Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Технология неорганических веществ: Сборник лабораторных работ

Голосов: 1

В сборник включены лабораторные работы по курсу "Технология неорганических веществ". В пособии приведено описание работ технологического характера: процессы производства некоторых видов минеральных удобрений, порядок выполнения работ, методы расчета и аналитического контроля процесса. Сборник предназначен для студентов специальностей "Технология неорганических веществ" и "Химия". Подготовлен на кафедре химии и экологии НовГУ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                    Федеральное агентство по образованию
           Государственное образовательное учреждение
              высшего профессионального образования
 Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
        Институт сельского хозяйства и природных ресурсов

         Факультет естественных наук и природных ресурсов
                     Кафедра химии и экологии




ТЕХНОЛОГИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

           Сборник лабораторных работ № 2




                        Великий Новгород
                              2007


     Грошева Л. П.   Технология    неорганических    веществ:    Сборник
лабораторных работ №2 / Новгородский государственный университет.

    В сборник включены лабораторные работы по курсу «Технология
неорганических веществ». В пособии приведено описание работ
технологического характера: процессы производства некоторых видов
минеральных удобрений, порядок выполнения работ, методы расчета и
аналитического контроля процесса.
    Сборник предназначен для студентов специальностей «Технология
неорганических веществ» и «Химия».




                                        © Новгородский государственный
                                        университет, 2007

                                        © Грошева Л.П., 2007




                                   2


                                                     Содержание

1 ПОЛУЧЕНИЕ СУПЕРФОСФАТА ........................................................................ 4
   1.1 Цель работы........................................................................................................ 4
   1.2 Основные теоретические положения............................................................... 4
   1.3 Порядок выполнения работы............................................................................ 5
      1.3.1 Разложение фосфата серной кислотой...................................................... 5
      1.3.2 Аналитические определения ...................................................................... 6
      1.3.3 Разложение фосфата фосфорной кислотой ............................................ 12
2 ПОЛУЧЕНИЕ НИТРАТА КАЛИЯ ИЗ ХЛОРИДА КАЛИЯ И НИТРАТА
НАТРИЯ ..................................................................................................................... 18
   2.1 Цель работы...................................................................................................... 18
   2.2 Основные теоретические положения............................................................. 18
   2.3 Пример расчета ................................................................................................ 20
   2.4 Порядок выполнения работы.......................................................................... 21
3 ПОЛУЧЕНИЕ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ .................. 24
   3.1 Цель работы...................................................................................................... 24
  3.2 Основные теоретические положения ............................................................. 24
   3.3 Порядок выполнения работы.......................................................................... 25
   3.4 Методы расчета ................................................................................................ 27
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ................................................................................. 29




                                                              3


                  1 ПОЛУЧЕНИЕ СУПЕРФОСФАТА

     1.1 Цель работы

     Практическое изучение процесса получения       простого и двойного
суперфосфата и методов анализа суперфосфата.

     1.2 Основные теоретические положения

      Различные соединения фосфорной кислоты имеют большое практическое
значение в промышленности и сельском хозяйстве. Особое значение имеют
фосфорнокислые соли, растворимые в воде или почвенных растворах и
являющиеся удобрениями. Среди фосфорных удобрений наибольшее значение
имеют простой и двойной суперфосфаты (однозамещенный фосфат кальция –
главная составная часть).
      Сырьем для производства фосфорных удобрений служат природные
фосфаты – апатиты и фосфориты, нерастворимые в воде и отличающиеся по
составу и происхождению. Апатиты – минералы, входящие в изверженные
горные породы и имеющие состав Са5R(РО4)3, где R –F, иногда Сl или ОН.
Апатитовый концентрат состоит в основном из фторапатита Са5F(РО4)3,
содержание Р2О5 в котором равно 42.46%. Фосфориты представляют собой
породы осадочного происхождения, содержание примесей в них по сравнению
с апатитатовым концентратом понижено, а примесей – повышено. Все это
затрудняет получение из фосфоритов высококачественных удобрений.
      Процессы, происходящие при обработке природных фосфатов – апатита и
фосфорита – кислотами, могут служить примерами гетерогенных
некаталитических процессов в многофазной системе Ж-Т-Г, лимитируемых
кинетикой диффузии и массообмена между фазами. При разложении фосфатов
кислотами образуется многофазная система, включающая жидкую фазу
(раствор), несколько твердых фаз (гипс, монокальцийфосфат, фосфаты железа,
алюминия и т.п.), а также новую газовую фазу (фтористый водород).
      Это многостадийный процесс, протекающий экстенсивно, что
объясняется малыми скоростями отдельных этапов этого процесса.
      Простой суперфосфат содержит 14-21% усвояемой формы Р2О5 в
зависимости от исходного сырья. Двойной суперфосфат является
высококонцентрированным удобрением и в отличие от простого суперфосфата
представляет собой монокальцийфосфат Са (Н2РО4)2*Н2О без примеси
сульфата кальция. Содержание усвояемой Р2О5 в двойном суперфосфате
составляет 40-55%.
      Простой суперфосфат получают разложением апатитов серной кислотой
в количестве, недостаточном для полного его разложения до фосфорной
кислоты.
      2Са5F(РО4)3 + 7Н2SО4 + 3Н2О = 3Са (Н2РО4)2 · Н2О + 7СаSО4 + 2НF



                                    4


      Образуется однозамещенный фосфат кальция в смеси с сульфатом
кальция. Он содержит много балласта и сравнительно малое количество Р2О5,
что является его недостатком.
      Взаимодействие фторапатита с серной кислотой протекает в несколько
стадий. Сначала образуется фосфорная кислота:
    Са5F(РО4)3 + 5Н2SО4 + 2.5Н2О = 3Н3РО4 · Н2О + 5(СаSО4 · 0.5Н2О) + НF
     Эта реакция заканчивается в течение 20-40 мин, причем основная масса
полуводного сульфата кальция в течение нескольких минут переходит в
безводный ангидрит. В этой форме сульфат кальция и находится в готовом
суперфосфате.
     Получающаяся на первой стадии фосфорная кислота реагирует в
дальнейшем с оставшимся фторапатитом:
              Са5F(РО4)3 + 7Н3 РО4 + 5Н2О = 5Са (Н2РО4)2 · Н2О + НF
      Образующийся однозамещенный фосфат кальция находится вначале в
растворе. Кристаллизуется он в основном при охлаждении. Для полного
разложения на второй стадии процесса необходимо значительное время и
длительное «вылеживание», «дозревание» суперфосфата на складе.
      Концентрированное безбалластное удобрение – двойной суперфосфат –
получают разложением апатита фосфорной кислотой. После смешения
измельченного фосфата с фосфорной кислотой в результате кристаллизации
монокальцийфосфата происходит схватывание и затвердевание реакционной
массы.

     1.3 Порядок выполнения работы

     1.3.1 Разложение фосфата серной кислотой
     Исходным материалом для проведения работы служит апатитовый
концентрат или фосфорит известного состава, которые необходимо просеять
предварительно через сито с размером отверстий 0.147мм и 62-70% серная
кислота. В соответствии с составом сырья вычисляют стехиометрическую
норму серной кислоты.
     Расчет нормы серной кислоты производится по суммарному уравнению
реакции
             2Са5F(РО4)3 + 7Н2SО4 = 3Са (Н2РО4)2 + 7СаSО4 + 2НF
      Из уравнения следует, что на 3 моля Р2О5 на (426 г Р2О5) требуется
7 молей серной кислоты (686 г), следовательно, на 1 масс. ч. Р2О5 требуется
1.61 масс. ч. моногидрата Н2SО4.
      Для     разложения    100 г апатита,   содержащего     39.4%    Р2О5,
стехиометрическая норма серной кислоты (моногидрата) равна:
                      1.61 · 39.4 = 63.4ч. (масс.) Н2SО4
     или кислоты, содержащей 68% Н2SО4

                                      5


                           62.8 · 100/68 = 92.3 г.
     Объем кислоты на разложение 100г апатита составляет
                          92.3/1.5874 = 58.2 см 3,
      где 1.5874 – плотность 68% серной кислоты при 200С.
      Расход кислоты на разложение примесей, присутствующих в апатите,
можно не учитывать. Практическую норму серной кислоты следует брать в
пределах 100-110 % от стехиометрического количества.
      Для получения суперфосфата берут навеску апатита 50-100 г в
фарфоровую чашку. Во взвешенный фарфоровый стакан вместимостью 1.0 дм 3
заливают серную кислоту, объем которой рассчитывают заранее и нагревают до
50-700С. При достижении заданной температуры постепенно в течение 2-3
мин засыпают в стакан с кислотой апатит, непрерывно перемешивая
реакционную массу фарфоровой палочкой.
      По окончании загрузки реагенты перемешивают еще 3-5 мин. В процессе
смешения отбирают 3-5 проб пульпы (ложечкой 5-10см3). Отобранные пробы
переносят в заранее подготовленные стаканы и определяют в них содержание
фосфорной и серной кислот методом титрования. По окончании
перемешивания стакан с суперфосфатной массой ставят в сушильный шкаф, в
котором поддерживают температуру 105-1100С. При этой температуре за 1 час
происходит созревание суперфосфатной массы, так же как и в суперфосфатной
камере периодического действия. Во время созревания массы определяют в
отобранных пробах отношение серной и фосфорной кислот в суперфосфатной
пульпе. Через 90-110 мин стакан вынимают из сушильного шкафа, охлаждают и
взвешивают. Затем полученный суперфосфат измельчают в ступке, разделяют
на несколько частей и переносят их в банки с притертыми пробками. Из
полученного продукта отбирают средние пробы для определения в них
водорастворимой или усвояемой Р2О5 , общей Р2О5 и влаги.

     1.3.2 Аналитические определения
     1.3.2.1 Определение содержания фосфорной и серной кислот методом
титрования
     В основе метода лежит титрование смеси кислот раствором щелочи в
присутствии метилоранжа,      а затем фенолфталеина. В первом случае
оттитровываются оба иона водорода серной кислоты и один фосфорной
                    Н2SО4 + 2NаОН = Nа2SО4 + 2Н2О
                     Н3РО4 + NаОН = NаН2РО4 + Н2О
     Во втором случае оттитровываются второй ион водорода фосфорной
кислоты и один однозамещенный фосфата кальция
                    NаН2РО4 + NаОН = Nа2НРО4 + Н2О
              Са(Н2РО4)2 + NаОН = СаНРО4 + Nа2НРО4 + 2Н2О

                                     6


      Как видно из приведенных уравнений, при титровании смеси кислот в
присутствии фенолфталеина можно определить количество фосфорной
кислоты, а в присутствии метилоранжа – сумму серной и фосфорной кислот. По
разности между результатами первого и второго титрования вычисляют
содержание серной кислоты. В отсутствие серной кислоты, т.е. при наличии в
смеси фосфорной кислоты и однозамещенного фосфата кальция, при
титровании пробы раствором щелочи в присутствии метилоранжа определяется
фосфорная кислота, а затем в присутствии фенолфталеина – сумма фосфорной
кислоты и однозамещенного фосфата кальция. По разности вычисляют
содержание Са(Н2РО4)2. При пересчете последнего на серную кислоту
полученному результату придают знак «минус». Это указывает на недостаток
серной кислоты по сравнению с количеством ее, необходимым для полного
разложения фосфатного сырья до фосфорной кислоты.
      Для анализа смеси кислот берут некоторое количество экстракционной
пульпы, полученной при обработке фосфата серной кислотой, и
отфильтровывают. 5-10 см3 фильтрата переносят в мерную колбу
вместимостью 250 см3 и доводят дистиллированной водой до метки. Раствор в
колбе хорошо перемешивают. Затем отбирают 25 см3, переносят в коническую
колбу, прибавляют 2-3 капли метилоранжа и титруют содержимое 0.1н.
раствором NаОН до желтого окрашивания. Отмечают объем щелочи а,
пошедший на титрование. После этого добавляют в раствор 1-2 капли
фенолфталеина и титруют далее раствор 0.1 н. раствором NаОН до появления
розового окрашивания. Отмечают объем щелочи b, пошедший на второе
титрование.
      Если а > b, то в растворе присутствуют серная и фосфорная кислоты;
содержание из в г/дм3 находят по формуле:
                 G Н2SО4 = 0.049 · 0.1 · (а – b) · 1000 · 250/V · 25
                    G Н3РО4 = 0.098 · 0.1 · b · 1000 · 250/V · 25
      где 0.049 и 0.098 – массы Н2SО4 и Н3РО4, эквивалентные массам NаОН,
содержащимся в 1 см3 1.0 н. раствора NаОН, г; V – объем анализируемого
раствора, см3.
      Содержание х Н2SО4 и х Н3РО4 в % при плотности смеси кислот ρ вычисляют
по формулам:
                 х Н2SО4 = (0.049 · 0.1 · (а – b) · 250/Vρ · 25) · 100
                   х Н3РО4 = (0.098 · 0.1 · b · 250/Vρ · 25) · 100
     Если а < b, то в растворе присутствуют фосфорная кислота и
однозамещенный фосфат кальция; содержание их в г/дм3 находят по формулам:
                    G Н3РО4 = 0.098 · 0.1 а · 1000 · 250/V · 25
                G Са(Н2РО4)2 = 0.117 · 0.1 · (b – а) · 1000 · 250/V · 25
     где 0.117 – масса Са(Н2РО4)2, эквивалентная массе NаОН, содержащейся в
    3
1 см 1.0н. раствора NаОН.
                                           7


     В пересчете на Н2SО4имеем (со знаком минус):
                  G Н2SО4 = 0.049 · 0.1 · (b – а) · 1000 · 250/V · 25
     Содержание х Са(Н2РО4)2 и х Н3РО4 в % при плотности раствора ρ вычисляют
по формулам:
              х Н2SО4 = (0.117 · 0.1 · ( b – а) · 250/Vρ · 25) · 100
                  хСа(Н2РО4)2 = (0.098 · 0.1 · а · 250/Vρ · 25) · 100
      При определении состава смеси в % (масс) можно также взять для
анализа навеску кислоты 5-10г.
      Соотношение содержаний серной и фосфорной кислот в суперфосфатной
пульпе находят следующим образом. Отбирают при помощи ложечки
небольшой объем пульпы (5-10см3) и сразу переносят его, не взвешивая, в
колбу с большим объемом воды (0.5-1.0дм3). Содержимое колбы взбалтывают в
течение 3-5 мин и фильтруют через сухой фильтр, отбрасывая первые порции
фильтрата. Затем отбирают из фильтрата две пробы по 25 см3 в конические
колбы. Одну пробу разбавляют водой до 100-120 см3 и титруют 0.1н. раствором
NаОН в присутствии метилоранжа. К другой приливают 10 см3 10%-ного
нейтрализованного раствора К2С2О4 или 30 см3 раствора Nа2С2О4, добавляют
50-100 см3 воды и титруют 0.1н. раствором NаОН в присутствии
фенолфталеина. Оксалат калия (натрия) вводят в раствор для осаждения в виде
СаSО4 небольшого количества растворимого кальция; тем самым исключается
выпадение двузамещенного фосфата кальция при втором титровании. Для
расчета используют формулу
            х Н2SО4/ х Н3РО4 = а – ( b '– а) / 2( b '– а) = 1/2 (а/ b '– а) – 1
     где а и b ' – объемы 0.1 н. раствора NаОН, пошедшие на титрование
первой и второй проб, см3.
     Титрование в присутствии одного, а затем и другого индикатора можно
вести в одной пробе. В этом случае соотношение кислот вычисляют по
формуле:
                           х Н2SО4/ х Н3РО4 = а – b/2b.

      1.3.2.2 Определение влажности солей
      Влажность и гранулометрический состав продукта – основные параметры
физических свойств – задаются технологическим регламентом производства и
могут регулироваться в процессе приготовления.
      Соли, получаемые кристаллизацией или осаждением из раствора,
содержат некоторое количество свободной влаги. Эта влага заключена в порах
вещества и обволакивает кристаллы тончайшим слоем так, что на вид они
кажутся достаточно сухими. При хранении на воздухе солей, подвергшихся
сушке, в них также накапливается гигроскопическая влага. Помимо
гигроскопической влаги продукт может содержать кристаллизационную воду.
Часто бывает невозможно полностью удалить гигроскопическую влагу, не
затрагивая кристаллизационную. В связи с этим в большинстве случаев
                                            8


способы определения влажности неорганических веществ являются условными
и могут давать воспроизводимые результаты только при строгой
стандартизации условий выделения воды, в первую очередь – температуры.
      Наиболее распространенный метод определения влажности – метод
высушивания продукта в сушильном шкафу до постоянной массы.
Чувствительность метода 2·104 г Н2О, точность метода 5%.
      Навеску удобрения 2-10 г берут с точностью до 0.001 г в широкий бюкс,
предварительно высушенный до постоянной массы и взвешенный с точностью
до 0.001 г. Открытый бюкс с навеской и его крышку помещают в
предварительно нагретый термостат и сушат до постоянной массы при
температуре 100-1050С. Первое взвешивание проводят через 2 часа после
высушивания, последующие с интервалом 1 ч. Для охлаждения закрытый бюкс
помещают в эксикатор с прокаленным хлоридом кальция и выдерживают
перед взвешиванием каждый раз одно и то же время, но не менее 30мин.
      Содержание воды хН2О (в %) вычисляют по формуле
                            хН2О = (g1 – g2/g) · 100
     где g1 –и g2 – масса бюкса с пробой до и после высушивания, г; g – навеска
пробы, г.

     1.3.2.3 Определение Р2О5
     В суперфосфате определяют общее содержание фосфата в виде
пятиокиси фосфора и усвояемой Р2О5. К усвояемой форме Р2О5 относится Р2О5,
содержащийся в виде свободной фосфорной кислоты, одно-и двухзамещенных
фосфатов кальция, фосфатов железа и алюминия.
     Для определения усвояемой Р2О5 ее переводят в растворимую форму при
помощи аммиачного раствора цитрата аммония. В полученном растворе
определяют Р2О5 цитратным методом.
     Суть метода заключается в экстрагировании усвояемой Р2О5 из
суперфосфата вначале водой, а затем раствором цитрата аммония, содержащим
определенный избыток аммиака. В растворе определяют ионы РО4-3 весовым
методом – осаждением в виде фосфата магния и аммония. Стандартный метод
определения общего содержания фосфорного ангидрида заключается в том, что
ионы РО4-3, перешедшие в раствор при разложении фосфата кислотой,
осаждают в виде МgNН4РО4·6Н2О
         Н3РО4 + МgСl2 + 3NН4ОН + 3Н2О = МgNН4РО4·6Н2О + NН4Сl
Одновременное осаждение фосфатов кальция, железа, алюминия и других
предотвращают введением в раствор цитрата аммония. Прокаливание осадка
сопровождается реакцией
                 2 МgNН4РО4·6Н2О = Мg2Р2О7 + 2NН3 + 7Н2О




                                       9


       Реактивы
       Магнезиальная смесь
       Для приготовления щелочной магнезиальной смеси растворяют 70 г
хлорида аммония и 35 г хлорида магния (МgСl2 *6Н2О) в 200-250 см3 воды, к
раствору прибавляют 200 см3 10%-ного раствора NН4ОН, разбавляют водой до
1 дм3, перемешивают, оставляют на сутки и фильтруют.
       Цитрат аммония
       Растворяют 500 г лимонной кислоты в 600 см3 25% раствора NН4ОН.
Раствор должен быть нейтральным по метиловому красному, в противном
случае его нейтрализуют лимонной кислотой или аммиаком. Раствор
разбавляют водой до 1 дм3, перемешивают, фильтруют.
       Царская водка
       З объема НСl плотностью 1.19 г/см3 +2 объема НNО3 плотностью 1.2-1.4
    3
г/см .
       Фенолфталеин, 1% спиртовой раствор
       Стандартный экстрагирующий раствор цитрата аммония
       Должен содержать в 1 дм3 173 г кристаллической лимонной кислоты
(158.1г безводной кислоты).

     Определение общей Р2О5

      Навеску вещества 2.0 г, взятую с точностью до 0.001 г, переносят в стакан
вместимостью 250-300 см3, смачивают 5-10 см3 Н2О и вливают туда же 50см3
царской водки. Стакан накрывают часовым стеклом, медленно нагревают до
кипения и кипятят 30 мин, перемешивая стеклянной палочкой. После
кипячения раствор с осадком количественно переносят в мерную колбу на 250
см3, доливают водой до метки, фильтруют через фильтр «белая лента»,
отбрасывая первые порции фильтрата. В стакан вместимостью 200-250 см3
помещают 25 см3 фильтрата, прибавляют 10-15 см3 50% раствора цитрата
аммония и нейтрализуют аммиаком по фенолфталеину.
      Медленно, при непрерывном перемешивании стеклянной палочкой,
приливают 30-35 см3 магнезиальной смеси, затем 20 см3 25% раствора NН4ОН и
продолжают перемешивать 30 мин. После перемешивания раствор с осадком
оставляют в покое на 30 мин, после чего фильтруют через фильтр «синяя
лента» диаметром 9-11 см. Осадок количественно переносят на фильтр, наливая
каждый раз в стакан по 8-10 см3 2.5% раствора NН4ОН и тщательно снимая со
стенок и дна стакана кристаллы. Осадок на фильтре промывают 3-4 раза 2.5%
раствором NН4ОН. Общий объем промывных вод должен быть 100-125 см3.
      Фильтр с осадком переносят в прокаленный и взвешенный тигель,
высушивают, обжигают при 700-8000С до полного сгорания фильтра и
прокаливают в муфельной печи при 1000-10500С до образования белого осадка.
После прокаливания тигель с осадком охлаждают в эксикаторе и взвешивают.
Одновременно проводят холостой опыт.
      Содержание х Р2О5 (в %) вычисляют по формуле

                                      10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика