Dr inż. Halina Zasłona 02.12.2014

Grupa D

Laboratorium z

„Separacji i oczyszczania bioproduktów”

KRYSTALIZACJA

Osoby wykonujące sprawozdanie:

Joanna Ratajczyk Nr 191837

Magdalena Ciesielska Nr 193237

Współczłonkowie grupy:

Agata Chmiel Nr 193160

Sylwia Dziadyniak Nr 193284

1. Cel ćwiczenia:

• Wykreślenie krzywych nasycenia i przesycenia dla KH₂PO_{4 ,} c [g/L] = f(T) [K]

• Obliczenie stężenia przesycenia (∆c) i stopnia przesycenia (P) dla KH₂PO₄ na podstawie wyżej wspomnianych krzywych.

• Ocena wpływu: temperatury, mieszania oraz obecności innych substancji rozpuszczonych na szybkość procesu krystalizacji KH₂PO_4.

• Przeprowadzenie krystalizacji z reakcją chemiczną, w celu otrzymania KH₂PO₄.

• Zbadanie wpływu stężenia reagentów na ilość wytworzonego produktu.

• Obliczenie wydajności reakcji na drodze krystalizacji na podstawie pomiarów przewodnictwa jonowego.

1. Przebieg doświadczenia:

1. Wyznaczanie krzywej nasycenia i przesycenia :

• Do kolby wlano 50 ml wody destylowanej i rozpoczęto proces ogrzewania roztworu do temperatury 55°C.

• W trakcie procesu ogrzewania, do kolby dodawano krystaliczną sól KH₂PO₄ , intensywnie przy tym mieszając do momentu, aż sól przestanie się rozpuszczać we wskazanej temperaturze 55°C.

• W kolejnym etapie otrzymany nasycony roztwór soli schłodzono w temperaturze pokojowej, jednocześnie delikatnie mieszając.

• Proces chłodzenia prowadzono aż do spadku temperatury roztworu o 1°C do momentu pojawienia się pierwszych kryształów.

1. Wpływ mieszania, temperatury i obecności innych substancji na szybkość krystalizacji KH2PO4:

• Przygotowany wcześniej przez inną grupę, 100ml nasycony roztwór KH₂PO₄ , rozlano do 4 kolbek w objętościach 25 ml.

• Pierwszą kolbkę ochłodzono w lodówce (do ok. 4°C).

• Drugi roztwór ochłodzono w lodówce (do ok. 4°C) wraz z zarodkami do krystalizacji.

• Trzecią kolbkę wraz z zarodkami krystalizacyjnymi, pozostawiono w temperaturze pokojowej.

• Czwarty roztwór wykorzystano do wysalania za pomocą alkoholu etylowego.

• Obserwację roztworów prowadzono w czasie 30-60 min.

• W ostatnim kroku przygotowano nasycony roztwór KH₂PO₄ dla kolejnej grupy.

1. Krystalizacji z reakcją chemiczną, w celu otrzymania KH₂PO₄ :

H₃PO₄ + KOH KH₂PO₄ + H₂0

• Przed zapoczątkowaniem reakcji przygotowano lodową łaźnie wodną.

• W kolejnym kroku przygotowano roztwór o stężeniu 2,0 [mol/dm³] poprzez zmieszanie 8ml wody, 16ml roztworu zasady (KOH) i 16 ml roztworu kwasu (H₃PO₄).

• Otrzymany roztwór wstawiono do lodówki.

• Po upływie 30 minut obserwowano czy pojawiły się pierwsze kryształy.

• Następnie co kilkanaście minut obserwowano tworzenie się kryształów.

• Po 2,5-3 h roztwór wyjęto z lodówki i pozostawiono w temperaturze pokojowej.

• Odlano 5 ml roztworu znad kryształów do probówki i inkubowano w łaźni wodnej o temperaturze pokojowej.

• Po osiągnięciu temperatury otoczenia zmierzono przewodnictwo jonowe roztworu nad kryształami i wyznaczono stężenie soli w roztworze.

1. Uzyskane wyniki :

Tabela 1

Nr grupy	C [g/L]	T nasycenia [K]	T przesycenia [K]	ΔC [g/L]	P
1	351,70	314	308	49,91	1,14
2	374,40	321	317	68,08	1,17
3	466,00	328	318	86,25	1,19
4	524,20	339	327	114,81	1,22
T pokojowa	250,80	296	-	3,18	1,01

Tabela 2

C [g/L]	σ [mS/cm]	Cs [g/L]	CK [g/L]	W [%]
1,80	72,80	1,02	0,78	43,33
2,00	74,70	1,05	0,95	47,50
2,20	79,70	1,12	1,08	49,09
2,40	80,10	1,12	1,28	53,33

Wykres 1. Wykres przedstawia wykreślone na podstawie wyników krzywe: nasycenia i przesycenia.

1. Przykładowe obliczenia:

1. Obliczenia na podstawie równań krzywych nasycenia i wysycenia:

1. Obliczenia stężenia przesycenia ∆C:

$$C = \left( C - C_{n} \right)_{T} = \left( \left( 9,1223 \bullet 328 - 2450,6 \right) - (6,5261 \bullet 328 - 1685,3) \right)_{328} = 86,25\ \lbrack\frac{g}{L}\rbrack$$

C – stężenie przesycenia w danej temperaturze (T)

Cn – stężenie nasycenia w tej samej temperaturze (T)

1. Obliczenia stopnia przesycenia P:

$$P = \left( \frac{C}{C_{n}} \right)_{T} = \left( \frac{(9,1223 \bullet 328 - 2450,6)}{(6,5261 \bullet 328 - 1685,3)} \right)_{328} = 1,19$$

1. Obliczenia dla krystalizacji z reakcją chemiczną:

1. Obliczenia stężenia soli na podstawie wykresu zależności stężenia soli od przewodnictwa jonowego dla niskostężonych roztworów:

$$Cs = 0,0142 \bullet \sigma - 0,0155 = 0,0142 \bullet 72,80 - 0,0155 = 1,02\ \lbrack\frac{g}{L}\rbrack$$

1. Obliczenia wydajności reakcji na drodze krystalizacji na podstawie pomiarów przewodnictwa jonowego:

$$\text{\ \ }C_{K} = C_{0} - C_{s} = 1,80 - 1,02 = 0,78\ \lbrack\frac{g}{L}\rbrack$$

$$W = \frac{\text{Ck}}{C_{p}} \bullet 100\% = \frac{0,78}{1,80} \bullet 100\% = 43,3\%$$

5. Wnioski:

Wyznaczenie krzywej nasycenia oraz krzywej przesycenia dla KH₂PO₄ stanowiło jedno z głównych zadań. W wyniku przeprowadzonego doświadczenia udało się uzyskać zależność stężenia roztworu od temperatury, co zostało przedstawione na wykresie 1. Ze względu na duże odchylenie, wyniki dla punktu odpowiadającemu stężeniu 374,4 zostały pominięte przy wyznaczaniu krzywych. Otrzymane na podstawie krzywych, równania funkcji liniowych posłużyły do wyznaczenia przesycenia (ΔC) oraz stopienia przesycenia P dla każdego z zadanych stężeń. W oparciu o uzyskane wyniki, które zestawione zostały w tabeli 1, można zauważyć pewną zależność pomiędzy temperaturą a przesyceniem, wraz ze spadkiem temperatury wzrastało przesycenie oraz stopień przesycenia. Jak wiadomo z literatury ochłodzenie roztworu nasyconego pozwala osiągnąć przesycenie, które stanowi siłę napędową procesu krystalizacji. Przesycenie zależy nie tylko od właściwości substancji rozpuszczanej jak i właściwości rozpuszczalnika, ale również od czynników zewnętrznych takich jak temperatura czy też intensywność mieszania oraz obecności dodatkowych substancji.

Zbadanie wpływu czynników zewnętrznych stanowiło kolejne z zadań. Testowi poddano cztery kolbki z 25 ml nasyconego roztworu i badano je w różnych warunkach środowiska. Głównym zadaniem obserwatorów była ocena szybkości, jakości oraz ilości powstających kryształów. W przypadku roztworu ochładzanego w temperaturze 4°C, ilość oraz rozmiar powstających kryształów była niewielka, jednak obecne kryształy charakteryzowały się dobrą jakością i długim czasem krystalizacji. Kolejny ochładzany roztwór w temperaturze 4°C, ale z dodatkiem zarodka krystalizacyjnego, charakteryzował się podobnie jak roztwór poprzedni długim okresem krystalizacji, ale za to bardzo dobrą jakością kryształów o większych rozmiarach. Bardzo mało wydajnym procesem okazała się krystalizacja w temperaturze pokojowej w obecności zarodka krystalizacyjnego. Obecność kryształów po czasie 2h była niezauważalna. Duże odstępstwo w wynikach badanych czynników stanowiła metoda wysalania przy użyciu alkoholu etylowego. Kryształy w przeciwieństwie do innych metod, powstawały bardzo szybko, po upływie kilku sekund, ich ilość była ogromna, ale jakość mało zadawalająca.

Ostatnie z zadań stanowiła krystalizacja z reakcją chemiczną w celu otrzymania KH₂PO_4. Reakcja chemiczna podobnie jak inne wcześniej wymienione czynniki stanowi siłę napędową procesu krystalizacji. W wyniku przeprowadzonego doświadczenia udało się wyznaczyć przewodnictwo jonowe, podczas badania roztworu nasyconego znajdującego się nad powierzchnią kryształów w kolbie. W oparciu o zbadane przewodnictwo jonowe, wyznaczono stężenie soli (Cs) w roztworze nasyconym oraz stężenie kryształów (Ck), które zostały zestawione w tabeli 2. Wartości stężenia soli w roztworze powinny być takie same dla wszystkich zadanych stężeń, ostatecznie jednak różnią się o 0,1 M. Przyczyną tak niewielkiego błędu mogą być błędy związane z pomiarem i przygotowaniem roztworów. Różnicą pomiędzy badanymi roztworami była m.in. ilość kryształów, im większe stężenie początkowe roztworu, tym więcej kryształów powinno pojawić się w roztworze. Uzyskane wydajności procesu krystalizacji mieszczą się w przedziale od 43-53%.