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:
Na2СO3р +Са(ОН)2тв 2NaОНр + СаСO3тв + 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 СО32- у розчині. Константу рівноваги для даної реакції можна визначити за рівнянням:
(2)
де значення [ОН-] та [СО32-] 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 Uр– 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 СО32- осаджується з утворенням нерозчинного барію карбонату згідно з реакцією:
Ва2+ + СО32-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 Uр та будують криву залежності Uрвід 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.