Kinga Wyszyńska
WMN, Metalurgia III rok
Data wykonania ćw. 12.11.12r
Zespół nr 4
Ćwiczenie nr 4
Temat : Usuwanie zanieczyszczeń z roztworów wodnych metodą strąceniową.
WSTĘP LITERATUROWY
Metody strąceniowe
Strąceniowe metody oddzielania i rozdzielania pierwiastków wykorzystują różnice w rozpuszczalności różnych związków w wodzie. Metody te należą do najtańszych i jednych z najprostszych sposobów usuwania pierwiastków. Częstym przypadkiem oddzielania jednych pierwiastków od drugich jest strącanie ich w postaci trudno rozpuszczalnych siarczków lub wodorotlenków. W celu rozdzielania strąca się często jony metali także w postaci chlorków, siarczanów, węglanów czy fosforanów.
Ujemną stroną metod strąceniowych jest niedokładne rozdzielanie pierwiastków, zwłaszcza podczas strącania większych ilości osadów. Do strąceniowych metod rozdzielania pierwiastków należą także metody elektro - analityczne, w których czynnikiem strącającym jest prąd elektryczny. Najczęściej wydziela się metale na katodzie (w wyniku redukcji jonów dodatnich), rzadziej na anodzie (w wyniku utleniania np. Pb2+ do trudno rozpuszczalnego PbO2). Przy odpowiednio dużej różnicy potencjałów wydzielania elektrolityczne rozdzielanie metali jest dokładne. Do oczyszczania roztworów wodnych metodą strąceniową wykorzystywane są również trzy typy reakcji :
reakcje strącania przez substancje utleniające (lub redukujące)
reakcje jonowe
hydroliza
Rozdzielanie metali przez wytrącanie wodorotlenków, tlenków czy soli zasadowych prowadzi się przy kontrolowanym pH roztworu. Dla przykładu do usuwania jonów żelaza najczęściej wykorzystuje się proces hydrolizy. Sole Fe(II) hydrolizują przy pH powyżej 8, zaś sole Fe(III) przy pH ok 3,5.
CEL ĆWICZENIA
wyznaczenie iloczynu rozpuszczalności trudno rozpuszczalnych wodorotlenków ( Fe(OH)3, Cu(OH)2 ) na podstawie pomiarów przewodnictwa oraz pH roztworów nasyconych
WYKONANIE ĆWICZENIA
Iloczyn rozpuszczalności trudno rozpuszczalnych wodorotlenków wyznaczono dwiema metodami : na podstawie pomiarów przewodnictwa oraz pomiarów pH roztworów nasyconych.
Na początku przygotowano pH - metr, cechując go wg instrukcji znajdującej się przy mierniku, stosując wzorcowe roztwory buforowe o pH 5 i 10. Elektrodę pH – metryczną przed każdym pomiarem dokładnie płukano wodą destylowaną, a następnie suszono bibułą filtracyjną. Z elektrodą konduktometryczną postąpiono dokładnie tak samo, jeśli chodzi o oczyszczenie. Kolejno za pomocą konduktometru wyznaczono przewodnictwo właściwe wody destylowanej stosowanej jako rozpuszczalnik. W dalszym przebiegu ćwiczenia odważono 0,5g wodorotlenku na wadze technicznej, naważkę wsypano do zlewki o objętości 150 cm3, po czym dolano 100 cm3 wody destylowanej. W celu wypłukania zanieczyszczeń mogących znajdować się w wodorotlenku, zlewkę umieszczono na mieszadle magnetycznym na okres 5 min. Po wyłączeniu mieszadła odczekano kilka minut, aby osad uległ sedymentacji, a następnie zdekantowano roztwór znad osadu. Czynności te powtórzono kilkakrotnie, stosując za każdym razem świeżą porcję wody destylowanej. Dobrze wymyty osad wodorotlenku zalano 100 cm3 wody destylowanej, a zlewkę umieszczono na mieszadle magnetycznym na okres 10 min. Po upływie tego czasu mieszadło wyłączono i odczekano jakiś czas, by osad uległ sedymentacji. Do suchej zlewki o objętości 50 cm3 pobrano ostrożnie pipetą 25 cm3 roztworu znad osadu tak, by nie zaciągnąć jego cząstek, po czym zmierzono jego przewodnictwo właściwe oraz pH. Po pobraniu próbki kontynuowano mieszanie zawiesiny. Czynności powtarzano do uzyskania dwóch kolejnych identycznych odczytów przewodnictwa i pH. Przed każdym z dwóch pomiarów elektrody oczyszczano wg procedury opisanej wyżej.
OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW
Obliczenie przewodnictwa właściwego nasyconych roztworów wodorotlenków κ
Przykład obliczeniowy dla Cu(OH)2 w czasie 10 min :
Wzór ogólny : K = KR - Kw
Przewodnictwo właściwe wody wynosi 0,00417 [mS/cm]
K = 0,1051 – 0,00417 = 0,10093 [mS/cm]
Równania reakcji dla równowag ustalających się w układzie między osadem wodorotlenku a roztworem nasyconym
Fe 3+ + 3OH- ↔ Fe(OH)3
Cu 2+ + 2OH- ↔ Cu(OH)2
Obliczenie przewodnictwa granicznego wodorotlenków Λ0 na podstawie prawa Kohlrausha
Wzór ogólny : Λ0 = nλ+0 + mλ−0
Przykład obliczeniowy dla wodorotlenku żelaza (III) :
Fe 3+ + 3OH- Fe(OH)3 ↓
$$\lambda_{+}^{0} = 204\ \lbrack S \frac{\text{cm}^{2}}{\text{mol}}\rbrack$$
$$\lambda_{-}^{0} = 197,8\ \lbrack S \frac{\text{cm}^{2}}{\text{mol}}\rbrack$$
$${\ \Lambda}_{0} = 204 + 3 197,8 = 797,4\ \lbrack S \frac{\text{cm}^{2}}{\text{mol}}\rbrack$$
Obliczenie wartości iloczynu rozpuszczalności wodorotlenków L na podstawie danych termodynamicznych
Wzory ogólne :
ΔGr0=-RTlnL
Gr0 = nGK+ 0 + mGA−0 − GKnAm0
R=8,314 [J/(mol·K)]
T= 298 [K]
Przykład obliczeniowy dla wodorotlenku miedzi (II):
ΔGr0= 65 [kJ/mol] +2·(-157,24) [kJ/mol] -(-356,9) [kJ/mol] = 107,42 [kJ/mol]
$$L = \exp( - \frac{G_{r}^{0}}{\text{RT}})$$
L= exp(-43,36)= 1,47·10-19
Obliczenie stężenia nasyconych roztworów wodorotlenków
Przykład obliczeniowy dla wodorotlenku żelaza (III):
Wzór ogólny : c= К/ ᴧ0
$c = \frac{0,00000013\ S/cm\ }{797,4\ \ S \bullet \text{cm}2/mol} =$5,40∙10-9 [mol/cm3]
Obliczenie iloczynu rozpuszczalności L’
Wzór ogólny : L’= cK+n • cA−m
Przykład obliczeniowy dla Fe(OH)3 :
Fe 3+ + 3OH- ↔ Fe(OH)3
L’= 2,81 •10-9 mol/cm3 ∙ 2,57∙10-9 mol/cm3 = 7,27∙10-18
DYSKUSJA WYNIKÓW
Podczas wykonywanego ćwiczenia należało wykonać szereg obliczeń, m.in. przewodnictwa roztworu nasyconego, przewodnictwa granicznego wodorotlenku, stężenia roztworu nasyconego, czy stężenia jonów OH - . Dodatkowo wyliczono wartości iloczynów rozpuszczalności wodorotlenków L’ i LM(OH)n . Zostały one obliczone na podstawie danych uzyskanych w przeprowadzonym doświadczeniu. Jednak ich wartości różnią się od wyników iloczynów rozpuszczalności obliczonych na podstawie danych termodynamicznych, ponieważ te ostatnie liczono wg aktywności jonów, co z kolei spowodowało otrzymanie dokładnego wyniku. Wartości doświadczalne iloczynów liczono na podstawie stężeń molowych. Wartości L’ obliczono na podstawie pomiarów przewodnictwa. Błędy pomiarowe mogły być w tym przypadku spowodowane np. niedokładnym wymyciem elektrody konduktometrycznej. Z kolei LM(OH)n związany jest z pomiarami pH-metrycznymi. Tutaj nieścisłości mogły pojawić się przy niezbyt dokładnym odczytaniu wartości pH z czytnika pH-metru, ponieważ cyfry dość szybko się zmieniały.
Dzięki danym tablicowym dokonano obliczeń przewodnictwa granicznego wodorotlenków Λ0 na podstawie prawa Kohlrausha. Zgodnie z tym prawem, molowe przewodnictwo graniczne elektrolitu jest równe sumie granicznych przewodnictw molowych jonów wchodzących w skład związku, odpowiednio kationu i anionu.
Z różnicy wartości przewodnictwa właściwego nasyconego roztworu substancji w wodzie oraz wartości przewodnictwa wody stosowanej do sporządzenia roztworów wyliczono wartości przewodnictwa właściwego.
WNIOSKI
na podstawie porównania iloczynów rozpuszczalności wyznaczonych doświadczalnie L’ i LM(OH)n z wartością obliczoną na podstawie danych termodynamicznych L widać znaczne różnice w wynikach, spowodowane np. braniem pod uwagę stężeń molowych
iloczyn rozpuszczalności L’ obliczono na podstawie pomiarów przewodnictwa za pomocą konduktometru
iloczyn rozpuszczalności wodorotlenków LM(OH)n obliczono na podstawie pomiarów pH roztworów nasyconych za pomocą pH-metru