Методика выполнения лабораторной работы

Способ и последовательность действий для проведения каустификации представлены в табл. 3.

В зависимости от задания проводятся опыты:

- при одной и той же концентрации содового раствора и извести и при разных температурах процесса;

- при одной температуре, но при разном соотношении исходных компонентов;

- при одном и том же составе реакционной смеси и температуре раствора, но при разном времени протекания процесса.

Для определения степени каустификации содового раствора анализ подвергается конечная реакционная смесь. Для определения скорости процесса проводится отбор проб по ходу протекания процесса.

 

Обработка результатов

Для расчета степени каустификации и других показателей оценки эффективности протекания процесса анализу подвергаются фильтрат и промывные воды для определения едкой (NaOH), карбонатной (Na₂CO₃) и известковой (Ca(OH)₂) щелочи. Для этого проводят титрование соляной кислой с известной концентрацией N_HCL в присутствии индикатора: для фильтра используется 1H раствор соляной кислоты, для промывных вод – 0,1Н раствор соляной кислоты. Совместное присутствие щелочных агентов усложняет анализ. Для идентификации каждого из компонентов применяется метод осаждения хлористым барием и оксалатом аммония.

Для определения общей щелочности 10 мл пробы переносят в коническую колбу, добавляют 10 мл дистиллированной воды и 3- 4 капли индикатора фенолфталеина и титруют раствором соляной кислоты до момента обесцвечивания розовой окраски (не перетитровать). Затем добавляют 3-4 капли индикатора метилового-оранжевого и дотитровывают кислотой до перехода окраски из желтой в розовую. Общее количество кислоты, израсходованное на титрование пробы с фенолфталеином и метиловым-оранжевым, отвечает общей щелочности и составляет V₁ мл.

Для определения карбоната натрия сначала оценивают содержание едкой и известковой щелочи путем осаждения присутствующего с ним карбоната натрия (Na₂CO₃) с помощью хлорида бария. Для этого 10 мл

пробы переносят в коническую колбу, добавляют 10 мл дистиллированной воды и прибавляют 30 мл 25 %-ного раствора хлорида бария (BaCL₂). При этом образуется нерастворимый карбонат бария и гидроксид бария по уравнениям реакции 6,7,8:

 

Na₂CO₃ + BaCL₂ = BaCO₃ ↓ + 2NaCl(6)

2NaOH + BaCL₂ = Ba(OH)₂ + 2NaCL(7)

Ca(OH)₂ + BaCL₂ = Ba(OH)₂ + CaCL₂(8)

К пробе после осаждения карбоната натрия добавляют 3-4 капли фенолфталеина и сразу немедленно титруют раствором соляной кислоты при осторожном помешивании до обесцвечивания розовой окраски. Долгое пребывание пробы исследуемого раствора на воздухе и интенсивное перемешивание ведут к значительному поглощению углекислого газа из воздуха. Количество кислоты, израсходованное на титрование эквивалентно содержанию едкого натра и гидроксида кальция, составляет V₂ мл. Разность V₁-V₂ соответствует содержанию карбоната кальция в растворе, концентрация которого определяется по формуле 15:

 

53 × N_HCL (V₁ - V₂)

C_Na2CO3 = ——————————— , г/л (15)

10

 

Для определения гидроксида кальция используется выделение его путем осаждения в присутствии оксалата аммония. При этом в исследуемом растворе протекают следующие реакции 9, 10, 11:

 

Ca(OH)₂ + (NH₄)₂ C₂O₄ = Ca C₂O₄ ↓ + 2NH₄OH (9)

2 NaOH + (NH₄)₂ C₂O₄ = Na₂ C₂O₄ + 2NH4OH (10)

NaCO₃ + (NH₄)₂ C₂O₄ = Na₂C₂O₄ + (NH ₄)₂CO₃ (11)

 

Для этого 10 мл пробы переносят в коническую колбу, добавляют 30 мл 3 %-ного раствора оксалата аммония, тщательно перемешивают и переносят содержимое колбы на предварительно взвешенный фильтр. По разнице масс абсолютно сухих фильтров с осадком и без него определяют концентрацию гидроксида кальция в пробе по формуле 16:

 

74 ∙ (m _{фильтр. с осад.} - m_фильт.) ∙ 100

C_Ca(OH)2 = ——————————————— , г/л (16)

128

 

По содержанию гидроксида кальция в пробе оценивается соответствующий объем соляной кислоты (V₃), который пошел бы на титрование 10 мл пробы для определения известковой щелочи по формуле 17:

 

10 · C_Ca(OH)2

V₃ = —————— , мл (17)

2 · 74 · N_HCL

 

Для определения едкого натра находят разность объемов титранта V₁ - V₂ - V₃. Концентрация гидроксида натрия в исследуемой пробе рассчитывается по формуле 18:

 

40 · N_HCl · (V₁ - V₂ - V₃)

C_NaOH = _{————————————————————} , г/л (18)

10

 

По полученным данным едкой, карбонатной и известковой щелочности рассчитывают массы щелочных агентов в фильтрате в пересчете на весь осадок и в промывных водах в пересчете на весь объем по формулам 19-24:

 

C_{NaOH в осад.} ∙ m _осад.

m_{NaOH в осад.} = ——————————— , г (19)

1000

 

C_{Na2 CO3 в осад.} ∙ m осад.

m_{Na2CO3 в осад.} = ———————————— , г (20)

1000

 

С_Сa(OH)2 в осад. × m осад.

m_{Ca(OH)2 в осад.} = ———————————∙, г (21)

1000

 

m_осад. ∙ V_{общ. пр.в.}

m_{NaOH пр. в. =} С_NaOH пр.в. * ——————————— , г (22)

m проб ∙ 1000

 

mосад. ∙ Vобщ. пр.в.

m_Na2CО3 пр.в. = С_{Na2CO3 пр.в.} * ————————— , г (23)

m проб. ∙ 1000

 

mосад. ∙ Vобщ. пр.в.

m_Ca(OH)2 пр. в.= C_Ca(OH)2 пр.в. * ————————— , (24)

m проб. ∙ 1000

 

Степень каустификации ( выход гидроксида натрия) определяется по формулам 25-27:

 

(m_NaOH) факт

Х = ——————— ∙ 100 % (25)

(m_NaOH) теор.

 

, где (m_NaOH) факт = m _NaOH.в осад. + m _{NaOH пр.в.}, г (26)

2 ∙ 40 (m_{NaOH в осад.}+ m_{NaОН пр.в.})

(m_NaOH) теор. = (m_NaOH) факт + г (27)

53

 

Результаты анализов и расчетов сводятся в таблицу 4 по образцу.

 

Таблица 5 Результаты анализов и расчетов

Длительность каустификации, мл

Время отбора пробы от начала опыта

Исходный раствор

Фильтрат

Промывные воды

Температура каустификации, ˚С

Степень каустификации Х,%

Объём, мл

СодержаниеNa2CO3

Объём V1,мл

Содержание

Объём V2, мл

Содержание

Na2CO3

NaOH

Ca(OH)2

Na2CO3

NaOH

Ca(OH)2

г

г/л

г/л

г

г/л

г

г/л

г

г/л

г

г/л

г

г/л

г

 

 

Приложение 1

 

Источником получения каустической соды (гидроксида натрия) с древних времен до начала Х1Х века были содовые озера Египта и некоторых других стран, а также щелочесодержащие растения, произрастающие по берегам Средиземного моря и Атлантического океана. Однако к концу ХV111 века эти источники уже не могли удовлетворять возросшую потребность в едком натре. Возникло фабричное производство гидроксида натрия, которое может по праву считаться родоначальником современной химической промышленности, так как впервые в крупном масштабе синтетическим путем стали получать продукт, ранее добывавшийся из естественных источников или из растений.

Каустическая сода (каустик) имеет несколько названий: гидроокись, едкий натр, гидроксид натрия. Название «натрий» ввел в науку шведский ученый Я. Берцелиус в 1811 г. От слова «natroo» - зола морских водорослей, из которых добывали соду. В твердом виде едкий натр и едкий калий впервые получил в 1792 г. русский ученый Г.Е. Ловец. В древности не делали различий между калиевыми и натриевыми соединениями. Лишь в ХV11 веке пришли к заключению, что щелочной раствор, получаемый из золы растений, отличается от щелочи, полученной из минеральных веществ. В золе растений содержатся главным образом калийные соединения, а из минеральных источников извлекаются натриевые соединения. В начале Х1Х века развитие производства каустической соды было тесно связано с развитием производства кальцинированной соды (карбоната натрия). Эта взаимосвязь была обусловлена тем, что сырьем для химического способа получения едкого натра служила кальцинированная сода, которая в виде содового раствора каустифицировалась известковым молоком. /11,13,16/

Чистый гидроксид натрия – белые, непрозрачные, твердые, ромбические кристаллы, схожие со структурой хлорида натрия. Едкий натр очень гигроскопичен, является хорошим абсорбентом углекислого газа. Поэтому при хранении на воздухе в составе технического продукта увеличивается содержание влаги (в виде кристаллогидрата NaOH ∙ H₂O) и карбоната натрия. Для обезвоживания гидроксида натрия применяют сильное нагревание в атмосфере свободной от углекислого газа. Для удаления карбонатов используют перекристаллизацию из эталона, в котором карбонаты практически не растворимы. Однако в большинстве случаев небольшое содержание примесей воды и карбонатов не мешает использованию щелочи. /13-15/

Гидроксид натрия – едкое вещество, при попадании на кожу вызывает долго незаживающие ожоги, а при систематическом воздействии вызывает язвы и экзему. Предельно допустимая концентрация аэрозоля едкого натра в воздухе производственных помещений 0,5 мг/м³ . /16/

Одним из наиболее ранних методов получения каустической соды является известковый способ, основанный на каустификации карбоната натрия известью или известковым молоком по уравнению 1:

 

Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ → 2NaOH + CaCO₃ ↓ (1)

←

 

Основными этапами каустификации являются: каустификация, отделение и промывка шлама, выпарка щелочей, плавка. Подача на каустификацию вместо известкового молока извести позволяет использовать в процессе теплоту гашения оксида кальция. Кроме того, образуется более концентрированный раствор едкого натра за счет вывода из процесса воды, поступающей с известковым молоком.

Глубина процесса каустификации зависит от состояния равновесия, которое для данного типа химических реакций определяется растворимостью трудно растворимых соединений гидроксид кальция и карбонат кальция. В начале процесса в растворе присутствует большое количество карбонат ионов (диссоциация карбоната натрия) снижающих и без того малую растворимость карбоната кальция. По мере каустификации в растворе накапливаются гидроксид ионы (диссоциация едкого натра) и уменьшается количество карбонат ионов, поэтому растворимость гидроксида кальция уменьшается. При достижении одинаковой растворимости наступает химическое равновесие.

Важной характеристикой процесса является равновесная степень каустификации (степень перехода кальцинированной соды в едкий натр), которая при прочих равных условиях снижается при увеличении содержания соды в исходном растворе. При понижении концентрации соды в исходном растворе степень каустификации повышается, однако вместе с этим возрастает также удельное содержание воды, что приводит к увеличению расхода греющего пара на выпарку, а следовательно к росту стоимости каустической соды.

Скорость достижения равновесия зависит от температуры, с ростом которой повышается скорость всего процесса. Кроме того, увеличение температуры способствует образованию крупнокристаллического осадка карбоната кальция, что улучшает отделение шлама от щелочных растворов при дальнейшей декантации.

Выявленные закономерности зависят от качества используемого сырья. В промышленности, где применяются технические сода и известь, в которых содержится значительное количество примесей разного состава, эти закономерности проявляются не однозначно. /2, 12, 14/

Процесс каустификации - пример гетерофазной системы жидкость-твердое (Ж-Т). Межфазные процессы широко распространены в химической технологии. Они возникают при образовании и растворении осадков, испарении и перегонки веществ, переходе веществ из одной фазы в другую, при адсорбции на поверхности твердых тел, экстракции из твердых тел. Скорость межфазных процессов обычно велика в начале контакта фаз и постепенно уменьшается во времени до некоторого постоянного значения, характеризуемого константой химического межфазного равновесия. Скорость гетерогенных процессов сильно зависти от перемешивания. При перемешивании вырабатываются концентрации в большей части объема, но у самой поверхности раздела фаз всегда остается небольшой концентрированный неисчезающий при перемешивании пограничный слой.

Для оценки эффективности возможных путей воздействия на скорость гетерогенной реакции важно знать, какая из стадий является наиболее медленной, определяющей скорость процесса в целом. Так как процесс каустификации лежит в кинетической области, то наиболее медленной стадией является химическое взаимодействие на границе разных фаз. При этом направление и скорость реакции зависит главным образом от соотношения концентраций гидроксид и карбонат ионов в растворе. /18,19/

На практике применяют 10-15 % раствор карбоната натрия, при этом достигается степень каустификации в среднем около 90 % и получают щёлок, содержащий 100 – 120 г/дм³ гидроокиси натрия. Низкая концентрация едкого натра в щёлоках - основной недостаток известкового метода. /1/

Весьма малый тепловой эффект реакции (1), а именно, 0,84 кДж показывает, что температура мало влияет на равновесную степень каустификации. Ниже приведены экспериментальные равновесные степени каустификации, полученные при постоянной концентрации исходного содового раствора и различной температуре:

температура, ⁰С8090100

степень каустификации, %97,196,896,9

Процесс каустификации ведут при температуре 90 – 100 ⁰С, что обеспечивает достаточно высокую скорость процесса и быстрое осаждение крупнокристаллического карбоната кальция. /2/

В 1882 г. был разработан и внедрён в промышленность ферритный способ получения едкого натра, также основанный на применении кальцинированной соды. Этот способ заключается в получении феррита натрия Na₂O · Fе₂О₃ и последующем его разложении водой или слабыми оборотными щёлочами. Феррит натрия образуется при спекании кальцинированной соды с окисью железа (ІІІ) при высокой температуре. Процесс спекания сопровождается реакцией 2:

 

Na₂CO₃ + Fe₂O₃ = Na₂ О · Fe₂О₃ + CO₂(2)

 

При выщелачивании спека водой образуется едкий натр и окись железа (III) по уравнению реакции 3:

 

Na₂O Fe₂O₃ + H₂O = 2NaOH + Fe₂O₃ (3)

 

В настоящее время ферритный способ практически не применяется из-за технологической сложности и больших затрат ручного труда. /1,2/

В конце Х1Х в стали быстро развиваться электрохимические методы получения гидроксидов электролизом водных растворов солей (хлорида натрия). Это наиболее простой и экономичный метод одновременного получения трех важнейших химических продуктов – хлора, водорода, гидроксида натрия с использованием доступного и дешевого сырья для получения рассола. Эти факторы объясняют быстрое развитие электрохимического производства каустической соды как основного промышленного метода его получения. Благодаря чистоте получаемых продуктов, простому и компактному аппаратурному оформлению, а также несложности, одностадийности химико-технологической системы электролиз хлорида натрия – стал основным способом производства гидроксида натрия. /14/ Первый патент на электрохимический метод производства гидроксида натрия и хлора был получен русскими учеными Н. Глуховым и Ф. Ващуком в 1879 году, а уже в 1880 году стало возможным промышленное внедрение этого способа. Электролиз раствора хлорида натрия протекает по суммарной реакции 4:

 

2NaCL + 2H₂O = 2NaOH + CL₂ ↑ + H₂ ↑ (4)

 

Сырьем для получения исходного рассола является каменная соль, озерная соль, природные подземные растворы хлорида натрия.

В зависимости от применяемого катода электролиз проводят тремя способами: диафрагменным (с твердым катодом), ртутным (где катод-ртуть) и мембранным (где вместо диафрагмы используется катионно- или анионообменная мембрана). Каждый из указанных способов электролитического получения щелочи и хлора отличается реакциями, протекающими на катодах.

В диафрагменном способе на твердом катоде происходит разряд ионов водорода с образованием в электролите щелочи содержащей остаточное количество хлорида натрия. В анодное пространство подается горячий очищенный рассол и отводится образующий газообразный хлор. В отечественной промышленности применяются высокогерметичные электролизеры различной конструкции: вертикальной листовой асбестовой диафрагмой; с осажденной диафрагмой; с верхним токопроводом. Наибольшее использование нашли электролизеры с вертикальной осажденной диафрагмой и нижним токоподводом. (рис. 2) /12/ В процессе электролиза образуется 99 % хлор, 99,5 % водород и электролитическая щелочь, содержащая 130-135 г/л гидроксида натрия.

В ртутном способе часть поваренной соли разлагается с образованием хлора и амальгамы натрия (раствор натрия в ртути). Натриевая амальгама, перекачивается в другую ванну, где натрий вступает в реакцию 5 с водой:

 

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂ ↑ (5)

 

Раствор едкого натра идет на выпаривание, а чистая ртуть снова попадает в электролизер. Образующийся водород удаляется в цеховой коллектор, а чистая 50 % каустическая сода выводится как готовый продукт. Для промышленной реализации данного метода в основном используется горизонтальные электролизеры. Недостатком этого метода является использование сильно ядовитой ртути, создающей труднорешаемые проблемы газоочистки и сброса ее отходов.

Хороший технико-экономический эффект дает сочетание обоих способов (ртутного и диафрагменного), когда твердая и обратная соль из диафрагменных электролизеров подается до насыщения аналита из ванн с ртутным катодом, благодаря чему удается использовать дешевые подземные рассолы.

Для проведения мембранного способа электролиза используют электролизеры с ионообменной мембраной (нефильтрующий полимерный материал) которая разделяет анодное и катодное пространство. Насыщенный рассол подается в анодную камеру, ионообменная мембрана предотвращает попадание его в катодное пространство. Хлор выделяется на аноде и выводится из анодной камеры с обедненным рассолом. Ионы натрия проходят через мембрану в катодную камеру, куда подается вода в количестве, необходимом для получения щелочи, заданной концентрации. Для нормальной работы электролизера требуется глубокая очистка сырого рассола с добавлением ионообменных смол. Содержание магния (Mg²⁺) и кальция (Са²⁺) в очищенном рассоле должно быть не более 0,005 г/л. Перед подачей в электролизер рассол подкисляют соляной кислотой.

К достоинствам такого электролизера относят получение чистой каустической соды без применения ртути, что исключают загрязнение окружающей среды, отсутствие водорода в хлориде, относительно низкий расход электроэнергии. /12/

 

 

Приложение 2