82
Исходные данные |
|
|
Дата __._______.____г. |
|
|
Температура в лаборатории |
_____ОС |
|
Барометрическое давление |
_____мм рт. ст. |
|
Концентрация хлорида натрия |
|
|
в электролите |
_310_ г/л ( 26 масс. %) |
|
Плотность электролита |
_1,2_ г/см3 |
|
Размеры анода: |
|
|
диаметр(d) |
|
_8_ см |
высота(h) |
|
_1,5_ см |
Рабочая поверхность анода, SA |
_____ см2 |
|
Анодная плотность тока, iA |
_____ А/м2 |
|
Теоретическая масса гидроксида |
|
|
натрия(GT) (за 10 мин) |
_____ г |
|
Нормальность (эквивалентная |
|
|
концентрация) серной кислоты |
|
|
для титрования ( NH2 SO4 |
) |
_____ моль/л |
Предварительные расчеты
По заданной силе тока рассчитывают:
1)теоретическую массу гидроксида натрия,
которая должна образоваться за 10 мин (время отбора пробы) по формуле (2.2.16);
2) анодную плотность тока:
i |
I |
|
S |
|
|
|
A |
|
|
|
|
(A/м2)
(2.2.30)
где SA – поверхность графитового анодного диска, соприкасающегося с электролитом, которую определяют как сумму поверхностей основания
(S1 = ) и часть боковой (S2 = πdh*,
83
где h* - глубина погружения анода в электролит).
Если анод погружён в анолит полностью (нижняя грань, боковая поверхность, верхняя грань), то при расчёте i необходимо учитывать контактирующую с анолитом поверхность анода, т.е.
SA = S1 + S2 + S3 (м2) |
(2.2.31) |
8 7 6
АВ
V A
5
в вытяжной шкаф
2 
1
3
4
Рис. 2.2.1 Схема установки электролиза водного раствора хлорида натрия.
84
Порядок выполнения работы
1.Перед началом работы необходимо ознакомиться с инструкцией и правилами техники безопасности, вывешенными над установкой.
2.Заливают электролит (водный раствор, содержащий 310 г/л хлорида натрия) в дозатор 5 и через него заполняют электролизер 1 таким образом,
чтобы уровень электролита покрывал расчетную поверхность анода. С помощью капельной воронки периодически во время опыта добавляют необходимый объем электролита в электролизер для поддержания постоянного уровня.
3. Подключают электролизер, устанавливают по амперметру 6 силу тока, которую необходимо поддерживать строго постоянной в течение всего опыта. Напряжение отмечают по вольтметру 7.
4.Открывают кран слива католита и собирают вытекающий католит в химический стакан.
5.В начале опыта определяют протекаемость диафрагмы. Для этого заменяют стакан мерным цилиндром и измеряют (c точностью 0,1 мл) объем католита, вытекающего за 10 мин (последовательно три пробы католита) (Табл.2.2.2).
При постоянстве расхода католита определяют выход по току по гидроксиду натрия, для чего через каждые последующие 10 мин отбирают еще 4 пробы
католита, |
|
каждую |
из |
которых |
количественно |
переносят |
в |
колбу |
для |
титрования, определяют |
|
концентрацию щелочи титрометрическим методом и рассчитывают выход по току (см. Контроль процесса).
85
Таблица 2.2.2
Экспериментальные данные
Операция |
Время от |
Сила |
Напря- |
Объем |
Объем |
Кол-во |
Выход |
|
начала |
тока, |
жение, |
пробы |
H2SO4, |
NaOH, |
по |
|
опыта, |
А |
В |
като- |
мл |
г |
току, |
|
мин |
|
|
лита, |
|
|
% |
|
|
|
|
мл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Оценка |
|
|
|
|
|
|
|
расхода |
|
|
|
|
|
|
|
электро- |
|
|
|
|
|
|
|
лита: |
0 |
|
|
|
|
|
|
Проба 1 |
10 |
|
|
|
|
|
|
Проба 2 |
20 |
|
|
|
|
|
|
Определен |
|
|
|
|
|
|
|
ие выхода |
|
|
|
|
|
|
|
по току: |
|
|
|
|
|
|
|
Проба 1 |
30 |
|
|
|
|
|
|
Пробы 2 |
40 |
|
|
|
|
|
|
Пробы 3 |
50 |
|
|
|
|
|
|
Пробы 4 |
60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Контроль процесса
86
Определение концентрации щелочи в католите.
Пробу католита, количественно переносят из мерного цилиндра в коническую колбу для титрования, разбавляют в 2 - 3 раза дистиллированной водой и добавляют 2 - 3 мл. 3%- ного раствора пероксида водорода для разрушения гипохлорит- и хлорат ионов. Через 2 - 3 мин. в раствор вносят 2 - 4 капли индикатора – метилового оранжевого и титруют раствором серной кислоты до изменения окраски индикатора (от желтой до светло оранжевой).
Практическую массу щелочи, полученной при электролизе ( ПР ), рассчитывают по формуле:
ПР |
|
VH 2 SO4 N H 2 SO4 |
GNaOH |
1000 |
|
|
|
|
|
|
где |
M NaOH
(2.2.32)
V |
H |
SO |
4 |
– |
объем |
|||
|
|
2 |
|
|
|
|
||
кислоты, затраченной |
||||||||
на титрование, мл; |
||||||||
N |
H |
SO |
4 |
– |
нормальность |
|||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
раствора кислоты
(моль/л);
MNaOH – молярная масса гидроксида натрия , 40,0 г/моль.
Массовую концентрацию щелочи в католите (г/л) - СNaOH - рассчитывают по формуле:
CNaOH |
|
GNaOHПР 1000 |
|
(2.2.33) |
|
Vкат |
|||||
|
|
|
|||
|
|
где |
Vкат – объем пробы |
||
|
|
|
|
католита, мл. |
|
87
Расчет материального баланса
Материальный баланс процесса электролиза рассчитывают для времени электролиза, заданного преподавателем.
1.В связи с техническими сложностями
измерения |
объема подаваемого |
электролита и |
|
анализа |
всех |
продуктов при расчёте |
материального |
баланса |
делаем следующие допущения: |
|
|
Учитываем две реакции – получения гидроксида натрия (2.2.1) и гипохлорита натрия (2.2.8). Процессами образования хлората натрия, кислорода и др. пренебрегаем.
Объем вытекающего католита принимаем равным объему введенного электролита, плотность
электролита принимаем равной = 1,2 г/см3.
При таких допущениях выход по току по водороду
(
H2
) равен 100 %, а выходы по току по гидроксиду
натрия и хлору одинаковы (
NaOH
Cl2
).
2. Последовательность расчета материального баланса
|
а) Объем католита Vкат в литрах определяют |
||||||
экспериментально |
и |
пересчитывают |
на |
базис, |
|||
заданный преподавателем. |
|
|
|
||||
|
б) Определяют массу введенного электролита, |
||||||
рассчитывают количество |
введенных хлорида |
натрия |
|||||
|
|
и воды |
|
, |
исходя из |
концентрации |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
насыщенного раствора хлорида натрия при 20 С –
26,3 масс. %.
88
в) Зная силу тока и время электролиза, по
уравнениям |
(2.2.16) |
и |
|
(2.2.18 |
– |
|
2.2.20) |
|||||
рассчитывают |
|
теоретические |
массы |
продуктов |
||||||||
электролиза: |
|
, |
, |
|
; |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
г) Учитывая значения выходов по току, |
|||||||||||
полученные |
по |
уравнению |
(2.2.15), |
рассчитываем |
||||||||
практические |
массы |
полученных |
продуктов: |
ПР |
||||||||
, |
||||||||||||
ПР |
и ПР ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
д) По |
основному |
уравнению |
материального |
||||||||
баланса (2.2.1) с учетом теоретических масс
продуктов рассчитываем массу хлорида |
натрия и |
||
воды, затраченные |
|
на образование всех |
продуктов |
изр. |
|
изр. |
|
электролиза ( |
и |
); |
|
е) Масса гидроксида натрия, пошедшая на побочные реакции (2.2.10), является разностью между теоретической и практической массой гидроксида натрия;
ж) По уравнению (2.2.10), учитывая массу гидроксида натрия, пошедшего на побочную реакцию, рассчитываем массу образовавшихся хлорида натрия и
гипохлорита натрия, а также воды: поб. , поб. и
поб. ;
з) Масса воды в католите
как разность между массой электролитом, и массой воды, реакцию (воду, образовавшуюся тоже нужно учесть):
( ) определяется воды, введенной с
пошедшей на основную по побочной реакции
ост. |
= |
+ изр. |
+ поб. |
|
|
|
|
Вода, унесенная с хлором и водородом, не учитывается
89
е) Масса |
хлорида натрия |
ост. |
в |
католите |
|
|
|
|
|
определяется |
как разность между |
массой |
хлорида |
|
натрия, введенного с электролитом, и массой хлоридом натрия, пошедшего на основную реакцию (с
учётом поб. |
): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ост. |
= |
− изр. |
+ поб. |
|
|
|
|
|
Таблица 2.2.3
Материальный баланс процесса электролиза
Базис _______
Введено |
|
Получено |
|
||
|
|
|
|
|
|
Исходные |
Масса, |
% |
Продукты |
Масса, |
% |
вещества |
г |
масс. |
электролиза |
г |
масс. |
|
|
|
|
|
|
Электролит: |
|
|
Католит: |
|
|
NaCl |
|
|
NaCl |
|
|
|
|
|
NaOH |
|
|
H2O |
|
|
H2O |
|
|
|
|
|
NaClO |
|
|
|
|
|
Анодный |
|
|
|
|
|
газ: |
|
|
|
|
|
Cl2 |
|
|
|
|
|
Катодный |
|
|
|
|
|
газ: |
|
|
|
|
|
H2 |
|
|
|
|
|
Невязка |
|
|
|
|
|
|
|
|
Всего |
|
100 |
Всего |
|
100 |
|
|
|
|
|
|