Определение содержания кальция в известняке

Цель работы - рассчитать процентное содержание карбоната кальция в известняке с применением уравнения Клайперона-Менделеева на основании определения объема выделившегося углекислого газа.

Известняк - карбонатная порода, основной составной частью которой является минерал кальцит (карбонат кальция CaCO₃), один из наиболее распространенных на земной поверхности минералов. Кроме кальцита в известняке содержатся примеси - глинистые минералы, кварц, полевые шпаты и др.

При реакции карбоната кальция с хлороводородной (соляной) кислотой образуется углекислый газ:

CaCO₃+2H₂O=CaCl₂+CO₂↑+H₂O

По объему выделившегося газа можно определить массу карбоната кальция.

Прибор, используемый для получения и сбора газа представлен на рис.3.1 и состоит из кристаллизатора (1), мерного цилиндра (2), круглодонной колбы (3) и газоотводной трубки (4). Поступающий в мерный цилиндр газ собирают методом вытеснения насыщенного раствора NaCl.

Рис.2.2. Прибор для получения и сбора углекислого газа методом вытеснения : 1-кристаллизатор, 2-мерный цилиндр, 3-круглодонная колба, 4-газоотводная трубка

Последовательность проведения:

1) измерьте барометром атмосферное давление и жидкостным термометром температуру окружающего воздуха;

2) с помощью ареометра определите плотность насыщенного раствора хлорида натрия в кристаллизаторе ;

3) налейте в круглодонную колбу 8-12 мл 1н раствора соляной кислоты HCl;

4) фильтровальной бумагой вытрите досуха внутри горло круглодонной колбы и закрепите её в штативе в горизонтальном положении;

5) навеску известняка массой 0,2 г вместе с фильтровальной бумагой осторожно поместите в горло круглодонной колбы таким образом, чтобы частицы навески не могли преждевременно упасть в соляную кислоту и прореагировать с ней;

6) заполните мерный цилиндр насыщенным раствором хлорида натрия NaCl из кристаллизатора до краев и закройте часовым стеклом;

7) быстро переверните мерный цилиндр так, чтобы жидкость в полном объеме осталась в нем;

8) погрузите мерный цилиндр в насыщенный раствор NaCl в кристаллизаторе на некоторую глубину и закрепите его в штативе вертикальном положении;

9) плотно закройте круглодонную колбу пробкой с газоотводной трубкой и подведите стеклянный изогнутый наконечник газоотводной трубки под мерный цилиндр как изображено на рисунке;

10) выньте колбу из штатива и медленно во избежание бурного выделения газа пересыпайте известняк небольшими порциями в соляную кислоту НСl;

11) после прекращения выделения газа определите его объем по делениям на мерном цилиндре.

Обработка результатов и расчеты:

1) результаты эксперимента и наблюдений занесите в таблицу :

Масса вещества г	Условия опыта	Полученные результаты
	Температура ºС	Атмосфер-ное давле-ние, мм. рт. ст.	Плотность раствора, кг/м3	Объем газа, мл	Высота столба жидкости, мм
mисх	t	Pатм	ρ	V	h

2) давление столба жидкости в цилиндре рассчитайте по формуле:

Р _ст.ж.= ρ_р-ра * g * h,

где ρ_р-ра - плотность раствора (NaCl), г/см³, g – ускорение свободного падения - 9,8 м/с² ;

3) давление газа (Р _СО2)определяется по разности атмосферного давления и давления столба жидкости в цилиндре:

Р _СО2= P_атм - Р _ст.ж. , мм.рт.ст.

4) для пересчета давления газа СО₂ из мм.рт.ст. в Па используйте формулу:

Р _СО2 = ( Р _мл * 10⁵ )/ Р норм, Па

где Р_норм. = 760 мм.рт.ст.

5) массу углекислого газа СО₂ рассчитайте по уравнению Клайперона-Менделеева:

Р_СО2 * V_СО2 = (m_СО2 * R * Т)/ М_СО2

M_{СО2 =}( Р_СО2 * V_СО2 *М _СО2 )/R*T

где Р, V, Т - давление, объем и температура; R - универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль *К

6) рассчитайте массу карбоната кальция на основании соотношения:

m(СаСОз)/М(СаСО_з) = m(СО₂)/М(СО₂)

m(СаСО_з) = m(СО_з) * М(СаСОз)/М(СО_з)

7) определите содержание карбоната кальция в известняке ( в %):

ω(СаСО_з) = m(СаСОз)/m_{навески} * 100%

Контрольные вопросы и задания

1. Сколько нужно взять карбоната кальция, чтобы полученным при его разложении диоксидом углерода наполнить баллон вместимостью 40 л при температуре 15⁰С и давлении 1,013 * 10⁶ Па?

Ответ: 1,69 кг

2. Какой объем кислорода, взятого при 300⁰С и давлении 5,06 * 10⁵ Па, израсходован на сгорание 10 кг каменного угля до образования СО₂, если в угле содержалось 94% С? Какой объем при тех же условиях займет полученный диоксид углерода?

Ответ: 7,36 м³

3. Определить процентное содержание карбоната кальция в известняке, если при прокаливании 1 г этого известняка получено 0,225 л диоксида углерода при 0ºС и 0,904 * 10⁵ Па. Считать, что в известняке нет карбонатов других металлов, кроме кальция.

Ответ: 89,7%

4. Что рассчитывают по уравнению Менделеева - Клапейрона в нашей работе?

4. Как рассчитать массу газа по его объему?

6. Можно ли рассчитать погрешность опыта в данной работе?

7. С какой целью используется уравнение Клайперона-Менделеева ?

8. В каких расчетах используется измеренная высота столба жидкости (h)?

9. Определить процентное содержание примесей в техническом сульфиде железа, если при взаимодействии 5 г его с кислотой выделилось 0,8 л сероводорода, при температуре 39⁰С и давлении 1,617 * 10⁵ Па.

Ответ: 12%

10. В электрической печи из 20 кг технического оксида кальция было получено 16 кг карбида кальция. Реакция протекает по уравнению:

СаО + 3С = СаС₂ + СО

11.Сформулируйте понятия химического эквивалента и фактора эквивалентности;

12.Приведите формулы для расчета молярной массы химического эквивалента и ее объема, количества вещества химического эквивалента.

13.Вычислите молярные массы химического эквивалента следующих элементов:

а) олова, если при нагревании 0,92г его в токе кислорода образуются 1,17г оксида олова;

б) марганца, если при восстановлении 2,17г оксида марганца алюминием получилось 1,7г оксида алюминия;

14. При растворении в кислоте 3,06г металла выделилось 2,8л водорода (н.у.). Вычислите молярную массу химического эквивалента металла.

15. Определите фактор эквивалентности рения в оксиде рения (VII).

16. Рассчитайте количество вещества химического эквивалента дигидроксида железа в 450г этого вещества.

17. Какой объем занимает 0,5 молярных масс химического эквивалента кислорода?

18. При сгорании 5,0г металла образует 9,44г оксида. Определите молярную массу химического эквивалента металла.

19. Какие объемы займут при нормальных условиях одна молярная масса химического эквивалента кислорода и одна молярная масса химического эквивалента водорода?

20. 1г калия соединяется с 0,9 г хлора, либо с 2,0 г брома. Найдите молярные массы эквивалента калия и брома, если молярная масса химического эквивалента хлора равна 35,5г.

21. Приведите измеренный объем газа СО₂ 50мл к нормальным условиям (Р_атм. = 740 мм Hg, t=20ºС).

22. Какой вид примет математическое выражение закона эквивалентов, если одно из веществ, участвующих в реакции, находится в газообразном состоянии?

23. Определить молярную массу химического эквивалента металла, если 0,046г его вытеснили из кислоты 62,35мл водорода, собранного над водой при температуре 17ºС и давлении 1,014*10⁵Па.