Metalurgia III rok Wykonanie ćwiczenia:
16.11.2010

Zespół nr 6

Ćwiczenie nr 1:

Kinetyka roztwarzania miedzi metalicznej w roztworach amoniakalnych

Maciej Karbowniczak

1. Wstęp teoretyczny

Procesy roztwarzania metali w roztworach kwasów nieutleniających lub w elektrolitach alkalicznych zawierających składniki kompleksotwórcze stanowią podstawę wielu procesów hydrometalurgicznych. Np. ługowanie złomu metalicznego, pyłów i szlamów. Roztwarzanie metalu jest procesem elektrochemicznym, podczas którego następuje przeniesienie ładunku przez granicę faz metal- elektrolit. Podczas samorzutnego roztwarzania metali szybkość reakcji anodowej jest równa szybkości reakcji katodowej. Wiele metali roztwarza się w roztworach amoniaku zawierających dodatek soli amonowych. Przewidywanie czy w danych warunkach metal będzie roztwarzać się sposób samorzutny czy też będzie wykazywać oporność na działanie roztworu jest możliwe w oparciu o diagramy E-pH. Szybkością reakcji określa się zmianę szybkości reagenta w jednostce czasu. Etapem decydującym o szybkości reakcji jest etap najwolniejszy. W układach wielofazowych szybkość reakcji zależy w znacznym stopniu od wielkości powierzchni wielofazowej. Jeśli etap dyfuzji nie powoduje zahamowania reakcji, wówczas szybkość procesu jest proporcjonalna do wielkości rozdziału faz. Zwykle powierzchnia reakcji nie jest równa powierzchni geometrycznej ciała stałego – próbki proszkowe lub porowate charakteryzują się silnym rozwinięciem powierzchni.

1. Cel ćwiczenia

Określenie kinetyki roztwarzani miedzi metalicznej w nasyconych powietrzem roztworach amoniakalno-węglanowych zawierających różne ilości jonów Cu²⁺

1. Wykonanie ćwiczenia

Płytki miedziane oczyszczono dokładnie papierem ściernym, opłukano wodą destylowaną, alkoholem i wysuszono w strumieniu ciepłego powietrza. Następnie płytki zważono na wadze analitycznej i wyznaczono ich wymiary. Wyniki zanotowano w tabeli. Do czterech zlewek wlano po 250 cm3 roztworów amoniakalno-węglanowych zawierających różne ilości jonów miedzi Cu2+ odpowiednio 2, 5, 7 oraz 10 g/dm3 . W każdym z roztworów umieszczono po trzy blaszki miedziane w tym samym czasie na okres 10 min. Po zakończeniu pomiaru płytki wyjęto z roztworów, opłukano wodą destylowaną, alkoholem oraz wysuszono w strumieniu ciepłego powietrza. Następnie płytki zważono i zanotowano wyniki pomiarów. Pomiary powtórzono również dla czasu 20 oraz 30 minut.

1. Wyniki pomiarów

Tabela nr 1

Stężenie Cu2+ cCu2+ [g*dm^3]	Czas trwania pomiaru [min]	Masa płytki [g]
		próbka 1
		m1p
2	10	3,4464
	20	3,4269
	30	3,4039
5	10	3,5268
	20	3,4898
	30	3,4345
7	10	4,0317
	20	3,9854
	30	3,9167
10	10	4,2347
	20	4,1644
	30	4,0670

1. Opracowanie wyników i wykresy

Przykłady obliczeniowe dla próbki 1 dla stężenia cCu²⁺ = 2 g*dm³

• Zmiana masy:

Δm₁ = m_1p - m_1k =3,4464 - 3,4269 = 0,0195 g (pozostałe wyniki zanotowano w Tabeli nr 1)

• Pole powierzchni reakcji:

S₁ = 3,42*5,54 = 18,94 cm² (pozostałe wyniki zanotowano w Tabeli nr 2)

• Ubytek masy jednostkowej powierzchni:

Δm₁/ S₁= 0,0195/18,94 = 0,0010 g/cm²

(pozostałe wyniki zanotowano w Tabeli nr 2)

• Średnia wartość ubytku masy jednostkowej powierzchni:

∆m/S_{śr = (} Δm₁/ S₁ +∆m₂/S₂ +∆m₃/S₃ ) / 3 = (0,0010 + 0,0010 + 0,0011) / 3 = 0,0010 g/cm²

(pozostałe wyniki zanotowano w Tabeli nr 2)

• Szybkość roztwarzania miedzi:

V_Cu= (∆m/S_śr) / t = 0,0010 / 10 = 0,00010 g/cm²*min

(pozostałe wyniki zanotowano w Tabeli nr 2)

Tabela nr 2

Pole powierzchni [cm^2]	Ubytek masy z jednostkowej powierzchni [g/cm^2]	Stężenie Cu^2+ cCu^2+ [g*dm^3]	Czas trwania pomiaru [min]	Szybkość roztwarzania miedzi VCu [g/cm^2*min]
S1	S2	S3	Δm1/S1	Δm2/S2
18,94	20,88	20,57	0,0010	0,0010
			0,0012	0,0015
			0,0013	0,0012
19,65	20,25	19,69	0,0019	0,0020
			0,0028	0,0032
			0,0037	0,0041
20,37	21,77	20,27	0,0023	0,0027
			0,0034	0,0039
			0,0038	0,0044
19,46	19,90	18,99	0,0036	0,0038
			0,0050	0,0050
			0,0073	0,0064

Wykres numer 1

Na wykresie numer 1 wyznaczone zostały wzory funkcji prostującej dla punktów zaznaczonych na wykresie. W efekcie tego działania odczytaliśmy graficznie współczynniki kierunkowe prostej V_Cu = k*c i przedstawiono je w Tabeli 3

Obliczenie stałej szybkości reakcji k roztwarzania miedzi względem stężenia jonów Cu²⁺ :

• Odczytano wartość log k z wykresu i tak dla stężenia jonów 2 g/dm³ wartość ta wynosi 0,00096;

• Następnie obliczono wartość k zgodnie ze wzorem:

LOG (a) =b => a = 10^b

LOG (k)=0,00096 => k = 10^0,00096 = 1,0022

Pozostałe współczynniki k dla innych stężeń jonów miedzi zostały obliczone w ten sam sposób i przedstawiono je w Tabeli numer 3

Tabela numer 3

Stężenie jonów Cu^2+ cCu^2+ [g/dm^3]	Szybkość roztwarzania miedzi VCu=kc [g/cm^2*min]	log k	k	log VCu	log cCu^2+
2	0,00001	0,00096	1,0022	-5,00000	0,30103
5	0,00009	0,00104	1,0024	-4,04576	0,69897
7	0,00007	0,00209	1,0048	-4,15490	0,84510
10	0,00013	0,00241	1,0055	-3,88606	1,00000

Wykres numer 2

Wykres numer 3

Obliczono wartości log V_Cu oraz log c_Cu2+ i przedstawiono je w Tabeli numer 3, a następnie sporządzono wykres numer 3. Na podstawie Wykresu numer 3 można wyznaczyć rząd reakcji r i stałą szybkości k:

• Rząd reakcji r został odczytany z wykresu jako współczynnik kierunkowy prostej;

• Stała szybkości k została obliczona tak jak w poprzednich przypadkach.

Wyniki zostały przedstawione w Tabeli numer 4

Tabela numer 4

log k =	-5,3871
k =	0,0000041
r =	1,5682

1. Dyskusja wyników

Z wykresu numer 1 możemy odczytać, że zależność ubytku masy z jednostkowej powierzchni od czasu powinna być funkcją prostoliniową i rosnącą. Do pokazania tego na wykresie użyto liniowej regresji, ponieważ punkty obciążone są błędami pomiarowymi, związanymi z różnymi czynnikami. Mógł to być czas, którego dokładność była zdeterminowana przez urządzenie mierzące, lub dokładność wagi pomiarowej do 4 miejsca po przecinku, lub czynniki ludzkiego błędu. Możliwości do pomyłek oraz ograniczeń jest dosyć sporo, dlatego podane wyniki są obarczone błędem, który należy brać pod uwagę przy analizie wyników. Na podstawie wykresu numer 1 wywnioskowano również, że ubytek masy zależy od czasu. Im dłużej trwa proces tym następuje większy ubytek masy. Stwierdzono również, że ubytek masy również zależy od stężenia jonów miedzi Cu²⁺ w roztworze. Im więcej jonów miedzi tym proces przebiega szybciej.

Na wykresie numer 2 czyli, zależności szybkości roztwarzania miedzi od stężenia początkowego jonów miedzi można zaobserwować, że wraz ze wzrostem stężenia jonów w roztworze rośnie szybkość roztwarzania się miedzi metalicznej. Największy wzrost szybkości miał miejsce pomiędzy wartościami 7 a 10 g/dm³ stężenia jonów Cu²⁺ . Pomiędzy stężeniami 5 a 7 g/dm³ jonów miedzi Cu²⁺ możemy zaobserwować lekki spadek co może być spowodowane np. błędami pomiarowymi. Podczas roztwarzania miedzi obecność jonów miedzi w roztworze przyspiesza zajście reakcji. Można wysunąć wniosek, że jest to reakcja autokatalityczna. Na wykresie numer 3 można odczytać, że zależność jest rosnąca i prostoliniowa dla danych parametrów. Wyznaczamy ją za pomocą regresji liniowej z powodów jakie zostały opisane przy omawianiu wykresu numer 1.

7.Wnioski

1. Ubytek masy zależy od czasu.

2. Im dłuższy czas tym większy ubytek masy.

3. Szybkość roztwarzania zależy od stężenia jonów Cu²⁺.

4. Rząd reakcji wynosi r=1,5682, a stała reakcji k=4,1 × 10^-6