29.10.2012
Beata Kozak
Metalurgia III rok
Grupa 2, zespół 1
Sprawozdanie
Kinetyka roztwarzania miedzi metalicznej w roztworach amoniakalnych.
Wstęp teoretyczny.
Procesy roztwarzania metali w roztworach kwasów nieutleniających lub w elektrolitach alkalicznych zawierających składniki kompleksotwórcze stanowią podstawę procesów hydrometalurgicznych takich jak: ługowanie złomu metalicznego, pyłów i szlamów, ługowanie metali szlachetnych występujących w rudach w postaci rodzimej; roztwarzanie stopów metali w niektórych operacjach związanych z przetwórstwem metali.
Roztwarzanie metalu jest to proces elektrochemiczny, w którym na anodzie obserwujemy utlenienie się metalu według reakcji:
MeMen+ + n e-
a na katodzie(redukcja):
w roztworach natlenionych- redukcję tlenu rozpuszczonego w elektrolicie:
O2+H2O+4e4OH-
w roztworach kwaśnych- wydzielanie gazowego wodoru:
2H+ +2e-H2
Roztwarzanie miedzi w roztworach amoniakalnych zawierających jony miedzi jest procesem autokatalitycznym.
Autokataliza- jest to rodzaj katalizy, gdzie wzrost szybkości reakcji chemicznej jest spowodowany wpływem jednego z produktów tej reakcji (jest on katalizatorem). Szybkość reakcji autokatalitycznej rośnie podczas postępu reakcji dzięki zwiększeniu stężenia produktu, a następnie maleje z powodu spadku stężenia substratu.
Do stwierdzenia czy w danych warunkach metal się roztworzy służą diagramy Pourbaix (E-pH). Diagramy te zostały stworzone dzięki obliczeniom termodynamicznym, które określają kierunek zajścia reakcji. Na diagramach tych znajdują się również zaznaczone zależności równowagowe potencjałów elektrod tlenowej oraz wodorowej.
Dzięki naszemu doświadczeniu możemy wyznaczyć szybkość reakcji roztwarzania miedzi, tzn. zmianę stężenia reagenta w jednostce czasu.
Cel doświadczenia
Celem doświadczenia jest określenie kinetyki roztwarzania miedzi metalicznej w nasyconych powietrzem roztworach amoniakalno- węglanowych zawierających różne ilości jonów Cu2+ .
Przebieg doświadczenia
12 płytek miedzianych zostało wyczyszczone papierem ściernym, wypłukane w wodzie destylowanej, następnie w alkoholu i wysuszone w strumieniu ciepłego powietrza. Po tym zostały one zważone na wadze analitycznej i zmierzone. Do czterech zlewek zostały nalane roztwory amoniakalno-węglanowe o różnych stężeniach jonów Cu2+. W każdej zlewce były umieszczane po 3 blaszki na okres 10, 20, 30 minut. Po wyciągnięciu ich z roztworów za każdym razem próbki były płukane w wodzie destylowanej, następnie w alkoholu, suszone w strumieniu ciepłego powietrza i po tym ważone, aby zbadać ubytek ich masy.
Wyniki pomiarowe i obliczenia.
Stęż. Cu2+ CCu2+ [g∙dm3] |
Czas trwania pomiaru [min] | Masa płytki [g] | Pole powierzchni [cm2] |
---|---|---|---|
Próbka 1 | Próbka 2 | ||
m1p | m1k | ||
2 | 10 | 1,7658 | 1,7593 |
20 | 1,7593 | 1,7483 | |
30 | 1,7483 | 1,7346 | |
5 | 10 | 1,3895 | 1,3756 |
20 | 1,3756 | 1,3532 | |
30 | 1,3532 | 1,3298 | |
7 | 10 | 1,6261 | 1,6029 |
20 | 1,6029 | 1,5712 | |
30 | 1,5712 | 1,5213 | |
10 | 10 | 2,1181 | 2,0748 |
20 | 2,0748 | 2,0268 | |
30 | 2,0268 | 1,9802 |
Stęż. Cu2+ CCu2+ [g∙dm3] |
Czas trwania pomiaru [min] | Ubytek masy z jednostkowej powierzchni [g∙cm-2] |
Szybkość roztwarzania miedzi VCu [g∙cm-2∙min-1] |
---|---|---|---|
$$\frac{m_{1}}{S_{1}}$$ |
$$\frac{m_{2}}{S_{2}}$$ |
||
2 | 10 | 0,000271 | 0,000348 |
20 | 0,000458 | 0,000476 | |
30 | 0,000496 | 0,000662 | |
5 | 10 | 0,000565 | 0,000696 |
20 | 0,000911 | 0,001116 | |
30 | 0,000951 | 0,001806 | |
7 | 10 | 0,001 | 0,001025 |
20 | 0,001366 | 0,001594 | |
30 | 0,002151 | 0,002203 | |
10 | 10 | 0,001821 | 0,001248 |
20 | 0,002019 | 0,002029 | |
30 | 0,00196 | 0,003013 |
Przykładowe obliczenia(1 próbka, cCu2+=2g/dm3):
-Zmiana masy próbki: m1 = m1p − m1k = 1, 7658 − 1, 7593 = 0, 0065[g]
-Ubytek masy z jednostkowej powierzchni: $\frac{m_{1}}{S_{1}} = \frac{0,0065}{24} = 0,000271\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{2}} \right\rbrack$
-Średnia wartość ubytku masy z jednostkowej powierzchni
$\frac{m}{S\text{\ \ }\ _{SR}} = \left( \frac{m_{1}}{S_{1}} + \frac{m_{2}}{S_{2}} + \frac{m_{3}}{S_{3}} \right) \div 3 = \left( 0,00271 + 0,000348 + 0,00029 \right) \div 3 = 0,000303\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{2}} \right\rbrack$
Wykres1
Do obliczania stałej szybkości reakcji k potrzebny jest najpierw współczynnik kierunkowy prostej z równania opisującego ubytek masy z jednostkowej powierzchni od czasu, a następnie należy skorzystać ze wzoru tgα=V=kc (a= tgα).
Średnią szybkość roztwarzania można wyznaczyć graficznie z wykresu zależności średniego ubytku masy z jednostkowej powierzchni od czasu trwania procesu V=tgα.
CCu2+=2 [g/dm3]= 0,002 [g/cm3]
VCu=kc=0,000014 [g•cm-2•min-1]
$k = \frac{V_{\text{Cu}}}{c_{Cu2 +}} = \frac{0,000014}{0,002} = 0,007\ \lbrack cm \bullet \min^{- 1}\rbrack$
CCu2+=5 [g/dm3]=0,005 [g/cm3]
VCu=kc=0,000038 [g•cm-2•min-1]
$k = \frac{V_{\text{Cu}}}{c_{Cu2 +}} = \frac{0,000038}{0,005} = 0,0076\lbrack cm \bullet \min^{- 1}\rbrack$
CCu2+=7 [g/dm3]=0,007 [g/cm3]
VCu=kc=0,000068 [g•cm-2•min-1]
$k = \frac{V_{\text{Cu}}}{c_{Cu2 +}} = \frac{0,000068}{0,007} = 0,0097\lbrack cm \bullet \min^{- 1}\rbrack$
CCu2+=10 [g/dm3]=0,010 [g/cm3]
VCu=kc=0,000048 [g•cm-2•min-1]
$k = \frac{V_{\text{Cu}}}{c_{Cu2 +}} = \frac{0,000048}{0,01} = 0,0048\lbrack cm \bullet \min^{- 1}\rbrack$
Dla stężenia jonów miedzi wartość stałej szybkości reakcji zamiast rosnąć- maleje. Może to być spowodowane błędami pomiarowymi, np. złym wysuszeniem próbek, przez co ich masa była wyższa niż w rzeczywistości.
Wykres 2
Wykres 3
Do określenia rzędu reakcji r i stałej szybkości reakcji k potrzebne jest równanie opisujące zależność log VCu od log cCu2+ . Ogólne równanie prostej przyjmuje postać:
log V = r log c +log k
wynika to z przekształcenia równania:
$V = - \frac{\text{dm}}{\text{dt}} = kSc$
$V = - \frac{d\frac{m}{S}}{\text{dt}} \approx kc^{r}$ po przekształceniu tego równania w postać logarytmiczną otrzymujemy:
log V = r log c +log k
logk = −5, 2342
k = 10−5, 2342=5,8∙10-6 [cm∙min-1]
r = 0, 8936 ≈1
Dyskusja wyników.
Zastosowanie płaskich blaszek miedzianych narzuca postać równania kinetycznego, ponieważ można przyjąć, że powierzchnia reakcji się nie zmienia (S=const).
Z pierwszego wykresu (zależności ∆m/s od czasu) możemy odczytać, że zależność średniego jednostkowego ubytku masy od czasu jest funkcją rosnącą o charakterze prostoliniowym. Im większe stężenie jonów Cu2+, tym reakcja zachodzi z większą szybkością. Wyniki dla roztworu, w którym jony Cu2+ mają stężenie 10 [g/dm3] trochę odbiegają od tej reguły, tzn. wraz z czasem szybkość reakcji powinna rosnąć jeszcze bardziej niż dla niższych stężeń- tak niestety nie jest, co może być spowodowane błędami pomiarowymi, a mianowicie tym, iż próbki nie były dokładnie wysuszone i przez to ich masa była wyższa. Możliwości do pomyłek oraz ograniczeń jest dosyć sporo, dlatego podane wyniki są obarczone błędem, który należy brać pod uwagę przy analizie wyników. Wraz ze zwiększeniem czasu przeprowadzenia doświadczenia rośnie ubytek masy próbek.
Z drugiego wykresu(zależności szybkości roztwarzania miedzi od stężenia jonów Cu2+), na którym przedstawiona jest zależność szybkości roztwarzania miedzi od stężenia początkowego jonów Cu2+, możemy odczytać, że ze wzrostem stężenia jonów miedzi rośnie szybkość reakcji. Największy jej wzrost obserwujemy pomiędzy stężeniami CCu2+ 5[g/dm3], a 7[g/dm3]. Na wykresie dla stężeń powyżej 7[g/dm3] funkcja ma charakter malejący, co może być spowodowane błędami pomiarowymi wspomnianymi wcześniej, ponieważ funkcja powinna być nadal rosnącą. Patrząc jednak na część wykresu dla stężeń jonów miedzi poniżej 7[g/dm3] możemy zauważyć, że ich obecność przyspiesza reakcję roztwarzania się miedzi, zatem zachodzi zjawisko autokatalizy(wzrost szybkości reakcji chemicznej jest spowodowany wpływem jednego z produktów tej reakcji, który pełni rolę katalizatora).
Z trzeciego wykresu (zależności log VCu od stężenia Cu2+), na którym przedstawiona jest zależność logarytmu szybkości reakcji od logarytmu stężenia jonów miedzi możemy odczytać, że jej funkcja ma charakter rosnący i prostoliniowy (znowu wynik pomiarów dla stężenia 10 [g/dm3] odbiega od tego wniosku- co jest wynikiem wcześniej wspomnianego błędu pomiaru).
Dzięki wyznaczeniu równania opisującego zależność log VCu od log cCu2+ można było obliczyć rząd reakcji oraz stałą szybkości reakcji.
Wyznaczona w ten sposób stała szybkości reakcji różni się od tych wyliczonych za pomocą wykresu pierwszego, jest to spowodowane najprawdopodobniej błędami podczas pomiaru kinetyki roztwarzania miedzi dla roztworu o stężeniu jonów Cu2+ równym 10[g/dm3].
Wnioski.
Kinetyka roztwarzania miedzi w roztworach amoniakalno-węglanowych z dodatkiem jonów Cu2+ zależy od stężenia tych jonów.
Im wyższe stężenie jonów miedzi, tym szybszy przebieg reakcji.
Dla dłuższych czasów reakcji obserwuje się większy ubytek masy.
Rząd reakcji r wynosi około 1.
Stała szybkości reakcji k wynosi 8,4•10-6[cm∙min-1].