Wydział: Metale Nieżelazne	Data wykonania ćwiczenia: 4.03.16
KIERUNEK: Metalurgia	NR ĆWICZENIA: 2
TYTUŁ ĆWICZENIA: Kinetyka reakcji w układzie: faza stała – faza ciekła. Faza stała występuje w postaci ziaren o kształcie zbliżonym do kulistego
Zespół nr 2 Monika Plucik	Data oddania sprawozdania: 17.03.16
	Data oddania sprawozdania do poprawy: 1.06.16

1. Wstęp teoretyczny

Ługowanie to proces rozpuszczania się fazy stałej w fazie ciekłej. Warunkiem przebiegu reakcji w układzie faza stała- faza ciekła jest transport reagentów do powierzchni fazy stałej. Dlatego też o szybkości procesu będą decydować
w dużej mierze czynniki odpowiedzialne za regulację szybkości transportu masy pomiędzy fazą rozpuszczaną, a roztworem. Do najważniejszych z tych czynników należą:

- szybkość transportu substratów do powierzchni reakcji;

- szybkość transportu produktów rozpuszczonych w głąb roztworu;

- wielkość powierzchni fazy stałej (w przypadku stosowania ziaren kulistych wielkość powierzchni fazy stałej podczas procesu zmienia się).

O całkowitej szybkości reakcji decyduje najwolniejszy etap reakcji. Jeżeli najwolniejszym etapem reakcji jest transport reagentów do granicy faz, wówczas mówimy, że proces zachodzi w obszarze dyfuzyjnym. W tym przypadku można zaobserwować wyraźną zależność szybkości reakcji od sposobu i intensywności mieszania roztworu. Zwiększanie intensywności mieszania roztworu wpływa na zmniejszanie grubości warstwy dyfuzyjnej przy powierzchni fazy stałej, a co za tym idzie na zwiększenie szybkości transportu reagentów
i wzrostu szybkości przebiegu reakcji. Jeśli natomiast szybkość ługowania nie zależy od szybkości mieszania, wówczas etapem powolnym procesu jest reakcja chemiczna biegnąca na powierzchni ciała stałego, czyli zachodząca w obszarze kinetycznym.

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest określenie kinetyki ługowania miedzi ze stopu Cu-Pb-Fe w postaci kulistych ziaren w nasyconym powietrzem roztworze amoniakalnym zawierającym jony Cu ²⁺.

1. Wykonanie ćwiczenia

Przed przystąpieniem do ługowania oznaczono początkowe stężenie jonów Cu²⁺ w elektrolicie: do kolbki stożkowej pobrano około 5cm³ roztworu ługującego, następnie próbkę zobojętniono 2M roztworem kwasu octowego aż do zmiany zabarwienia z granatowego na zielonkawoniebieskie, dodano 1 cm³ stężonego kwasu octowego, dodano 3-4 krople 0,1% alkoholowego roztworu PAN i miareczkowano roztworem EDTA aż do zmiany zabarwienia roztworu z czerwonego (malinowego) na żółtawozielony. Po zanotowaniu objętości roztworu miareczkującego przystąpiono do przygotowywania naważki ługowanego stopu. Odważone 10 g badanego stopu umieszczono w ługowniku, dodano 150 cm³ roztworu ługującego, zamontowano pokrywę i uruchomiono mieszanie z prędkością 130 obrotów na minutę. Z ługownika pobierano próbki w równych 20 minutowych odstępach czasu w ilości 5 cm³ w celu określenia stężenia jonów miedzi. Pobrane próbki poddano miareczkowaniu według podanego wcześniej opisu.

1. Opracowanie wyników pomiarów

Stężenie jonów miedzi- przykładowe obliczenia :

$$c = \frac{0,1*4,4*63,5}{5} = 5,588\ \lbrack\frac{g}{\text{dm}^{3}}\rbrack$$

Masa miedzi roztworzonej ze stopu- przykładowe obliczenia :

$$m = \frac{9,144*150 - 6,92*5,588}{1000} = 0,0476\lbrack g\rbrack$$

Początkowa masa miedzi w stopie:

m_Cu, 0 = m_s • %_Cu = 10g • 80%=8g

Stopień wyługowania miedzi ze stopu:

$$\alpha = \frac{m}{m_{Cu,0}} = \frac{0,5331}{8} \approx 0,067$$

Czas trwan ia pomiaru t [min]	objętość EDTA VEDTA [cm^3]	stężenie Cu^2+ w roztworze ługującym c, [g/dm^3]	objętość roztworu ługującego Vr [cm^3]	masa miedzi wyługowanej ze stopu m [g]	stopień wyługowania α	(1-α)	(1-α)^1/3	1-(1-α)^1/3	(1-α)^-2/3	1-(1-α)^-2/3
0	4,4	5,588	150	0	0	1	1	0	1	0
30	7,2	9,144	150	0,5331	0,066638	0,933363	0,977275	0,022725	1,047048	-0,04705
60	9,8	12,446	145	0,96617	0,120771	0,879229	0,958004	0,041996	1,089596	-0,043
90	12,7	16,129	140	1,41956	0,177445	0,822555	0,936961	0,063039	1,139086	-0,0548
120	15,8	20,066	135	1,87041	0,233801	0,766199	0,915055	0,084945	1,194279	-0,1228
150	20,5	26,035	130	2,54605	0,318256	0,681744	0,880117	0,119883	1,290979	-0,1854
180	26,4	33,528	125	3,3525	0,419063	0,580938	0,834404	0,165596	1,436306	-0,2646

Tab. 1 Zestawienie wyników pomiarowych i obliczeniowych.

Wyk. 1 Zależność masy wyługowanej miedzi od czasu trwania procesu ługowania

Wyk. 2 Zależność stopnia wyługowania miedzi od czasu trwania procesu ługowania.

Wyk. 3 Zależność 1 -(1- ɑ )^1/3 od czasu trwania procesu ługowania.

Wyk. 4 Zależność 1 -(1-ɑ )^-2/3 od czasu trwania procesu ługowania

Ze względu na fakt, że zależność 1 -(1- ɑ )^1/3 = f(t) wykazuje większą liniowość niż zależność 1-(1- ɑ )-^2/3 = f(t) , równanie 1-(1-a)^1/3=k₁t jest bardziej stosowalne do opisu kinetyki badanego procesu.

k₁ = tgα

k₁ = 8, 74 * 10⁻⁴

1. Dyskusja wyników

   Wraz z postępującym czasem ługowania zwiększa się stężenie jonów w miedzi w roztworze. Miedź zawarta w stopie roztwarza się- przechodzi do roztworu w postaci jonów kompleksowych miedzi jednowartościowej , które są szybko utlenianie tlenem rozpuszczonym w elektrolicie. Roztwór nie ,,wzbogaca się” w inne składniki stopu, gdyż żelazo wytrąca się w reakcji wtórnej jako wodorotlenek, a ołów nie ulega roztwarzaniu.

   Na wykresie zmiany masy wyługowanej miedzi od czasu widać małą zmianę szybkości wyługowania dla ostatnich trzech pomiarów. Może to być związane z powierzchnią międzyfazową, która jest zmienna w procesie ługowania stopu o kształcie kulistym. Ługowane ziarna stopu zmniejszają się, to też zmniejsza się powierzchnia międzyfazowa i szybkość ługowania maleje.

   Z równania kinetycznego opisującego zależność stopnia wyługowania w funkcji czasu możliwe było wyznaczenie stałej szybkości reakcji k w sposób graficzny, jako współczynnika kierunkowego prostej w układzie 1-(1-a)^1/3=k₁t . Dla tego równania otrzymano zależność liniową, dlatego wyznaczono wartość k₁, która wyniosła 0,000873872.

2. Wnioski

• Wraz z upływem czasu stężenie jonów miedzi zwiększało się, a co za tym idzie wzrastał stopień wyługowania miedzi.

• Miedź i jej związki dobre rozpuszczają się w roztworach amoniakalnych tworząc rozpuszczalne związki kompleksowe- węglany tetraaminomiedziowe (I) i (II).

• Reakcja roztwarzania miedzi jest przyspieszana kataliczne przez związki miedzi (I).

• Dzięki modelom kinetycznym możliwe jest wyznaczenie stałej szybkości reakcji metodą graficzną.

1. Literatura

   - Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego- Kinetyka reakcji w układzie: faza stała – faza ciekła. Faza stała występuje w postaci ziaren o kształcie zbliżonym do kulistego

   -Joanna Willner, Małgorzata Pacholewska; ,,Wprowadzenie do hydrometalurgii i biometalurgii metali nieżelaznych”.