, пропуская через
38
него насыщенный раствор хлорида натрия. При этом ионы кальция
вытесняются ионами натрия.
Другой распространенный способ умягчения воды – известковосодовый. Для очистки воды по известково-содовому методу используют смесь соды и гашеной извести. При действии извести соли,
обеспечивающие карбонатную жесткость, и растворенная в воде двуокись углерода переводятся в осадок:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + 2H2O;
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 = MgCO3 + CaCO3 + 2H2O;
CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3 + H2O.
Одновременно магниевая жесткость заменяется кальциевой:
MgCl2 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaCl2.
Сода удаляет соли, обусловливающие наличие некарбонатной
жесткости:
CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4;
CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl.
Карбонаты выпадают в виде взвеси. После фильтрования вода
содержит соли, не дающие накипи, поэтому она вполне пригодна
для многих промышленных целей.
Цель работы: умягчить водопроводную воду катионитовым
и известково-содовым методами; определить жесткость воды до и после умягчения.
Оборудование и материалы
1. Катионитовая колонка.
2. 0,1 н. раствор трилона Б (18,61 г в 1 л раствора).
3. 0,5%-й раствор индикаторов кислотного хрома темно-синего
или кислотного хрома черного.
4. Мерный цилиндр на 250 мл.
5. 6–8%-й раствор поваренной соли.
6. Аммиачный буферный раствор.
Проведение работы
В качестве катионитовой колонки применяют стеклянную трубку диаметром 2–3 см и длиной 80–90 см.
Для того чтобы катионит не высыпался в нижнюю часть трубки
впаивают стеклянную пластинку с отверстиями, конец трубки оттягивают. Можно использовать обычную трубку, закрыв ее нижнюю часть
пробкой с узкой стеклянной трубкой.
39
Ионитовую колонку наполняют катионитом так, чтобы высота
22
22
слоя составляла 50–60 см.
Приготавливают 6–8%-й раствор хлорида натрия и пропускают
600–700 мл его через колонку. Затем избыток соли отмывают дистиллированной водой до практически полного исчезновения реакции
на хлорид-ион (проба с нитратом серебра). Обычно на это расходуется около 1000 мл воды.
После регенерации катионита через него пропускают 200 мл водопроводной воды. Затем в умягченной и водопроводной воде определяют жесткость, данные определений сравнивают. Для этого в коническую колбу емкостью 250 мл отмеряют 100 мл анализируемой
воды и 5 мл аммиачного буферного раствора и титруют 0,1 н. раствором трилона Б в присутствии индикатора до перехода окраски раствора в сине-фиолетовую.
При умягчении воды известково-содовым методом предварительно определяют карбонатную, некарбонатную, магниевую жесткость воды и количество двуокиси углерода. На основании этих данных подсчитывают количество извести и соды, необходимое для устранения жесткости. Например, найдено, что карбонатная жесткость равна 5 мг-экв./л,
некарбонатная – 3 мг-экв./л, магниевая – 2 мг-экв./л, двуокиси содержится 11 мг/л. Для умягчения воды необходимо:
1) извести на устранение карбонатной жесткости 5 мг-экв./л,
магниевой жесткости 2 мг-экв./л,
1
11 мг-экв./л.
где
на нейтрализацию двуокиси углерода 5,0
1
фактор пересчета СО2 в эквивалентах на 1 л.
Всего 7,5 мг-экв./л,
Всего извести нужно: 7,537 = 277,5 (мг), или 0,277 г на 1 л воды;
2) соды на устранение некарбонатной жесткости 3 мг-экв./л,
или 353 = 159 мг, или 0,159 г на 1 л воды.
После расчета отвешивают с точностью до 0,01 г известь и соду
и растворяют их в 1 л воды. Содержимое колбы взбалтывают в течение 2–3 мин, дают отстояться и фильтруют через складчатый фильтр.
Первые порции фильтра отбрасывают. Отфильтровав 200 мл воды,
определяют ее карбонатную, некарбонатную и магниевую жесткость,
количество двуокиси углерода.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]