Wydział: WMN	Imię i nazwisko: Bartosz Jakimko Justyna Juszkiewicz Karol Krukowski Damian Krupiński	Rok: III	Grupa: 3 lab
Laboratorium Procesów Metalurgii Ekstrakcyjnej II	Temat: Dehydratacja NiSO4	Nr ćwiczenia: 5
Data wykonania: 04.12.15	Data oddania: 18.01.16	Zwrot do poprawy:	Data oddania:

1. Wstęp teoretyczny

Znanych jest ogólnie 39 minerałów zawierających nikiel. Rudy niklu dzielimy na krzemianowe, siarczkowe i arsenowe.

- Krzemianowe (utlenione) rudy niklu - występują w nich najczęściej uwodnione krzemiany niklu i innych metali( Mg, Al, Ca) o niestałym składzie. Najważniejszymi minerałami są garnieryt (Ni,Mg)3Si2O5(OH)4 pimelit (Ni, Mg, Ca, Al) SiO2 * H2O i szuchardyt, zawierający ponadto FeO. Występują niewielkie ilości kobaltu, ale brak jest za to domieszek metali szlachetnych. Zwartość Ni w tych złożach waha się od 0.3 do 6%). Duże złoża znajdują się na Uralu, Indonezji, Kubie, Nowej Kaledonii, w USA Brazylii oraz Wenezueli. W Polsce występują one na terenie Szklar Ząbkowickich, ponadto w Europie w Rumunii czy Grecji.

- Siarczkowe rudy niklu - stanowią największą część złóż Ni. Najważniejszym minerałem tych złóż jest siarczek niklowo-żelazowy (Ni,Fe)S zwany pentlandytem, rzadziej występuje także mileryt(NiS). Rudy siarczkowe niklu niemal zawsze zawierają miedź, z reguły w postaci chalkopirytu (CuFeS2), ale oprócz niej występuje także kobalt lub platynowce, a nawet Au i Ag. Zawartość niklu w tych rudach wynosi od ok.0,3 do 4,5% Ni, a także dość dużo Cu (2,4%Cu). Najwięcej tego rodzaju złóż niklu występuje w Kanadzie i Rosji, a w Europie w mniejszych ilościach w Skandynawii.

-Arsenkowe rudy niklu - niewielkie zasoby występujące w Iranie, Francji czy Kanadzie, ubogie w nikiel. Minerały to chloanit i niekielin (NiAs).

Zastosowanie niklu

Nikiel stosowany jest przede wszystkim jako dodatek stopowy do stali specjalnych – kwasoodpornych, nierdzewnych i żaroodpornych, z których wykonuje się aparaturę chemiczną, opancerzenia do statków, łopatki do turbin itp. Czysty nikiel i jego stop z miedzią służą do wyrobu monet, oporów elektrycznych, narzędzi chirurgicznych. Nikiel używany jest również do sporządzania powłok ochronnych na innych metalach (niklowanie). W postaci rozdrobnionej nikiel stosowany jest jako katalizator, szczególnie reakcji uwodorowania związków organicznych ( między innymi w produkcji margaryny). Wodorotlenek niklowy stosowany jest jako anoda w akumulatorach Edisona. Siarczan niklawy jest katalizatorem wielu syntez organicznych.

2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z procesem dehydratacji NiSO₄ * 7H₂O

3. Metodyka pomiaru

Ustawiliśmy wagę w tryb ważenia chwilowego (STAB1). Następnie wytarowaliśmy wagę, załadowaliśmy tygielek około 100-200mg siedmiowodnego siarczanu niklu, opuściliśmy wagę do pieca i poczekaliśmy aż do ustabilizowania pomiaru. Uruchomiliśmy program waga, pomiar, piec oraz rejestrację temperatury. Prowadziliśmy pomiary napięcia. Po zakończonym procesie zapisaliśmy wyniki z programu. Stosowaliśmy termoparę Platyna-Rad(10%). Temperatura wzrastała o 10^oC na minutę aż do osiągnięcia 600^oC. Termopara nie posiadała kompensacji zimnych końców przez co do wyników temperatury musieliśmy dodać temperaturę otoczenia około 20,4^oC.

4. Obliczenia

Tabela 1. Masy próbek i zawartość procentowa.

Lp.	Związek	Masa próbki [g]	Masa próbki [%]
1	NiSO4 • 7H2O	0,198	100,00
2	NiSO4 • 6H2O	0,185	96,97
3	NiSO4 • 5H2O	0,172	86,87
4	NiSO4 • 4H2O	0,159	80,30
5	NiSO4 • 3H2O	0,146	73,74
6	NiSO4 • 2H2O	0,133	67,17
7	NiSO4 • H2O	0,120	60,61
8	NiSO4	0,105	53,03

m₁ = 0, 070 g  −  zmiana masy w pierwszym etapie procesu

m₂ = 0, 015 g −  zmiana masy w drugim etapie procesu

m_c = 0, 085 g − calkowita zmiana masy probki 

m_p = 0, 198 g − poczatkowa masy probki 

m_k = 0, 113 g − koncowa masy probki 

Wykres 1. Zależność masy od temperatury

Masy molowe:

H₂O – 18,015 $\frac{g}{\text{mol}}$

NiSO₄ – 154,76 $\frac{g}{\text{mol}}$

NiSO₄ • 7H₂O – 280,863 $\frac{g}{\text{mol}}$

Masa badanego NiSO₄ po ukończeniu badania: 0,105 g.

Obliczenie ile moli wody znajduje się w badanym siarczanie niklu :

$$\frac{280,863g}{0,198g} \times \frac{126,105g}{mH_{2}0}$$

mH₂0 = 0, 089g − ilosc wody w badanej probce

Liczba moli wody jaka ubyła w pierwszym etapie dehydratacji – n H₂0(1)

$$\frac{0,089g}{0,070} \times \frac{7moli}{n\ H_{2}0(1)}$$

n H₂0(1)=5, 506 mola 

Liczba moli wody jaka ubyła w drugim etapie dehydratacji – n H₂0(2):

$$\frac{0,089g}{0,015} \times \frac{7moli}{n\ H_{2}0(2)}$$

n H₂0(2)=1, 180 mola 

Całkowita ilość moli wody odparowanej:

n H₂0(1)+n H₂0(2)=n H₂0(calkowite)

5,506+1,180=6,686≈6,67 moli

5. Obliczenia entalpii

Tabela 2. Zmiana entalpii swobodnej dla reakcji NiSO₄ = NiO + SO₃

Temperatura [K]	H[kcal]	$$\mathbf{S}\left\lbrack \frac{\mathbf{\text{cal}}}{\mathbf{k}} \right\rbrack$$	G[kcal]
800	55,655	44,307	20,209
900	55,243	43,822	15,803
1000	54,776	43,331	11,445
1100	54,253	42,833	7,137
1200	53,671	42,327	2,879
1300	53,028	41,813	-1,328
1400	52,325	41,292	-5,484
1500	51,56	40,764	-9,586

Temperatura inwersji NiSO₄ : $\frac{H_{0}sr}{S_{0}sr} = \ \frac{53813,88}{42,561} = 1264,39\ K$

Wykres 2.

Wykres 3. Zależności energii swobodnej od temperatury

Tabela 3. Zmiana entalpii swobodnej dla reakcji $\text{SO}_{3} = \text{SO}_{2} + \frac{1}{2}O_{2}$

Temperatura [K]	H[kcal]	$$\mathbf{S}\left\lbrack \frac{\mathbf{\text{cal}}}{\mathbf{k}} \right\rbrack$$	G[kcal]
800	23,503	22,329	5,64
900	23,407	22,216	3,413
1000	23,305	22,108	1,196
1100	23,198	22,007	-1,009
1200	23,089	21,912	-3,205
1300	22,978	21,823	-5,392
1400	22,866	21,74	-7,57
1500	22,754	21,663	-9,74

Temperatura inwersji: $\frac{H_{0}sr}{S_{0}sr} = \ \frac{23137,5}{21,975} = 1052,90\ K$

Wykres 4.

Wykres 5. Zależności energii swobodnej od temperatury

Wykres 6. ΔS=𝑓(𝑇) dla obu reakcji.

Wykres 7. Zależności energii swobodnej od temperatury

Wnioski

Celem naszego ćwiczenia było zapoznanie się z procesem dehydratacji, czyli odwodnieniem. Na podstawie wykonanych obliczeń i wykresów możemy stwierdzić, że:

-nie cała woda z próbki siedmiowodnego siarczanu niklu została usunięta, mogło być to spowodowane niedokończonym procesem dehydratacji;

-spadek entalpii swobodnej poniżej zera świadczy ,że dopiero w okolicach tych temperatur dane reakcje przebiegają samorzutnie, natomiast przy entalpii swobodnej wyższej od zera reakcje przebiegają w drugą stronę;

-zależności entalpi swobodnej od temperatury procesu NiSO₄ = NiO + SO₃ na początku jest endoenergetyczny, a wraz ze wzrostem temperatury staje się coraz bardziej samorzutny;

-w punkcie temperatury inwersji następuje zmiana kierunku postępu reakcji, co oznacza, że po tym punkcie reakcja przebiega samorzutnie. Dla reakcji NiSO₄ = NiO + SO₃ jest to temperatura 1264, 39 K, a dla reakcji $\text{SO}_{3} = \text{SO}_{2} + \frac{1}{2}O_{2}$ temperatura ta ma wartość 1052, 90 K.