Лабораторна робота № 2.

1. ТЕМА: Одержання їдкого натру каустифікацією содового розчину.

2. МЕТА: Практично вивчити процес каустифікації содового розчину вапном на лабораторній установці і освоїти метод контролю складу рідин виробництва їдкого натру.

Каустифікація содового розчину представляє собою основну операцію вапнякового способу одержання їдкого натру. Крім того каустифікація є однією із стадій виробництва целюлози по сульфатному способу (при регенерації варочного розчину), у виробництві глинозему по мокрому лужному способу і ін. Каустифікація відноситься до типових гетерогенних некаталітичних процесів, які протікають при невисокій температурі.

Содовий розчин, що одержується декарбонізацією суспензії бікарбонату натрію змішують з вапном або вапняним молоком. Утворення їдкого натру в результаті обмінної взаємодії між карбонатом натрію і гідроксидом кальцію зворотне.

Nа2СО3 + Са(ОН)2 <=> 2NaОН + СаСО, (1)

Умови рівноваги цієї реакції визначаються співвідношенням між розчинностями гідроксиду і карбонату кальцію або значеннями концентрацій іонів ОН- і СО32- в розчині. Це видно з виразу константи рівноваги К, що визначається рівноважними концентраціями реагуючих речовин:

(2)

Так як концентрації [СаСО3] і [Са(ОH)2] при наявності твердих фаз є практично постійними, то їх значення можна ввести в константу рівноваги. Тоді

(3)

Виразивши концентрації [ОH-] і [СО32- ] через добуток розчинностей відповідних солей одержимо значення константи рівноваги в залежності від розчинності гідроксиду і карбонату кальцію. Добутки розчинності цих сполук складають:

(4)

(5)

Розділивши рівняння (4) на рівняння (5) одержимо:

(6)

В табл. (1) подані значення, що характеризують рівновагу даного процесу. Вони показують, що ступінь каустифікації зростає із зменшенням концентрації cоди у вихідному розчині.

Із підвищенням температури значення константи рівноваги зменшується внаслідок зменшення розчинності гідроксиду кальцію. Так, якщо розраховувати значення К' при різних температурах, виходячи із розчинності гідроксиду і карбонату кальцію при повній електролітичній дисоціації і нехтуючи гідролізом СаСО3, то при 20 °С К1 - 2100, а при 100 °С К1 =90. Це вказує на можливість більш повного перетворення Nа2СО3 в NаОН за 15-20 °С. На практиці ж процес ведуть за підвищеної температури (80-100 °С).

Таблиця 1.

Значення константи рівноваги процесу каустифікації содового розчину

Це пояснюється, з однієї сторони, тим що швидкість взаємодії між реагуючими речовинами зростає з підвищенням температури. З іншої сторони за температур нижче 80 °С у процесі каустифікації утворюється дрібнодисперсний осад карбонату кальцію, який адсорбує значну кількість їдкого натру і важко відділяється від рідини. Для одержання осаду, що легко відділяється від рідкої фази, потрібна більш висока температура.

На практиці каустифікацію ведуть із 2-3 н розчином Nа2СО3 (приблизно 10-15% мас) при 80 °С; при цьому досягають перетворення Nа2СО3 в NаОН в середньому на 90% і одержують розчин, що містить 120 г/л Nа2СО3.

Швидкість процесу каустифікації залежить також від кількості взятого вапна і його властивостей, розмірів частинок, умов випалення вапняку і наявності домішок у вихідній сировині. Суть методу аналізу одержаних лугів полягає у визначені загальної лужності (суми карбонатного та каустичного лугу Nа2СО3 + NаОН) та вмісту їдкого натру.

Загальну лужність визначають титруванням сильної кислоти в присутності індикатора — метилового оранжевого. Для окремого визначення їдкого натру та карбонату натрію при їх сумісній присутності застосовують два методи: титрування з двома індикаторами і осадження іону СО32- хлоридом барію.

Метод титрування однієї і тієї ж проби лугу із двома індикаторами базується на зміні кольорів індикаторів — фенолфталеїну і метилового оранжевого в різних інтервалах значень рН. При титруванні проби соляною кислотою в присутності фенолфталеїну визначається їдкий натр і половина карбонату натрію (NаОН+0,5№2СОз). Пробу дотитровують в присутності метилового оранжевого; вся витрачена на титрування кількість кислоти відповідає загальній лужності, тобто сумі NаОН+0,5Nа2СО3.

Метод осадження карбонату хлоридом барію полягає у визначенні їдкого лугу в пробі після осадження Nа2СОз хлоридом барію. В іншій пробі визначають загальну лужність. Цей метод найбільш точний і разом з тим достатньо простий. Метод титрування з двома індикаторами доцільно застосовувати тоді, коли в їдкому натрі знаходиться дуже малий процент домішок соди.

В розчинах, що одержуються при виробництві їдкого натру електролізом розчину NaCl, визначають крім їдкого натру і карбонату натрію ще й хлорид, гіпохлорит і хлорат натрію. Вміст хлориду знаходять загальновідомим аргентометричним або меркуриметричним методами. Визначення гіпохлориту натрію проводять, як правило, колориметричне в оцтовокислому середовищі. Хлорат натрію визначають, добавляючи до проби в надлишку титрований розчин солі двовалентного заліза, яке окислюється в присутності NаСlO3, надлишок солі закисного заліза відтитровують розчином перманганату калію.

3. РЕАКТИВИ І ОБЛАДНАННЯ

3.1 5-20%-ний розчин соди, вапно негашене, 1 н розчин НС1 10%-ний розчин ВаСІ2, індикатори - метиловий оранжевий, фенолфталеїн.

3.2 Установка для каустифікації содового розчину (рис. 1) термостат, піпетка, колби конічні на 250 см3, бюретка.

4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ

Лабораторна установка для каустифікації содового розчину (рис. 1) складається із каустифікатора 1, зануреного у водяний термостат 4, температура в кому встановлюється і регулюється за допомогою терморегулятора. В якості кустифікатора служить скляний циліндр діаметром 5-6 см, висотою 25-30 см. Циліндр закритий корком, в який пропущені гвинтова мішалка 2 і термометр 3. Частота обертання мішалки біля 60 хв. -1. В корку каустифікатора є отвір діаметром 8-10 мм для відбору проби рідини.

Для проведення досліду готують розчин соди, концентрацією в межах 5-20% мас; концентрацію розчину контролюють аналітично.

Кількість вапна для каустифікації розраховують згідно зі складом і кількістю содового розчину та згідно характеристики вапна. Необхідну кількість СаО розраховують в надлишку 10 % від теоретичного, що знаходиться стехіометричним співвідношенням. Знайдену кількість СаО перераховують на