Синтез химических продуктов в электрохимических реакторах (стр. 5 )

3. Расчет количества полученной щелочи и кислоты:

(3.6)

где V – объем раствора анодного или катодного пространства, л; С – концентрация щелочи или кислоты (определенная титрованием), г/л.

4. Расчет расхода электроэнергии на получение щелочи и кислоты:

(3.7)

где I – сила тока, А; U – напряжение, В; t – время электролиза, ч; m – количество полученного продукта электролиза (щелочь или кислота), кг.

5. Расчет выход по току:

(3.8)

где q – электрохимический эквивалент продукта электролиза, г/А∙ч; mпр – фактическое количество полученного продукта электролиза, г; mтеор –теоретически возможное количество продукта электролиза, г; I – сила тока, А; t – время электролиза, ч.

6. Расчет степени превращения соли при электролизе:

(3.9)

где α – степень превращение; тк – число молей гидроксида, образовавшегося в процессе электролиза; т0 – число молей соли, поступившей на электролиз; Gк и Gc – массовые количества полученного гидроксида металла и поступившей на электролиз соли; Мк и Мс – молярные массы гидроксида и соли соответственно.

СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА О РАБОТЕ

Отчет о работе включает:

1. Название и цель лабораторной работы.

2. Основные понятия и уравнения реакций.

3. Схема установки.

4. Состав раствора и технологические условия электролиза.

5. Основные расчетные формулы и результаты расчетов.

6. Таблица полученных результатов.

7. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Опишите химические свойства анолита и католита.

2. Что произойдет при смешивании анолита с католитом? Приведите уравнение химической реакции.

3. Назовите несколько тривиальных названий гидроксида натрия.

4. Перечислите возможные области применения щелочи и кислоты.

5. Каков механизм получения щелочи и кислоты при электролизе раствора сульфата натрия.

6. Почему в безмембранном электролизере нельзя получить католит (раствор щелочи) и анолит (раствор кислоты)?

7. В каком электролизере процесс получения щелочи и кислоты происходит более эффективно и с меньшими затратами энергии?

ЛИТЕРАТУРА

1.  Лукомский -химические основы электрохимии/, . - Долгопрудный: Издат. дом «Интеллект», 2008.

2.  Прикладная электрохимия/ Под ред. М.: Химия, 1984. – 520 с.

3.  Кубасов технология неорганических веществ: учебник для техникумов/ , – М.: Химия, 1989. – 288с.

4.  Мазанко мембранный электролиз/ , , – М.: Химия, 1989. – 240 с.

5.  Яковлев электрохимической очистки воды/ и др. – Л.: Стройиздат, Ленинградское от-ние, 1987. – 472 с.

6.  Фиошин системы в синтезе химических продуктов/, . – М.: Химия, 1985. – 256 с.

7.  , , Животинский технология неорганических веществ и химические источники тока. – М.: Высшая школа, 1980.- 423 с.

8.  Флеров задач по прикладной электрохимии/ . М.: Высшая школа, 1987. 319 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение 1.

Определение активного хлора (гипохлорита натрия)

1. Иодометрическое определение «активного» хлора

1.1. Основы метода

Метод основан на окислении иодида калия в уксусно-кислой или сернокислой средах свободных хлором, хлорноватистой кислотой или гипохлоритом натрия по реакциям:

Cl2 + 2KJ → 2KCl + J2, (1)

HClO+2KJ+СН3СООН→KСl+СН3СООK+J2+Н2O (2)

NaClO+2KJ+2CH3COOH→NaCl+2СН3СООK+J2+Н2O (3)

Выделившийся иод титруют раствором тиосульфата натрия.

1.2. Применяемые реактивы и растворы

• кислота уксусная 10 %-ный раствор;

• калия иодид 10 %-ный раствор;

• крахмал растворимый 0,5 %-ный раствор;

• тиосульфат натрия (Na2S2O3) 0,1 н раствор;

• вода дистиллированная.

0,1 н раствор тиосульфата натрия (Na2S2O3) готовят

растворением 25 г Na2S2О3×5H2О в 500 мл свежекипяченой и охлажденной дистиллированной воды, добавлением 0,2 г карбоната натрия (Na2CO3) и доведением объема раствора до 1 л.

1.3. Ход выполнения определения

В коническую колбу на 250 мл пипеткой вводят 10 мл анализируемого раствора, добавляют 10 мл 10 %-ного раствора KJ и перемешивают. Добавляют 5 мл уксусной кислоты и снова перемешивают. Прикрывают колбу стеклянной крышкой и ставят на 10 мин в темное прохладное место. Титруют выделившийся иод раствором тиосульфата натрия до перехода коричневой окраски в слабо-желтую. Добавляют 1 мл раствора крахмала и продолжают титровать до обесцвечивания.

Содержание «активного» хлора, в пересчете на гипохлорит натрия, Сх, г/л:

Сх=V1 ·0,0035 ·1000/ Vпробы (4)

где V1 – объем 0,1 н раствора тиосульфата натрия, израсходованного на титрование, мл; V – объем анализируемого раствора, мл; 0,0035 – количество активного хлора эквивалентного 1 мл 0,1 н раствора тиосульфата натрия.

Определение хлората натрия (NaClO3)

Применяемые реактивы и растворы:

•соляная кислота (плотность 1,19 г/см3);

• крахмал растворимый 0,5 %-ный раствор;

• тиосульфат натрия (Na2S2O3) 0,1 н раствор;

• вода дистиллированная.

0,1 н раствор тиосульфата натрия (Na2S2O3) готовят

растворением 25 г Na2S2О3×5H2О в 500 мл свежекипяченой и охлажденной дистиллированной воды, добавлением 0,2 г карбоната натрия (Na2CO3) и доведением объема раствора до 1 л.

Проведение анализа раствора на содержание хлората (NaClO3).

В колбу для анализа приливают 20 см3 HCl (плотность 1,19 г/см3), закрывают колбу и оставляют на 10-15 минут в темном месте. Выделившийся иод титруют 0,05 М раствором Na2S2О3 до перехода окраски в слабо-желтую. Прибавляют 0,5-1 см3 раствора крахмала и титруют до исчезновения синей окраски. Присутствующий в пробе гипохлорит натрия оттитровывается вместе с хлоратом. В этом случае концентрацию (г/дм3) хлората рассчитывают по формуле:

(5)

где - объем точно 0,05 М раствора тиосульфата натрия, пошедший на титрование, см3; 0,00089 – масса NaClO3, эквивалентная 1 см3 0,05 М раствора тиосульфата, г; V – объем раствора взятый для анализа, см3; СNaClO – концентрация гипохлорита, найденная в предыдущем анализе; 0,48 – коэффициент пересчета NaClO в NaClO3.

Приложение 2

Определение концентрации ионов металла в растворе.

При использовании для электролиза растворимых анодов в растворе будут присутствовать ионы железа или алюминия, которые являются мешающими при определении содержания ионов меди и никеля. В этом случае в пробу исследуемого раствора добавляют «маскирующий агент».

Определение содержания железа.

Материалы и оборудование:

1.  Роданид калия или аммония, 5 % раствор.

2.  Стандартный раствор Fe3+, 0,0200 мг/мл

3.  Пероксид водорода, 30 % раствор.

4.  Азотная кислота, 1,20 г/мл.

5.  Спектрофотометр или фотоколориметр, кюветы с толщиной поглощающего слоя 1 см.

6.  Пипетки вместимостью 2, 5, 20 мл.

7. Мерные колбы ка 50,0 мл - 7 шт.

Определение железа оптическими методами основано на получении окрашенных комплексов (гексацианоферрата, роданида) с последующим фотометрированием и установлением концентрации по градуировочному графику.

Данная работа основана на взаимодействии железа (III) с роданид-анионом, в результате чего образуется комплексное соединение кроваво-красного цвета:

Fe3++ nSCN-=Fe(SCN)n3-n (1)

Содержание железа определяют по градуировочному графику.

Для построения градуировочного графика в 5 мерных колб вместимостью 50,0 мл последовательно вводят 1,0; 2,5; 5,0; 7,5 и 10,0 мл стандартного раствора Fe3+ с концентрацией 0,0200 мг/мл. В каждую колбу добавляют по1 мл азотной кислоты, 3 капли пероксида водорода, 20 мл раствора роданида калия или аммония, объем растворов доводят водой до метки и перемешивают. Получают серию окрашенных в красный цвет растворов, содержащих соответственно 0,40; 1,00; 2,00; 3,00 и 4,00 мг железа в литре.

Для учета примесей соединений железа в применяемых реактивах и воде в мерную колбу на 50,0 мл помещают 1 мл азотной кислоты, 3 капли пероксида водорода, 20 мл раствора роданида и дистиллированную воду до метки. Полученный раствор является раствором сравнения.

Через 30 минут измеряют оптическую плотность растворов при 490 нм (спектрофотометр) или 440 нм (КФК-2, КФК-3) по отношению к раствору сравнения.

По полученным данным строят градуировочный график в координатах; оптическая плотность раствора (А) - концентрация железа (рис. 1).

В мерную колбу объемом 50,0 мл помещают аликвоту исследуемого раствора объемом 15-25 мл, 1 мл азотной кислоты, 3 капли пероксида водорода, 20 мл раствора роданида калия или аммония, объем раствора доводят дистиллированной водой до метки и перемешивают. Через 30 минут измеряют оптическую плотность исследуемого раствора, по градуировочному графику находят содержание железа (III).

Содержание железа в исследуемом растворе (в мг/л) определяют по формуле:

(2)

С - найденное по графику содержание Fe, мг/л; 50,0- объем мерной колбы, мл; Vал - объем аликвоты исследуемого раствора, мл.

Рис. 1. Градуировочный график для определения концентрации ионов железа в растворах.

Определение содержания никеля (в присутствии железа).

Материалы и оборудование:

1. Раствор сульфата никеля, г/л: 0,005; 0,001; 0,015; 0,02; 0,03.

2.  Тартрат натрия-калия, 2-ный % раствор.

3.  Иодид калия, 0,05 М раствор.

4.  Диметилглиоксим, 0,05 М раствор в этаноле.

5.  Натр едкий, 1 н раствор.

6.  Спектрофотометр или фотоколориметр, кюветы с толщиной поглощающего слоя 1 см.

7.  Пипетки вместимостью 2, 5, 20 мл.

8. Мерные колбы ка 50,0 мл - 6 шт.

Определение содержания никеля в присутствии железа проводят фотоколориметрическим методом. Для построения градуировочного графика в 5 мерных колбах вместимостью 50,0 мл готовят серию растворов: в каждую колбу вводят по 2,5 мл раствора сульфата никеля концентрацией (г/л) 0,005; 0,01; 0,015; 0,02; 0,03; затем 5 мл раствора тартрата натрия-калия (2% раствор), затем добавить 0,5 мл раствора иода (0,05 М, содержащий 0,1 г/мл KJ), прилить 0,5 мл диметилглиоксима (0,05 М раствор в этаноле) и 3 мл щелочи (1 н раствор NaOH). Доводят объем до 50 мл дистиллированной водой и получают серию окрашенных в синий цвет растворов с концентрацией никеля, соответственно 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 и 0,6 мг/л. Измеряют оптическую плотность растворов при λ=470 нм (синий фильтр). По полученным данным строят градуировочный график в координатах оптическая плотность раствора (А) – концентрация никеля (C, мг/л).

2,5 мл раствора (проба) поместить в колбу на 50 мл, 5 мл раствора тартрата натрия-калия (2% раствор), затем добавить 0,5 мл раствора иода (0,05 М, содержащий 0,1 г/мл KJ), прилить 0,5 мл диметилглиоксима (0,05 М раствор в этаноле) и 3мл щелочи (1 н раствор NaOH). Доводят объем до 50 мл дистиллированной водой и измеряют оптическую плотность раствора при λ=470 нм (синий фильтр).

Содержание никеля в исследуемом растворе (в г/л) определяют по формуле:

(3)

С - найденное по графику содержание никеля, мг/л; 50,0 - объем мерной колбы, мл; Vал - объем аликвоты исследуемого раствора, мл.

Определение содержания меди

Материалы и оборудование:

1. KJ, 20-ный % раствор.

2. Тиосульфат натрия - 0,02 н раствор.

3. Раствор крахмала (0,5 г крахмала растворяют в 100 мл кипятка и кипятят 2 мин).

4. Раствор серной кислоты – 2н.

5. Колба на 50 мл.

6. Пипетки (шприц) вместимостью 5, 10, 15 мл.

7. Бюретка для титрования.

В колбу наливают 15 мл раствора иодида калия, 2 мл серной кислоты 2 н и 25 мл пробы исследуемого раствора. Накрыть колбу часовым стеклом и оставить в темном месте на 5 мин. Затем проводят титрование пробы раствором тиосульфата натрия, прибавляя в конце титрования, когда раствор о взмученным осадком будет иметь светло-желтую окраску, 5 мл крахмала. Появившаяся синяя окраска должна исчезнуть при добавлении 1 капли тиосульфата натрия и вновь не появляться несколько минут (взмученный осадок иодида меди после окончания титрования должен иметь цвет слоновой кости).

Содержание меди рассчитывают по формуле:

С(Cu)=a·N·63,5/n, (г/л) (4)

где, а - количество раствора тиосульфата натрия (Na2S2O3), израсходованное на титрование, л; N - нормальность раствора тиосульфата натрия; n - количество электролита, взятое на титрование, л.

Масса меди (в виде ее соединений) в электролите составит:

m(Cu)=C(Cu)·V(аликвоты) (5)

где V(аликвоты) – объем аликвоты, выраженный в л.

Концентрацию ионов меди в растворе, выраженную в процентах, определяют по формуле:

ω(Cu)=[m(Cu)/m(пробы)]·100% (6)

СИНТЕЗ ХИМИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ

Методические указания

Автор-составитель:

Ответственный за выпуск

Оригинал-макет

Подписано в печать ___________2015 г.

Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура _________. Печать RISO.

Объем ____ печ. л. Тираж 25 экз. Заказ №______.

413100, Россия, Саратовская область, г. Энгельс, пл. Свободы, 17

ЭТИ (филиал) СГТУ