METALE NIEŻELAZNE 15/12/2009

Grupa 1

Nr zespołu 5

Ćwiczenie nr 1

Temat:

Kinetyka roztwarzania miedzi metalicznej w roztworach amoniakalnych.

Kamil Kwaśniewski

1 Wstęp teoretyczny:

Procesy roztwarzania metali w roztworach kwasów nieutleniających (np. HCl, H₂SO₄) lub w elektrolitach alkalicznych zawierających składniki kompleksotwórcze (np. roztwory cyjanków metali alkalicznych) stanowią podstawę wielu procesów hydrometalurgicznych. Należą do nich m.in: ługowanie złomu metalicznego, pyłów i szlamów; ługowanie metali szlachetnych (Ag, Au) występujących w rudach w postaci rodzimej; roztwarzanie stopów metali w niektórych operacjach związanych z przetwórstwem metali.

Przewidywanie czy w danych warunkach metal będzie roztwarzać się w sposób samorzutny czy będzie wykazywać odporność na działanie roztworu jest możliwe w oparciu o diagramy E-pH (diagramy Pourbaix). Umożliwiają one określenie kierunku reakcji, jednak nie podają informacji na temat szybkości rozpatrywanego procesu.

Szybkością reakcji określa się zmianę stężenia reagenta w jednostce czasu. Etapem decydującym o szybkości reakcji jest etap najwolniejszy. Jeśli w danych warunkach temperatury, ciśnienia i stężenia reagentów najwolniejszym etapem jest transport dyfuzyjny (do lub od powierzchni reakcji) wówczas mówi się o kontroli dyfuzyjnej procesu. W przypadku, gdy etapem najwolniejszym jest reakcja chemiczna, wówczas mówimy o kontroli kinetycznej. W układach wielofazowych szybkość reakcji zależy w znacznym stopniu od wielkości powierzchni międzyfazowej.

2.Cel i wykonanie:

Celem ćwiczenie było określenie kinetyki roztwarzanie miedzi metalicznej w nasyconych powietrzem roztworach amoniakalno-węglanowych zawierających różne ilości jonów Cu²⁺.

12 płytek miedzianych oczyszczono papierem ściernym, przemyto wodą, alkoholem, następnie wysuszono w strumieniu ciepłego powietrza, zważono wyznaczono wymiary za pomocą suwmiarki. Następnie do czterech zlewek wlano po 250cm³ roztworów amoniakalno-węglanowych zawierających różne ilości jonów Cu²⁺ (odpowiednio do każdej zlewki: 2, 5, 7 i 10 g/dm³). W każdym z roztworów umieszczono jednocześnie po 3 płytki miedziane na okres 10min. Po zakończeniu pomiaru płytki wyjęto z roztworów, opłukano wodą i alkoholem, następnie wysuszono i ponownie zważono. Pomiary w ten sam sposób przeprowadzono dla następnie dla czasów 20min, 30min

3. Przykładowe obliczenia:

Obliczenie różnicy mas płytek:

Δm₁ = m_1p-m_1k = 7,6571-7,6381 = 0,019 [g]

Gdzie: m_1p - masa płytki przed włożeniem do roztworu,

m_1k - masa płytki po wyciągnięciu z roztworu

Δm₁ - różnica mas płytek przed włożeniem do roztworu I po wyjęciu ich.

Pozostałe obliczenia w ten sam sposób , analogicznie

Obliczenie pola powierzchni płytek:

S₁ = 4*5,6 = 22,4 [cm²] S₂ = 4*5,7 = 22,8 [cm²] S₃ = 3,6*5,4 = 19,24 [cm²]

Pozostałe obliczenia w ten sam sposób , analogicznie

Ubytek masy z jednostkowej powierzchni :

Pozostałe obliczenia w ten sam sposób , analogicznie

Ubytek masy z jednostkowej powierzchni (średnia):

Pozostałe obliczenia w ten sam sposób , analogicznie

Szybkość roztwarzania miedzi V_Cu :

Pozostałe obliczenia w ten sam sposób , analogicznie

4. Tabela z wynikami:

5. Wykresy:

Na wykresach widoczne są tylko trzy punkty ponieważ dla pomiaru 40 min nie zrobiono , gdyż zabrakło czasu.

Na wykresie tym można zauwazyc iż ubytek masy jednostkowej zwieksza się wraz z dlugoscia trzymania blaszek w roztworze. Po 10min wynosi 0,0008
. Po 20 min 0,0012
1. Po 30 min 0,0013
. Tak więc widać tutaj wyraźną zależność, że im zwiększa się czas zanurzenia płytek w roztworze amoniakalno-węglanowym, tym większy jest ubytek masy na jednostkę powierzchni.

Wykres ten przedstawia te sama zależność co poprzedni lecz stężenie jonów Cu²⁺ jest już większe i wynosi 5 g/dm³. Następstwo jest identyczne jak poprzednio wraz ze wzrostem czasu, ubytek masy wzrasta. Po 10 min 0,0016
. Po 20 min 0,0025
. Po 30 min 0,0030
.

Wykres trzeci przedstawia tę samą zależność, co poprzednie wykresy, z tą różnicą, że stężenie jonów Cu²⁺=7[g/dm³]. Zależności są takie same jak poprzednio. Im dłuższy jest czas tym większy jest ubytek masy na jednostce powierzchni i jest on większy niż w przypadku roztworów o mniejszym stężeniu jonów. Po 10 min 0,0020
.Po 20 min 0,0030
. Po 30 min 0,0038
.

Analogicznie wykres 4 , tylko ze stężenie jonów Cu²⁺ wynosi 10 g/dm³ . Po 10 min 0,0026
. Po 20 min 0,0047
. Po 30 min 0,0052
.

V_Cu = kc , dlatego też z wykresu pierwszego, na którym stężenie jonów Cu²⁺ w roztworze jest równe 2[g/dm³] można odczytać, że szybkość roztwarzania miedzi V_Cu=0,00003[g/cm²*min^-1]. Z wykresu drugiego odczytujemy V_Cu=0,00007 [g/cm²*min^-1]. Na wykresie trzecim o stężeniu jonów Cu²⁺=7[g/dm³] V_Cu=0,00009[g/cm²*min^-1], natomiast na ostatnim wykresie gdzie stężenie jonów Cu²⁺ jest największe, a mianowicie 10[g/dm³], szybkość roztwarzania miedzi V_Cu=0,00013[g/cm²*min^-1].

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

Dla Cu²⁺ = 2 [g/dm³]:

log k = 0,0006
k = 10^0,0006 = 1,0013

Dla Cu²⁺ = 5 [g/dm³]:

log k = 0,0010
k = 10^0,0010 = 1,0023

Dla Cu²⁺ = 7 [g/dm³]:

log k = 0,0012
k = 10^0,0012 = 1,0028

Dla Cu²⁺ = 10 [g/dm³]:

log k = 0,0015
k = 10^0,0016 = 1,0036

Na powyższym wykresie widać zależność, że wraz ze zwiększeniem stężenia jonów Cu²⁺ w roztworze
wzrasta szybkość reakcji roztwarzania miedzi. Dla stezenia rownego 2 g/dm³ wynosi ono 0,00003
. Dla stezenia 5 g/dm³ już jest wieksze i wynosi 0,00007
. Dla stezenia 7 g/dm³ jest to 0,0009
. Najwieksza szybkość roztwarzania jest dla stezenia 10 g/dm³ i wynosi ona 0,00013
.

Z wykresu zależności log V_Cu=f(log c_Cu2+) można odczytać, że rząd reakcji r = 0,9016, natomiast stała szybkości reakcji k wynosi:

log k = -4,7937
k = 10^-4,7937 = 0,00001608

6. Wnioski:

Analizując tabele oraz wykresy jednoznacznie można stwierdzić iż:

- ubytek masy na jednostkę powierzchni zależny jest od czasu zanurzenia płytek w roztworze (Wraz z wzrostem czasu ,rośnie ubytek)

-ubytek masy na jednostkę powierzchni zależny jest od stężenia jonów Cu²⁺ w roztworze ( Wraz z wzrostem stężenia, rośnie ubytek)

- szybkość roztwarzania miedzi w roztworze jest zależna od stężenia jonów Cu²⁺ ( Wraz ze wzrostem stężenia szybkość roztwarzania również wzrasta)