WMN, Metalurgia 25.11.2012

Nr zespołu: 3

Ćwiczenie nr 1.

Temat: Kinetyka roztwarzania miedzi metalicznej w roztworach amoniakalnych.

Micha ł Kostępski

1. Wstęp teoretyczny.

Podstawą procesów hydrometalurgicznych jest roztwarzanie metali w roztworach kwasów nieutleniających lub w elektrolitach alkalicznych zawierających składniki kompleksujące. Roztwarzanie to jest procesem elektrochemicznych, czyli takim w którym występuje przeniesienie ładunku przez granice faz (metal - elektrolit).

Procesem anodowym jest utlenianie metalu, a jeśli roztwór jest natleniony, to na katodzie redukuje się tlen. Miedź roztwarza się w roztworze amoniakalnym pozostającym w kontakcie z powietrzem dwuetapowo, gdzie produktem pośrednim są jony kompleksowe miedzi (I). Proces ten można opisać za pomocą dwóch równań:

1. 2 Cu + ½ O₂ + 2 NH₃ + 2 NH₄ → 2 Cu(NH₃)₂⁺ + H₂O

2. 2 Cu(NH₃)₂⁺ + ½ O₂ + 2 NH₃ + 2 NH₄ → 2 Cu(NH₃)₄ ²⁺ + H₂O .

Jony kompleksowe miedzi (II) powstające w reakcji 2 utleniają natomiast miedź metaliczną.

Taki proces nazywamy procesem autokatalitycznym co oznacza, że gdy w roztworze zawarte są jony miedzi (II) to proces ten zachodzi szybciej niż w przypadku, gdy roztwór tych jonów nie zawiera. Szybkość tego procesu rośnie wraz ze wzrostem stężenia jonów miedzi (II) w roztworze.

Szybkość reakcji mówi nam o tym, jak zmienia się stężenie reagenta w jednostce czasu i zależy od etapu najwolniejszego (transport substratów do powierzchni reakcji/ reakcja chemiczna zachodząca na granicy faz/transport produktów w głąb faz). Szybkość roztwarzania miedzi w roztworach amoniakalnych zależy przede wszystkim od stężenia jonów kompleksowych Cu(NH₃)₄ ²⁺, mniej istotnymi czynnikami jest temperatura, obecność katalizatorów itp.

2. Cel ćwiczenia.

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

3. Wykonanie ćwiczenia.

12 płytek miedzianych dokładnie oczyszczono papierem ściernym, opłukano wodą destylowaną, alkoholem, osuszono suszarką; zmierzono powierzchnię i zważono,
a wartości zapisano w tabeli. Płytki w jednym czasie włożono do zlewek (po 3 do każdej), w których znajdowało się po 250 cm³ roztworów amoniakalno-węglanowych zawierających różne ilości jonów Cu²⁺ (2,5,7 i 10 g/dm³) na okres 10 minut. Po zakończeniu pomiaru płytki wyjęto z roztworów, opłukano wodą destylowaną, alkoholem i wysuszono suszarką, a następnie zważono i zapisano wyniki w tabeli. Pomiary powtórzono wydłużając czas roztwarzania miedzi do 20 oraz 30 minut.

4. Opracowanie wyników.

4.1 Ubytek masy z jednostkowej powierzchni [g/cm²] dla próbki 1 przy czasie trwania pomiaru 30 minut i stężeniu Cu²⁺=2[g/dm³].

, gdzie:

Δm₁ - ubytek masy próbki 1,

S₁ - powierzchnia próbki 1.

4.2 Średni ubytek masy z jednostkowej powierzchni [g/cm²] dla czasu trwania pomiaru 30 minut i stężeniu Cu²⁺=2[g/dm³].

4.3 Przykład obliczenia szybkości roztwarzania miedzi V_Cu [g/cm²/min]
dla próbki 2 dla czasu trwania pomiaru 20 minut i stężeniu
Cu²⁺=5[g/dm³].

, gdzie:

- średni ubytek masy z jednostkowej powierzchni,

t - czas trwania pomiaru.

5.Wyniki

Stężenie Cu^2+ [g/dm^3]	Czas trwania pomiaru [min]	Masa płytki [g]									Pole powierzchni [cm^2]			Ubytek masy z jednostkowej powierzchni [g/cm^2]				Szybkość roztwarzania miedzi VCu [g/cm^2*min^-1]
				Próbka 1			Próbka 2			Próbka 3			S1	S2	S3	Δm1/S1	Δm2/S2		Δm2/S2	Δm/Sśr
				m1p	m1k	Δm1	m2p	m2k	Δm2	m3p	m3k	Δm3
	2	10	5,709	5,6936	0,0154	5,7525	5,7392	0,0133	5,8666	5,8389	0,0277	48,72				48,64	48,76	0,00032	0,00027	0,00057	0,00039	0,000039
		20	5,6836	5,6602	0,0234	5,7232	5,7057	0,0175	5,8389	5,8205	0,0184							0,00048	0,00036	0,00038	0,00041	0,000020
		30	5,6641	5,6408	0,0233	5,7057	5,6886	0,0171	5,8205	5,7992	0,0213							0,00048	0,00035	0,00044	0,00042	0,000014
		40	5,6408	5,6192	0,0216	5,6886	5,6671	0,0215	5,7992	5,7771	0,0221							0,00044	0,00044	0,00045	0,00045	0,000011
	5	10	5,601	5,5534	0,0476	5,8187	5,7741	0,0446	5,4944	5,4546	0,0398	47,68				32,08	46,64	0,00098	0,00092	0,00082	0,00090	0,000090
		20	5,5534	5,5069	0,0465	5,7741	5,7319	0,0422	5,4546	5,4136	0,041							0,00095	0,00087	0,00084	0,00089	0,000044
		30	5,5069	5,4519	0,055	5,7319	5,678	0,0539	5,4136	5,364	0,0496							0,00113	0,00111	0,00102	0,00108	0,000036
		40	5,4519	5,3729	0,079	5,678	5,6015	0,0765	5,364	5,2901	0,0739							0,00162	0,00157	0,00152	0,00157	0,000039
	7	10	5,8827	5,8385	0,0442	3,0356	2,9815	0,0541	9,0252	8,9779	0,0473	48,18				48,36	46,48	0,00091	0,00111	0,00097	0,00100	0,000100
		20	5,8385	5,774	0,0645	2,9815	2,9256	0,0559	8,9779	8,9188	0,0591							0,00132	0,00115	0,00121	0,00123	0,000061
		30	5,774	5,6915	0,0825	2,9256	2,8375	0,0881	8,9188	8,8314	0,0874							0,00169	0,00181	0,00179	0,00177	0,000059
		40	5,6915	5,5938	0,0977	2,8375	2,7257	0,1118	8,8314	8,7237	0,1077							0,00201	0,00230	0,00221	0,00217	0,000054
	10	10	8,6297	8,57	0,0597	8,3861	8,3241	0,062	8,5942	8,533	0,0612	44,68				44,28	46,08	0,00123	0,00127	0,00126	0,00125	0,000125
		20	8,57	8,5065	0,0635	8,3241	8,2581	0,066	8,533	8,4699	0,0631							0,00130	0,00136	0,00129	0,00132	0,000066
		30	8,5065	8,3975	0,109	8,2581	8,1529	0,1052	8,4699	8,3692	0,1007							0,00224	0,00216	0,00207	0,00216	0,000072
		40	8,3975	8,2417	0,156	8,1529	8,0088	0,1441	8,3692	8,2133	0,1559							0,00320	0,00296	0,00320	0,00312	0,000078

5.1 Wykres zależności Δm/S=f(t) dla różnych stężeń jonów Cu²⁺.

Wyk.1 Zależność ubytku masy z jednostkowej powierzchni od czasu roztwarzania.
Linie kolorowe oznaczają odpowiednie stężenie jonów Cu²⁺ wyrażone w g/dm³.

5.2 Zależność stężenia △m/S od czasu.

5.4 Wykres zależności log V_Cu=f(log c_Cu2+).

Tab.4 Wartości logarytmów szybkości roztwarzania miedzi oraz stężenia początkowego Cu²⁺

Stężenie jonów Cu ^2+ [g/dm^3]	V Cu [g/cm2/min]	Log VCu	log cCu2+
2	0,000002	5,698970	0,3010
5	0,000022	-4,6576	0,6990
7	0,000041	-4,3872	0,8451
10	0,000064	-4,1938	1,0000

Wyk. 3 Zależność logarytmu szybkości roztwarzania miedzi od logarytmu stężenia początkowego jonów Cu²⁺.

5.5 Rząd reakcji r i stałą szybkości reakcji k.

Do określenia rzędu reakcji r i stałej szybkości reakcji k potrzebne jest równanie opisujące zależność log V_Cu od log c_Cu2+ (wykres 3). Ogólne równanie prostej przyjmuje postać:

log V = r log c +log k

Równanie prostej z wykresu 3 przyjmuje postać:

y = 2,214511x-6309521

stąd rząd reakcji:

r=1,1

stała szybkości reakcji:

log k= -6,3095

k= 0,00000049

6.Dyskusja wyników

Z załączonych wyników przy każdym ze stężeń jonów miedzi powinny wykazywać tendencje rosnącą. W pomiarze parametru po upływie 20 minut zauważono spadek, co nie wpłynęło znacząco jakość załączonych wykresów. Punkty wykresów A B C D powinny zbliżać się do granicy maksymalnego pomiaru ubytku masy na jednostkową powierzchnie próbki w jednostce czasu. Wykres E również powinien układać się w tendencji rosnącej, co może być spowodowane błędnym pomiarem uwzględnionym powyżej.

7. Wnioski:

Z wykresów A B C D stwierdzono, że ubytek masy na jednostkową powierzchnie próbki rośnie wraz ze wzrostem czasu. Kąt nachylenia tgα zmienia się pomału malejąc. Wykres F określa zależność szybkości roztwarzania miedzi od stężenia jonów Cu²⁺ i również na ubytek masy ma wpływ stężenie jonów miedzi w roztworach. Najmniejszy ubytek masy wystąpił przy stężeniu 2g/dm³ Cu, a największą wartość przyjmuje dla 10g/dm³ Cu. Jest to widoczna zależność wzrostu stężenia Janów Cu²⁺ , który powoduje wzrost szybkości roztwarzania. Wykres F wykazał, że logc_Cu2+ ma również wpływ na szybkość roztwarzania miedzi. Można zauważyć, że wraz ze wzrostem logc_Cu2+ rośnie również logV_Cu.

9

---