Aktualizacja: 29.09.2014
41. OTRZYMYWANIE KWASU FOSFOROWEGO METODĄ EKSTRAKCYJNĄ
I. ZAŁOŻENIA DO WYKONANIA ĆWICZENIA:
1. Surowiec fosforowy: 30g, Ca
3
(PO
4
)
2
2. zawartość CaO w surowcu fosforowym wynosi: ……. % (obliczyć przed zajęciami)
3. zawartość P
2
O
5
w surowcu fosforowym wynosi: ……. %, (obliczyć przed zajęciami)
4. stężenie H
2
SO
4
w zakresie: 50- 80 %
*
,
5. nadmiar H
2
SO
4
wynosi 50-70 %
*
,
6. temperatura procesu: 80-90
°C
*
,
7. liczba pobieranych próbek do analizy: 4,
8. częstotliwość pobierania próbek: 30 min.,
9. objętość pobieranej próbki (zawiesina): 1-2 cm
3
.
Wykaz sprzętu:
1. kolba trójszyjna poj. 250 cm
3
– 1 szt.,
2. mieszadło mechaniczne – 1 szt.,
3. termopara,
4. łaźnia wodna – 1 szt.,
5. kolba miarowa poj. 100 cm
3
– 2 szt.,
6. kolba stożkowa poj. 50 cm
3
– 4 szt.,
7. pipeta 2 cm
3
– 1 szt.,
8. pipeta jednomiarowa 10 cm
3
– 2 szt.,
9. biureta 25 cm
3
– 1 szt.,
10. cylinder miarowy poj. 250, 50 cm
3
, - po 1 szt.
11. lejek zwykły – 1szt,
12. lejek nasypowy – 1 szt,
13. łyżka – 1 szt,
14. kubek plastikowy – 1 szt,
15. zlewki: 50, 250 ml – po 1 szt.
16. łopatka szklana, wygięta – 1 szt.
17. zestaw do sączenia pod zmniejszonym ciśnieniem:
- pipeta do pobierania próbki – 2szt;
- lejek ze spiekiem – 2 szt;
- probówka ze szlifem o poj. 10 cm
3
– 2 szt,
- nasadka do sączenia – 1 szt.
- kolbka ssawkowa poj. 50 i 250 cm
3
– po1 szt
- lejek Buchnera – 1 szt.
Wykaz odczynników:
Surowiec fosforowy,
Kwas siarkowy 70%,
0,5 N NaOH,
oranż metylowy,
fenoloftaleina,
*
- Podaje prowadzący.
II. SPOSÓB PROWADZENIA PROCESU:
Na wadze technicznej odważyć określoną ilość surowca fosforowego i obliczyć
zapotrzebowanie kwasu siarkowego do ekstrakcji ze stechiometrii (lub wzoru):
V = Z
t
·
cd
m (1 +
100
n )
gdzie:
V – zapotrzebowanie kwasu siarkowego (w cm
3
) o stężeniu c i gęstości d,
Z
t
– teoretyczne zapotrzebowanie kwasu siarkowego na 100 g surowca fosforowego,
m – masa surowca fosforowego w gramach,
n – nadmiar kwasu siarkowego w %,
c – stężenie kwasu siarkowego w %,
d – gęstość kwasu siarkowego w g/dm
3
.
Zmontować zestaw reakcyjny z powierzonego szkła. Sprawdzić prawidłowość pracy
zestawu reakcyjnego bez obciążania reaktora surowcami!
Przygotować kwas siarkowy o zadanym stężeniu w
wyznaczonej ilości z kwasu o większym stężeniu (wymagana
znajomość stosownych obliczeń). Gęstości kwasu siarkowego
potrzebne do obliczeń wyznaczyć przyjmując liniową
zależność gęstości od stężenia kwasu oraz to, że gęstości
kwasu o stężeniu 50 i 95% wynoszą odpowiednio 1,40, 1,83
[g/cm
3
]. Przygotowany kwas siarkowy umieścić w reaktorze,
włączyć termostat i mieszadło, a po uzyskaniu żądanej
temperatury dodać określoną ilość surowca fosforowego.
Boczne szyje kolby zakorkować.
W podanych w założeniach odstępach czasu, pobierać próbki
do analizy na zawartość kwasów w fazie ciekłej. Przez jedną z
szyi kolby pobrać próbkę, przesączyć na lejku ze spiekiem,
następnie ilościowo przenieść do kolby miarowej i dopełnić
wodą destylowaną do objętości 100 cm
3
.
Z kolby miarowej pobrać 10 lub 20 cm
3
próbkę i miareczkować wobec oranżu metylowego –
kwasowość M (dwie analizy). To samo powtórzyć wobec fenoloftaleiny – kwasowość F
(dwie analizy).
2
Kwasowość oblicza się wg wzoru:
p
V
f
m
a
F
M
⋅
⋅
=
)
(
Gdzie:
a – ilość (cm
3
) NaOH zużytego do miareczkowania próbki,
m – miano NaOH (mol/dm
3
),
f – mnożnik uściślający miano, przyjąć 1.
V
p
– objętość stężonego roztworu miareczkowanej próbki (cm
3
).
Po zakończeniu procesu ekstrakcji ochłodzić mieszaninę reakcyjną do temperatury pokojowej
i oddzielić osad fosfogipsu od fazy ciekłej, sącząc na lejku Buchnera. Zmierzyć objętość
filtratu. Fosfogips przepłukać na sączku 200 cm
3
wody, wyznaczyć objętość filtratu i
wyznaczyć kwasowości próbki. Do wyznaczenia kwasowości pobrać po 2 cm
3
przesączu i dla
wygody dodać do kolby 10 cm
3
wody przed miareczkowaniem.
Po zakończeniu ćwiczenia fosfogips zutylizować do wskazanego przez prowadzącego zajęcia
pojemnika. To samo uczynić z przesączami.
III. OBLICZENIA I DYSKUSJA WYNIKÓW
Informacje ogólne:
Gdy:
1. M > F-M, (nadmiar kwasu siarkowego; jest kwas siarkowy w brei)
2. M = F-M,
3. M < F-M (niedomiar kwasu siarkowego; w breji jest H
3
PO
4
i nieprzereagowany
surowiec fosforowy)
Wzory na stężenie molowe kwasu fosforowego:
a) [H
3
PO
4
] = F – M, dla przypadku 1.
b) [H
3
PO
4
] = M, dla przypadku 3.
Wzór na [H
2
SO
4
]
, (mol/dcm
3
), w wariancie zastosowania w nadmiarze z wykorzystaniem
kwasowości M i F ma postać: (2M-F)/2
Wzór na obliczenie stężenia [P
2
O
5
]
, (mol/dcm
3
) w breji, dla obu wariantów z
wykorzystaniem kwasowości M i F ma postać: (F-M)/2.
1. Obliczanie stopnia wykorzystania kwasu siarkowego:
Przy założeniu, że nie ma zmiany objętości reagującej mieszaniny wyznacza się
następująco:
o
M
M
F
SO
H
)
(
3
4
2
−
=
α
3
4
gdzie M
o
– kwasowość mieszaniny reakcyjnej w chwili rozpoczęcia procesu, wyznaczona
przez ekstrapolację. Powinna być jednakowa wobec oranżu metylowego i fenoloftaleiny.
2. Obliczanie całkowitej wydajności procesu
Policzyć na podstawie objętości uzyskanego przesączu końcowego oraz popłuczyn oraz
wyznaczonych w nich zawartości kwasu fosforowego w porównaniu do wartości
stechiometrycznych.
Zestawić dane doświadczalne i obliczenia w tabeli poniżej (wzór):
Czas
Objętość Temp. Kwasowość M Kwasowość F [H
2
SO
4
] [H
3
PO
4
]
α
H2SO4
[P
2
O
5
]
min.
dm
3
°C
cm
3
0.5
M NaOH
mol/
dm
3
cm
3
0.5 M
NaOH
mol/
dm
3
mol/dm
3
mol/dm
3
-
mol/dm
3
0
-
30
-
…
-
Przesącz
końc.
Popłuczyny
-
-
Wyniki badań należy przedstawić graficznie wykreślając: a) M=f(
τ); b) F=f(τ); c)
[H
3
PO
4
]=f(
τ). Wykresy 1. i 2. pozwalają oszacować wartość M
o
potrzebnej do obliczenia
wydajności procesu; Wykres 3. pozwala na określenie niezbędnego czasu ekstrakcji.
W sprawozdaniu powinny się znaleźć wszystkie obliczenia włącznie z ewentualnym
wyprowadzaniem niezbędnych wzorów.