книги / Общая химическая технология. Лабораторный практикум

3.Экспериментальная часть Химические реактивы

1.Известь.

2.0,1 н раствор HCl.

3.Индикатор – фенолфталеин.

4.Раствор карбоната натрия.

5.Индикатор – метиловый оранжевый.

Порядок выполнения работы

Перед выполнением работы необходимо провести анализ исходных реагентов (соды и извести), чтобы правильно рассчитать их количество для проведения процесса каустификации.

Анализ извести. Пробу извести массой 20 г растирают в фарфоровой ступке до тонкого порошка. Для анализа берут навеску 0,1 г на аналитических весах, переносят в коническую колбу емкостью 250 мл, добавляют 50 мл дистиллированной воды, тщательно взбалтывают, затем титруют 0,1 н раствором соляной кислоты в присутствии 2–3 капель фенолфталеина до появления устойчивого розового окрашивания. Титрование необходимо проводить медленно, так как известь плохо растворяется в воде и переходит в раствор по мере титрования.

Содержание активной извести выражают в массовых процентах:

V 0,0028

CCaO a 100%,

где CCaO – концентрация активной извести, мас. %; V – коли-

чество кислоты, пошедшее на титрование, мл; а – навеска извести, г; 0,0028 – количество СаО, соответствующее 1 мл 0,1 н раствора кислоты, г.

61

Анализ исходного раствора соды. Концентрацию карбона-

та натрия в исходном содовом растворе определяют титрованием. Для этого пипеткой берут 5 мл анализируемого раствора в мерную колбу вместимостью 50 мл. Раствор доводят дистиллированной водой до метки и взбалтывают. Из мерной колбы 5 мл полученного раствора переносят пипеткой в коническую колбу вместимостью 250 мл, добавляют 50 мл дистиллированной воды, 2–3 капли метилового оранжевого и титруют 0,1 н раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски в розовую. Объем V (мл) соляной кислоты, израсходованный на титрование, эквивалентен количеству Nа2СО3.

Концентрацию карбоната натрия в растворе определяют по формуле

где CNaисх2CO3 – концентрация Nа2СОЗ в растворе, г/л; V – объем

0,1 н раствора HCl, пошедший на титрование, мл; 0,0053 – количество Nа2СОЗ, соответствующее 1 мл точно 0,1 н раствора HCl, г; K – коэффициент поправки.

Методика проведения процесса каустификации

Лабораторная установка, представленная на рисунке, состоит из водяного термостата с блоком автоматического регулирования температуры, реактора каустификации, представляющего собой стеклянную круглодонную двухгорловую колбу, мешалки с регулируемым числом оборотов, штатива для крепления реактора и термометра для контроля текущей температуры.

Для проведения опыта в реактор 4 заливают заданное количество (100–150 мл) проанализированного содового раствора, помещают его в термостат 1, запускают мешалку 3 и включают нагрев термостата (температуру и концентрацию раствора зада-

62

ет преподаватель). Когда температура достигнет заданной величины (в пределах 50–90 °С), в реактор через боковое отверстие загружают небольшими порциями в течение 2–3 мин необходимое (рассчитанное) количество извести и отмечают время начала процесса каустификации (с момента загрузки извести).

Рис. Схема лабораторной установки по получению гидроксида натрия каустификацией содового раствора: 1 – жидкостный термостат;

2 – термометр; 3 – мешалка; 4 – реактор каустификации; 5 – мешалка; 6 – штатив

Количество извести, необходимое для проведения каустификации, рассчитывают по уравнению с учетом концентрации активной извести, найденной анализом концентрации содового раствора и количества этого раствора, взятого для опыта.

Процесс ведут в течение 45–60 мин, отбирая через каждые 15 мин пробы реакционной смеси для анализа. Пробы отбирают пробоотборником в количестве 10 мл (в цилиндр с делениями). Каждую из отобранных проб отфильтровывают (можно с помощью вакуум-насоса), замеряют объем фильтрата. Отбирают пипеткой 5 мл фильтрата, переносят его в мерную колбу вместимостью 50 мл и доводят дистиллированной водой

63

до метки. Фильтрат анализируют на содержание общей щелочности, гидроксида и карбоната натрия.

В зависимости от задания проводят опыты по каустификации с одной и той же концентрацией исходного содового раствора при разных температурах либо при одной и той же температуре, но при различной концентрации соды в исходных растворах.

После окончания опыта останавливают мешалку, выключают нагрев термостата, удаляют реакционный сосуд из термостата.

Анализ растворов, получаемых в результате каустификации

Определение общей щелочности. Определение суммы

NaOH и Nа2СОЗ производят титрованием пробы анализируемой жидкости соляной кислотой в присутствии метилового оранжевого. Для этого отбирают из мерной колбы пипеткой 5 мл раствора и помещают в коническую колбу вместимостью 250 мл, добавляют 50 мл дистиллированной воды, 2–3 капли метилового оранжевого и титруют 0,1 н раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски в розовую. Количество (а, мл) соляной кислоты, пошедшее на титрование пробы, отвечает общей щелочности, т.е. сумме NaOH + Nа2СО3.

Определение концентрации гидроксида натрия. При при-

бавлении раствора хлорида бария к жидкости, содержащей едкий натр и карбонат натрия, ион CO32 осаждается с образованием нерастворимого карбоната бария по реакции

Ва2+ + CO32 = ВаСО3↓.

При титровании осажденной пробы соляной кислотой

вприсутствии фенолфталеина можно найти содержание ионов ОН–, эквивалентное первоначальному содержанию NaOH

впробе.

64

Это титрование следует вести весьма осторожно, не оставляя долго раствор на воздухе и не взбалтывая его по следующим причинам: раствор, содержащий ионы ОН– и Ва2+, поглощает из воздуха диоксид углерода, в результате чего может уменьшиться определяемое количество NaOH; осадок ВаСО3 может частично реагировать с соляной кислотой.

Для определения едкого гидроксида натрия 5 мл раствора из мерной колбы отбирают пипеткой в коническую колбу вместимостью 250 мл, добавляют 50 мл дистиллированной воды

и2 мл 10%-ного раствора хлорида бария. После осаждения карбоната бария к пробе добавляют 3–4 капли фенолфталеина

итотчас же титруют 0,1 н раствором соляной кислоты при осторожном перемешивании.

Объем соляной кислоты (b, мл), пошедший на титрование пробы, отвечает содержанию в ней гидроксида натрия:

где CNaOH – концентрация NaOH в растворе, г/л; b – объем 0,1 н раствора HCl, пошедший на титрование, мл; 0,004 – количество

NaOH, соответствующее 1 мл точно 0,1 н раствора HСl, г; K – коэффициент поправки.

Определение концентрации карбоната натрия. Концен-

трацию карбоната натрия в пробе вычисляют как разность между общей щелочностью раствора и содержанием в нем гидроксида натрия, т.е. содержание в пробе карбоната натрия отвечает (а – b) мл 0,1 н раствора соляной кислоты:

где CNaр 2CO3 – концентрация Nа2СОЗ в растворе, г/л; 0,0053 –

количество Nа2СО3, соответствующее 1 мл точно 0,1 н раствора HCl; K – коэффициент поправки.

65

По полученным аналитическим данным рассчитывают степень каустификации по формуле

где СNaисх2CO3 – концентрация Nа2СО3 в исходном содовом рас-

творе, г/л; CNaр 2CO3 – концентрация Nа2СО3 в растворах, полу-

чаемых при каустификации (через 15, 30, 45, 60 мин), г/л. Результаты работы оформляют в виде таблицы.

Результаты лабораторной работы

Исследование кинетики процесса каустификации

Реакция каустификации может быть описана бимолекулярной реакцией типа А + В = 2С + Д, дифференциальное уравнение которой имеет вид

dCd A k CA CB .

Если CA CB , то данная реакция может описываться уравнением

dCA k C2. d A

66

После преобразования и интегрирования правой и левой частей получим

коси абсцисс – величине k, т.е. величине константы скорости.

Взадачу лабораторной работы входит определение величины константы скорости реакции. Для этого по полученным экспериментальным значениям концентрации Na2CO3 (моль/л)

стификации. В общем виде данная зависимость представляет собой прямую, не проходящую через начало координат.

Опыты проводят при различных температурах и в каждом случае находят соответствующую константу скорости реакции. По полученным данным определяют кажущуюся энергию активации согласно уравнению Аррениуса:

где k1 – константа скорости при T1 ; k2 – константа скорости при T2 ; E – энергия активации процесса; R – универсальная

газовая постоянная.

По величине энергии активации делают вывод об области протекания, о путях интенсификации процесса.

67

Контрольные вопросы

1.Перечислите основные стадии аммиачного способа производства кальцинированной соды.

2.Каковы физико-химические основы процесса каустифи-

кации?

3.По каким показателям контролируют процесс каустификации?

Список литературы

1.Крашенинников С.А. Технология соды. – М.: Химия, 1988. – 304 с.

2.Зайцев И.Д., Ткач Г.А., Стоев Н.Д. Производство со-

ды. – М.: Химия, 1986. – 312 с.

3.Чарыков А.К. Математическая обработка результатов химического анализа. – М.: Химия, 1984. – 168 с.

68

Лабораторная работа № 7

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АДИАБАТИЧЕСКОЙ АБСОРБЦИИ ХЛОРОВОДОРОДА

1. Цель работы

Изучение процесса получения соляной кислоты из хлороводорода без охлаждения абсорбера.

2. Теоретические сведения

Растворение хлороводорода в воде – это процесс гидратации молекул хлороводорода и перевод их в ионное состояние в растворе соляной кислоты. Подобно химической реакции, этот процесс сопровождается большим выделением тепла и, следовательно, повышением температуры образующейся соляной кислоты. При больших объемах абсорбируемого газа и небольших тепловых потерях количества выделяющегося тепла достаточно для нагревания раствора до температуры кипения. Так как хлороводород существует в жидкой фазе в виде практически нелетучих ионов, то в разбавленных растворах соляной кислоты более летучим компонентом является вода. За счет теплоты абсорбции происходит кипение разбавленных растворов соляной кислоты, испарение воды и концентрирование до образования азеотропной смеси, содержащей 20,24 % НС1 при атмосферном давлении.

В лабораторных условиях при небольших объемах абсорбируемого газа и сравнительно высоких потерях тепла в окружающую среду, абсорбер невозможно нагреть за счет тепла абсорбции до температур, близких к температуре кипения. Од-

69

нако в начальный период абсорбции, когда скорость процесса велика и хлороводород поглощается водой практически полностью, происходит заметное повышение температуры образующейся соляной кислоты. С течением времени абсорбции концентрация соляной кислоты возрастает, а прирост температуры раствора постепенно снижается.

Для каждой температуры существует определенная равновесная (максимальная) концентрация соляной кислоты, которая зависит от состава абсорбируемого газа. В результате длительного процесса абсорбции система приходит в состояние равновесия, и концентрация соляной кислоты, достигнув максимального значения, становится постоянной. При ограниченном времени абсорбции равновесная концентрация не достигается.

Максимально возможная концентрация кислоты будет увеличиваться с понижением температуры абсорбции, так как растворимость хлороводорода в воде возрастает. Следовательно, для получения более концентрированной кислоты благоприятно охлаждение абсорбера для отвода тепла, выделяющегося в процессе хемосорбции. На этом принципе основана работа промышленных установок, использующих в качестве хладагента оборотную воду.

Снижение концентрации хлороводорода в газе отрицательно сказывается на качестве соляной кислоты. Для получения концентрированной кислоты необходимо высокое содержание хлороводорода в абсорбируемом газе. Концентрация хлороводорода в газе зависит от способа его получения. В лабораторных условиях получение газа осуществляют путем разложения поваренной соли концентрированной серной кислотой. При использовании в качестве реагента 93%-ной серной кислоты теоретически в составе газа должно находиться

83 % (об.) НС1 и 17 % (об.) Н2О.

Показателем интенсивности процесса является величина движущей силы процесса абсорбции:

P PHCl PHCl* ,

70