Зертханалық жұмыс №1 Химиялық реакциялармен қатар жүретін сiлтiлеу үрдiстерiнің термодинамикасын зерделеу



жүктеу/скачать 0.86 Mb.
бет1/6
Дата17.06.2016
өлшемі0.86 Mb.
#141559
  1   2   3   4   5   6
Кіріспе
«Металлургиялық үрдістер теориясы» курсы физика, химия, физикалық химияның жалпы курстарын негізделеді және қара және түсті металдар металлургиясын оқытатын арнайы металлургиялық пән болып табылады.

«Гидрометаллургия» бөлімінің зертханалық тәжірибесінде студенттер сілтілеу үрдістерінің термодинамикалық заңдылықтарын, сульфидтер түріндегі ерітінділерден металдардың тұнуын, сулы ерітінділердегі тұздардың ерігіштігіне әртүрлі факторлардың әсерін зерттейді. Ионалмасу және экстрациялық үрдістердің термодинамикасы бойынша жұмыстар ұсынылған.

Әрбір жұмыста оны орындау мақсаты қалыптасады және тәжірибе мен нәтижелердің келесі өңдеу тірелетін негізгі теориялық жағдайлар көрсетіледі.

Жұмысты орындау алдында студент оны жүргізу бойынша мазмұның зерттейді, ұсынылған әдебиетті оқиды және коллоквиум тапсырады. Жұмысты орындаған соң әрбір студент өздігінен өзіне зерттелінетін үрдістің қысқаша теориясын, жұмыс мақсатын, аппаратура мен әдістің мәнін (кескіндермен және сұлбалармен), сынақ нәтижелерін, есептеулерді, графиктерді және анықтаған мәліметтердің қорытындысын өзіне қосатын есепті дербес ресімдейді.

Электрқондырғылармен жұмыс істегенде қондырғының қосылған кезінде ток өткізетін сымдар мен контактілерге тиюге тиым салынады. Қондырғының істен шығуын байқаған жағдайда оқытушыға немесе зертханашыға хабарлау керек. Ерітінділермен жұмыс істегенде ерітіндінің киімге, қолға, бетке тиюін болдырмау керек. Ерітінділерді ауызбен құйып алуға болмайды, сынамаларды таңдау кезінде грушалы тамшуырмен қолданған жөн. Ерітіндіні қышқылға емес, керісінше концентрлі (концентрациялы) қышқылды ерітіндіге құю қажет. Жұмыс барысында халат кию керек.


Зертханалық жұмыс № 1



Химиялық реакциялармен қатар жүретін сiлтiлеу үрдiстерiнің термодинамикасын зерделеу
Жұмыстың мақсаты: нақты гидрометаллургиялық үрдiсті зерттеу арқылы зерттелетін үрдістің концентрациялық тепе-теңдік константасын анықтау, үрдiстiң бастапқы технологиялық параметрлерін орнату (қатты компоненттің салмағын, су ерiтiндiсiнiң көлемін, ерiткіштің концентрациясын...), Гиббс энергиясының шығынын есептеу.

Бақылау сұрақтары:

1) сiлтiлеу дегенiмiз не? Оның түрлерiн ата;

2) физика-химиялық үрдісті термодинамикалық зерттеу неге негізделген?

3) физика-химиялық үрдiстiң өте маңызды термодинамикалық ерекшелiктерi неде? Олар нені сипаттайды?

4) реакцияның тепе-теңдiк константаларының түрлерi. Олардың қолданыс аймағы;

5) реакцияның тепе-теңдiк константасын термодинамикалық есептеу амалдары (амал-тәсiлдерiн атау, оларды қысқаша сипаттау);

6) реакция тепе-теңдiк константасының концентрациялық шамасын эксперименттi түрде қалай айқындауға болады?

7) қатты фазадан металдардың толық еруiн қамтамасыз ететін еріткіштің бастапқы минималды концентрациясын қалай есептеуге болады?

8) жұмыс мақсаты, орындалу әдiстемесi, жұмыс жайлы қорытындылар.



1.1 Негiзгi теориялық жағдайлар

Сілтілеу – бiр не бiрнеше руда компонеттерiнiң, концентрат немесе жартылай өнiмнiң су ерiтiндiсiнде реттелу үрдiсi.

Осы әрекет – үрдiстер тиiстi жағдайдың сақталуы мен және лайықты реагенттердiң iрiктелуiмен iске асады (температура, реагенттердiң шоғырлануы т.б), сілтілеу компоненттерiнiң жылдамдығы өте ерекшеленiп байқалынады.

Сілтілеу – гетерогендi үрдiс, оған ең кемiнде екi фаза қатысады: қатты зат және ерiтiндi. Қатты заттың реакциясы туындауы салдарынан үрдiсте газ құрамдас және қатты реагенттердiң сандық фазасы мол болуы да ықтимал.

Ситпатталуына байланысты сілтілеу кезінде өтетін физика-химиялық үрдiстердің екі түрі болады: қарапайым сілтілеу және химиялық реакциямен сілтілеу. Химиялық реакцияға қатысы жоқ қарапайым еру бастапқы материалда болған металл ерітіндіде қосылыс құрамында араласады, (мысалы, ас тұзы NaCl, мирабилит Na2SO4).

Химиялық реакциямен сілтілеу үрдiсiнде, шикiзатқа аз ерiтiлетiн қосылыс ретiнде араласып, реагент әсерiмен ерiтiлген пiшiнге ауысады. Химиялық реакциямен сілтілеу осы үрдiстiң кең таралған түрi, металлургиялық шикiзат даярлаудың қосымша жолдарын қажет етедi (күйежентектеу, күйдiру, балқыту т.б).

Термодинамикалық зерттеу физика-химиялық үрдiстерде жүйе жағдайының бастапқы және сонғы термодинамикалық ерекшелiктерiн салыстыра зерттеуге бағытталады. Физика-химиялық үрдiстiң маңызды термодинамикалық ерекшелiгi – Гиббс энергиясы (G), энтальпия (Н).

Гиббс энергиясы жүйе жағдайының құрамының тепе-теңдiгiн ерекшелендiредi, сонымен қоса жүйенiң тепе-теңдiктен ауытқуын және қарастырылатын температура мен қысымда өзiндiк ағын мүмкiндiгiн қарастырады.

Гиббс энергиясы физика-химиялық жүйеде үрдiс басталғанға дейiн (∆Gн ) жүйе құрамының қызметiн төмендегiдей қарастырады (берілген температурада)
(1.1)
мұндағы – тәжірибе басталмаған кезінде әрекеттесетін заттардың және реакция өнімдерінің активтілігі;

– зерттеу үрдістің химиялық реакция теңдеуінің стехиометриялық коэффициенті (бастапқы әрекеттесетін заттар үшін νi «-» белгімен алынады; реакияның өнімдері үшін «+» белгімен);

– Гиббс стандартты энергиясы.

Жүйенің Гиббс энергиясы тепе-теңдік орналасуының және реакциясы жүріп өткеннен соңынан әрбір реакциясына тән тұрақты шамасы болып табылады (берілген температура үшін) және жүйенің тепе-теңдік құрамының функциясы болып көрінеді


(1.2)

Осы теңдеуде КТ – тепе-теңдік константасы, шамасы бұнда да қалыпты болып есептеледi және аталмыш. Физика-химиялық үрдiс үшiн тән болып саналады


(1.3)
Реакция барысында Гиббс энергиясының өзгеруi мына жағдайда анықтауға болады
(1.4)
Егер реакцияны стандартты жағдайларда жүргiзсе (Т = 298 0К, аi=1), онда , және тепе-тең көрiнiсi былайша жазылады
(1.5)
Жүйе энтальпиясы реакцияның жылу тиiмдiлiгiне әсер бередi, сонымен бiрге реакцияның тепе-теңдік константасы температураға тәуелді

(1.6)
Реакцияның жылу тиiмдiлiгi (∆Н) – қысымға байланысты қалыпты шама, берілген физика- химиялық үрдiс ерекшелiктерiне тән, жүйенiң бастапқы және соңғы жағдайына қатысты болып келедi. Реакцияның тепе-теңдік константасының температураға тәуелділігі Вант-Гофф изобара теңдеуінде көрсетіледі
(1.7)
Гиббс энергиясы және физика- химиялық үрдiстiң энтальпиясы берілген температурада мына мәндерге ие
(1.8)
(1.8)-шi теңдеуден реакция барысында бөлiнген жылу (керi мәнi ∆Н) үрдiстiң өзiндiк ағынын қамтамасыз етедi. Реакция барысында энтропияның артуы да осында нәтижеге жеткiзедi. Бiрақ ∆Н тәрiздi ∆S те оң және керi мәндерді иеленуi мүмкiн, бiрақ алдын ала үрдiс қандай бағытта жүретіні белгісіз.

Төменгi температураларда реакция барысындағы өзгерiстер ∆S өз қалпын да ұстауы мүмкiн, осы орайда Гиббс энергиясы мен энтальпия үрдiс барысында бiр-бiрiне пропорционал


(1.9)
Бұл мәндi жиi қолданатын жағдай ∆G мәндi реакцияларда жиi кездеседi.

Жоғары температурадарда (балқытуда) Т∆S үлесі ∆G шамасында ∆G-ң температураға тәуелдiлiгi анықталады.

(1.8)-шi тепе-теңдiктен реакцияның тепе-теңдік константасын стандартты мәндер бойынша ∆Н және ∆ S табуға болады.

(1.10)
Реакцияға қатысатын заттардың анықтамалық әдебиеттерден табуға болатын энтропиясын, энтальпиясын, Гиббс энергиясының стандартты өзгерістерін (1.5) және (1.8) теңдеулерін пайдалана отырып, берілген температурадағы раекцияның термодинамикалық тепе-теңдік константасын табуға болады [2].

Реакция тепе-теңдiгiнiң тұрақты шамасын эксперименттi түрде де анықтауға болады. Алайда тура эксперимент реакцияның тепе-теңдiк константасының концентрациялық түрiн анықтайды


(1.11)
Реакцияның концентрациялық тепе-теңдік константасы ерiтiндi құрамы мен ионды күшiне тәуелді
(1.12)
мұндағы

болғанда КТ және Кс шамаларының сәйкестiгi жетiстiкке жетеді. Сондықтан термодинамикалық тепе-теңдiк константасын Кс графикалық экстраполяциялық шамасын ерітіндінің шексіз бөлінуі арқылы табуға болады (сурет 1.1).

Сілтілеуде реагенттердің шығындарын есептеу кезінде концентрациялық тепе-теңдік константасы өзіндік мәнге ие болуы байқалады.

Мысалы, металл қышқылдарын ерiтуде (CuO, PbO, FeO) қышқылдарда химикалық реакция жалпы көрiнiсте келесi стехиометриялық теңдеулермен байқалады. Екi негiздi қышқылдар мен екi валенттi металл үшiн
(1.13)

Сурет 1.1 – КТ шамасын ерітіндінің концентрацияға (иондық күші) Кс-нің тәуелдiлiгi бойынша анықтаудың графикалық әдісі


Бұл үрдiстiң тепе-теңдiк тұрақты шамасы
(1.14)

Тепе-теңдiкке қол жеткiзiлгеннен кейiн (металл ерiп болған соң) ерiтiндiде ерiткiштiң артық мөлшері қалуы қажет



(1.15)
(1.16)
мұндағы ni – заттың мольдiк саны.

(1.13) теңдеуiне сәйкес оксидті ерітуге 1(моль) қышқыл – 1 моль тотыққа болу керек.

Металл тотығын толық ерiту үшiн мiндеттi түрде қышқылды мына көлемде алған дұрыс
(1.17)
Ерiтiндiдегi қышқылдың бастапқы минималды концентрациясы

(1.18)
Бiр негiзгi қышқыл үшiн және екi валенттi металдар үшiн реакция теңдеуiнің көрiнiсi
(1.19)
Бұл үрдiстiң тепе-теңдiк константасы
(1.20)
Реакция соңындағы қышқылдың артық көлемi
(1.21)

немесе


(1.22)
Металл тотығының толық еруi үшiн мiндеттi түрде қышқылды мына шамадан кем емес алған жөн
(1.23)

Қышқылдың ерiтiндiдегi бастапқы концентрациясының мәнi кем болмауы тиiс



(1.24)

Эксперименттi нақтылау үшiн Kс бастапқы заттардың бiраз мөлшерiн алған жөн және бастапқы заттар және реакция өнімдерінің концентрацияларының тепе-теңдiгі қалыптасқанға дейiнгi уақыт аралығын бақылайды (тұрақты температурада). Kс шамасын графикалық экстрополяциямен анықтайды


немесе (Cурет 1.2)

1 – тура реакция; 2 – керi реакция


Сурет 1.2 – Kс -ты графикалық анықтау

1.2 Эксперимент нәтижелерiн өңдеу және зерттеу әдiстемесі
1.2.1 Зертханалық қондырғыға сипаттама беру. Жұмыстың орындалуы механикалық немесе магниттi араластырғыштардан шыны стақан, ерiтiндiні титрлеуге арналған жабдықтардан тұратын қондырғыларда iске асады.

1.2.2 Қажеттi материалдар, құралдар, ыдыстар:

– магниттi араластырғыш;

– техникалық таразылар;

– өлшем цилиндрi (500 мл-лік);

– 500 мл-лік шыны стақан;

– 250 мм-лік конустық колба;

– бюретка (2 дана);

– сағаттық шынылар;

– мыс оксиді (ұнтақ);

– құмырсқа қышқылы ерiтiндiсi (HCOOH), О,2 моль/л;

– сірке қышқылы ерiтiндiсi (CH3СООH) 0,5 моль/л.

1.2.3 Талдауға арналған реагенттер:

– 2н қышқыл ерiтiндiсi;

– 0,05н натрий тиосульфат ерiтiндiсi (Na2S2O3);

– 20 % -дық KJ ерiтiндiсі;

– 0,05М сода ерiтiндiсi (Nа2СО3);

– метилоранж (индикатор).

1.2.4 Жұмыстың орындалу тәртібі. Барлық тәжiрибелер тұрақты температурада және қарқынды араласуда жүреді:

1) өлшем цилиндрiне берiлген құрамның 300 мл ерiтiндiсi мен концентрациясын 500 мл шыны стақанға құяды;



  1. таза, құрғақ тамшуырмен ерiтiндiнi бақылауға алып, қышқылдың ерiтiндiдегi концентрациясын анықтайды;

  2. қатты фазаның аспасын өлшейдi.(аспаның салмағын 1.1 кестеден қараңыз);

  3. дайын болған ерiтiндiнi араластырғышқа салып, араластыру үрдiсiн iске қосады;

  4. қатты фаза аспасын стақанға сеуiп, уақытты байқайды;

  5. уақыт аяқталған соң (1.2 кесте) араластырғышты тоқтатады, ерiтiндiнi тұндыруға қояды (τ = 0,5 мин), тамшуырмен ашық түстi аймақтан металл мен қышқыл концентрациясын анықтау үшiн шағын зат алынады;

  6. тағы да араластырғышты қосып, тәжiрибенi 1.2 кестесіне сай жүргiзедi.

Кесте 1.1 – Жұмыс нұсқаулары және тәжiрибе жағдайлары


№ тәжірибе
Қаты фаза

Ерiткiш

Ерiтiндiнің негiзi көлемi, мл

материал

аспа, г

реагент

(қышқыл)


ерiтiндi көлемi, мл

концентрация

металға

қышқылға

1

CuO

10

HCOOH

300

0,2

5

5

2

CuO

10

CH3COOH

300

0,5

5

5

Кесте 1.2 – Ерітіндінің сынамасын алу уақыты


Сынама
1

2

3

4

5

6

7

8

Тәжiрибе басталған уақыт, мин

0

2

4

6

8

10

12

14



  1. бақылау барысында металл және қышқыл концентрациясын анықтайды. Нәтиже барысындағы талдаулар жұмыс дәптерiндегі кестеге толтырылады, пiшiнi мен үлгiсi 1.3 кестесінде берiлген;

  2. қайталама тәжiрибе нәтижесіне сүйене отырып сынама аяқталады. Жұмысты 2 студент орындайды: бiрiншiсi, тамшуырмен тиiстi сынаманы алады, басқасы талдау жүргiзедi. Зертханалық жұмыс барысында студенттер мiндеттерiмен алмасады.

Кесте 1.3 – Тәжiрибе мен есептеу нәтижелерiн толтыру үлгiсi



Уақыт, мин

Сынама №

Қышқылды бақылау аумағы, мл

Сода ерiтiндiсінің аумағы, мл

Қышқыл концентрациясы, моль/л

Сынама көлемi металл үшiн, мл

Ерiтiндi көлемi, мл

Металл концентрациясы моль/л









Vк

nк

Cк

Vм

nм

Cм




0

1

(Vк)1

(nк) 1

(Cк)1

(Vм)1

(nм)1

(Cм)1




2

2

(Vк)2

(nк) 2

(Cк)2

(Vм)2

(nм)2

(Cм)2




4

3

(Vк)3

(nк) 3

(Cк)3

(Vм)3

(nм)3

(Cм)3



1.2.5 Ерiтiндiнiң сынамасын талдау нәтижесi:

1) қышқыл ерiтiндiсiн талдау. Талдау жүргiзiлетiн ерiтiндiнi (5 мл) 250 мл конустық колбаға орналастырып, 100 мл сумен араластырады, оған бiрнеше тамшы индикатор қосып, 0,05М Na2CO3 ерiтiндiсiмен титрлейді. Титрлеу аяқталуы ерiтiнді әлсiз қызғылт түстен сары түске ауысқан кезде анықталады. Титрлеуге жұмсалған сода ерiтiндiсiн дәптерге жазып отыру шарт;

2) ерiтiндiде мыс концентрациясын анықтау. Тексеруге алынған сынаманы титрлеу үшін колбаға салып, оған 15 мл 20 %-дық KJ ерiтiндiсін құяды, сонымен бiрге 2 мл 2н Н2SО4 ерiтiндiсiн қосады. Колбаны сағаттық шынымен жауып, қоспаны қараңғы жерге 5 минутқа, реакция аяқталғанша қояды. Колбадағы затты 0,05н Na2S2O3 ерітіндісімен титрлейді; ең соңында ерiтiндi тұнбасымен бiрге ашық сары түске ауысады, оған 5 мл крахмал ерiтiндiсiн қосады. Ерiтiндiнiң көк түсі Nα2S2О3-тiң тамшысынан жойылуы керек.

1.2.6 Тәжiрибе нәтижелерiн өңдеу:

1) қышқыл концентрациясын есептеуге арналған формула


, моль/л
мұндағы Vк – сынама көлемi, мл;

nк – ерітінді сынамасын титрлеуге жұмсалған сода ерітіндісінің мөлшері, мл;

2) ерітіндідегі мыс концентрациясын мына формуламен есептейдi



, моль/л
мұндағы Vм – металл талданымы үшiн алынған қиын еритiн тұз ерiтiндiсі санамасының көлемі, мл;

nТ – ерітінді сынамасын титрлеуге жұмсалған (Nα2S2О3) тиосульфат мөлшері, мл;

3) (сурет 1.2) координаттарда графиктi салу.

(1.20) теңдеуiне сәйкес концентрацияланған тепе-теңдік константасы график бойынша анықталады;

4) (1.24) теңдеуімен металл оксидінің толық еруіне байланысты бастапқы қышқылдың концентрациясын есептейміз




мұндағы V – ерiтiндi көлемі;

nМО – ерiту үшiн алынған СuО молiнiң саны;

5) (1.12) теңдеуін қолдана отырып, үрдістің термодинамикалық тепе-теңдік константасын есептейміз



Есептеу барысында белсендiлiк мәнiн келесi есептеу кезінде қолдануға болады

6) үрдістегі Гиббс энергиясын мына теңдеумен есептейдi

Зертханалық жұмыс № 2
Тұз еруіне әртүрлі факторлардың әсер етуін зерттеу
Жұмыс мақсаты: нақты гидрометаллургиялық процесті зерттеу барысында қиын еритін металдар тұздарының рН ерітіндісі иондық күшінің, тұздың анион және катион гидролизінің еруге әсерін қондыру.

жүктеу/скачать 0.86 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:
  1   2   3   4   5   6



©dereksiz.org 2024
әкімшілігінің қараңыз
    Басты бет