Послідовність виконання роботи і проведення

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Каустифікація содового розчину є головною операцією вапнякового піввбу отримання NaОН. Содовий розчин обробляють вапном або вапняковим молоком і під час цієї реакції гідроксид натрію утворюється згідно з такою хімічною реакцією:

Na₂СO_3р +Са(ОН)_2тв → 2NaОН_р + СаСO_3тв + 0,84 кДж. (1)

Процес рівноважний і умови рівноваги цієї реакції визначаються піввіднношенням між розчинністю гідроксиду та карбонату кальцію, або піввідношеньням концентрацій іонів ОН^- та СО₃^2- у розчині. Константу рівноваги для даної реакції можна визначити за рівнянням:

(2)

де значення [ОН^-] та [СО₃^2-] виражено через добуток розчинності відповідних солей.

Дана формула виражає значення константи рівноваги реакції залежно від розчинності гідроксиду та карбонату кальцію у розчині. Добуток розчинності інших сполук можна виразити такими виразами:

(3)

(4)

Поділивши рівняння (3) на рівняння (4), отримаємо:

(5)

З наведеного співвідношення бачимо, що при збільшенні концентрації соди у початковому розчині рівноважна ступінь каустифікації содового розчину зменшується:

(6)

де U_р– рівноважний ступінь каустифікації.

Із зменшенням концентрації соди в початковому розчині ступінь каустифікації підвищується. Швидкість досягнення рівноваги залежить також від температури. Підвищення температури до 100 °С забезпечує досить високушвидкість проходження процесу. Крім того, збільшення температури зумовлює утворення осаду з великих кристалів СаСО₃ та легке відділення шламу від лужних розчинів під час його декантації. Швидкість процесу каустифікації залежить також від кількості використаного вапна та від його властивостей: розміру частинок, умов обпалення вапняку та присутності домішок у вихідних матеріалах. Так, присутність SiO₂ у вапні призводить до додаткових витрат соди:

SiO₂ + Na₂СO₃→ Na₂SiO₃ + СO₂ (7)

або

2СаО +SiO₂ + 2Na₂СO₃ + Н₂O→ 2СаСO₃ + Na₂SiO₃+ NaОН (8)

Присутність у вапні оксидів заліза та алюмінію не впливає на ступінь рівноваги під час проходження реакції каустифікації.

На практиці процес каустифікації содового розчину проводять у 2-3 Н розчині Na₂СO₃ (приблизно 10-15 % мас.) при температурі ~ 80 °С. За таких умов досягають 90 % ступеня перетворення Na₂СO₃ у NaОН та отримують луг, що містить 100-120 г/дм³NaОН.

ОПИС УСТАНОВКИ, ЩО ВИКОРИСТОВУЄТЬСЯ В ЛАБОРАТОРНІЙ

РОБОТІ

Лабораторна установка для каустифікації содового розчину зображена на рисунку 1. Вона складається з каустифікатора (1), який встановлений у водяну баню (4). Водяна баня обігрівається електричною плиткою. Температура у водяній бані встановлюється та регулюється за допомогою терморегулятора. Швидкість обертання мішалки становить 60 об/хв. Один з отворів у пробці каустифікатора використовується для відбору проб рідини.

1 - каустифікатор; 2 - мішалка; 3 - термометр; 4 - водяна баня; 5 - електроплитка; 6- електродвигун

Рисунок 1 –Установка для каустифікації содового розчину

ПОСЛІДОВНІСТЬ ВИКОНАННЯ РОБОТИ І ПРОВЕДЕННЯ

РОЗРАХУНКІВ

Для виконання лабораторної роботи готується 5-20 % розчин Na₂СO₃, концентрація якого перевіряється і точно встановлюється аналітично.

Кількість вапна для каустифікації розраховують відповідно до складу та кількості содового розчину та згідно з характеристикою вапна. Необхідну кількість СаО беруть у надлишку -10 % від теоретично необхідної, що знаходиться із стехіометричного співвідношення. Знайдена кількість СаО перераховується на кількість вапна з урахуванням вмісту в ньому СаО.

Для виконання досліду в каустифікатор (1) наливають 300-400 см³ содового розчину. Запускають мішалку та включають плитку. Коли температура суміші в каустифікаторі досягне заданої величини (50-90 °С), у колбу через отвір для відбору проб починають завантажувати малими наважками вапно. Завантаження проводять рівномірними порціями через кожні 2-3 хвилини. Час початку досліду відмічають з моменту завантаження першої порції вапна. Каустифікацію проводять протягом 1,5-2 годин, відбираючи через кожні 15 хвилин проби рідини на аналіз. Проби відбираються піпеткою з широким кінцем. Вміст піпетки переносять на фільтр. Фільтрат аналізують на вміст у ньому NaOH та Na₂СO₃.

Згідно з завданням, що видає викладач, досліди по каустифікації проводяться для однієї і тієї ж концентрації Na₂СO₃ у вихідному розчині содового розчину при різних температурах або для однієї і тієї ж температури, але при різних концентраціях у вихідних розчинах Na₂СO₃. У цьому випадку у водяну баню одночасно вміщують декілька каустифікаторів. Після закінчення досліду зупиняється мішалка, виймаються каустифікатори з водяної бані та після охолодження і відстоювання суспензії з кожного каустифікатора відбираються проби прозорої рідини для аналізу на вміст Na₂СO₃ та NaOH.

Суть методу визначення загальної лужності полягає в нейтралізації NaOH іNa₂СO₃, що знаходяться в досліджуваній рідині, 1Н розчином НС1:

NaOH + HCl → NaCl + Н₂О (9)

Для аналізу відбирають 10 см³ досліджуваної рідини, що переноситься в конічну колбу місткістю 250 см³. В пробу додають 50 см³ води, 2-3 краплі індикатору метилового оранжевого, після чого титрують 1 Н розчином НС1 до зміни жовтого забарвлення розчину на рожеве.

Кількість НСl (см³), що була витрачена на титрування проби, відповідає загальній лужності розчину, тобто сумарному вмісту у розчині NaOH та Na₂СO₃.

Сутність методу визначення вмісту в розчині гідроксиду натрію полягає в осадженні натрію карбонату барію хлоридом. При додаванні до розчину, що містить NaOH та Na₂СO₃, ВаСl₂ іон СО₃^2- осаджується з утворенням нерозчинного барію карбонату згідно з реакцією:

Ва²⁺ + СО₃^2-→ВаСО₃ (10)

Під час титрування осадженої проби хлорною кислотою в присутності фенолфталеїну виявляють кількість іонів ОН, що еквівалентна початковому вмісту NaOH в пробі.

Для визначення вмісту NaOH10 см³ досліджуваного розчину відбирають піпеткою в конічну колбу, додають 50 см³ дистильованої води та 40-50 см³ 10 % розчину ВаСl₂. Після осадження барію карбонату до проби додають 3-4 краплини фенолфталеїну і відразу ж титрують 1Н розчином НCl при обережному перемішуванні. Це титрування необхідно проводити обережно, не залишаючи розчин на повітрі і не струшуючи, тому, що:

1) розчин, що містить іони ОН^- та іони Ва²⁺, поглинає з повітря оксид вуглецю (IV), внаслідок чого можна допустити похибку під час визначення NaОН в розчині;

2) осад ВаСО₃ може частково реагувати з соляною кислотою. Ця взаємодія не грає ролі на початку титрування, але надалі надмірні витрати НСl компенсуються нейтралізацією оксиду вуглецю, що виділяється еквівалентно кількості іонів ОН' в розчині. В кінці титрування СO₂ частково вивітрюється з розчину і взаємодія ВаСО₃ та НСl не компенсується.

Кількість НСl (в см³), що була витрачена на титрування проби, відповідає вмісту в ній гідроксиду натрію та визначається за формулою:

(11)

де G(NaOH) –вміст NaОН в розчині, г/л;

0,04 – маса NaОН, яка еквівалентна масі кислоти, що міститься в 1 см³ 1H розчину НСl.

Кількість натрію карбонату в розчині визначають як різницю між загальною лужністю розчину і вмістом у ньому натрію гідроксиду. Таким чином, вміст Na₂СO₃ у пробі відповідає a– b см³ 1Н НСl:

(12)

де G(Na₂CO₃) – вмістNa₂CO₃ в розчині, г/дм³;

0,053 –кількість Na₂CO₃, що відповідає 1см³ 1Н НСl.

За отриманими даними розраховують ступінь каустифікації U_р та будують криву залежності U_рвід концентрації вихідного содового розчину або від температури.

ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ

1. Працюючи на установці, треба виконувати тільки роботу, що задана викладачем.

2. Розчини їдкого натру (концентрований NaОН) небезпечні. Вони здатні пошкодити шкіру і слизову оболонку. Опік від розчинів NaОН дуже повільно загоюється і залишає рубці. Особливо небезпечно, коли розчин №ОН потрапляє в очі.

3. Якщо розчин гідроксиду натрію потрапляє на шкіру, вражену ділянку необхідно промити великою кількістю води.

4. Всі роботи, пов'язані з каустифікацією соди, незалежно від концентрації її розчинів, повинні проводитися в халатах, резинових рукавицях та захисних окулярах.

5. Електроприлади (електроплитка, мішалка) повинні бути в справному вигляді, заземлені та вмикатися під наглядом лаборанта.