Лабораторный практикум по химической технологии неорганических веще

Реактивы квалификации х. ч. предназначены для ответственных научных исследований, а также в аналитических работах в качестве веществ, по которым устанавливаются титры рабочих растворов. Основным потребителем препаратов особой чистоты (ос. ч.) является промышленность полупроводниковых материалов, радиоэлектроника, квантовая электроника, где даже миллионные доли процента примеси являются совершенно недопустимыми.

Методы получения чистых веществ

Перекристаллизация. Сущность метода заключается в приготовлении насыщенного раствора соли при температуре кипения раствора, фильтрации его от механических примесей и охлаждении. При охлаждении раствор оказывается пересыщенным только по отношению к основному веществу, в то время как примеси остаются в маточном растворе. Метод прост и доступен.

Химическое осаждение. Одним из важнейших методов разделения веществ является перевод примеси или основного вещества в осадок. В этом случае необходимо использовать различие

впроизведениях растворимости (ПР), создавая условия в которых электролиты, имеющие наибольшую растворимость, останутся

врастворе, нерастворимые или малорастворимые с высоким значением ПР выпадают в осадок. Поэтому методы разделения двух веществ, основанные на осаждении одного из них при одновременном связывании второго в устойчивый растворимый комплекс имеют в практике большое значение.

Транспортные реакции. Метод широко используется при получении особо чистых веществ. Принцип его состоит в том, что очищаемое твердое или жидкое вещество, взаимодействуя по обратимой реакции с газообразным веществом, образует газообразный продукт, переносимый (транспортируемый) в другую часть системы, где, вследствие изменения условий, происходит его разложение с выделением чистого вещества.

141

Классическим примером транспортной реакции является очистка металлического никеля через его карбонил. Порошок никеля обрабатывают при 45–50 °С окисью углерода:

Ni + 4CO ↔ Ni(CO)4.

Газообразный Ni(CO)4 поступает в другую часть реакционного аппарата, где при 180–200 °С разлагается, давая чистый никель, а оксид углерода снова направляют в процесс.

Достоинством этого метода является возможность проведения всех операций в стерильных условиях, поскольку эти реакции проходят в замкнутом объеме и без больших количеств реагентов.

Дистилляция и ректификация. Очистка веществ дистилля-

цией основана на том, что при испарении смеси жидкостей пар получается обычно иного состава: происходит его обогащение легкокипящим компонентом смеси. Поэтому из многих смесей можно удалить легкокипящие примеси или, наоборот, перегнать основное вещество, оставив труднорастворимые примеси в перегонном аппарате. Часто приходится сталкиваться с системами, при перегонке которых все компоненты отгоняются в неизменном состоянии (азеотропные смеси). В этом случае очистка перегонкой невозможна.

При глубокой очистке вместо простой дистилляции предпочитают использовать ректификацию (сочетание процессов испарения и конденсации). Ректификация используется для очистки не только жидких препаратов, но и для разделения сжиженных газов (кислород, азот, инертные газы и т.д.). В последние годы стали очищать многие твердые вещества, сравнительно легко испаряющиеся (SiCl4, Zn, Cd, SbCl3). Содержание примесей понижается до 10–4 и даже до 10–7 %. Особенно эффективно протекают процессы ректификационной очистки при низких температурах.

Экстракция. Метод основан на извлечении одного из компонентов раствора с помощью несмешивающегося с раствором

142

органического растворителя, например, с диэтиловым эфиром, хлороформом, аминами и др. Экстрагируемый компонент распределяется между раствором и слоем органического растворителя в отношении, зависящем от коэффициента распределения:

K = Сорг/Сраств.

Достоинства экстракционного метода следующие:

1)экстракцию можно проводить из чрезвычайно разбавленных растворов;

2)при экстрагировании не происходит соосаждения и экстрагируемое вещество может быть количественно выделено в чистом виде;

3)метод позволяет разделить такие вещества, которые не удается разделить иными методами.

Зонная плавка. Этот метод очистки основан на различии растворимости примеси в твердом веществе и в расплаве. Достоинством зонной плавки является простота аппаратурного оформления, сравнительно невысокие температуры проведения процесса (по сравнению с ректификацией) и высокая эффективность очи-

стки (например, германий очищается до содержания примесей порядка 10–8 %).

Ионный обмен и адсорбция. Разделение проводят с помощью ионообменных смол, представляющих высокомолекулярные соединения с реакционно-способными Н+ и ОН– – группами (катиониты и аниониты). При пропускании раствора электролита через такую смолу происходит обмен ионов металла или кислотного остатка соответственно на Н+ и ОН–.

Практическая часть

Схема установки и порядок проведения работы

На рисунке представлена схема лабораторной установки для получения карбоната кальция.

143

Рис. Схема лабораторной установки: 1 – бюретка для подачи раствора Ca(NO3)2; 2 – бюретка для подачи раствора Na2CO3; 3 – мешалка; 4 – реакционный стакан; 5 – штатив

Карбонат кальция можно получить действием углекислого натрия на азотнокислый кальций:

Ca(NO3)2 + Na2CO3 = CaCO3↓ + 2NaNO3.

Отдельно готовят растворы 25 г Ca(NO3)2·4H2O (ч. д. а.) в 50 мл дистиллированной воды и 11 г Na2CO3 в 50 мл воды (рассчитано по стехиометрии). Оба раствора из соответствующего дозатора 1, 2 медленно при перемешивании вливают с одинаковой скоростью в реакционный стакан 4, содержащий 50 мл дистиллированной воды.

Полученный осадок фильтруют на воронке Бюхнера, фиксируя время фильтрации и объем фильтрата. В фильтрате качественно определяют наличие остаточных Na2CO3 и Ca(NO3)2. Для этого отбирают пробу фильтрата в два маленьких стаканчика. Na2CO3 определяют с помощью индикатора фенолфталеина – при наличии избытка соды появляется малиновое окрашивание. Наличие избыточного количества ионов Са2+ определяют с помощью индикатора хромового темно-синего (появляется розовое окрашивание). После установления избытка того или иного реа-

144

гента осадок отмывают от примесей на фильтре малыми порциями дистиллированной воды до полного их удаления (отсутствие окрашивания). Промывные воды собирают и замеряют их объем.

Промытый осадок СаСО3 предварительно взвешивают на стекле и сушат при температуре 110 °С до постоянного веса. Готовый продукт анализируют на содержание основного вещества и примеси по методикам, описанным ниже.

Определение содержания углекислого кальция. 0,2 г препара-

та взвешивают с погрешностью не более 0,0002 г, помещают в коническую колбу вместимостью 250 мл, растворяют в 50 мл 0,1 н. раствора соляной кислоты из бюретки. При полном растворении осадка содержимое колбы титруют 0,1 н. раствором едкого натра в присутствии 2–3 капель раствора метилового красного до перехода красной окраски раствора в желтую.

Содержание углекислого кальция (Х) в процентах вычисляют по формуле

Х = (V – V1) · K · 0,005005 · 100 / m,

где V – объем точно 0,1 н. раствора соляной кислоты, взятый для растворения препарата, мл; V1 – объем точно 0,1 н. раствора едкого натра, израсходованного на титрование, мл; K – коэффициент поправки раствора щелочи; m – масса навески препарата, г; 0,005005 – количество углекислого кальция, соответствующее 1 мл точно 0,1 н. раствора соляной кислоты, г.

За результат эксперимента принимают среднее арифметическое двух параллельных определений, допускаемые расхождения между которыми не должны превышать 0,3 %.

Определение содержания растворимых карбонатов (в виде

Na2CO3). 0,5 г препарата взвешивают на аналитических весах, помещают в мерную колбу вместимостью 100 мл, прибавляют 50 мл воды, тщательно взбалтывают в течение 5 мин и сразу же фильтруют через плотный беззольный фильтр, промытый горячей водой, отбрасывая первую порцию фильтрата.

145

30 мл фильтрата (соответствуют 0,3 г препарата) помещают

вконическую колбу вместимостью 100 мл, прибавляют 3 капли раствора фенолфталеина и титруют из микробюретки 0,01 н. раствором соляной кислоты до исчезновения розовойокраскираствора.

Содержание растворимых карбонатов (в виде Na2CO3) (Х1)

впроцентах вычисляют по формуле

Х1 = V · 0,00053 · 100 / m,

где V – объем точно 0,01 н. раствора соляной кислоты, израсходованный на титрование, мл.; m – масса навески препарата, взятая для титрования, г; 0,00053 – количество карбонатов в виде Na2CO3, соответствующее 1 мл точно 0,01 н. раствора соляной кислоты.

За результат анализа принимают среднее арифметическое двух параллельных определений.

Список литературы

Девятых Г.Г., Еллиев Ю.Е. Глубокая очистка веществ. – М.: Высшая школа,1990. – 192 с.

146

ПРИЛОЖЕНИЕ

Инструкция по охране труда для студентов при выполнении лабораторных работ

вучебных химических лабораториях

1.Общие требования охраны труда

1.1.Настоящая инструкция предназначена для студентов, выполняющих лабораторные работы в учебных химических лабораториях кафедры ТНВ.

1.2.Допуск студентов к выполнению работы в лабораториях осуществляется преподавателем (руководителем работ) только после:

а) инструктирования и обучения студента правилам техники безопасности и пожарной безопасности;

б) проверки знаний студентом правил безопасного выполнения работ;

в) оформления инструктирования в специальном контрольном листке.

1.3.Каждый студент обязан соблюдать установленные правила внутреннего распорядка:

а) работать в лаборатории в указанные в расписании часы; б) бережно относиться к имуществу лаборатории; в) в помещении лаборатории нельзя находиться в пальто,

вешать головные уборы на лабораторное оборудование; г) запрещается курение, распитие спиртных напитков и при-

ем пищи; д) содержать свое рабочее место в чистоте и порядке.

1.4.При работе в лабораториях кафедры ТНВ на студента могутвоздействовать опасные и вредныепроизводственные факторы:

• физические:

а) опасный уровень напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека;

147

б) повышенная температура поверхностей оборудования, материалов;

в) недостаточная освещенность рабочей зоны;

• химические:

а) по характеру воздействия на организм человека – общетоксические, раздражающие, мутагенные;

б) по пути проникновения в организм человека – действующие через дыхательные пути, через пищеварительную систему, через кожный покров.

1.5.Все студенты, работающие в лаборатории, должны носить халаты из хлопчатобумажной ткани, при необходимости использовать резиновые перчатки.

В лаборатории на видном месте должны находиться другие средства индивидуальной защиты: противогаз или респиратор типа «лепесток», защитные очки или щитки.

1.6.В лаборатории в доступном месте должны находиться первичные средства тушения огня: огнетушитель (углекислотный, порошковый), ящик с сухим песком, шерстяное или асбестовое одеяло.

1.7.Для оказания первой (доврачебной) помощи при несчастных случаях в лаборатории должна находиться полностью укомплектованная аптечка первой помощи. Состав аптечки зависит от характера работ, выполняемых в лаборатории.

1.8.При всех несчастных случаях и обнаружении неисправности оборудования, приборов и установок необходимо тотчас обратиться к лаборанту или преподавателю.

1.9.Работающие в лаборатории должны соблюдать правила личной гигиены.

1.9.1.Принимать пищу следует только в столовой или буфете. Перед принятием пищи обязательно мыть руки с мылом и сушить феном.

1.9.2.Нельзяхранить вместе рабочиехалаты и личную одежду.

1.9.3.Нельзя пробовать на вкус или на запах какие-либо вещества, пить воду из химической посуды.

148

2. Требования охраны труда перед началом работы

2.1.Перед началом работы необходимо внимательно ознакомиться с методикой выполнения работы, обращая особое внимание на технику безопасности при ее выполнении и на свойства используемых веществ.

2.2.При возникновении каких-либо неясностей следует обратиться за разъяснением к преподавателю.

2.3.На рабочем месте должны находиться только необходимые для выполнения данной работы реактивы, приборы и оборудование.

2.4.Перед началом работы студенты обязаны надеть халат

ипри необходимости средства индивидуальной защиты (перчатки, респиратор, защитные очки или маску).

2.5.Применяемое оборудование (трубчатые печи, насосы, термостаты идр.) должно иметь заземление (проверить визуально).

2.6.Все электропроводы должны быть заключены в мягкие резиновые трубки.

2.7.Вытяжная вентиляция должна быть включена за 20–30 мин до начала работы.

2.8.Необходимо проверить соответствие взятых веществ веществам, указанным в описании работы. Все реактивы должны храниться в плотно закрытой таре с разборчивой надписью.

2.9.Летучие вещества (например, соляная, азотная кислоты, раствор аммиака и т.п.) должны храниться в вытяжном шкафу.

2.10.Необходимо следить за сохранением чистоты реакти-

вов. Нельзя путать пробки от банок с реактивами, доставать вещество из банки грязным шпателем.

3. Требования охраны труда во время работы

3.1.Выполнять необходимо только ту работу, которая вам поручена.

3.2.Во время выполнения задания нельзя ходить без дела по лаборатории, отвлекать внимание других и оставлять без наблюдения свою работу, что может повлечь за собой несчастный случай.

149

3.3.При выполнении задания работать следует стоя, сидя разрешается производить работы, которые не вызывают опасности воспламенения, взрыва и разбрызгивания кислот.

3.4.Следует работать без лишней торопливости, не проливать и не просыпать реактивы.

3.5.Выполняя опыты, нужно пользоваться растворами только указанной концентрации и соблюдать рекомендуемую дозировку. Не делать дополнительных опытов без разрешения преподавателя.

3.6.Выбирая вещество для опыта, следует внимательно прочитать этикетку.

3.7.В работе следует пользоваться только незагрязненными реактивами, чистой посудой и приборами, промытыми дистиллированной водой.

3.8.Нельзя оставлять без присмотра работающие установки, включенные электронагревательные приборы.

3.9.Нельзя поручать присмотр за установкой другим лицам, если она не вышла на рабочий режим, работает нестабильно.

3.10.При работе с электрооборудованием необходимо внимательно следить (визуально) за исправностью изоляции проводов и оборудования. При поврежденной изоляции прикосновение

кнаходящимся под напряжением частям электрооборудования приводит к электротравмам.

3.11.Корпуса электромеханического оборудования и трансформаторов следует заземлять. Нельзя работать с незаземленным электрооборудованием.

3.12.В процессе работы не отключать и не обрывать провод защитного заземления.

3.13.Работая с концентрированными кислотами и щелочами, необходимо пользоваться средствами индивидуальной защиты (резиновые перчатки, очки, резиновые фартуки).

3.14.При приготовлении растворов серной кислоты необходимо приливать кислоту в воду тонкой струей при непрерывном перемешивании. Приливать воду в кислоту запрещается.

150