Работа № 6. Получение кристаллогидрата сульфата алюминия из глины или каолина

Принцип метода:

Сырьём для получения сульфата алюминия в промышленности служат широко распространенные в природе глины и каолины (каолиновые глины). Они относятся к классу алюмосиликатов основными природными соединениями которых являются галлуазит Al₂O₃· 2SiO₂· 2H₂O + аq, аллофан Al₂O₃ · SiO₂ + аq, пирофиллит Al₂O₃ ·4SiO₂· 4H₂O, каолинит Al₂O₃·2SiO₂, монтморилленит Al₂O₃ ·4SiO₂ ·H₂O и др.

Сырье, используемое для производства сульфата алюминия, должно содержать значительное количество глинозема (оксида алюминия) и легко разлагаться кислотами. Указанные глины в наибольшей степени удовлетворяют этим требованиям. Они содержат 15-40% Al₂O₃, 55-75% SiO₂, 1-2% Fe³⁺ (в виде оксида и сульфида), 0,5­1% Fe²⁺ (в виде оксида и карбоната), примеси СаСО₃ и CaSO₄ ·2H₂O, а также вещества органического происхождения. Бокситы, хотя и содержат большие количества Al₂O₃, труднее разлагаются кислотами.

Глины и каолины различаются между собой минералогическим и химическим составом, а также размером зерен (степенью дисперсности). Глины в отличие от каолинов имеют меньший размер зерен и более богаты примесями щелочных и щелочноземельных металлов а также соединениями железа.

Кристаллогидрат сульфата алюминия Al₂O₃ 18H₂O получают в результате обработки предварительно обезвоженной глины или каолина концентрированной серной кислотой, которая сопровождается реакциями:

Al₂O₃ ·2SiO₂· 2H₂O + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 2SiO₂ + 5Н₂О (I)

или

Al₂O₃ ·2SiO₂ + 3Н₂SО₄ = А1₂(SO₄)₃ + 2SiO₂ + 3Н₂О . (2)

Далее отфильтрованный раствор упаривается с целью увеличения концентрации сульфата алюминия, выделяемого затем из раствора кристаллизацией.

Известен такжe лабораторный способ получения кристаллогидрата сульфата алюминия, основанный на взаимодействии гидроксида алюминия с серной кислотой:

2Al(ОН)₃ + 3Н₂SO₄ + 12H₂O = Al₂(SO₄)₃ ·18H₂O. (3)

Безводный сульфат алюминия представляет собой порошок белого цвета с плотностью 2,71 г/cм³.

Кристаллогидрат сульфата алюминия представляет собой пластинчатые или игольчатые кристаллы гексагональной сингонии. Беспримесные кристаллы бесцветны. Окраска кристаллов определяется химической природой и количеством содержащихся в них примесей. Плотность кристаллогидрата 1,69 г/см³. Он устойчив на воздухе, растворяется в воде (36,2% при 20 ^о С), практически нерастворим в этаноле.

Нагревание кристаллогидрата Al₂(SO₄)₃ ^. 18H₂O приводит к постепенному удалению кристаллизационной воды с образованием безводного сульфата алюминия, который при дальнейшем нагреве до красного каления (свыше 500 ^оС) разлагается с выделением оксида алюминия и оксида серы (VI).

Выпускаемый промышленностью очищенный технический сульфат алюминия должен содержать не менее 14 масс. % алюминия (в пересчете на оксид алюминия) и не более 0,04% железа (в пересчете на оксид железа) и 0,003% мышьяка (в пересчете на Аs₂О₃).

Сульфат алюминия (и его кристаллогидрат) является наиболее распространенным коагулянтом, применяемым в водоочистке для обработки питьевых и промышленных вод. Коагулирующие свойства Al₂(SО₄)₃ обусловлены образованием при растворении его в воде в результате гидролиза гидроксида алюминия и основных сульфатов. В процессе коагуляции Al(OH)₃ коллоидные частицы примесей, находящиеся в воде, захватываются и выделяются в виде студенистых хлопьев. После химической обработки воду фильтруют. В водоочистке сульфат алюминия применяется также для устранения временной жесткости воды. Процесс описывается реакцией:

Al₂(SO₄)₃ + 3Ca(HCO₃) = 3CaSO₄ + 2А1(ОН)₃ + 6СО₂. (4)

Помимо водоочистки сульфат алюминия применяется в больших количествах в целлюлозной промышленности, для проклейки бумаги и других целей. Его используют в текстильной промышленности в качестве протравы при крашении хлопчатобумажных, шерстяных и шелковых тканей, при дублении кож, для консервирования дерева, в производстве древесно-волокнистых плит, в промышленности искусственных волокон и др.

Цель работы.

Получить кристаллогидрат сульфата алюминия и определить eго выход.

Посуда и оборудование

Фарфоровый стакан,

воронка Бюхнера (или воронка горячего фильтрования),

стакан на 250 мл,

песчаная баня,

муфельная печь,

технические весы,

стеклянная палочка.

Реактивы:

Глина (или каолин),

серная кислота концентрированная.

Ход выполнения работы:

Глину или каолин прокаливают на воздухе для удаления кристаллизационной воды и примесей органических веществ при температуре 450­500 ^о C. 40­50 г прокаленного продукта смешивают в фарфоровом стакане с концентрированной серной кислотой ( = 1,84 г/см³), количество которой составляет 80­90% от расчетного. Процесс взаимодействия с кислотой осуществляют на песчаной бане или на слабом огне газовой горелки под тягой при постоянном перемешивании стеклянной палочкой. Процесс кислотного разложения, который протекает по реакции (2), проводят до полного прекращения выделения паров и получения сухой и сыпучей однородной массы.

Сухую массу охлаждают до комнатной температуры и выщелачивают в стеклянном стакане, содержащем 200 мл нагретой до кипения воды. Полученную после выщелачивания пульпу фильтруют на воронке горячего фильтрования или через воронку Бюхнера. Фильтрат концентрируют при его упаривании до плотности 1,21­1,25 г/cм³.

Полученный концентрированный раствор охлаждают при постоянном перемешивании. После завершения процесса кристаллизации фильтрованием отделяют образовавшиеся кристаллы кристаллогидрата сульфата алюминия от раствора, отжимают их между листками фильтровальной бумаги, взвешивают и определяют выход кристаллогидрата в пересчете на безводный сульфат алюминия. Выход сульфата алюминия () в % определяют по формуле:

 = (m₂ 100)/m₁, (5)

где m₂ - масса сульфата алюминия Al₂(SO₄)₃, содержащегося в выделенных кристаллах, г; m₁ - масса теоретически рассчитанного количества безводного сульфата алюминия, входящего в состав выделенного продукта взаимодействия прокаленной глины с серной кислотой по реакции (2), г.

При определении массы m₂ принимают, что все кристаллы содержат максимально возможное количество кристаллизационной воды (18 молей воды на один моль сульфата алюминия). Массу m₂ рассчитывают с участием реального количества и полного использования серной кислоты, а также содержания Al₂O₃ в глине от 20 до 40 % (по указанию преподавателя).

Расчеты и оформление результатов:

Записать методику (ход выполнения) работы. Записать экспериментально полученные и теоретически рассчитанные результаты. Результаты занести в таблицу № 1.

Таблица № 1.

Масса прокален-ной глины, г	Масса (объём) H2SO4, г (мл)	Масса продукта кислотного разложения, г	Масса кристаллов, г	Масса m1, г	Масса m2,г	Выход Al2(SO4)3, %

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте сырьё, используемое для получения Al₂(SO₄)₃ и его кристаллогидрата.

2. Каковы свойства Al₂(SO₄)₃ и Al₂(SO₄)₃ ^. 18H₂O?

3. Перечислите основные области применения сульфата алюминия.

4. С какой целью рекомендуется прокаливать глину или каолин перед их обработкой серной кислотой?

5. Какие превращения испытывают Al₂(SO₄)₃ ^. 18H₂O и безводный сульфат алюминия?

6. Приведите структурную формулу Al₂(SO₄)₃.

7. Охарактеризуйте кристаллическую структуру и форму кристаллов Al₂(SO₄)₃ ^. 18H₂O.

8. Укажите в весовых процентах содержание алюминия в его безводном сульфате, кристаллогидрате сульфата алюминия и в каолине.

Литература

1. М.Ю. Тихвинская, В.Е. Волынский. Практикум по химической технологии. М. Химия, 2004, 234 с.

2. Карякин Ю.В., Ангелов И.И. Чистые химические вещества. М.: Химия, 1974.

4. Позин М.Е. Технология минеральных солей. Л.: Химия, 1974. Т. 1. С. 633-640.

5. Руководство по неорганическому синтезу. Под ред. Н.В. Коровина М.: Химия, 1997.

6. ГОСТ 5155-74. Алюминий сернокислый технический неочищенный.

7. ГОСТ 12996-85. Алюминий сернокислый технический очищенный.