Иондық алмасу немесе әк тасты –содалық әдіспен суды жұмсарту

Суды жұмсартудың негізгі мақсаты булы қазандарда және жылу алмасатын аппараттарда қақ болмау үшін жүргізіледі.

Суды жұмсарту мына жағдайларда жүзеге асырылады: 1. Кальций ионын (әдетте магний ионымен бірге) тұндыру және тұнбаны жою; 2. Иондық жою алмасу әдісімен кальций (магний) ионыны иондық алмасу әдісімен әдісі шегінің мүмкіндіктеріне негізделген, ерітіндіден иондарды жұтып, орнына басқаларын береді. Ерітіндідегі катиондарды алмастыра алатын иониттер катионит деп аталады. Катионитке алюмиоселикаттар, көмірді сульфирлеу, синтетикалық смалалар жатады. Катионит ерекшелігі: онда көп мөлшерде қышқыл тогының болуы: силикатты, карболксильді және сульфатоптар. Бұл қышқылдық топтарда сутегі иондары болады, олар қозғалмалы және әртүрлі катиондарға алмасуы мүмкін.

Ерітіндідегі тұздар мен қышқылдардың иондар мен аниондарды алмастыратын иониттер аниониттер деп аталады. Аниониттер құрамында амино (-NHj) және имино (-NH) топтары бар аминосмалалар. Бұл топтар аниондармен тұздар түзіледі және аниондық алмасуда қолданылады. Суды жұмсарту үшін әдетте сутекті (н-катионит) және натрийлі (Na-катионит) катиониттер қолданылады. Егер қозғалмалы ионнан (мысалы,натрий) басқа барлық катионитті R-мен белгілесе, онда судағы (құрамында кальций және магний иондары бар) иондық алмасу реакциясын мынадай теңдеулермен көрсетуге болады:

Na₂ R + (Ca, Mg) (HCO₃)₂ = (Са, Mg) R + 2NaHCO₃

Na₂R + (Ca, Mg) SO₄= (Ca, Mg) R + Na₂SO₄

Na₂R + (Ca, Mg) Cl₂ = (Ca, Mg) R + 2NaCI

Катиониттің белгілі бір мөлшері жұтып алатын кальций мен магний иондарының мөлшері жұту көлемі Е деп аталады және 1 см³ ионитке грамм-эквиваоентпен өлшенеді. Мысалы, сульфакөмірдің жұту көлемі 1000 г-экв м³; эспатиттікі -1700 г-экв/м³.

Ұзақ жұмыстан кейін, яғни натрий ионын кальцийге ауыстырғаннан кейін, ионитті регенирациялайды, яғни одан натрий хлоридінің қаныққан ерітіндісін қосады. Сонда кальций иондарын натрий иондары жылжытады.

Суды жұмсартудың басқа бір кең таралған әдісі – әк тасты-содалық әдіс. Суды бұл әдіспен тазалау үшін соданың әк таспен қоспасын қолданады. Әк тас тұнбалары әсер еткенде карбонатты кермектік және суда еритін көміртегі (IV) оксидін береді де тұнбаға түседі:

Са (НСО₃)₂ + Са (ОН)₂ = 2СаСО₃ + 2Н₂0

Mg (HCO₃)₂ + Са (ОН)₂ = MgCO₃ + СаСО₃ + 2Н₂О

СО₂ + Са(ОН)₂ = СаСО₃ + Н₂О

Магний кермектік кальциікке алмастырылады.

MgCl₂ + Са (ОН)₂ = Mg(OH)₂ + СаС1₂

Содамен карбонатты емес кермектік тұздарын кетіреді:

CaSO₄ +Na₂CO₃ =CaCO₃ + Na₂SO₄

СаС1₂ + Na₂CO₃ =CaCO₃ + 2NaCI

Карбонаттар өлшеуге қолайлы күйде түседі. Фильтрлегеннен кейін суда қақ бермейтін тұздар болады, сондықтан көптеген өндірістік мақсаттарда өте қолайлы.

Ж ұ м ы с м а қ с а т ы:

Құбырдағы суды катионитті және әк тасты-содалық әдіспен жұмсарту; судың жұмсартуға дейінгі және кейінгі кермектіктерін анықтау. Катионитті дайындау әдісімен танысып, катионит дайындау.

Қ ұ р а л д а р м е н м а т е р и а л д а р:

1. Катионитті калонка. 2. 0,1 н трилон Б ерітіндісі (1 л-ге 18,61 г). 3. 0,5% -тік қышқылды хром қара-көк н/се қышқылды қара хром. 4. 250 мл-лік өлшеуіш колба. 5. 6-8%-тік натрий хлориді ерітіндісі. 6. Аммиакты буферлік ерітінді.

Ж ұ м ы с б а р ы с ы:

Катионитті колонка ретінде көлемі 2-3 см және ұзындығы 80-90 шыны трубка қолданылады.

Катионит шашылып қалмас үшін трубканың төменгі жағына шыны пластинка орналастырады. Немесе төменгі жағын шыны трубкасы бар пробкамен жауып кәдімгі трубканы қолдануға болады.

Ионитті колонканы катионитпен қабаттың ұзындығы 50-60 см болатындай етіп толтырады.

Натрий хлоридінің 6-8 %-тік (тығыздығы 1,06-1,085) ерітіндісін дайындап одан 600-700 мл алып колонка арқылы құяды. Сосын тұздың қалдығын дистильденген сумен хлорид-ионға реакция толық жойылғанша жуады (сынама күміс нитратымен). Әдетте жууға 1000 мл су кетеді. Катионитті жуып болғаннан кейін 200 мл жұмсартатын суды, мысалы, құбырдағы су қосады. Сосын фильтрленген (жұмсартылған) су мен құбырдағы судың кермектігін анықтайды. Ол үшін көлемі 250 мл колбаға 100 мл зерттелетін судан құяды және 5 мл буферлік ерітінді қосып индикатор қатысында 0,1 н трилон Б ерітіндісімен қызғылт түсті ерітінді көкшіл түске ауысқанша титрлейді.

Суды әк тасты-содалық әдіспен жұмсарту кезінде алдын ала судың карбонатты, карбонатты емес, магнийлі кермектігін және көміртегі (IV) оксидінің мөлшерін анықтап алады. Осы нәтижелердің негізінде кермектікті жою үшін әк тас пен соданың мөлшерін есептейді.

vтасанықтайды.

Ж ұ м ы с нә т и ж е л е р і н ж а з у
Кермектікті жою (катионит көмегімен немесе әк тасты-содалық әдіс) әдістемесін жазу және соған сәйкес есептеулер жүргізу.

Катиониттер дүкенде де сатылады, бірақ оларды лабараторияда дайындауға болады. Сульфокөмір дайындау үшін күлділігі аз бірігуі жақсы және кокстелетін көмірлерді қолданатын маркалары ПС және ПСЖ.

Көмірді өлшемі 1-5 мл-дей алып ұсақтайды сосын фарфор стаканда 18-20% -тік олеуммен араластырады. 1 мас. г көмірге 5 мас. г олеум алынады. Көмірді олеуммен араластырғанда қоспа температурасы 180-200 ⁰С-қа дейін көтеріледі. Қоспа 6-12 сағат тұрады. Сосын алынған сульфокөмірді жұқа шыны пластинка арқылы фильтрлейді, сумен жуып, фильтр қағаз арасына салып кептіреді. Олеум болмаған жағдайда орнына концентрленген күкірт қышқылын алуға болады. Сульфокөмірді алу бұл жағдайда ұзақ жүргізіледі, 2-3 күндей. Сульфирлеуді жеңілдету үшін қоспаны 180-200 ⁰С-қа дейін қыздыру керек.

Лабараториялық жағдайда басқа катионитті, құрамы формулаға Na₂[H₄Al₃Si₂O₁₀] сәйкес болатын катионит қолдануға болады. Оны дайындау үшін сазды 110-120 ⁰С кептіреді, жақсы ұсақтап, сусыз содамен араластырады. 26 мас. г сазға 10 мас. г сусыз сода қосады. Қоспаны ступкада жақсы ұнтақтап, тигельге салып 900 ⁰С-та электр пешіне қояды. Пайда болған саңылаулы массаны суытып, көлемдері 1-5 мм болғанша ұсақтайды, бірнеше рет сірке қышқылымен қышқылданған сумен жуады. Сосын дайын болған катионитті кептіреді және өлшемдері 1-3 мм кесектрге бөледі.

1. 100 мл суды титрлеу үшін 2 мл 0,1 н трилон Б ерітіндісі жұмсалды. Судың кермектілігін есепте?

2. Не себептермен көміртек (IV) тотығын анықтағанда индикатор ретінде метиловый оранжевый емес фенолфталеин қолданылады?

3. аммоний оксалатымен кальций иондарын тұндыру барысында пайда болған кальций оксалатының қалдығын титрлеген кезде 0,01н калий перманганат ерітіндісінен 10 мл жұмсалды. 1л ерітіндідегі кальций ион мөлшерін анықта?

Техникалық анализ кезінде ылғалдылық, күлділік және ұшқыш заттар мөлшерін анықтайды. Анализ нәтижелері ауалы-құрғақ немесе абсолютті құрғақ кептіруден өтпеген (жұмысшы отын) отындарына жатады. Ауалы-құрғақ отын деп алдымен 70-75 С кептіргіш шкафта, содан соң бөлме температурасында ауада кептірген отынды атайды. Осындай кептіру кезінде жойылатын ылғал мөлшері отынға кіретін абсолютті мөлшері арқылы ғана емес, сонымен қатар отын гигроскопиялығымен және қоршаған орта ылғалдылығымен анықтайды. Абсолютті құрғақ отын деп 150⁰ С температурада тұрақты массаға дейін келтірілген отынды айтады.

Барлық жағдайда анализ кезінде орташа сынама алу керек. Ол үшін көмірдің (сланц, антрацит т.б) бірнеше түйірін үгітіп, 0,2 мм саңылаулары бар елеуіштен өткізеді. Елеуіштен өтпей қалған фракциялы қайтадан үгітіп, илейді.

1. Қатты отын ылғалдылығын анықтау.
Ж ұ м ы с м а қ с а т ы: Отын ылғалдылығын анықтау

Қ ұ р а л – ж а б д ы қ т а р мен м а т е р и а л д а р: 1. Қатты отын (тас, көмір, антрацит, сланц) 2. аналитикалық таразы (өлшеу дәлдігі 0,001 г). 3. биіктігі 25-30 мм диаметрі 35-40 мм бюкс. 4. термометр мен кептіргіш шкаф. 5. келі. 6. санылаулар диаметрі 0,2 мм елеуіш. 7. эксикатор.

Тас көмірді (антрацит немесе сланц) алдымен келіде үгітеді. Алдын ала өлшенген бюкске 1-2 г отынды тегістеп салып кептіргіш шкафта 102-105 ⁰С 2 сағат тұрақты массаға шейін кептіреді. Кептіру кезінде бюкс қақпағы кішкене ашық болу керек. Кепкен отынды шкафтан алып, бюкстің бетін қақпақпен жауып, алдымен ауада, сосын эксикаторда суытып өлшейді. Ылғал мөлшерін формула бойынша есептейді.

Бірінші ылғалды анықтаудан кейін, 104-105 С 30 мин бойы тағы бір кептіру жүргізеді. Жоғалған масса 0,01г аспау керек. Егер 0,01г асып кетсе, онда кептіруді массасын 0,01 г азаюдан аз болғанша жалғастырады.

А л ы н ғ а н н ә т и ж е л е р д і ө ң д е у:
Жұмыс методикасын қысқаша жазып, алынған мәліметтерді таблицаға енгізу:

Ауа бармайтындай отынды қыздыру кезінде бөлінетін ұшқыш заттар мөлшері анализ жүргізуінің кейбір жағдайларына, қыздыру жылдамдығы мен температурасына, отынның үгітілуіне, анализ жүргізілетін ыдысқа т.б жағдайларға байланысты. Сондықтан салыстырарлықтай нәтиже алу үшін анализді бірдей жағдайда жүргізу керек.

Қ ұ р а л д а р мен м а т е р и а л д а р: 1. қатты отын (тас көмір, антрацит, сланец т.б). 2. фарфор тигель қақпағымен (биіктігі 40 мм, диаметрі 30 мм). 3. 900 С муфель пеші термопарамен. 4. аналитикалық таразы. 5. эксикатор. 6. қысқыштар.

Суыған тигельдің массасын өлшеп ұшқыш заттар мөлшерін төмендегі формуламен есептейді.

1,3468·1,2/100 = 0,0161г

Ұшқыш заттар мөлшері.:

% ҰЗ = (0,2346 – 0,0161) ∙ 100/ 1,3468 = 16,3

Отынның күлділігін анықтаған кезде орташа сынаманы алудың маңызы зор. Көмірді кішкене кесектерге дейін ұсату керек, жақсы араластырып, бірнеше он грамм сынама алу керек, кейін оны келіде ұнтақтап және тағы араластыру қажет.

Қ ұ р а л д а р мен м а т е р и а л д а р: 1. Қатты отын. 2. Фарфор тигельі. 3. Муфель пеші. 4. Тигель қысқыштары. 5. Аналитикалық таразы. 6. Эксикатор.
Ж ұ м ы с б а р ы с ы.

Алдын ала қыздырылған және өлшенген фарфор тигеліне 1-2г отын өлшеп, муфель пешіне салады, ондағы температура250-300 ⁰С қыздырылған. Кейін пеш температурасын 800-825 ⁰С 1-2 сағат аралығында көтереді және осы температуруада 1 сағат ұстайды, кейін тигельді муфель пешінен алып ауада 5 минут аралықта салқындатып эксикаторға салады. Кейін тигельді өлшепикүлділігі формула бойынша есептейді:

Екі өлщеудің аралығы қыздыярудан кейін 0,001г -нан аспауы керек.

1. Кокстеуге шихта дайындау процессін сипатта.

2. Кокс формалау процесіндегі диенды көмірсутектердің термиялық айналудағы реакция теңдеуін жаз.

3. Пентанның < 400 ⁰C термиялық ыдырау теңдеулерін жаз.

Қышқылдық әсердің өндірістік маңызы фосфорлы тыңайтқыштар өндірісі, сирек кездесетін металдарды қайта өндеу кезінде (мысалы, титан, цирконий, литий) көрінеді.

Суперфосфат апатит немесе фосфориттің күкірт қышқылымен әрекеттесуі негізінде алынады.

2Ca₅ F (PO₄)₃ + 7H₂SO₄= 3Ca(H₂SO₄)₂ + 7CaSO₄ + 2HF

Ca₃ (PO₄)₂ + 2H₂SO₄ = Ca(H₂PO₄)₂ + 2CaSO₄

Бұл әрекеттесу сұйық және қатты заттар арасында болғандықтан реакция едәуір ақырын жүреді. Біріншіден реакция қатты зат кесектерінің бетінде жүреді, нәтижесінде фосфор қышқылы және кальций сульфаты түзіледі. Мысалы:

Ca₅ F (PO₄)₃ + 5H₂ SO₄ + 2,5 H₂O = 5(CaSO₄ * 0,5 H₂O) + 3 H₃PO₄ + HF

Ары қарай масса біртіндеп азаяды, өйткені қалған күкірт және фосфор қышқылдары апатит немесе фосфориттің әрекеттеспеген бөлігімен біртіндеп әрекеттесе бастайды:

Ca₅ F (PO₄)₃ + 7 H₃PO₄ + 5 H₂O = 5 Ca (H₂PO₄)₂ * H₂O + HF

Көрсетілген реакциялар, сондай-ақ заттардың кристалдануы өте баяу жүреді. Фосфаттың толық ыдырауы 20-30 тәулік бойы жүреді және қоймада аяқталады. Суперфосфат құрамында кальций дигидрофосфаты Ca (H₂PO₄)₂ * H₂O және аз мөлшерде кальций гидрофосфаты СаНPO₄ * H₂O , сондай-ақ бос күйінде фосфор қышқылы кездеседі.

Өндеудің оптималды жағдайлары – температура , қышқыл концентрациясы және өндеу уақыты физико-химиялық құрылымды шикізат құрамымен анықталады.

Суперфосфат анализі кезінде өсімдіктермен қамтылған фосфордың құрамы және мөлшері анықталады. Соңғысын анықтау үшін суперфосфатты сумен, сосын аммоний нитратының аммиактағы ерітіндісімен өндейді. Бос фосфор қышқылы және кальций дигидрофосфаты сулы ерітіндіге өтеді. Суда нашар еритін кальций гидрофосфаты аммоний нитратында жақсы ериді. Ылғал мөлшерін 10 г суперфосфатты 100-102⁰С-та 3 сағат бойы қыздыру арқылы анықтайды.

Ерітіндідегі НРО₄^2- ионын магний хлоридінің аммиактағы ерітіндісімен тұнбаға түсіреді:

НРО₄^2- + Mg²⁺ + NH₄ OH = MgNH₄ РО₄ + H₂O
Тұнбаға түскен магний-аммоний фосфатын фильтрлеп бөліп алады. Бұл кезде ол магний пирофосфатына айналады. Магний пирофосфатының массасы бойынша фосфордың фосфор(V) оксидіндегі мөлшерін анықтайды.

Ж ұ м ы с т ы ң м а қ с а т ы: 15-20 г суперфосфатты алу және оны анализдеу

Қ а ж е т т і қ ұ р а л д а р мен м а т е р и а л д а р: 1. фосфорит. 2. концентрлі күкірт қышқылы. 3. Темір үгіткіш. 4. 5. Техно-химиялық таразы. 6. шыны цилиндр 7. Ареометр. 8. Магнезиальді қоспа. 9. Тұз қышқылы (ρ = 1,9 г/см³). 10. Патерман ерітіндісі. 11. Фенолфталеин. 12. Аммиактың 25 %-тік ерітіндісі. 13. Аммиактың 2-3%-тік ерітіндісі. 14. Воронкалар, фильтрлер, колбалар.
Ж ұ м ы с б а р ы с ы
Фосфоритті темір үгіткішпен үгітеді. 20-25г-дай фосфорит ұнтағын техникалық таразыда өлшеп алады.реакция үшін 662-24%-тік күкірт қышқылын пайдаланады.

Фосфорит немесе апатитті ыдыратуға қажет қышқыл мөлшерін суперфосфаттың түзілу реакциясы бойынша есептейді. Фосфоритте үнемі қоспалар кездесететіндіктен қышқылды теориялық өлшенген мөлшерден 15% аз алады.Жұмыс үшін таза кальций фосфатын Са₃(PO₄)₂ қолданған тиімді. Қышқылды фарфор стаканға құйып, 50-60⁰С – қа шейін қыздырады. Содан кейін стаканға жеке-жеке фосфор ұнтағын немесе апатит концентатын себеді. Қоспаны шыны таяқшамен 3-4 мин араластырады және 110-150⁰С – тағы қыздырғыш шкафта 1 сағатқа қалдырады. Содан кейін оны суытып, суперфосфат анализін жүргізеді. Фторсутегі бөлінетіндіктен жұмысты тартқыштың астында жүргізген дұрыс.

Анализ жүргізу үшін суперфосфаттың 2-2,5 грамын аналитикалық таразыда өлшейді және кесек ұнтақтар үгітілгенше фарфор келіде ұнтақтайды. Келіге 25 мл су құйып қоспаны езеді , еріген қоспаны өлшеуіш колбаға фильтрлейді. Колбаға алдын ала кальций тұздарының гидролизі жүрмес үшін 5-6 тамшы тұз қышқылын қосады. Келідегі қалған қоспаны 3 рет 20-25 мл сумен шайып, әр шайған сайын ерітіндіні фильтрге декантациялайды. Қалған ерімейтін тұнбаны фильтрге ауыстырып, колба белгісіне жеткенше сумен шаяды. Ерітіндіні мұқият араластырады. Оның құрамында суда еритін фосфор (V) оксиді бар.

Ерімейтін тұнбасы бар фильтрді 250 мл-лік басқа өлшеуіш колбаға ауыстырып, 100 мл Патерман ерітіндісін қосады және колбаның аузын жауып қатты шайқайды. Колбаны 15 мин бойы 60⁰- қа шейін қыздырады. Қыздыруды термостатта жүргізу тиімді. Содан кейін колбадағыны суытып, колбаның белгісіне дейін дистилденген су құяды, мұқият арластырады және құрғақ фильтр арқылы колбаға фильтрлейді. Фильтрді лақтырады. Ал ерітінді құрамында цитраторастворимый фосфор оксиді бар. Цитратта және суда ерігіш фосфор қышқылының жалпы мөлшерін анықтау үшін судан және цитрат ерітіндісінен 50 мл-ден алып, оларды стаканға құяды. Стаканға 25 мл Патерман ерітіндісін құяды, араластырады және 2-3%-тік аммиак ерітіндісімен фенолфталеинге нейтралдайды. Фосфат ионын тұнбаға түсіру үшін ерітіндіге 25-35 мл магнезиаль ерітіндісін, содан кейін 10-25 мл 25%-тік аммиак ерітіндісін құяды. Стакандағы қоспаны 30 мин бойы араластырады және 5-15 сағатқа қалдырады. Тұнбаға түскен магний-аммоний фосфатын күлсіз фильтр арқылы фильтрлейді және 2-3%-тік аммиак ерітіндісімен шаяды. Содан кейін тұнбасы бар фильтрді тигельге ауыстырады, кептіреді, муфель пешінде құрыштайды және массасын өлшейді.

Фосфор оксидіне қатысты фосфор қышқылының құрамын мына формуламен есептейді:

%Р₂ О₅ = 0,6377*500*100*m/m₁*100 = 319* m/m₁,

Мұндағы m – магний пирофосфатының массасы, г; m₁ – суперфосфат өлшемесінің массасы, г; 0,6377 - Mg₂ Р₂ О₇ -тан Р₂ О₅.-қа есептегендегі көбейткіш.

Жұмыс нәтижесін қорытындылау

1. 
   Магнезиальды қоспа 55г магний хлоридін және 70 г аммоний хлоридін еріту арқылы дайындалады.
   
2. 
   Патерман реактиві (аммоний цитраты) 173г лимон қышқылын 300 мл ыстық суда ерітіп алынған 1 л ерітіндідіен тұрады.бұл мөлшерге тура осындай мөлшерде 12-13%-тік аммиак ерітіндісін өлшейді, ондағы аммиак мөлшері 51 г болуы керек. Ол үшін концентрленген аммиак еітіндісіне тең көлемде дистилденген су қосады және тығыздық бойынша оның концентрациясын анықтайды. Концентрация бойынша лимон қышқылын нейтралдауға қажетті және 51г аммиак бар ерітіндінің миллилитр мөлшерін есептейді.
   

Содан соң аммоний цитраты ерітінідісін белгіге шейін жеткізіп құяды және араластырады.

1. Азот қышқылының фосфоритпен әрекеттескен кездегі реакция теңдеуін жаз. Қандай тынайытқыш тұзілді? Осы тынайытқышта қанша азот және фосфор бар екенін процент тұрде есепте.

2. Фосфорлы тынайытқыштарды анализдеу кезінде суда еритін және цитратты фосорын есепке алады?

3. Не себептемен дайын суперфосфатты тұтынушы мекемеге жіберер кезінде оны құйма 20 күн сақтау керек?