Rozklad přírodních surovin minerálními kyselinami

Transkript

1 Laboatoř anoganické technologie Rozklad příodních suovin mineálními kyselinami Rozpouštění příodních mateiálů v důsledku pobíhající chemické eakce patří mezi základní technologické opeace řady půmyslových výob. Tento poces spadá do oblasti heteogenních nekatalyzovaných eakcí uskutečňujících se mezi pevnou látkou a kapalinou. Jedním z významných půmyslových příkladů je ozpouštění příodních fosfátových suovin mineálními kyselinami, kteé představuje výchozí chemickou opeaci při výobě fosfoečných hnojiv. Znalost vlivu jednotlivých dílčích koků při ůzných eakčních podmínkách na ychlost eakce má po navhování půmyslových zařízení velký význam. Touto poblematikou se zabývá eakční kinetika heteogenních nekatalyzovaných soustav, kteá k popisu půběhu eakce využívá zjednodušených modelových představ, umožňujících vyhodnotit základní kinetické paamety dané soustavy. Teoetické základy odel nezeagovaného jáda Tento model je vhodný k popisu půběhu eakce nepoézní pevné látky s kapalinou. Předpokládá se, že eakce začíná současně na celé ploše vnějšího povchu částic výchozí látky a eakční ozhaní se postupně posouvá do jejího nita. ohou nastat dva případy, pvním případem je, že při eakci vzniká poézní vstva poduktu nebo inetní látky obsažené v původním výchozím mateiálu, kteá ulpívá na dosud nezeagovaném jádře částic. Velikost částic se tak během eakce téměř nemění. Duhým případem je, že vstva vznikajícího poduktu nebo inetu se na povchu netvoří v důsledku dobé ozpustnosti poduktů nebo dochází k odpadávání pevné fáze z povchu. Nezeagované jádo se pak postupně zmenšuje, až nakonec vymizí. Reakční ychlost Stechiometickou ovnici nevatné heteogenní eakce lze obecně fomulovat ve tvau aa (kapalina) + b (pevná látka) podukty, (1) kde a, b jsou stechiometické koeficienty. V půběhu eakce se podle stechiometie mění počty molů výchozích látek A i. Tyto změny je možné popsat vztahem a A b 1

2 kde N A a N jsou okamžitá množství molů látky A esp.. ezi eakčními ychlostmi vztaženými na jednotlivé výchozí složky platí na základě stechiometické ovnice (1) následující vztah a Rychlost spotřebovávání kapalné složky A na povchu pevné látky pobíhá podle ovnice 1 A n 1 a.. ks. c (. ), S S b. kde je eakční ychlost látky A vztažená na jednotku vnějšího povchu pevné látky, k S je eakční ychlostní konstanta vztažená na jednotku vnějšího povchu pevné látky, c je koncentace kapalné složky A na vnějším povchu pevné látky, S je plocha eakčního ozhaní, τ je čas a n je řád eakce vzhledem ke kapalné složce A. Z modelové představy nezeagovaného jáda plyne po počáteční fázi eakce v případě, že řídícím dějem je chemická eakce, systém je izotemní a koncentace kyseliny se během eakce nemění, následující vztah: d. b. k S a. δ. R. c kde R je výchozí polomě částice, δ je molání hustota látky a je stupeň přeměny pevné látky. Při odvozování uvedeného vztahu byly použity následující ovnice: N. m ρ. V ρ π, m n m, S b m τ πr π πr kde je molání hmotnost látky, m hmotnost látky, ρ je hustota pevné látky, V je objem pevné látky, m je hmotnost pevné látky na počátku eakce, m τ (2) je hmotnost pevné látky v čase τ. Výše uvedený vztah (2) lze zlogaitmováním lineaizovat na tva: d ln. b. ks ln a. δ. R + n.ln c () a řešením soustavy ovnic po ůzné koncentace kyseliny můžeme vyhodnotit řád eakce n. 2

3 Popis apaatuy Veškeé expeimenty se povádí ve vsádkovém izotemním míchaném eaktou. Reakto tvoří skleněná kádinka o objemu 8 cm umístěná v temostatu (typ U-1 opatřený temoegulátoem Vetex), kteý zajišťuje konstantní teplotu během měření. Teplota v eaktou je sledována tuťovým teploměem. íchání eakční směsi je zajištěno axiálně umístěným skleněným dvoulopatkovým míchadlem poháněným elektomotoem s nastavitelnými otáčkami. Sklon lopatek je 5 a jejich umístění ode dna je přibližně v jedné třetině výšky pomíchávaného objemu. Doba eakce je sledována stopkami, hmotnost vzoku před a na konci eakce je zjišťována vážením na elektonických vahách (k dispozici jsou ettle AE 2 ). Pacovní návod 1. Přípava 5 dm 1% a 1% kyseliny tihydogenfosfoečné zředěním vypočítaného množství koncentované H PO (86 % hm.) destilovanou vodou. 2. Poměření závislosti stupně přeměny na čase. Reakto obsahující 5 cm kyseliny tihydogenfosfoečné o známé koncentaci je umístěn do temostatu. Po dosažení konstantní teploty kyseliny je do eaktou vnesena navážka jednoho gamu částic fosfátu definované velikosti. Vážení je pováděno s přesností na,1 g. Reakční doba je sledována stopkami. Přeušení eakce v předem zvoleném okamžiku se povede zastavením míchadla, vyjmutím eaktou z temostatu, sedimentací částic na dno eaktou, odlitím kapalné fáze a zředěním zbylé eakční směsi chladnou destilovanou vodou. V tomto okamžiku je odečítán eakční čas. Dekantace destilovanou vodou je povedena ještě dvakát. Po dostatečném zředění zbytkové kyseliny následuje míchání vzoku v destilované vodě po dobu cca 5 min. Tím dojde k vymytí posledních zbytků kyseliny z póů částečně zeagovaného vzoku. Následuje oddělení nezeagovaného podílu vzoku od kapalné fáze na skleněné fitě. Sušení vzoku do konstantní hmotnosti pobíhá v laboatoní sušáně při teplotě cca 1 C po dobu cca 1,5 h. Nakonec se zjistí hmotnost vychladlé fity se zbytkem vzoku. Reakční podmínky: teplota T C eakční doba: po 1% H PO po 1% H PO 2 s, 2 s, 6 s, 75 s, 92 s s, 6 s, 7 s, 8 s,1 s

4 pevná fáze: apatit Kola supe ([Ca (PO ) 2 ].CaF 2 ), fakce,2,25 mm Zpacování expeimentálních dat Cílem této páce je získat časové závislosti stupně přeměny fosfátu po dvě koncentace kyseliny tihydogenfosfoečné. Hodnota stupně přeměny se vypočítá ze vztahu: (m - m τ ) / m, kde m je počáteční hmotnost fosfátu a m τ je hmotnost zeagovaného fosfátu. Paamety závislosti f(τ), kteá má po počáteční fázi ozkladu téměř lineání půběh, a pochází počátkem, lze vyhodnotit z expeimentálních údajů s využitím lineání egese. d Deivace získané lineání funkce poskytne veličinu, kteá je přímo úměná ychlosti eakce v jejím počátku. Při stanovení řádu eakce vycházíme z ovnice (). Ze závislosti přiozeného logaitmu změny stupně přeměny s časem na přiozeném logaitmu koncentace kyseliny tihydogenfosfoečné ln (d /) f(lnc A ) lze vyhodnotit řád eakce pomocí lineání egese. Seznam symbolů: a.. stechiometický koeficient látky A. b.. stechiometický koeficient látky. c..koncentace kapalné složky A na vnějším povchu pevné látky [mol.m - ] k S...ychlostní konstanta eakce vztažená na jednotku plochy vnějšího povchu pevné látky [mol. 1-n.m n-2.s -1 ] m.hmotnost pevné látky [kg] m...hmotnost pevné látky na počátku eakce [g] m τ...hmotnost pevné látky v čase τ [g].molání hmotnost pevné látky [kg.mol -1 ] n řád eakce vzhledem ke kapalné složce A N A.okamžité množství molů látky A [mol] N.okamžité množství molů látky [mol]. eakční ychlost složky A vztažená na jednotku eakčního ozhaní [mol.m -2.s -1 ] R..počáteční polomě pevné částice [m] 2 S..plocha eakčního ozhaní [m ]

5 V.objem pevné látky [m ] - δ..molání hustota pevné látky [mol.m ] je stupeň přeměny pevné látky [ - ] ρ.hustota pevné látky [kg.m - ] τ...čas [s] Obsah potokolu: - Stučný teoetický úvod včetně eakční ovnice a popis expeimentální části - Tabulka naměřených dat - Gafické závislosti ( f(τ), ln (d /) f(lnc A )) - Stanovení řádu eakce Ke zpacování naměřených dat použijte pogamy S Wod a S Excel. 5