Post on 30-Aug-2019
transcript
Gheorghe DUCA, Elena BUNDUCHI,
Ruslan BORODAEV
TEHNOLOGIE CHIMICĂ
ANORGANICĂ
Lucrări practice
Chişinău, 2012
CEP USM
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
2
CZU 66.0:546(076.5)
D 86
Recomandat de catedra Chimie Industrială şi Ecologică
Recenzent – Aliona COTOVAIA, dr. în chimie, conferenţiar la catedra chimie
anorganică şi fizică a USM
Gh. Duca, E. Bunduchi,
R. Borodaev, 2012
© USM, 2012
ISBN 978-9975-71-220-0
Descrierea CIP a Camerei naţionale a Cărţii
Duca, Gheorghe
Tehnologie chimică anorganică: Lucrări practice/Gheorghe Duca, Elena Bunduchi, Ruslan
Borodaev; Univ. De Stat din Moldova, Fac. De Chimie şi Tehnologie chimică. Catedra Chimie
Industrială şi Ecologică.-Ch.: CEP USM, 2012.-94 p.
50 ex.
ISBN 978-9975-71-220-0
66.0:546 (076.5
D 86
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
3
Cuprins
CUVÂNT INTRODUCTIV.........................................................................................5
1. MATERII PRIME....................................................................................................6
1.1. Concentrarea prin flotaţie a sulfurii de cupru..........................................................8
1.2. Analiza chimică a gazelor.....................................................................................12
2. PROCESE ANORGANICE DE BAZĂ................................................................18
2.1. Producerea acidului sulfuric prin
metoda de contact..................................................................................................18
2.2. Obţinerea acidului azotic diluat.............................................................................26
2.3. Tehnologia îngrăşămintelor chimice.
Producerea azotatului de amoniu..........................................................................30
3.TEHNOLOGIA MATERIALEOR DE
CONSTRUCŢIE.........................................................................................................34
3.1. Determinarea plasticităţii materialelor argiloase...................................................34
3.2. Obţinerea varului şi analize tehnice asupra sa......................................................39
3.3. Obţinerea sticlei uşor fuzibile...............................................................................42
3.4. Obţinerea cretei prin metoda cu var......................................................................46
4. COROZIUNEA. METODE DE PREVENIRE A COROZIUNI.......................49
4.1. Coroziunea electrochimică a metalelor.................................................................55
4.2. Protecţia anticorozivă............................................................................................58
4.2.1. Nichelarea electrolitică a oţelului.......................................................................62
4.2.2. Fosfatarea chimică a metalelor...........................................................................59
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
4
5. PROCESE ELECTROCHIMICE........................................................................67
5.1. Obţinerea hidrogenului la electroliza apei............................................................67
PROBLEME DE TEHNOLOGIE CHIMICĂ........................................................73
Indicatori tehno-economici ai procesului chimico-tehnologic.....................................73
Capitolul 1. Materii prime............................................................................................75
Capitolul II. Procese anorganice de bază.....................................................................79
Capitolul III. Tehnologia materialelor de construcţie..................................................84
Capitolul IV. Coroziunea şi metode de protecţie a metalelor......................................86
Capitolul V. Procese electrochimice............................................................................87
BIBLIOGRAGIE......................................................................................................88
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
5
CUVÂNT INTRODUCTIV
Pregătirea studenţilor la specialităţile tehnologice include studierea proceselor
chimico-tehnologice de mare tonaj ale industriei chimice anorganice. Această sarcină
revine cursului de Tehnologie chimică anorganică.
Pentru o însuşire mai bună a materialului şi obţinerea de competenţe, orele
teoretice sunt îmbinate cu cele practice, unde studenţii modelează diferite produceri
chimice sau fac calcule pentru procesele chimico-tehnologice.
Prezenta lucrare vine cu completări substanţiale la prima ediţie de lucrări
practice la tehnologia chimică (Lucrări de laborator la cursul de „Tehnologie
chimică”, autori Iu. Gorodeţki, Gh. Duca, Gh. Mihăilă ,USM, 1996). Această ediţie
numără 13 lucrări de laborator, dintre care, 7 lucrări din prima ediţie care au fost
revizuite şi completate şi propuse 6 lucrări noi, din mai multe compartimente ale
tehnologiei chimice anorganice: materii prime, procese anorganice de bază, procese
din industria materialelor de construcţie. Noi pentru această ediţie sunt şi problemele
de calcul, însoţite de răspunsuri.
Fiecare lucrare este structurată după un model general: noţiuni teoretice,
schema instalaţiei de laborator cu descrierea succintă a procesului în condiţii de
laborator, formule de calcul, chestionar cu întrebări pentru autoverificarea studenţilor.
Autorii actualei ediţii sunt recunoscători primilor autori: prof. dr.
Iu.Gorodeţchi, prof. dr. hab. Gh. Duca şi prof. dr. Gh. Mihăilă, care au pus bazele
practice ale lucrărilor. La fel, autorii vin cu mulţumiri şi faţă de dr. Gh.Şişcovschi, dr.
L. Romanciuc pentru sugestiile la punerea în practică a lucrărilor de laborator ce ţin
de tehnologia materialelor de construcţie.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
6
1. MATERII PRIME
Condiţia de bază pentru crearea şi dezvoltarea oricărei ramuri industriale o
constituie existenţa bazei de materii prime certe.
Materiile prime sunt substanţele naturale sau sintetice de origine minerală sau
organică necesare obţinerii diferitelor produse.
Apa şi aerul la fel fac parte din materiile prime ale industriei chimice.
Materiile prime extrase din zăcăminte nu îndeplinesc de obicei condiţiile de
calitate impuse de procesul tehnologic de prelucrare şi este necesar să fie supuse unor
operaţii de preparare: modificarea granulaţiei şi concentrarea în component util.
Operaţiile de modificare a granulaţiei realizează reducerea dimensiunilor
substanţelor (mărunţirea), separarea unui material cu granulaţie neomogenă în clase
cu spectru granulometric mai omogen (clasarea), aglomerarea materialelor mărunte
în particule cu dimensiuni mai mari (brichetarea, peletizarea, clincherizarea).
Conţinutul componentelor utile în materia primă, de cele mai multe ori, este
insuficient pentru folosirea efectivă a acestuia, motiv pentru care, înainte de
prelucrare aceasta trebuie supusă unui proces de înnobilare, adică de majorare a
concentraţiei în componente valoroase (utile), prin îndepărtarea unei părţi din steril.
Concentrarea se bazează pe diferenţa dintre anumite proprietăţi fizice şi fizico-
chimice ale componentului utilul şi ale sterilului (densitate, susceptibilitatea
magnetică, capacitatea diferenţiată de încărcare electrostatică, proprietăţi superficial
active).
Evaluarea procesului de concentrare se efectuează în baza unor indicatori
cantitativi ai procesului de concentrare:
Randamentul de concentrare (c) – reprezintă raportul procentual dintre masa
concentratului rezultat de la îmbogăţirea unei materii prime şi masa acesteia.
%100MP
Cc , (1.1)
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
7
unde: C – masa concentratului, kg;
MP – masa materiei prime supuse îmbogăţirii, kg.
Randamentul de extracţie sau extracţia în substanţă utilă (ex) – reprezintă
raportul dintre masa totală a componentei utile din concentrat şi masa componentei
utile în materia primă supusă îmbogăţirii:
%100..
..
MPuC
CuC
exm
m , (1.2)
unde: mC.U.→C – masa componentei utile în concentrat, kg;
mC.U.→MP – masa componentei utile în materia primă supusă îmbogăţirii, kg.
Coeficientul de concentrare (k) a materiei prime – reprezintă raportul dintre
concentraţia procentuală a componentei utile în concentrat şi concentraţia procentuală
a substanţei utile aflată în materia primă supusă îmbogăţirii:
MPuC
CuCk
..%
..%. (1.3)
Concentrarea materiilor solide se poate executa prin aşa metode ca:
concentrarea electromagnetică, electrostatică, prin flotaţie, calcinare etc.
Exemplu de calcul. Ca rezultat al concentrării a 6 t de minereu ce conţinea
2% de zinc, au fost obţinute 350 kg de concentrat, unde conţinutul zincului era de
25%. Calculaţi randamentul în concentrat, cel de extracţie şi coeficientul de
concentrare.
Aplicând formula 1.1, stabilim randamentul în concentrat:
%8,5%1006000
350
kg
kgc .
Masa de zinc în concentrat şi minereu va fi:
kgkg
m MPZn 120%100
%26000
; kg
kgm CZn 5,87
%100
%25350
.
După formula 1.2, determinăm randamentul de extracţie a zincului:
%9,72%100120
5,87
kg
kgex .
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
8
Coeficientul de concentrare se calculează conform formulei 1.3:
orik 5,12%2
%25
1.1. Concentrarea prin flotaţie a sulfurii de cupru
Scopul lucrării: realizarea concentrării prin flotaţie a sulfurii de cupru;
determinarea randamentului de concentrare şi de extracţie; calcularea coeficientului
de concentrare.
Generalităţi. Flotaţia reprezintă metoda de concentrare bazată pe diferenţa
dintre proprietăţile superficiale de umectare cu apă a materialelor.
În funcţie de modul în care se va produce interacţiunea dintre apă şi minereu,
lichidul va „uda” sau nu va „uda” minereul. Substanţele care interacţionează cu faza
lichidă astfel încât se „udă” sunt denumite hidrofile, iar cele care nu se „udă” –
hidrofobe.
Între substanţele hidrofobe şi faza lichidă există forţe de repulsie, care
însumându-se cu forţa ascensională menţin particula hidrofobă în suspensie. În cazul
particulelor hidrofile, forţele de atracţie acţionează în acelaşi sens cu forţa
gravitaţională şi particulele hidrofile se precipită.
Există minerale hidrofobe cum sunt: grafitul, huilele, sulful, sulfurile metalice,
care prezintă flotabilitate naturală; cele mai multe însă (oxizi, silicaţi, sulfaţi,
carbonaţi) sunt hidrofile, astfel încât pentru a le putea flota, este necesară modificarea
proprietăţilor lor superficiale prin adăugarea de reactivi. Aceşti reactivi pot fi
spumanţi, colectori, modificatori etc.
Flotabilitatea naturală a materialelor poate fi îmbunătăţită prin introducerea în
sistem a unei substanţe cu proprietăţi tensioactive care formează suspensii şi spume în
sistem. Aceste substanţe sunt denumite spumanţi. Reactivii spumanţi sunt substanţe
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
9
cu molecule relativ mari, care prezintă un contrast hidrofil-hidrofob prin existenţa în
aceeaşi moleculă a unei componente hidrofobe, formată dintr-un radical organic
derivat de la hidrocarbura n-parafinică şi o grupare funcţională polară, alcoolică,
acidă, aminică etc., cu proprietăţi hidrofile. Grupa polară hidrofilă a spumantului se
orientează spre interfaţa lichidă formată de moleculele de apă, iar radicalul organic
hidrofob se orientează antagonist şi măreşte efectul hidrofob dintre faza lichidă şi cea
solidă, fapt care influenţează flotabilitatea minereurilor. De exemplu, pentru flotaţia
cărbunilor se folosesc, în acest scop, uleiuri minerale hidrofobe care formează
suspensii în apă şi măresc caracterul hidrofob al cărbunilor. Ca spumanţi se folosesc
în general uleiurile minerale, uleiul de terebentină, uleiul de pin, alcoolii alifatici
superiori, esterii alcoolilor inferiori cu acizii superiori etc.
Colectorii sunt substanţe chimice heteropolare care au rolul de a modifica
susceptibilitatea de udare a unor materiale, conferindu-le caracter hidrofob. Aceste
substanţe conţin grupări hidrofobe şi hidrofile şi grupări cu afinitate pentru unele
componente metalice. Partea polară a moleculelor cu afinitate pentru componentele
metalice se orientează spre minereu, iar cea hidrofobă – spre faza apoasă. Suprafaţa
minereurilor se acoperă cu o peliculă hidrofobă care permite ca granulele să fie
antrenate mai uşor într-o mişcare ascensională de separare. În raport cu proprietăţile
lor chimice, reactivii colectori pot fi substanţe tensioactive anionice, acizi carboxilici,
alcooli sulfataţi, xantogenaţi etc. şi tenside cationice dintre care cele mai frecvent
utilizate sunt derivaţii aminelor terţiare.
Pentru mărirea eficacităţii concentrării prin flotaţie, minereul se supune mai
întâi unei mărunţiri fine, urmată de amestecare cu apă şi reactivi de flotaţie şi
barbotarea cu aer. Astfel, particulele hidrofobe aderă la bulele de aer şi se lasă mai
uşor transportate spre suprafaţa apei formând un strat de spumă mineralizată,
particulele hidrofile se sedimentează la fundul aparatului de flotaţie. Sedimentul
hidrofob este numit concentrat de flotaţie, iar cel hidrofil – cozi de flotaţie.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
10
Aparataj, veselă, reactivi: cilindru cu dop, site cu diametrul 0,1-0,05 mm,
mojar de porţelan şi metalic, balanţă analitică, pâlnia Buchner; etuvă; reactiv de
flotaţie (ulei de terebentină sau xantogenat de sodiu, C2H5OCSSNa); minereu sulfidic
sau amestec sulfidic artificial pe bază de sulfură şi nisip.
Pregătirea amestecului sulfitic artificial. Amestecul format din cupru şi sulf, în
raport de masă de 63 : 32, se pune într-o eprubetă şi se încălzeşte până la topirea
sulfului. Procesul este exoterm. Cantitatea de sulf, care nu a interacţionat, se separă
din mediul de reacţie şi se precipită pe pereţii reci ai eprubetei. După ce
interacţionează cea mai mare parte din reactanţi, eprubeta este încălzită până la
temperatura de 200-3000C timp de 3-4 min, apoi amestecul este răcit, iar eprubeta
este spartă. La produsul obţinut după separarea sticlei se mai adaugă 12-15 părţi de
masă de sulf, amestecul este mojarat după care din nou încălzit în eprubetă timp de
5-10 min la aceeaşi temperatură. După finalizarea timpului, eprubeta este spartă,
sulfura de cupru este mojarată până la praf, sitată şi amestecată cu nisip purificat,
astfel ca concentraţia lui în amestec să fie egală cu 90-95%.
Modul de lucru. Se cântăresc 2,5-3 g de minereu de cupru natural sau artificial.
Minereul este trecut într-un cilindru cu volumul de 250-300 ml, unde se adaugă 100-
150 ml de apă şi 2-3 picături de agent de flotaţie. Cilindrul se închide cu dop după
care conţinutul este intens agitat timp de 0,5-1 min, până când la suprafaţă se va
separa o parte din minereu. Peste 1-2 min apa cu minereul separat este turnată atent pe
filtrul pâlniei Buchner, evitând antrenarea cu apă a particulelor de nisip. Deoarece
după prima agitare se separă doar o parte din sulfură, operaţia este repetată de 2-3 ori.
Filtrul cu minereul de sulfură este uscat la temperatura de 80-1000C până la masă
constantă.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
11
Calcule:
a) Randamentul de concentrare:
%100CuS
CuS
cMP
C , (1.1.1)
unde: C – masa concentratului de sulfură de cupru, kg;
MP – masa minereului de sulfură de cupru, kg.
b) Randamentul de extracţie:
%100,
MPCu
CCu
Cuexm
m , (1.1.2)
unde: mCu→C – masa cuprului din concentrat, kg;
mCu→MP – masa cuprului în minereu, kg.
c) Coeficientul de concentrare:
MPCu
CCukCu
%
% . (1.1.3)
Notă: datele despre concentraţia procentuală a sulfurii în minereu sunt oferite
de către profesor. Conţinutul procentual al metalului în concentrat se calculează
matematic, considerând că substanţa filtrată este sulfură de cupru pură.
Tabelul 1.1. Mărimi măsurate şi calculate
Masa
minereului, g
Masa
concentratului, g
Randamentul de
concentrare, %
Randamentul
de extracţie, %
Coeficientul
de extracţie
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
12
Chestionar
1. Definiţi materiile prime.
2. Enumeraţi şi indicaţi scopul operaţiilor de preparare a materiilor prime.
3. Care este principiul metodei de concentrare prin flotaţie?
4. Explicaţi cum acţionează reactivii de flotaţie.
5. Cum este evaluat procesul de concentrare?
6. Aplicaţii de calcul.
1.2. Analiza chimică a gazelor
Scopul lucrării: însuşirea metodei chimice de analiză a gazelor şi realizarea
practică a analizei unui amestec de gaze.
Generalităţi. În industria chimică gazele, fie că sunt utilizate ca materii prime,
fie rezultă ca produse finite. Prelucrarea şi producerea gazelor nu este posibilă fără un
control exact şi rapid al acestora. Pentru analiza amestecurilor de gaze, s-au dezvoltat
şi optimizat mai multe metode fizice, chimice şi fizico-chimice.
Metodele fizice şi fizico-chimice de analiză se caracterizează prin sensibilitate
şi rapiditate, dar necesită echipament complicat şi deseori scump.
Metodele chimice de analiză au o precizie satisfăcătoare, nu necesită instalaţii
complicate, sunt uşor de aplicat, dar prezintă dezavantajul unui timp îndelungat de
analiză.
De exemplu, tuturor le este clară prioritatea metodelor cromatografice de
analiză a hidrocarburilor gazoase. Un amestec complex format din 10-20 componente
se analizează prin metoda cromatografică în 40-50 min, în timp ce prin metoda
chimică, acelaşi amestec necesită 8-10 ore. Însă, în cazurile când amestecul de gaze
conţine 2-4 componente, este convenabil a se folosi metoda chimică de analiză, ce
necesită reactivi uzuali şi o aparatură simplă.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
13
Metodele chimice de analiză au la bază absorbţia selectivă, treptată a
componentelor amestecurilor de gaze, sau, în cazul gazelor carburante, arderea
acestora, urmată de analiza produselor de ardere, care se absorb succesiv în soluţiile
unor reactivi speciali. Pe baza variaţiei de volum, se determină compoziţia gazului.
După scopul urmărit, deosebim o analiză specială şi o analiză generală.
Analiza specială se referă la determinarea compoziţiei industriale ca: gaze de
cocserie, gaz de sinteză, gaze de piroliză, gaze de cracare etc., la fel şi amestecuri de
gaze inerte (Ar, He, Ne ş.a.).
Analiza generală urmăreşte determinarea sumei gazelor acide (CO2, SO2, H2S),
suma hidrocarburilor nesaturate C2-C4, O2, CO şi H2, suma hidrocarburilor saturate
C1-C4 şi a N2.
În analiza generală cele mai întrebuinţate metode sunt următoarele.
Bioxidul de carbon (CO2) se determină prin micşorarea volumului amestecului
de gaze, ca rezultat al interacţiunii lui cu o soluţie de hidroxid de potasiu:
CO2 + 2KOH K2CO3 + H2O (1.1.4)
Cum împreună cu CO2 se absorb toate gazele cu caracter acid (H2S, SO2, SO3),
de fapt, se determină suma acestor gaze.
Hidrocarburile nesaturate se determină prin absorbţia în soluţie apoasă de
brom (apă de brom):
H2C = H2C + Br2 BrH2C – CH2Br (1.1.5)
sau în soluţie de brom şi bromură de potasiu, sau prin absorbţie în acid sulfuric
concentrat.
Oxigenul se determină prin absorbţie într-o soluţie alcalină de pirogalol (1,2,3 -
trihidroxibenzen):
4C6H3(OH)3 + O2 2(OH)3C6H2-C6H2(OH)3 + 2H2O (1.1.6)
sau cu soluţie bazică de hidrosulfit de sodiu (Na2S2O4):
Na2S2O4 + 2NaOH + O2 Na2SO3 + Na2SO4 + H2O (1.1.7)
Na2S2O4 + 2NaOH + 3/2O2 2 Na2SO4 + H2O (1.1.8)
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
14
Oxidul de carbon se determină prin absorbţie în soluţie amoniacală de clorură
cuproasă:
[Cu(NH3)2]Cl + CO [Cu(NH3)2CO]Cl (1.1.9)
ori prin oxidare cu oxidul de cupru (II) la temperatura de 280-2900C:
CuO + CO Cu + CO2 (1.1.10)
Hidrocarburile saturate se determină prin oxidarea cu oxid de cupru (II), la
temperatura de 700-8000C:
CnH2n+2 + (3n+1)CuO nCO2 + (n+1)H2O + (3n+1)Cu (1.1.11)
sau prin ardere în atmosferă de oxigen în prezenţa platinei drept catalizator:
CnH2n+2 + (3n+1)/2CuO nCO2 + (n+1)H2O + Cu (1.1.12)
Cunoscând volumul total al hidrocarburilor saturate, se poate calcula
compoziţia lor. Pentru aceasta se determină numărul carbonic, reprezentând numărul
mediu al atomilor de carbon, efectuând calcule pentru o moleculă CnH2n+2. Când în
amestec este prezentă o hidrocarbură, n este un număr întreg. De exemplu, dacă n=1,
rezultă că hidrocarbura saturată este CH4, dacă n=2, rezultă că hidrocarbura saturată
este C2H6 ş.a.m.d. Dacă se ştie că amestecul conţine doar două hidrocarburi, iar n este
un număr fracţionar, de exemplu n=1,2, rezultă că amestecul este format din 20%
C2H6 şi 80% CH4. În cazul când amestecul conţine câteva hidrocarburi sau compoziţia
calitativă nu este cunoscută, atunci numărul carbonic poate indica prezenţa unor
hidrocarburi, fără a caracteriza conţinutul calitativ al acestuia. De exemplu, dacă n >
2, rezultă că amestecul conţine hidrocarburi cu mai mult de doi atomi de carbon şi
pentru stabilirea compoziţiei exacte este nevoie de metode speciale.
Azotul se determină prin diferenţa dintre volumul de gaz iniţial şi volumul
componentelor absorbite.
De ordinea determinării componentelor în amestec depinde compoziţia
calitativă a acestuia. Se ţine cont ca determinarea unui component să nu interfereze
determinarea celuilalt. De exemplu, soluţia bazică de pirogalol sau cea a
hidrosulfitului de sodiu absorb nu doar oxigenul, dar şi toate gazele acide. În acest
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
15
caz, este necesar de eliminat toate gazele acide înainte de a determina oxigenul.
Soluţia amoniacală a clorurii cuproase intră în reacţie atât cu CO, cât şi cu O2. La
arderea hidrocarburilor saturate pot arde şi cele nesaturate, oxidul de carbon (I) şi alte
gaze.
Pentru prelevarea probelor de gaze şi păstrarea lor ulterioară, sunt utilizate
pipete speciale (cu două robinete) sau gazometrul.
Analizoarele de gaze pot fi manuale sau automatizate. Cele automatizate
realizează analiza continuă a gazelor, iar cele manuale discontinuă.
În prezenta lucrare se va efectua analiza amestecului de gaze – aer, utilizând
gazoanalizatorul manual ГХП-3М.
Aparataj, reactivi, veselă: analizatorul de gaze manual GHP-3M (fig. 1.1),
soluţie bazică de pirogalol sau hidrosulfit de sodiu, soluţie de hidroxid de sodiu, 33%
KOH, apă de brom, soluţie amoniacală de clorură cuproasă.
Prepararea soluţiilor:
– soluţie alcalină de hidrosulfit de sodiu: 50 g de Na2S2O4 se dizolvă în 250 ml
apă distilată, după care se adaugă 40 ml soluţie de hidroxid de sodiu, 42% NaOH;
– soluţie alcalină de pirogalol: se dizolvă 28 g pirogalol în 80 ml apă caldă şi,
după răcire, se adaugă 130 ml soluţie de 33% KOH. Soluţia se izolează de aer cu un
strat subţire de ulei;
– soluţie amoniacală de clorură cuproasă: 25 g de clorură de amoniu se dizolvă
în 75 ml apă distilată, se adaugă 20 g de clorură cuproasă şi se amestecă bine; se
adaugă apoi soluţie de amoniac cu = 0,91 g/cm3 în cantitate egală cu jumătate din
volumul soluţiei iniţiale.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
16
Pregătirea analizorului de gaze pentru analiză. Înainte de a efectua analiza
gazelor, în vasul de nivel 2 se toarnă lichid de umplere (soluţie de 10% H2SO4 sau
soluţie saturată de NaCl colorată cu câteva picături de metiloranj). Deoarece în
lucrarea dată se face analiza amestecului de gaze N2, O2, CO2, gaze inerte (aer), vasele
de absorbţie 6 (I, II şi III) se umplu cu soluţii în ordinea determinării componentelor,
adică vasul I se umple cu soluţie de 33% KOH, vasul II – cu soluţie alcalină de
hidrosulfit de sodiu sau pirogalol, iar cel de al III-lea vas – cu soluţie amoniacală de
clorură cuproasă.
Prin tubul de distribuţie 3, manevrând corespunzător robinetul 5, se face
legătura între atmosferă şi biureta 1. Ridicând vasul de nivel 2, se umple biureta cu
soluţie de umplere. Se închide robinetul 5 după care, deschizând câte unul robinetele
4 şi manevrând corespunzător vasul de nivel 2, se aduce pe rând nivelul soluţiilor din
vasele de absorbţie la semn.
Înainte de a începe determinarea propriu-zisă, se procedează la verificarea
etanşităţi aparatului. Pentru aceasta se umple biureta 1 cu lichid până la cota de sus, se
opreşte legătura dintre biuretă şi atmosferă şi se coboară sticla de nivel pe masa
aparatului. Dacă aparatul este etanş nivelul lichidului rămâne constant.
Fig. 1.1. Schema analizorului de
gaze GHP-3M:
1 – biuretă; 2 – vas de nivel;
3 – tub de distribuţie;
4,5 – robinete; 6 – vase de absorbţie
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
17
Modul de lucru. Deschizând robinetul 5, se face legătura dintre atmosferă şi
biureta 1 şi se aspiră un volum de aer. Se evacuează gazul absorbit în atmosferă. Se
repetă operaţia de aspirare-evacuare de 3 ori, după care biureta se umple cu 100 ml
aer (nivelul soluţiei din biuretă şi sticla de nivel, pusă lângă biuretă, trebuie să fie în
dreptul diviziunii zero a biuretei). Analiza gazului începe cu determinarea
conţinutului de bioxid de carbon. Pentru determinarea CO2, se ridică vasul de nivel 2,
se deschide robinetul vasului de absorbţie I şi manevrând corespunzător vasul de
nivel, se trece gazul alternativ în vasul de absorbţie şi biuretă, repetând trecerea de 4-5
ori. Apoi se aduce gazul în biuretă astfel ca în vasul de absorbţie nivelul soluţiei să
ajungă la semn, se închide robinetul vasului I şi se citeşte volumul gazului din biuretă.
Pentru aceasta se ridică vasul de nivel 2 de-a lungul biuretei 1 până când lichidul din
ambele vase se va afla la acelaşi nivel. Se notează volumul VI. Absorbţia se
efectuează până la volum constant. Dacă diferenţa dintre două măsurări nu vor depăşi
0,2 ml, volumul se consideră constant. În mod similar se face analiza oxigenului şi a
CO, în vasele II şi III, notându-se volumele VII şi VIII.
Rezultatele măsurărilor şi calculelor sunt prezentate în tab. 1.2.
Tabelul 1.2. Rezultatele analizei chimice a unui gaz ce conţine CO2, C2H4 şi O2
Compuşii Calcule
ml % de vol
CO2 100 - VI 100 - VI
O2 VI - VII VI - VII
CO VII - VIII VII - VIII
N2 + inerte VIII VIII
Total 100 100
V – volumul iniţial de gaz introdus în biuretă, 100 ml; VI – volumul de gaz rămas în
biuretă după reţinerea CO2, ml; VII – volumul de gaz rămas în biuretă după reţinerea
O2, ml; VIII – volumul de gaz rămas în biuretă după reţinerea CO, ml.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
18
2. PROCESE ANORGANICE DE BAZĂ
2.1. Producerea acidului sulfuric prin metoda de contact
Scopul lucrării: obţinerea acidului sulfuric; determinarea gradului de conversie
a oxidului de sulf (IV) şi a randamentului global al procesului de producere.
Generalităţi. Dintre acizii minerali, produşi de industria chimică, acidul
sulfuric ocupă primul loc în ceea ce priveşte volumul producţiei şi consumului.
Varietatea mare de utilizări combinat cu costul căzut al fabricaţiei a constituit mobilul
unei asemenea producţii. Practic nu există domeniu al economiei în care acidul
sulfuric şi derivaţii săi să nu fie folosiţi.
Prin metoda de contact (cu utilizarea catalizatorilor solizi) se realizează astăzi
practic întreaga producţie mondială de acid sulfuric. Metoda are avantajul că produce
acid de mare puritate şi de concentraţie ridicată (94-96% H2SO4), chiar oleum (20%
SO3 în H2SO4). Procesul tehnologic de obţinere a acidului sulfuric cuprinde
următoarele etape:
– obţinerea gazelor sulfuroase;
– purificarea gazelor sulfuroase (atunci cînd în calitate de materii prime sunt
utilizate sulfuri ale metalelor);
– oxidarea oxidului de sulf (IV) la oxid de sulf (VI);
– absorbţia SO3 cu formare de H2SO4.
Gazele sulfuroase sunt obţinute la prăjirea cu aer a minereurilor ce conţin sulf:
S + O2 SO2 (2.1.1.a)
4FeS2 + 11O2 8SO2 + 2Fe2O3 (2.1.1.b)
Procesul de ardere este un proces eterogen, deoarece atît reactanţii, cît şi
produşii de reacţie reprezintă faze diferite. Conform legilor cineticii chimice viteza de
reacţie a acestui proces se va mări odată cu creşterea temperaturii procesului,
concentraţiei reactanţilor şi micşorării dimensiunilor particulelor.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
19
Deoarece gazele sulfuroase rezultate din arderea sulfurilor antrenează praf
(oxizi metalici) şi gaze (SO3, As2O3, SeO2, Se, H2O etc.) care pot perturba procesul de
producţie (obturarea conductelor, dezactivarea catalizatorului, procese de coroziune,
etc.) este necesară eliminarea acestor impurităţi. De aceea etapa de oxidare este
precedată de cea de purificare.
Oxidarea catalitică a oxidului de sulf (IV) la oxid de sulf (VI) este una dintre
cele mai importante etape în procesul de fabricare al H2SO4, urmărindu-se atît
realizarea unei conversii cât mai ridicate a SO2, cât şi asigurarea unei viteze de reacţie
mare:
SO2 + ½ O2 SO3 Δ H 0 (2.1.2)
Oxidarea dioxidului de sulf are loc după o reacţie reversibilă exotermă şi cu
micşorare de volum. Deplasarea echilibrului în sensul formării trioxidului de sulf, este
favorizată de scăderea temperaturii şi de creşterea presiunii.
Se observă, din fig. 2.1, că temperatura optimă de oxidare scade cu creşterea
conversiei.
Din acest motiv, oxidarea SO2 nu poate fi realizată în regim izoterm. Practic,
pentru ca procesul să decurgă cu viteză maximă, nu trebuie să se menţină în întreg
stratul de catalizator aceeaşi temperatură. La început, când amestecul reactant este
Fig. 2.1. Variaţia constantei de echilibru
Kp (1) şi a gradului de conversie xe (2, 3, 4,
5) în funcţie de temperatură pentru reacţia
de oxidare a SO2.
2) SO2 – 6,5%; O2 – 11,7%;
3) SO2 – 7,0%; O2 – 11,0%;
4) SO2 – 7,5%; O2 – 10,3%.
5) SO2 – 8,0%; O2 – 9,5%;
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
20
departe de echilibru, este convenabil de a se lucra la temperatură înaltă, iar pe măsura
creşterii conversiei, temperatura trebuie micşorată lent. Astfel, fiecărui grad de
conversie îi corespunde o temperatură la care viteza de reacţie este maximă, aceasta
dă curba temperaturilor optime după care şi este condus procesul tehnologic.
Influenţa presiunii la temperaturile (400-5000C), pentru care se înregistrează
grade de conversie înalte, este neînsemnată, de aceea oxidarea dioxidului de sulf este
realizată la presiunea atmosferică.
Compoziţia iniţială a amestecului gazos la fel influenţează constanta de
echilibru a reacţiei. Dependenţa conversiei de echilibru (xe), în funcţie de temperatură
şi compoziţia iniţială a amestecului (fig. 2.1) denotă că xe creşte odată cu creşterea
concentraţiei iniţiale a O2. S-a stabilit că cea mai convenabilă compoziţie este: 7%
SO2, 11% O2. Concentraţii mai înalte de SO2 conduc la micşorarea gradului de
oxidare, iar pentru conţinuturi mai mici de oxid – se micşorează productivitatea
instalaţiei.
Energia de activare a reacţiei de oxidare a SO2 la SO3 este înaltă, de aceea
oxidarea are loc în prezenţă de catalizator, oxid de vanadiu (V). Catalizatorul
îndeplineşte şi rolul de transportator al oxigenului:
V2O5 + SO2 SO3 + V2O4 (2.1.3)
V2O4 + 1/2O2 V2O5
Ultima fază a procesului de fabricaţie a acidului sulfuric este absorbţia SO3 cu
transformarea lui în acid. Absorbţia oxidului de sulf (VI) cu obţinere de acid sulfuric
este efectuată în soluţie de 98,3% H2SO4. Nu este indicat de folosit în calitate de agent
de absorbţie soluţii mai diluate de acid sau apă, deoarece deasupra acestora presiunea
parţială, la echilibru, a vaporilor de apă este mare. În acest caz, moleculele de SO3
încă neabsorbite vor reacţiona în fază gazoasă cu moleculele de apă formând vapori
de acid sulfuric, care nu sunt absorbiţi de către apă.
Reacţia chimică a procesului de absorbţie este:
H2O + SO3 + n H2SO4 (n+1) H2SO4 (2.1.4)
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
21
Aparataj, veselă şi reactivi: instalaţie de laborator pentru obţinerea acidului
sulfuric (fig. 2.2); baloane cotate şi conice; biurete; pipete; sulf; soluţie de
permanganat de potasiu, 0,1 N KMnO4; soluţie de hidroxid de sodiu, 0,1 N NaOH;
soluţie de acid sulfuric (1:4); indicator fenolftaleină, soluţie alcoolică 0,1%.
Obţinerea catalizatorului. Catalizatorul se obţine prin amestecarea
pentaoxidului de vanadiu (V2O5), fin mărunţit, cu azbest. Pentru mărirea activităţii
catalizatorului, acesta se umectează cu soluţie de 0,5% AgNO3, KNO3 şi Ba(NO3)2, se
usucă şi se calcinează la temperatura de 650-670 0C. Pentaoxidul de vanadiu poate fi
înlocuit cu trioxid de fier, cu dioxid de mangan sau cu trioxid de molibden. Tubul se
umple cu catalizator, dar nu complet, în scopul evitării obturării acestuia.
Modul de lucru. Schema instalaţiei-model pentru obţinerea acidului sulfuric
prin metoda de contact, la scară de laborator este reprezentată în fig. 2.2.
Fig. 2.2. Schema instalaţiei de obţinere a acidului sulfuric:
1, 1 – barbotor cu soluţie de acid sulfuric concentrată; 2 – coloană cu clorură de
calciu; 3 – tub de cuarţ 4 – vas de captare a sulfului; 5 – cuptor electric;
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
22
6 – reactor de oxidare a SO2 la SO3; 7 – milivoltmetru gradat în 0C; 8,8 – absorbere
cu apă; 9 – filtru electric; 10 – bobină de inducţie; 11– acumulator
Arderea sulfului (0,2-0,3 g) are loc în tubul de cuarţ 3, în curent de oxigen (sau
de aer) lipsit de umiditate care este barbotat cu debitul de 1-2 bule/s. Umiditatea este
înlăturată la trecerea curentului de oxigen (sau aer) prin barbotorul cu acid sulfuric
concentrat 1 şi în coloana cu clorură de calciu 2.
După aprinderea sulfului, încălzirea se întrerupe şi se intensifică curentul de
oxigen. Dacă sulful se stinge, atunci tubul 3 se încălzeşte din nou. După arderea totală
a sulfului, prin instalaţie se mai trec câţva litri de oxigen. Vaporii de sulf formaţi în
urma sublimării sulfului sânt reţinuţi, prin răcire, în vasul 4. După uscare în
barbotorul 1, gazul intră în reactorul tubular 6 unde în prezenţa catalizatorului se
produce oxidarea SO2 la SO3. Temperatura necesară procesului este asigurată de
cuptorul electric 5.
Gazele de oxidare sunt absorbite în apa din vasele de barbotare 8. Ceaţa de acid
sulfuric formată este captată de filtrul electric 9, care se conectează imediat după
aprinderea sulfului. În timpul funcţionării normale a filtrului electric, prin tubul de
evacuare a gazului, nu trebuie să se elimine ceaţa de acid sulfuric.
Atenţie! Diametrul tubului pentru arderea sulfului nu trebuie să depăşească 50
mm. La dimensiuni mai mari, se poate produce explozia amestecului de vapori de sulf
cu oxigenul.
Soluţia din vasele de absorbţie 8 se trece cantitativ într-un balon cotat de 250
ml. Vasele se clătesc cu puţină apă care se adaugă în acelaşi balon cu soluţia de acid
sulfuric. Conţinutul balonului se completează până la cotă cu apă distilată şi se agită
bine.
Pentru determinarea acidităţii totale, din balonul cotat se trece cu pipeta o parte
alicotă (50 ml) în balonul Erlenmeyer, se adaugă câteva picături soluţie alcoolică de
0,1% fenolftaleină şi se titrează cu soluţia de 0,1N NaOH, sub agitare uniformă, până
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
23
la apariţia unei coloraţii slab roz. Pentru determinarea conţinutului de acid sulfuros, se
ia o parte alicotă cu volumul de 50 ml, care se acidulează cu 5-6 ml soluţie H2SO4
(1:4) şi se titrează cu soluţie 0,1N KMnO4 până când soluţia capătă o tentă slab roz.
Titrarea se repetă de cel puţin 3 ori pentru a obţine rezultate mai exacte. În calcul se
foloseşte volumul mediu.
Calcule:
a) Randamentul de obţinere a acidului sulfuric se calculează după formula:
/100t
pr
m
m ,
(2.1.5)
în care: mpr – masa practică de acid sulfuric rezultată în producere, g;
mt – masa teoretică de acid sulfuric calculată în baza reacţiilor chimice, g.
Masa practică de acid sulfuric:
424242 2/12/1 SOHMSOHSOHm prpr , (2.1.6)
Numărul de moli de substanţă H2SO4 obţinută practic:
al
totKMnOKMnONaOHNaOH
prV
VNVNVSOHn
44
422/1 , (2.1.7)
în care: VNaOH – volumul soluţiei de 0,1N NaOH consumat la titrarea părţii alicote, l;
VKMnO4 – volumul soluţiei de 0,1N KMnO4 consumat la titrarea părţii alicote, l;
N – concentraţia soluţiilor de titranţi, mol-echiv/(N), l;
Vtot – volumul balonului cotat, l;
Val – volumul părţii alicote, l.
Masa teoretică de acid sulfuric:
4242 SOHMSM
SmSOHmt , (2.1.8)
în care: m(S) – masa de sulf cântărită pentru producerea acidului sulfuric, g;
M(S), M(H2SO4) – masele molare ale sulfului (32,06) şi acidului sulfuric
(98,08), g/mol.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
24
b) Gradul de conversie a SO2 se calculează după formula:
/100
2
1
2
2 SO
SO
m
mx
(2.1.9)
în care: mSO2 (1) – masa oxidului de sulf (IV) care s-a oxidat în oxid de sulf (VI) şi a
condus la obţinerea acidului sulfuric, g;
mSO2 (2) – masa oxidului de sulf (IV) admisă la oxidare, g.
242 2/12/11
2SOMSOHnm prSO ,
23242 2/12/12/12
2SOMSOHnSOHnm prprSO , (2.1.10)
Rezultatele calculelor se introduc în tabelul de mai jos.
Tabelul 2.1. Mărimi calculate
Nr.
d/o
Masa
sulfului, g
Gradul de
conversie a SO2, %
Randamentul
în H2SO4, %
Chestionar
1. Enumeraţi materiile prime şi etapele de producere a acidului sulfuric prin
metoda de contact.
2. Indicaţi ecuaţiile chimice şi condiţiile optime de realizare a fiecărei etape.
3. Descrieţi schema instalaţiei de laborator pentru obţinerea acidului sulfuric.
4. Prezentaţi ecuaţiile chimice care descriu determinările analitice aplicate în
lucrare.
5. Explicaţi formulele de calcul utilizate.
6. Aplicaţii de calcul.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
25
2.2. Producerea acidului azotic diluat
Scopul lucrării: realizarea practică a oxidării catalitice a amoniacului cu
obţinerea acidului azotic diluat; determinarea randamentului global al procesului de
producere.
Generalităţi. Din punctul de vedere al cantităţii fabricate, la nivel mondial,
amoniacul şi acidul azotic se află pe locul al doilea şi, respectiv, al treilea în industria
anorganică, după acidul sulfuric. Amoniacul constituie principala materie primă
pentru obţinerea substanţelor anorganice şi organice cu azot, inclusiv fertilizanţilor
minerali, la fabricarea medicamentelor, coloranţilor, explozivilor etc. După ce a fost
elaborată metoda de sinteză a amoniacului din elemente, amoniacul a devenit materia
primă de bază pentru fabricarea acidului azotic.
Aproximativ 40% din producţia de acid azotic se utilizează la obţinerea
îngrăşămintelor cu azot, la obţinerea coloranţilor sintetici, nitroderivaţilor, maselor
plastice, medicamentelor ş.a.
Obţinerea acidului azotic diluat, bazată pe oxidarea catalitică a amoniacului,
constă în obţinerea oxidului de azot (II), oxidarea acestuia la oxidul superior NO2,
urmată de absorbţia lor în apă, etape care se pot prezenta prin următoarele reacţii:
4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O (2.2.1)
2NO + O2 2NO2 (2.2.2)
3NO2 + H2O 2HNO3 + NO (2.2.3)
Reacţia globală de obţinere a acidului azotic din amoniac se exprimă prin ecuaţia:
NH3 + 2O2 HNO3 + H2O (2.2.4)
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
26
Între amoniac şi oxigen, pe lângă procesul chimic descris de ec. 2.2.1, pot avea
loc şi alte procese descrise de următoarele reacţii:
4NH3 + 3O2 4N2 + 6H2O (2.2.5)
4NH3 + 4O2 2N2O + 6H2O (2.2.6)
Pentru obţinerea acidului azotic cu un randament înalt, trebuie să se asigure
oxidarea amoniacului după ecuaţia 2.2.1. În acest scop, sunt utilizaţi catalizatori care
accelerează în mod selectiv numai viteza acestei reacţii. Asemenea proprietăţi posedă
platina. În industrie sunt utilizate aliajele de platină cu Rh şi Pd confecţionate sub
formă de site şi dispuse unele sub altele, la distanţe mici. Oxidarea se poate realiza la
presiune atmosferică şi la presiuni puţin mai mari decât aceasta.
Reacţia de oxidare a oxidului de azot (II) până la oxid de azot (IV), ecuaţia
2.2.2, fiind reversibilă, exotermică şi cu micşorare de volum, deplasarea echilibrului
va fi favorizat de scăderea temperaturii şi creşterea presiunii.
De obicei, la majoritatea reacţiilor chimice, sporirea temperaturii măreşte viteza
de reacţie, dar, în cazul oxidării NO, se observă o abatere de la regula generală, odată
cu mărirea temperaturii de reacţie, viteza reacţiei scade. Aceasta se explică prin faptul
că mecanismul procesului de oxidare a NO la NO2 decurge cu formarea unui produs
intermediar dimer al oxidului de azot (II), adică:
2NO (NO)2 ΔH 0 (2.2.7)
(NO)2 + O2 2NO2 ΔH 0 (2.2.8)
Formarea dimerului este un proces reversibil, ce decurge cu degajare de căldură, prin
urmare, concentraţia lui în amestecul gazos se micşorează cu mărirea temperaturii.
Acest fapt explică scăderea vitezei oxidării NO la NO2 cu creşterea temperaturii.
Oxidul de azot (IV) format reacţionează cu apa rezultând pe lângă acidul azotic
şi oxid de azot (II):
3NO2 + H2O 2HNO3 + 2NO ΔH 0 (2.2.9)
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
27
Datorită prezenţei unui exces de oxigen în gaze, oxidul de azot (II) se oxidează
la oxid de azot (IV):
2NO + O2 2NO2 (2.2.10)
Aparataj, veselă şi reactivi: instalaţie pentru obţinerea acidului azotic (fig. 2.3);
baloane conice, soluţie de hidroxid de sodiu, 0,05N NaOH; soluţie de acid clorhidric,
0,05N HCl; metiloranj, soluţie 0,1%.
Modul de lucru. Schema instalaţiei de obţinere a acidului azotic prin oxidarea
amoniacului este prezentată în fig. 2.3.
Amestecul aer–NH3 se obţine prin barbotarea aerului printr-o soluţie de 12%
amoniac. Pentru formarea curentului de gaz, se foloseşte un gazometru, conectat cu
barbotorul 4 cu soluţie amoniacală. Amestecul aer–NH3 se usucă într-o coloană cu
hidroxid de calciu solid 5.
Fig. 2.3. Schema instalaţiei de obţinere a acidului azotic
prin oxidarea amoniacului:
1 – gazometru; 2 – vas pentru aprecierea debitului de aer; 3 – recipient cu apă; 4 –
recipient cu soluţie 12% NH3; 5 – coloană de uscare cu Ca(OH)2 solid; 6 – tub de
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
28
cuarţ cu catalizator; 7 – cuptor electric; 8 – termocuplu; 9 – pirometru; 10 – vas de
absorbţie; 11 – coloană de absorbţie; 12 – vas colector pentru soluţia de acid azotic
Se determină preliminar concentraţia amoniacului din amestecul gazos iniţial.
Înainte de încălzirea cuptorului 7, în vasul barbotor 9 se toarnă 20 ml soluţie 0,05N
HCl şi se lasă să treacă prin ea 0,5 l amestec aer–NH3. Excesul de acid se titrează, în
prezenţă de metiloranj, cu soluţie titrată de 0,05N NaOH. Pe baza datelor de la titrare
se calculează cantitatea de amoniac, în g, conţinută într-un litru amestec gazos aer–
NH3.
După această operaţie, se pune în funcţiune cuptorul electric 7, care va încălzi
tubul cu catalizator până la temperatura de 750-800 0C, după care, prin el se trec 0,5 l
amestec aer–NH3. Întrerupând alimentarea cu aer din gazometru, se conectează vasul
barbotator 10, în care s-au adăugat 20 ml apă distilată şi se barbotează, din nou,
amestecul gazos cu debitul de 2-3 bule pe secundă, numărate de barbotatorul 2.
După ce a fost barbotat 1 litru de gaz, se întrerupe alimentarea cu curent a
cuptorului electric 7 şi se deconectează barbotatorul 10. Cantitatea de acid azotic
format se determină prin titrarea cu soluţie de 0,05N NaOH.
Calcule:
Randamentul va fi dat de relaţia:
%100t
pr
m
m , (2.2.11)
în care: mpr – masa de substanţă HNO3 obţinută, g;
mt – masa de substanţă HNO3 calculată după ecuaţia reacţiei, g.
31000
HNONaOHNaOH
pr EVN
m
, (2.2.12)
31000
20HNO
HClHClt E
NVm
. (2.2.13)
în care: 20 – volumul soluţiei martor de 0,05N HCl, ml;
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
29
N – concentraţia soluţiei de hidroxid de sodiu şi acid clorhidric, mol-echiv/l;
E – echivalentul acidului azotic, 63 g/mol.
Chestionar
1. Enumeraţi materiile prime şi etapele de producere a amoniacului şi a acidului
azotic.
2. Indicaţi ecuaţiile chimice şi condiţiile optime de realizare a fiecărei etape.
3. Descrieţi schema instalaţiei de laborator pentru obţinerea acidului azotic.
4. Explicaţi formulele de calcul utilizate.
5. Aplicaţii de calcul.
2.3. Tehnologia îngrăşămintelor chimice.
Producerea azotatului de amoniu
Scopul lucrării: Obţinerea azotatului de amoniu şi calcularea randamentului în
produs.
Generalităţi. Dintre numeroasele elemente indispensabile dezvoltării plantelor,
azotul, fosforul şi potasiul constituie elementele principale sau fertilizante de bază.
În natură are loc circuitul elementelor nutritive în urma căruia ele se întorc în
sol. Astfel de exemplu azotul, aflat în ţesutul plantelor sub formă de combinaţii
organice, după moartea plantelor este mineralizat de către bacterii până la nitrit şi
nitrat şi din nou este asimilat de către plante. Dar cea mai mare parte dintre elementele
nutritive nu se întorc în sol, dar pleacă cu roada. O altă cantitate din elemente sunt
spălate cu apele pluviale.
De aceea introducerea în sol a îngrăşămintelor este una din măsurile
agrotehnice de bază, ce asigură obţinerea unei roade bogate.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
30
Îngrăşămintele chimice sunt substanţe care au în compoziţia lor cel puţin unul
din aceste elemente principale, sub formă asimilabilă pentru plante, într-o cantitate
determinată.
Calitatea îngrăşămintelor se apreciază după conţinutul lor în azot, fosfor şi
potasiu, asimilabil de către plante, exprimat în procente de masă sub formă de % N, %
P2O5 şi, respectiv, % K2O.
Originea îngrăşămintelor chimice poate fi organică sau minerală. Din punct de
vedere tehnologic, îngrăşămintele minerale se clasifică astfel.
Îngrăşăminte simple, care conţin un singur element principal nutritiv (NH4NO3,
NH4NO3+CaCO3, CO(NH)2, NH3(l), NH4)2SO4, NH4Cl, Ca(H2PO4)2·H2O+CaSO4,
Ca(H2PO4)2·H2O, CaHPO4, K2SO4, KCl etc.).
Îngrăşăminte complexe, care conţin două sau mai multe elemente principale
nutritive (NH4H2PO4, (NH4)2HPO4 sau amestecul lor numit „amofos”, KNO3,
nitrofosfaţii (obţinuţi prin atacul direct al fosfaţilor naturali cu acid azotic sau cu
amestecuri de acizi azotic şi fosforic, azotic şi sulfuric etc.).
Îngrăşăminte mixte, rezultate prin amestecarea într-o anumită proporţie a unor
îngrăşăminte simple sau compuse şi care pot fi de diverse tipuri (NP, NPK), în funcţie
de elementele principale nutritive pe care le conţin.
Îngrăşămintele cu azot se obţin prin reacţii de neutralizare a amoniacului cu
acizi minerali:
NH3(g) + HNO3(l) → NH4NO3 (2.3.1)
NH3(g) + H2SO4 (l) → (NH4)2 SO4 (2.3.2)
NH3(g) + CO2(g) → CO(NH2)2 + H2O (2.3.3)
Îngrăşămintele cu fosfor se obţin prin reacţii de descompunere a fosfaţilor
naturali cu acizii minerali (H2SO4, H3PO4, HNO3):
2Ca5(PO4)3F + 7H2SO4 + H2O → 3Ca(H2PO4)2·H2O +7CaSO4 + 2HF (2.3.4)
Ca5(PO4)3F + 7H3PO4 + 5H2O → 5Ca(H2PO4)2·H2O + HF (2.3.5)
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
31
Nitratul de amoniu (NH4NO3) este util aproape pentru toate soiurile de culturi
şi poate fi utilizat în orice soluri. Plantele asimilează cu timpul azotul sub ambele
forme. Nu se recomandă însă utilizarea repetată a NH4NO3, întrucât conferă o
oarecare aciditate solului. Conţine o cantitate relativ mare de azot (35,5 %N), se
încorporează în sol sub formă de granule, în special în regiunile cu climat cald sau
uscat.
Principalele dezavantaje sunt legate de faptul că este higroscopic şi exploziv.
Datorită higroscopicităţii NH4NO3 se aglomerează alcătuind o masă compactă
deosibit de rezistentă.
Azotatul de amoniu cristalizează în 5 forme cristaline, fiecare fiind stabilă
numai în anumite intervale de temperatură. Trecerea dintr-o formă cristalină în alta se
produce cu degajare de căldură şi creştere de volum.
Pentru a-i micşora aciditatea, higroscopicitatea şi tendinţa de aglomerare
NH4NO3 se amestecă cu CaCO3, obţinându-se aşa-numitul nitrocalcar. Prin aceasta
scade conţinutul de azot al îngrăşământului. Alte adaosuri nehigroscopice sunt
caolinul, ghipsul, diatomitul.
Procesul de producere a NH4NO3 e bazat pe neutralizarea acidului azotic cu
amoniac. Neutralizarea este un proces puternic exoterm. Căldura de neutralizare se
utilizează la concentrarea soluţiei de NH4NO3.
Aparataj, veselă şi reactivi: instalaţie pentru obţinerea NH4NO3 (fig. 2.4);
ceşcuţă de porţelan; soluţie amoniacală, 25% NH3; soluţie de acid azotic, 55-60%
HNO3.
Modul de lucru. În vasul 1 se trec 15 ml soluţie de HNO3 (50-60%). Un braţ al
vasului se închide etanş cu un dop de cauciuc înzestrat cu tub pentru evacuarea
gazelor 3. Un capăt al tubului pentru evacuarea gazelor se imersează în soluţia de
acid, celălalt în balonul 2 cu soluţia de 25% NH3. Balonul cu soluţia amoniacală se
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
32
plasează pe baia de apă 4 şi se fixează timpul de la barbotarea primei bule de gaz prin
soluţia de acid. După 15 min se întrerupe barbotarea gazului. Amestecul de reacţie
este trecut într-o ceaşcă de porţelan şi concentrat prin evaporare pe baia de nisip. La
topitura de NH4NO3 obţinută se adaugă stabilizator, sarea Na3[Co(NO2)6]·H2O.
Pentru eliminarea completă a umidităţii, cristalele sunt lăsate pentru 24 h la
temperatura camerei. Se cântăreşte masa produsului obţinut şi se calculează
randamentul lui.
Calcule:
Randamentul se calculează după formula:
%100t
pr
m
m
, (2.3.6)
în care: mpr – masa de substanţă NH4NO3 obţinută, g;
mt – masa de substanţă NH4NO3 calculată după ecuaţia reacţiei, g.
Concentraţia exactă a soluţiei de HNO3 se determină prin titrare cu soluţie de
0,1 N NaOH.
Fig. 2.4. Schema instalaţiei de
obţinere a NH4NO3:
1 – vas sub formă de U; 2 –
balon conic; 3 – tub pentru
evacuarea gazelor; 4 – baia de
apă
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
33
Chestionar
1. Definiţi îngrăşămintele chimice.
2. Prezentaţi clasificarea îngrăşămintelor din punct de vedere tehnologic.
3. Scrieţi ecuaţiile chimice de obţinere a principalelor îngrăşăminte cu azot, fosfor,
caliu.
4. Prezentaţi o caracteristică a îngrăşământului cu azot, NH4NO3.
5. Specificaţi particularităţile tehnologiei de producere a NH4NO3.
6. Aplicaţii de calcul.
3. Tehnologia materialelor de construcţie
3.1. Determinarea plasticităţii materialelor argiloase
Scopul lucrării: însuşirea metodei de determinare a plasticităţii materialelor
argiloase.
Generalităţi. În categoria lianţilor minerali se includ o serie de materiale
naturale sau artificiale, care au proprietatea de a forma împreună cu apa o masă cu
proprietăţi plastice, care apoi, singură sau înglobând alte materiale (nisip, pietriş) se
întăreşte trecând într-o stare rigidă.
Materialele argiloase sunt cele mai răspândite în scoarţa terestră şi s-au format
în natură ca urmare a dezagregării rocilor muntoase silicioase, în special a feldspaţilor
şi a rocilor de mică, sub acţiunea apei şi a bioxidului de carbon.
Din punct de vedere mineralogic, argilele sunt constituite dintr-un amestec de
minerale cu compoziţia chimică variabilă reprezentată prin formula generală:
mAl2O3·nSiO2·pH2O. În compoziţia argilelor predomină silicaţii de aluminiu caolinitul
(Al2[Si2O5](OH)4) şi montmorillonitul (Al2[Si4O10]·nH2O).
Structura lamelară a argilelor şi caracterul puternic hidrofil explică proprietatea
argilelor de a se umfla la umezeală, de a fi plastice şi a putea fi modelate.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
34
Plasticitatea (de la grecescul plastikos – bun pentru modelare) este o
proprietate de mare importanţă tehnologică a argilei.
Prin plasticitatea argilelor se înţelege capacitatea masei argiloase de a lua o
formă prestabilită sub influenţa unei acţiuni exterioare, fără fisuri şi rupturi şi de a-şi
păstra forma după înlăturarea sarcinilor.
Plasticitatea argilelor depinde de o serie întreagă de factori, dintre care cei mai
importanţi sunt: compoziţia mineralogică, dimensiunile particulelor şi ale
impurităţilor, forma şi caracterul suprafeţei lor, umiditatea. Argilele caolinitice se
caracterizează prin plasticitate mică, iar cele montmorillonitice – prin plasticitate
înaltă. Cu cât este mai mare gradul de dispersiune al particulelor, cu atât creşte
plasticitatea argilei. Argila are o plasticitate mai mare atunci când în compoziţia ei
granulometrică predomină particulele de formă plată.
Argilele cu plasticitate mare se numesc grase, iar cele puţin plastice – slabe.
În funcţie de proprietăţile materialului iniţial şi de tipul produselor, este
necesară mărirea sau diminuarea plasticităţii argilelor. Plasticitatea argilelor poate fi
micşorată prin adăugarea degresanţilor: şamotă, cuarţ, feldspat etc. Pentru a mări
plasticitatea argilelor, se procedează la dezagregarea lor şi dospirea masei, se adaugă
electroliţi şi coloizi organici sau argile foarte plastice.
Pentru caracterizarea cantitativă a plasticităţii se folosesc aşa-numitele numere
de plasticitate. După numerele de plasticitate, argilele se clasifică în felul următor
(Tab. 3.1.).
Numerele de plasticitate se calculează ca diferenţa dintre umiditatea
pastei de argilă la limita de curgere şi la hotarul de întindere:
.... ihcl WWP , (3.1.1)
în care: Wl.c. – umiditatea pastei de argilă ce corespunde limitei de curgere, %;
Wh.i. – umiditatea pastei de argilă ce corespunde hotarului de întindere, %.
Limita superioară de umiditate la care argila îşi păstrează proprietăţile plastice
se defineşte ca limita de curgere. La mărirea în continuare a umidităţii, masa de argilă
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
35
pierde capacitatea de a-şi menţine forma. Limita inferioară de umiditate la care pasta
de argilă îşi manifestă plasticitatea se numeşte hotarul de întindere. Mai jos de această
limită pasta de argilă devine fragilă.
Tabelul 3.1. Clasificarea argilelor după plasticitate
Categoria Numărul de plasticitate Plasticitate
I 25 înaltă
II 15-25 medie
III 7-15 moderată
IV 3-7 mică
V 1 fără plasticitate
Aparataj, veselă şi reactivi: aparatul Vasiliev (fig. 3.1); ceşcuţă de porţelan;
argilă; cuptor electric, balanţă tehnică; apă.
Modul de lucru
a) Determinarea plasticităţii materialelor argiloase (metoda standard)
Se cântăresc 250-350 g de argilă, care se mărunţeşte în mojar şi se cerne prin
sita nr. 025. Din argila cernută şi uscată se cântărește o probă cu masa de cca 50 g
care este trecută în capsula de porţelan 1. Se adaugă apă distilată până la obţinerea
unei mase omogene. Din pasta obţinută se modelează un strat cu grosimea de 10-15
mm. Cu ajutorul unui cuţitaş se taie stratul în două părţi egale, astfel ca lăţimea liniei
de tăiere să fie de 2,5-3 mm la suprafaţă şi 1 mm la fundul ceşcuţei. Ceaşca de
porţelan se pune pe suportul 2 şi se fixează cu clame. Se ridică bara metalică mobilă 3
la înălţimea de 75 mm şi se fixează cu ajutorul şurubului 6.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
36
Se declanşează căderea liberă a capsulei prin deşurubarea şurubului. La lovirea ceștii
de porţelan de placă, distanţa dintre cele două părţi se micşorează. Operaţia se repetă
de 3 ori. După fiecare operaţie se analizează mărimea tăieturii sub becul electric.
Determinarea se consideră finalizată atunci când cele două părţi de pastă se unesc la a
treia cădere. Dacă unirea nu se produce, rezultă că masa de argilă este prea densă şi la
ea se adaugă apă şi operaţia se repetă de 3 ori. Dacă părţile se lipesc după prima sau a
doua cădere, rezultă că pasta de argilă este prea fluidă şi atunci se adaugă argilă, după
care operaţia se repetă din nou de 3 ori. Se adaugă sau apă, sau argilă până se obţine o
masă de consistenţă normală, adică ambele părţi ale pastei se alipesc după a treia
cădere. Pentru a stabili umiditatea pastei cu limita de curgere, din masa cu consistenţă
normală se cântăreşe o probă de 10-15 g care se usucă, la temperatura de 105-1100C,
până la masă constantă.
Pentru determinarea hotarului de întindere, la masa rămasă în ceaşcă se adaugă
argilă uscată, se omogenizează până la o consistenţa când nu se lipeşte de degete şi se
trece pe o sticlă sau o bucată de linoleum, unde manual se întinde un fir cu diametrul
de aproximativ 3 mm. Firul se întinde până când începe să se rupă în bucăţi. Bucăţile
de pastă de argilă se trec într-o fiolă şi se usucă, la temperatura de 100-1050C, până la
masă constantă.
Fig. 3.1. Aparatul Vasiliev:
1 – capsulă de porţelan; 2 – suport
pentru capsula de porţelan; 3 – bară
metalică mobilă; 4, 5 – gheare de fixare
a barei mobile; 6 – şurub; 7 – stativ;
8 – masa stativului
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
37
Calcule:
Umiditatea (relativă sau absolută) se determină după relaţiile:
%10002
21.
mm
mmU abs , (3.1.2)
unde: m0 – masa fiolei gol, g;
m1 – masa fiolei cu proba de argilă umedă, g;
m2 – masa fiolei cu proba de argilă uscată, g.
Rezultatele analizelor se trec în tabelul de mai jos.
Tabelul 3.2. Determinarea numerelor de plasticitate
Starea pastei
de argilă
Masa creuzetului,g Umiditatea
relativă/
absolută, %
fără
probă
cu probă
până la
uscare
după
uscare
Limita de curgere
Hotarul de
întindere
Chestionar
1. Definiţi plasticitatea argilelor.
2. Numiţi şi caracterizaţi factorii care influenţează plasticitatea.
3. Cum se clasifică argilele după plasticitate?
4. Cum se determină plasticitatea argilelor?
3.2. Obţinerea varului şi analize asupra sa
Scopul lucrării: obţinerea varului, determinarea conţinutului în oxizi activi şi a
vitezei de stingere.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
38
Generalităţi. Varul este un liant, care se obţine prin arderea calcarelor, la
temperatura de 1000-1200 0C.
Calcarele sunt roci sedimentare, al cărui component principal este carbonatul de
calciu (CaCO3). Bucăţile de calcar, aduse la granulaţia cerută de procesul tehnologic,
se introduc în cuptoarele de ardere împreună cu combustibilul, unde se ard până la
decarbonatare completă. La calcinarea calcarelor, în funcţie de compoziţia materiei
prime, pot avea loc următoarele reacţii chimice endoterme:
CaCO3 CaO + CO2 ΔH 0 (3.2.1)
MgCO3 MgO + CO2 ΔH 0 (3.2.2)
Regimul termic al procesului este asigurat de diferiţi combustibili (cocs,
antracit, gaz-metan):
C + O2 CO2 ΔH < 0
CH4 + O2 CO2 + 2H2O ΔH < 0 (3.2.3)
Produsul de ardere, varul în bulgări numit şi var nestins nu se foloseşte ca atare
în construcţii. Pentru a putea fi utilizat, varul se stinge, adică se amestecă cu apă.
Varul stins sau hidratat se prezintă ca un produs obţinut în urma stingerii
varului sub formă de bulgări cu apă, proces ce are loc cu o degajare mare de căldură,
după reacţia:
CaO + H2O Ca(OH)2 ΔH < 0 (3.2.4)
Stingerea varului se face: în praf cu 33% apă sau în pastă cu 200% apă.
Priza aeriană a laptelui de var, Ca(OH)2, se realizează prin transformarea în
carbonat de calciu la interacţiunea cu bioxidul de carbon din aer:
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O (3.2.5)
Aparataj, reactivi şi veselă: ceşcuţă de porţelan; sită, cuptor de calcinare;
balanţă analitică; balon conic; reşou electric; soluţie 1N HCl; indicator fenolftaleină,
soluţie alcoolică 0,1%.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
39
Modul de lucru
a) Obţinerea varului
O masă de 10 g calcar mojarat şi cernut prin sita cu ochiuri de 0,5-1 mm este
trecut într-o ceaşcă de porţelan, care se plasează în cuptorul de calcinare. Se porneşte
încălzirea şi se măreşte treptat temperatura până se atinge valoarea de 9000C. Calcarul
se ţine timp de 1 oră în cuptor, după care este extras, trecut pe o placă de ceramică şi
lăsat să se răcească.
Se cântăreşe masa produsului obţinut.
b) Determinarea conţinutului în oxizii activi de calciu şi magneziu
Prin conţinutul în oxizi activi, notaţi obişnuit sub forma (CaO+MgO) se
înţelege conţinutul de părţi utile în var alcătuite din oxizii şi hidroxizii de calciu şi
magneziu exprimaţi în echivalent de CaO.
Determinarea oxizilor activi (CaO+MgO) se face prin fierberea în apă, timp de
10 min, a unei probe de var cu masa de 0,75 g într-un vas conic cu 150 ml apă
distilată fiartă (pentru eliminarea CO2). Prin fierbere, oxizii liberi reacţionabili
conţinuţi în probă sunt transformaţi în hidroxizi de calciu şi magneziu. Se lasă în
repaus conţinutul balonului pentru a se răci, apoi se titrează cu soluţie 1 N HCl în
prezenţa indicatorului fenolftaleina, până când culoarea roz nu reapare timp de 5 min.
Titrarea se efectuează, agitând continuu conţinutul vasului conic. Se citeşte pe biuretă
volumul de soluţie acid clorhidric 1 N folosit la titrare.
Conţinutul în oxizi (CaO+MgO) activi este dat de relaţia:
10002804,0
%
m
VMgOCaO
activi , (3.2.6)
în care: V – volumul de HCl 1N folosit la titrare, ml;
m – masa probei, g;
0,02804 – echivalentul de CaO al unui mililitru de acid clorhidric 1N, g.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
40
c) Determinarea vitezei de stingere a varului
Se cântăresc la balanţa tehnică 10 g de var mojarat. Se introduce varul în
paharul interior al instalaţiei pentru determinarea vitezei de stingere, unde preliminar
au fost adăugaţi 20 ml apă (cu temperatura de 200C). Paharul se acoperă cu un dop de
cauciuc înzestrat cu un termometru. Se înregistrează temperatura peste fiecare 30 sec.,
până când se obţine o temperatura maximă.
Drept viteză de stingere se consideră timpul de la introducerea probei de var în
paharul cu apă şi până la momentul atingerii temperaturii maxime.
În dependenţă de viteza de stingere, varul se împarte în:
– var cu stingere rapidă (t 8 min);
– var cu stingere medie (t 25 min);
– var cu stingere lentă (t 25 min).
Chestionar
1. Caracterizaţi materiile prime antrenate la producerea varului.
2. Explicaţi condiţiile optime de obţinere a varului stins.
3. Indicaţi ecuaţiile chimice ce descriu obţinerea varului în bulgări şi a celui stins şi
ecuaţia de priză a varului.
4. Aplicaţii de calcul.
Fig. 3.2. Instalaţie pentru
determinarea vitezei de stingere:
1 – termometru; 2 – dop de cauciuc;
3 – pahar interior;
4 – material termoizolant;
5 – paharul exterior
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
41
3.3. Obţinerea sticlei uşor fuzibile
Scopul lucrării: de a obţine o sticlă uşor fuzibilă în sistemul SiO2-B2O3-PbO;
de a calcula randamentul procesului şi de a stabili formula chimică a sticlei obţinute.
Generalităţi. Sticlele se obţin, în general, prin topirea unui amestec de materii
prime în raporturi cantitative determinate.
Din punct de vedere chimic, din compoziţia sticlelor fac parte trei grupe de
oxizi. Oxizii acizi (SiO2, B2O3, P2O5), care prin topire se transformă în materiale
vitroase. Ce de al doilea grup este reprezentat de oxizii metalelor alcaline (Na2O,
K2O, Li2O), care au rolul de a coborî temperatura de formare a sticlei. Oxizii
metalelor alcalino-pământoase şi grele (CaO, MgO, BaO, PbO) conferă anumite
proprietăţi chimice şi mecanice sticlei.
Cele mai întrebuinţate sunt sticlele obişnuite care conţin cei mai accesibili şi
ieftini oxizi. Compoziţia unor astfel de sticle este exprimată aproximativ prin formula:
Na2O·CaO·6SiO2.
La fabricarea sticlei, materiile principale le constituie nisipul de cuarţ (SiO2),
calcarele (CaCO3) şi soda calcinată (Na2CO3). Pentru a obţine sticlă cu anumite
proprietăţi, se aleg oxizii în cantităţile corespunzătoare. Conţinutul în SiO2 al sticlelor
este de 60-75%, cu excepţia unor sticle speciale, a cristalului, în care conţinutul SiO2
este inferior acestui procent şi a sticlei de cuarţ, care este alcătuită numai de cuarţ.
Proporţiile uzuale în care intră Na2O în compoziţia sticlelor sunt de 12-16%, iar de
CaO poate fi şi chiar depăşi 14%.
Pentru producerea altor sortimente de sticlă mai sunt utilizate aşa materii prime
ca: H3BO3, Na2B4O7·10H2O, H3PO4, K2CO3, Li2CO3, CaMg(CO3)2, BaCO3, BaSO4,
PbO, Pb3O4 etc.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
42
Pe lângă materiile indicate, în toate şarjele se introduc 20-30% spărturi de
sticlă, corespunzător exact în compoziţie cu masa de sticlă fabricată, ceea ce
accelerează mult topirea şarjei.
În amestecurile de topire se introduc şi materii pentru a modifica culoarea,
transparenţa, fie pentru a accelera procesul de topire. Sticla colorată se obţine
adăugând în încărcătură coloranţii corespunzători. În acest scop, se întrebuinţează de
cele mai multe ori oxizii diferitelor metale, ca oxizii de fier (II, III), de mangan (II,
III), de nichel, de cobalt etc. Dacă materialele iniţiale sunt impurificate cu oxizi de
fier, care dau sticlei o nuanţă gălbuie sau verzuie, se adaugă în încărcătură aşa-numiţii
decoloranţi. Aceştia din urmă au rolul de a înlătura culoarea imprimată sticlei de
oxizii fierului. Acest proces se realizează pe două căi: prin oxidarea FeO la Fe2O3,
care are o acţiune colorantă mai slabă sau prin compensarea culorii imprimate de
oxizii de fier prin culori complementare (roşu, violet, oranj) date de alte substanţe (Se,
MnO, NiO etc.) Pentru îndepărtarea gazelor din topitura de sticlă (limpezirea sticlei)
sunt utilizate substanţe (As2O3, NaNO3, KNO3), care prin degajarea unei cantităţi de
gaze măresc dimensiunile bulelor existente în topitură şi accelerează astfel ridicarea
lor spre suprafaţa topiturii.
Sticla se obţine în cuptoare de diferite construcţii, cu acţiune periodică sau
continuă. Cuptoarele cu acţiune discontinuă se utilizează în cazul producţiilor mici de
sticlă de calitate. Obţinerea celorlalte sticle se realizează în cuptoare cu acţiune
continuă, care au o capacitate de producţie mult mai mare. Cuptoarele de producere a
sticlelor se încălzesc cu gaz metan.
În timpul topirii materiilor prime, au loc o serie de reacţii pirochimice,
însumându-le, obţinem ecuaţia globală a procesului:
Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 Ct 015001400 Na2O·CaO·6SiO2 + 2CO2 (3.3.1)
Reactivi, aparataj şi veselă: nisip de cuarţ; acid boric; oxid de plumb (II);
balanţă analitică; creuzet; cuptor electric.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
43
Modul de lucru. Se alege o compoziţie de sticlă (la indicaţia profesorului) din
tabelul de mai jos.
Tabelul 3.3. Compoziţii de sticle uşor fuzibile
Nr.
d/0
Compoziţia, % Temperatura
de topire, 0C PbO B2O3 SiO2
1 84,5 11,0 4,5 484
2 86,0 10,6 3,4 486
3 87,5 11,4 1,1 488
4 75,0 15,0 10 540
5 92,7 7,3 - 565
6 86,6 13,4 - 497
7 93,7 6,3 - 560
8 61,4 38,6 - 768
9 70,4 - 29,6 732
10 88,1 - 11,9 723
Se calculează cantităţile de materii prime necesare pentru a obţine 1 g de sticlă.
Se aduc materiile prime la granulaţia cerută prin mojarare şi cernere prin sita cu
ochiurile de 0,1 mm. Se cântăresc la balanţa analitică, cu precizia ± 0,01 g, cantităţile
necesare de substanţe.
Materiile prime se trec într-un creuzet de calcinare unde se omogenizează, după
care şarja se introduce în cuptorul încălzit la temperatura ce corespunde temperaturii
de obţinere a sticlei şi se ţine timp de cca o oră. După finalizarea procesului de topire,
conţinutul creuzetului se trece pe o placă de ceramică. Se cântăreşe masa sticlei
obţinute.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
44
Calcule:
a) Se calculează randamentul procesului după formula:
%100
t
pr
m
m , (3.3.2)
în care: mpr – cantitatea de sticlă practic obţinută, g;
mt – cantitatea de sticlă calculată teoretic, g.
b) Formula sticlei obţinute se stabileşte astfel.
De exemplu, pentru compoziţia nr.1 din tabel. Masa sticlei preconizată pentru
obţinere este de 1g, atunci masele oxizilor din compoziţia sticlei vor fi egale:
m(PbO) = 1 · 0,845 = 0,845 g; m(B2O3) = 1 · 0,11= 0,11 g;
m(SiO2) = 1 · 0,045 = 0,045 g
Calculăm cantitatea de substanţă pentru aceşti oxizi:
PbOM
PbOm ; mol
molg
g 31078,3/2,223
845,0
32
32
OBM
OBm ; mol
molg
g 31058,1/62,69
11,0
2
2
SiOM
SiOm ; mol
molg
g 31075,0/08,60
045,0
Raportul dintre cantităţile de substanţă sunt: 75,0:58,1:78,3)(:)(: 232 SiOOBPbO .
Împărţind partea dreaptă a egalităţii la cel mai mic număr (0,75), obţinem:
0,1:1,2:04,5)(:)(: 232 SiOOBPbO .
Deoarece în formulele combinaţiilor chimice, de obicei se utilizează coeficienţi
întregi, atunci formula chimică a sticlei obţinute este: PbOOBSiO 52 322 .
Chestionar
1. Indicaţi materiile prime şi rolul lor în producerea sticlei.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
45
2. Cum este alcătuită o şarjă de materii prime pentru obţinerea sticlei cu anumite
proprietăţi?
3. Explicaţi cum decurge procesul de formare a sticlei în cuptoare.
4. Aplicaţii de calcul.
3.4. Obţinerea cretei prin metoda cu var
Scopul lucrării: obţinerea cretei sintetice şi calcularea randamentului
procesului.
Generalităţi. Unul dintre cele mai utilizate materiale de umplutură pentru
producerea diferitelor materiale compozite este carbonatul de calciu (CaCO3) fin
dispersat atât de provenienţă naturală, cât şi sintetică. Dintre alte utilizări ale CaCO3
în industria chimică putem menţiona: pigmentul de colorare sau de corecţie a culorii,
adaosul pentru mărirea stabilităţii la uzură, temperatură şi alţi factori atmosferici,
reglator al proprietăţilor reologice, conferind materialelor proprietăţi termoizolante.
Din cantitatea de CaCO3 consumată de industria chimică, cea mai mare parte,
în jur de 55%, revine calităţii de material de umplutură. Dintre rocile naturale ale
carbonatului de calciu – creta, calcarul şi marmura – cel mai frecvent utilizată pentru
obţinerea CaCO3 sintetic este creta. Aceasta se datorează faptului că în natură există
rezerve importante de acest zăcământ, procesul de extracţie nu prezintă dificultate,
duritatea redusă (duritatea după scara lui Mohr – 1) diminuează impactul asupra
instalaţiilor de prelucrare. Printre neajunsuri putem enumera gradul de alb redus
(84%-86%), comparativ cu alţi carbonaţi naturali, de exemplu marmora (94-96%) şi
agregarea particulelor chiar şi la umidităţi reduse. Deficienţa de alb este înlăturată
prin adăugarea de TiO2, iar adaosurile hidrofobe (acid stearic, stearat de calciu)
înlătură tendinţa de agregare.
Pentru utilizările industriale, creta este obţinută prin două procedee:
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
46
– mărunţirea zăcămintelor naturale de cretă;
– prin precipitare chimică.
S-a stabilit că carbonatul de calciu sintetic posedă proprietăţi mai bune de
material de umplutură comparativ cu cel natural, deoarece pe cale sintetică se atinge o
granulaţie mai fină a produsului, iar fineţea este cea mai importantă caracteristică a
materialului de umplutură.
Toate tehnologiile de producere a CaCO3 sintetic se bazează pe prelucrarea
carbonaţilor naturali prin metode fizico-chimice (arderea calcarelor) şi chimice
(solubilizarea CaCO3 cu acizii minerali HCl sau HNO3) cu obţinerea de suspensii sau
soluţii ce conţin ioni de Ca2+ şi precipitarea acestora sub formă de carbonat.
Metoda clasică de producere a cretei sintetice este procedeul cu var şi implică
următoarele etape:
– arderea calcarelor de calitate joasă:
CaCO3 CaO + CO2 (3.4.1)
– stingerea varului
CaO + H2O Ca(OH)2 (3.4.2)
– carbonatarea soluţiei de hidroxid de calciu cu CO2 rezultat de la prima etapă:
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O (3.4.3)
În lucrarea de faţă se va obţine creta prin procedeul cu var.
Aparataj, reactivi, veselă: instalaţie pentru obţinerea cretei (fig. 3.3), soluţie de
carbonat de sodiu,10% Na2CO3, soluţie de H2SO4 (conc.), soluţie acid clorhidric (1 :
1), marmură, var.
Modul de lucru. Se prepară o suspensie de 10% var, care se lasă în repaos până
temperatura ei devine constantă. Bioxidul de carbon necesar carbonatării suspensiei
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
47
de var se obţine cu ajutorul aparatului Kipp (1, 2, 3) la descompunerea marmurei cu
soluţie de acid clorhidric (1 : 1).
Fig. 3.3. Instalaţie pentru obţinerea cretei chimic pure:
1,2, 3 – Aparatul Kipp: 1 – zona de captare a CO2; 2 – zona de obţinere a CO2;
3 – pâlnie pentru soluţia de HCl; 4 – robinet; 5 – vas cu soluţie 10% Na2CO3; 6 – vas
cu soluţie concentrată de H2SO4
Bioxidul de carbon rezultat este purificat şi uscat la trecerea prin soluţia de 10%
Na2CO3 şi soluţia de H2SO4 (conc.). Barbotarea bioxidului de carbon prin suspensia
de var se efectuează până pH-ul soluţiei atinge valoarea de 8,4-8,5 (se verifică cu
hârtie de indicator universal). Creta obţinută se separă din suspensie prin filtrare.
Filtrul cu sediment se pune în cuptor la uscare (1050C) până la masă constantă, apoi se
cântăreşe masa precipitatului.
Se calculează randamentul procesului de obţinere a cretei chimic.
%100t
pr
m
m , (3.4.5)
în care: mpr – masa de cretă practic obţinută, g;
mt – masa de cretă calculată după ecuaţia reacţiei, g.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
48
Chestionar
1. Numiţi domeniile de utilizare ale carbonatului de calciu.
2. Caracterizaţi zăcămintele naturale ale carbonatului de calciu.
3. Care este principiul metodei cu var de obţinere a cretei.
4. Descrieţi cum se realizează în condiţii de laborator această producere.
4. Coroziunea. metode de prevenire a coroziunii
4.1. Coroziunea electrochimică a metalelor
Scopul lucrării: determinarea coroziunii, vitezei de coroziune şi a indicelui de
penetraţie pentru aliajul fierului oţel.
Generalităţi. Coroziunea este o reacţie eterogenă redox care conduce la
distrugerea parţială sau totală a metalelor şi aliajelor.
Principala cauză a coroziunii este instabilitatea termodinamică a metalelor şi
aliajelor. Cea mai mare parte a metalelor în natură se află în formă oxidată: oxizi,
sulfuri, carbonaţi etc. Industria metalurgică reduce metalele din compuşii lor naturali.
În timpul exploatării, produsele din metale şi aliaje venind în contact cu componentele
mediului ambiant sau cele chimice trec uşor în starea oxidată (r. 1), care este mai
stabilă, având o stare energetică mai joasă:
M0 ze M z + (4.1.1)
Coroziunea este un fenomen nedorit, deoarece produce pagube imense în toate
domeniile de activitate. Consecinţele economice negative generate de coroziune sunt
denumite „costul coroziunii”. Acesta include pierderile directe (înlocuirea agregatelor
şi pieselor corodate, supradimensionarea utilajelor, utilizarea de materiale scumpe, dar
rezistente la coroziune) şi pierderile indirecte mai mari şi mai greu de apreciat
(cheltuieli suplimentare legate de stagnarea procesului de fabricaţie pentru repararea
şi înlocuirea pieselor corodate, produse compromise prin impurificare cu produşi de
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
49
coroziune, alterarea materialelor în industria chimică, farmaceutică şi alimentară). La
acestea se mai adaugă, ca o consecinţă nefastă, distrugerea accelerată şi neprevăzută a
unor instalaţii ce pot produce grave accidente.
În practicǎ, fenomenele de coroziune sunt, de obicei, extrem de complexe şi
apar sub cele mai diferite forme, din acest motiv clasificarea proceselor de coroziune
se face după mai multe criterii.
După aspectul sau felul distribuţiei atacului, coroziunea poate fi generală sau
localizată. Coroziunea generală poate fi uniformă sau aproape uniformă când
întreaga suprafaţă metalică se distruge cu aceeaşi viteză (sau cu viteze apropiate) şi
este afectată întreaga suprafaţă a metalelor. Exemple de acest tip regăsindu-se în cazul
proceselor de oxidare, de dizolvare activă în acizi, de oxidare anodică şi pasivare, de
coroziune atmosferică. Coroziunea localizată este prezentă în cazurile în care anumite
zone de pe suprafaţa materialului metalic se corodează cu viteze mai mari decât alte
zone, datorită existenţei unor neomogenităţi prezente în material sau mediu, adică
sunt afectate doar anumite zone din suprafaţă.
După mecanismul de desfăşurare a procesului de coroziune, adică după natura
agentului agresiv, se deosebesc următoarele tipuri de procese: coroziune chimică şi
electrochimică. Coroziunea chimică reprezintă procesul de distrugere a metalelor şi
aliajelor în urma reacţiilor eterogene, ce se desfăşoară la suprafaţa acestora în contact
cu un gaz corosiv, la temperatură ridicată sau în neelectroliţi. Cazuri tipice de
coroziune chimică sunt considerate procesele de oxidare a metalelor şi aliajelor la
temperatura de peste 1000C, adică în condiţii în care apa lichidă nu este prezentă în
mod obişnuit. Cazul de coroziune gazoasă cel mai des întâlnit este interacţiunea
metalului cu oxigenul. Alte gaze care pot provoca acest tip de coroziune sunt: vaporii
de apă, CO2, H2, compuşii clorului, sulfului, oxizii de azot. De exemplu, la
temperaturi mai mari de 7000C pot avea loc procese de decarburare a fontei şi
oţelului:
Fe3C + O2 3Fe + CO2 (4.1.2)
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
50
Fe3C + H2O 3Fe + CO + H2 (4.1.3)
Fe3C + CO2 3Fe + CO (4.1.4)
Fe3C + H2 3Fe + CH4 (4.1.5)
Coroziunea electrochimică este cauzată de apariţia şi funcţionarea pilelor
galvanice, în care impurităţile din metal funcţionează ca microcatozi, în timp ce
metalul funcţionează ca anod. Deci, pe suprafaţa metalului se desfăşoară două tipuri
de reacţii paralele şi simultane, legate între ele printr-un bilanţ riguros de electricitate.
O reacţie anodică de ionizare a metalului:
M M z + + ze− sau M + 2H2 O → M(OH)2 + 2H + + 2e− (4.1.6)
O reacţie catodică de preluare a electronilor de către un acceptor de electroni
existent în soluţie. În soluţii apoase, de regulă, oxidanţii sunt ionii de hidrogen şi
oxigenul dizolvat:
în mediu acid în mediu alcalin şi neutru
2H+ + 2e− H2 ;
O2 + 4H+ + 4e− 2H2O
OHOHO e 42 4
22
2H2O + 2e− H2 + OH- (4.1.7)
Din această categorie de coroziune fac parte, în special, coroziunea în soluţii de
săruri, baze şi acizi.
Rezistenţa la coroziune se exprimă prin scări convenţionale (tab. 4.1).
Metalele utilizate în construcţia de maşini şi agregatelor care lucrează în medii
corosive trebuie să prezinte o micşorare a grosimii prin coroziunea mai mică de 1
mm/an.
În problemele practice de coroziune, este importantă cunoaşterea vitezelor reale
cu care se desfăşoară procesul. Dacă procesul de coroziune are o viteză de desfăşurare
foarte mică, se poate considera că materialul este rezistent la coroziune. Coroziunea se
poate aprecia cantitativ prin calcularea vitezei de reacţie.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
51
Tabelul 4.1. Scara convenţională a rezistenţei la coroziune a materialelor
Grupa de rezistenţă Penetraţia, mm/an Coeficientul de stabilitate
Perfect stabile 0,001 1
Foarte stabile 0,001 – 0,005 2
3
Stabile, bine utilizabile 0,01 – 0,05
0,05 – 0,1
4
5
Oarecum rezistente 0,1 – 0,5 6
0,5 – 1,0 7
Foarte puţin rezistente 1 – 5 8
5 – 10 9
Nerezistente peste 10 10
Parametrul de evaluare cantitativă a proceselor de degradare a metalelor şi
aliajelor este viteza de coroziune (Vcor) care stabileşte ritmul de corodare a unui metal
sub influenţa agentului corosiv.
În lucrarea de faţă, se va studia coroziunea electrochimică pe exemplul
coroziunii oţelului în mediul acid.
Aparataj, veselă şi reactivi: instalaţie (fig. 4.1); piesa de oţel; hârtie abrazivă;
hârtie de filtru; acetonă, soluţie de H2SO4, 20%.
Modul de lucru. Reacţiile de coroziune în mediu acid sunt însoţite de degajarea
hidrogenului, a cărui volum este dependent de cantitatea de metal corodat. De aceea,
pentru determinarea vitezei de coroziune, este utilizată metoda volumetrică. Schema
instalaţiei pentru determinarea vitezei de coroziune prin metoda volumetrică este
prezentată în fig. 4.1.
Se măsoară dimensiunile probei metalice. Se curăţă proba cu hârtie abrazivă,
pentru a înlătura produsele de coroziune şi se degresează cu un solvent organic. Se
fixează modelul testat 4 pe suportul 3 şi se introduce în vasul de coroziune 1 (pahar
Berzelius). Se toarnă în vasul 1 circa 700 ml soluţie acid sulfuric 20% (mediu de
coroziune). Se acoperă modelul cu pâlnia 7 racordată la biureta gradată 2. Cu ajutorul
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
52
unei pare, se aspiră soluţia de acid până la reperul „zero” al biuretei, după care se
închide robinetul 6. Se măsoară volumul de hidrogen degajat în intervalele de timp 5,
10 sau 20 min, în funcţie de viteza de degajare. Se fac 10-15 măsurări.
Fig. 4.1. Instalaţie pentru determinarea vitezei de coroziune prin
metoda volumetrică:
1 – vas de coroziune; 2 – biuretă gradată; 3 – suport pentru proba testată; 4 – proba
testată; 5 – clemă; 6 – robinet; 7 – pâlnie din sticlă
Viteza de coroziune (cm3/m2·min), care se defineşte ca fiind variaţia volumului
de gaz degajat în urma coroziunii unităţii de suprafaţă în unitatea de timp, se
calculează în baza formulei:
tS
VVcor
0
, (4.1.8)
în care: ΔV0 – variaţia volumului de hidrogen degajat, corectat la condiţii normale de
temperatură şi presiune, din relaţia generală a gazelor, cm3;
S – aria probei metalice, cm2;
t – timpul de coroziune, min.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
53
Volumul de hidrogen (ml) corectat la condiţiile normale de presiune şi
temperatură se calculează din relaţia generală a gazelor:
TpTVpV 000 / , (4.1.9)
în care: p şi T – presiunea (mm Hg) şi temperatura (0K) mediului ambiant;
p0, T0, V0 – presiunea, temperatura şi volumul pentru condiţii normale.
Cunoscând viteza de coroziune (se ia valoarea constantă) se poate calcula
indicele de penetraţie (mm/an), care reprezintă adâncimea coroziunii într-un an:
1000/36524 corVP , (4.1.10)
în care: 24 – numărul orelor dintr-o zi;
365 – numărul zilelor dintr-un an;
1000 – factorul de conversie al unităţilor de măsură;
ρ – greutatea specifică a metalului care se corodează, kg/m3 (pentru oţel –
7800 kg/m3).
Datele experimentale obţinute se înscriu în tabelul de mai jos. Se construiesc
dependenţele grafice Coroziunea = f (t) şi Vcor = f (t).
Tabelul 4.2. Date experimentale şi calculate
Nr.
d/o
S,
cm2
t,
min
V( H2), l Coroziunea,
cm3/cm2
Vcor,
cm3/cm2·min T, p T0, p0
Chestionar
1. Definiţi coroziunea metalelor.
2. Cum explicaţi că metalele se supun coroziune?
3. Cum se clasifică procesele de coroziune?
4. Caracterizaţi agenţii de coroziune funcţie de tipul de coroziune pe care îl provoacă .
5. Cum se apreciază cantitativ coroziunea?
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
54
4.2. Protecţia anticorozivă
Totalitatea mǎsurilor aplicate pentru reducerea coroziunii la limite acceptabile,
din punct de vedere tehnico-economic, poartǎ numele de protecţie anticorozivă.
Scopul protecţiei anticorosive îl constituie asigurarea unei perioade mari de
protejare a utilajului, condiţie cerutǎ de industria modernǎ în cadrul cǎreia instalaţiile,
în cea mai mare parte automatizate, necesitǎ duratǎ lungǎ de funcţionare, fǎrǎ
defecţiuni, precum şi optimizarea cheltuielilor ocazionate de realizarea ei.
Aşadar, fenomenele de coroziune apar sub cele mai diverse aspecte şi se produc
în medii variate. Principalele metode practice de protecţie anticorosivǎ sunt
urmǎtoarele: alegerea materialului de construcţie adecvat condiţiilor optime de
exploatare; acoperirea suprafeţelor de protejat (cu pelicule metalice, anorganice,
organice); micşorarea agresivitǎţii mediului corosiv (inhibitori de coroziune);
aplicarea protecţiei electrochimice (catodicǎ şi anodicǎ).
În prezent, se utilizează metode eficiente, cum sunt acoperirile electrolitice cu
nichel, cupru, zinc şi fosfatarea.
Depunerea electrochimică a metalelor pe substraturi metalice se aplică nu
numai pentru protecţie anticorosivă, dar şi în scop decorativ, pentru reducerea frecării
sau îmbunătăţirea unor parametri electrici sau magnetici.
După mecanismul, de protecţie acoperirile metalice se divizează în acoperiri
catodice şi anodice.
Acoperirile din metal cu potenţial de electrod mai electropozitiv decât al
metalului protejat sunt catodice, ca de exemplu acoperirea oţelului cu un strat de
cupru, staniu sau nichel (tab. 4.3).
Aceste acoperiri asigură o bună protecţie doar dacă stratul metalic depus este
aderent, continuu, uniform, fără pori şi fisuri. La deteriorarea acoperirii sau dacă
acoperirea are pori, se formează un element de coroziune, în care metalul protejat este
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
55
anod şi se solubilizează, iar metalul de acoperire – catod, unde decurg procese de
reducere a hidrogenului sau a oxigenului.
Tabelul 4.3. Potenţialele de electrod ale unor cupluri redox
Cuplul redox Cr2+/Cr0 Zn2+/Zn0 Fe2+/Fe0 Ni2+/Ni0 Sn2+/Sn0 Cu2+/Cu0
Potenţialul, V - 0,852 - 0,763 - 0,441 - 0,234 - 0,141 + 0,337
De exemplu, în cuplul galvanic nichel-fier, nichelul fiind un metal mai
electropozitiv, în medii agresive (acide) va fi catod, iar fierul anod:
La anod (+)
220 FeFe e
La catod (-):
2
22 HH e (4.2.1)
De aceea pentru a asigura protecţie bună aliajelor din fier, în cazul nichelării
decorativ-protectoare, se aplică un substrat de cupru (25-35 m).
Acoperirile cu metal cu potenţial de electrod mai electronegativ decât al
metalului de protejat sunt anodice, ca de exemplu acoperirea cu zinc sau crom pe
oţel (tab. 4.3). În pila galvanică alcătuită din cele două metale şi mediul corosiv
(acid), metalul depus se distruge prin reacţie anodică:
La anod (+)
220 ZnZn e
La catod (-):
2
22 HH e (4.2.2)
Pentru a crea o barieră eficientă între metalul de protejat şi mediul corosiv
trebuie respectate anumite condiţii ce ţin de pregătirea suprafeţei (şlefuire, degresare,
decapare etc.) şi de condiţiile de electroliză (compoziţia electrolitului, densitate de
curent, temperatură).
Acoperirea suprafeţelor metalice este precedată de aşa operaţii obligatorii ca:
şlefuirea (îndepărtarea oxizilor şi impurităţilor), aceasta se realizează prin folosirea
materialelor abrazive; degresarea (eliminarea grăsimilor, uleiurilor) realizată cu
solvenţi organici, soluţii alcaline (pH-ul 11-13) şi decaparea (eliminarea oxizilor)
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
56
efectuată cu acizi, iar pentru produsele din aluminiu sau aliajele lui – în soluţii
alcaline. După degresare şi decapare este necesară o spălare atentă şi eventual o
neutralizare prin imersie în soluţie alcalină, respectiv acidă diluată, urmată de spălare
atentă pentru a elimina soluţiile agresive rămase pe suprafaţa metalului.
4.2.1. Nichelarea electrolitică a oţelului
Scopul lucrării: Acoperirea cu nichel a unei piese de oţel; calcularea grosimii
peliculei protectoare şi a randamentului de curent al procesului.
Generalităţi. Nichelarea electrolitică şi-a găsit o largă aplicare în practică.
Datorită pasivităţii sale, nichelul este chimic stabil în aer, acizi organici, puţin solubil
în acizi minerali şi complet stabil în baze.
Nichelarea se aplică la finisarea suprafeţelor metalice ale diferitelor produse
finite, în scop decorativ-protector pentru protecţia suprafeţelor de lucru ale
instalaţiilor împotriva acţiunii diferitelor medii agresive. Grosimea stratului de nichel
depus atinge 0,2-0,3 mm.
Electrolitul pentru nichelare constă din diferite soluţii apoase de săruri de
nichel, sulfaţi, cloruri, borofloruri, cu adausuri pentru dirijarea calităţii depunerii.
Concentraţia ionilor de hidrogen în soluţia de electrolit influenţează procesele
de la electrozi. La valori mici ale pH-ului, la catod, odată cu descărcarea ionilor de
nichel, se descărcă efectiv ionii de hidrogen. Ca rezultat randamentul de curent al
procesului scade. Majorarea pH-ului, la fel, poate afecta calitatea peliculei de nichel.
La valorile pH-lui mai mari de 6, au loc procese de hidroliză a sărurilor rezultând
hidroxidul de nichel. Formarea hidroxizilor decurge intens în zona catodului, unde ca
rezultat al reducerii ionilor de hidrogen se acumulează ionii de hidroxid. Pentru a
menţine constante valorile pH-ului, în electroliţii de nichelare se introduc adaosuri
tampon, de exemplu, acid boric, citric, acetic.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
57
Pentru a înlătura pasivarea anozilor în timpul procesului de nichelare, în
electroliţi se introduc cloruri (NiCl2·6H2O sau NaCl).
Folosind diferite adaosuri speciale, se pot obţine suprafeţe lucioase direct din
cada de nichelare, încât articolele nu necesită o şlefuire ulterioară. Dintre compuşii
utilizaţi ca adaosuri ce conferă luciu pot fi nominalizaţi: sărurile de cadmiu (CdCl2,
CdSO4), substanţele organice (1,4-butindiol, ftalimidă, zaharină etc.).
Tabelul 4.4. Compoziţii ale electroliţilor de nichelare şi regimuri de lucru
Componentele electrolitului
şi regimul de lucru
Concentraţia, g/l
Nichelarea fără luciu Nichelarea cu luciu
NiSO4·7H2O 200-400 260-300
NiCl2·6H2O 30-60 40-60
H3BO3 30 30-35
Zaharină - 0,7-1,2
Ftalimidă - 0,08-0,1
1,4 butindiol - 0,2-0,5
pH 4,5-5,5 3,5-5,0
t, 0C 20-50 50-60
În această lucrare, se va studia depunerea nichelului pe o piesă de oţel prin
electroliză cu anod solubil de nichel. La electroliza cu anod solubil se desfăşoară
următoarele reacţii electrochimice:
La anod (+)
220 NiNi e
La catod (-):
022 NiNi e (4.2.3)
Aparataj, veselă şi reactivi: instalaţia din fig. 4.2; balanţă analitică; piesă de
oţel; hârtie abrazivă; hârtie de filtru; sol. 10 % Na2CO3, soluţie 20% H2SO.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
58
Modul de lucru. Pentru efectuarea practică a nichelării, se va folosi o instalaţie
a cărei schemă este reprezentată în fig. 4.2.
În calitate de piese de nichelat se folosesc discuri de oţel. Se prelucrează
suprafaţa piesei de oţel cu hârtie abrazivă şi se spală în jet de apă. Se imersează câteva
minute în soluţia de sodă la temperatura de 50-600C. După spălarea cu apă distilată,
piesa este tratată, timp de 1 min, cu soluţie de 20% H2SO4.
Fig. 4.2. Schema instalaţiei de nichelare:
1 – sursă de curent continuu; 2 – electrolizor; 3 – reostat; 4 – ampermetru;
5 – voltmetru; 6 – catod de oţel; 7 – anod de nichel
Piesa se extrage din soluţia acidă, se spală cu apă distilată, se usucă cu hârtie
de filtru, se cântăreşe la balanţa analitică, stabilindu-se masa iniţială (mi), după care
se fixează în cadrele de sticlă organică a catodului 6. Se montează electrozii în
suport, se conectează la bornele electrolizorului respectând polarităţile şi se introduc
în baia de electroliză 2. Se conectează instalaţia de electroliză la reţea şi se pune în
funcţiune. Se fixează curentul de lucru cu ajutorul reostatului 3, valoarea căruia se
calculează din relaţia:
SdI c (4.2.4)
în care: I – intensitatea curentului, A;
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
59
dc – densitatea de curent catodic, A/dm2;
S – suprafaţa catozilor, dm2.
Se vor folosi densităţi de curent de 1,0; 1,5 şi 2,0 A/dm2. Timpul electrolizei
va fi cuprins între 20 şi 60 min.
Observaţie: în timpul electrolizei, se va urmări ca intensitatea curentului
electric să se menţină constantă.
După expirarea timpului electrolizei se întrerupe funcţionarea instalaţiei.
Catodul se scoate din celula de electroliză, piesa se spală cu apă distilată şi se usucă
prin tamponare cu hârtie de filtru. Se cântăreşte la balanţa analitică şi se notează
masa finală (mf). Se măsoară dimensiunile piesei.
Valorile practice obţinute se trec în tab. 4.5.
Tabelul 4.5. Mărimi măsurate în procesul de nichelare electrolitică
Nr.
modelului
mi, g mf, g S, dm2 I, A E, U τ, min
Calcule
a) Randamentul de curent (%) se calculează cu relaţia:
%100t
p
cm
m , (4.2.5)
în care: mp – masa practică de nichel depusă pe catod, g;
mt – masa teoretică de nichel calculată în baza legii lui Faraday, g.
Masa practică (g) se calculează din relaţia:
ifp mmm , (4.2.6)
în care: mf – masa discului după finalizarea procesului de nichelare, g;
mi – masa iniţială a discului, g.
Legea cantitativă a electrolizei dată de Faraday pentru calcularea masei
teoretice (g):
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
60
IFn
Am Ni
t
(4.2.7)
în care: ANi – masa atomică a nichelului, 63,54 g/mol;
n – numărul de electroni necesar reducerii ionilor de Ni2+;
F – numărul lui Faraday, 9,6485309·104 C/mol;
I – intensitatea curentului, A;
τ – timpul electrolizei, s.
b) Grosimea stratului de nichel (mm) se calculează cu relaţia:
110
S
m p
, (4.2.8)
în care: mp – masa practică de nichel depusă pe catod, g;
ρ – densitatea nichelului, 8,98 g/cm3;
S – suprafaţa nichelată, dm2.
4.2.2. Fosfatarea chimică a aluminiului
Scopul lucrării: acoperirea cu peliculă fosfatică a unor plăci de aluminiu.
Studiul influenţei regimului de fosfatare asupra grosimii şi proprietăţilor protectoare
ale peliculelor de fosfaţi.
Generalităţi. Fosfatarea este un procedeu de acoperire protectoare care constǎ
în formarea pe suprafaţa metalului protejat a unei pelicule de fosfaţi insolubili.
Straturile obţinute prin fosfatare au structura poroasă, sunt rezistente în medii
slab acide şi la umezeală. Datorită suprafeţei cu rugozităţi, straturile de fosfaţi
formează un suport (grund) excelent pentru vopsele, lacuri, uleiuri şi alte materiale
anticorosive. Articolele ale căror pelicule de fosfaţi s-au lăcuit sau vopsit pot fi
exploatate în cele mai aspre condiţii, cum ar fi apa de mare sau clima tropicală.
Peliculele fosfatice, fiind rău conductoare de electricitate, pot servi ca straturi
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
61
electroizolatoare la articolele electrotehnice. Fosfatarea reduce forţa de frecare a
pieselor de maşini, acestea necesitând mai puţin lubrifiant.
Procesul fosfatării este realizat în utilaje simple şi ieftine. Regimul de
temperatură a soluţiilor fosfatice, compoziţia lor şi regimul de lucru pot fi schimbate
în intervale largi. Pot fi fosfatate obiecte de diferite dimensiuni şi configuraţii. Costul
procesului de fosfatare este mai mic comparativ cu alte metode de protecţie
anticorosivă a metalelor.
Acidul fosforic reacţionează cu piesa supusă tratamentului conform reacţiei:
Me + 2 H3PO4 ⎯⎯→ Me(H2PO4)2 + H2 (4.2.9)
La interacţiunea acidului ortofosforic cu metalul se formează fosfat primar şi
hidrogen. Fosfaţii primari rezultaţi sunt solubili în apă, iar capacitatea lor de a
hidroliza cu eliminarea acidului fosforic liber are o mare importanţă în procesul de
fosfatare. Micşorarea acidităţii soluţiei în urma reacţiei 4.2.9 conduce la accelerarea
hidrolizei fosfaţilor primari rezultând fosfaţi secundari puţin solubili sau cei terţiari
practic insolubili:
Me(H2PO4)2 MeHPO4 + H3PO4 (4.2.10)
3Me(H2PO4)2 Me3(PO4)2 + 4H3PO4 (4.2.11)
Reacţia generala de obţinere a straturilor de fosfaţi fiind următoarea:
n Me(H2PO4)2 (n-3)MeHPO4 + Me3(PO4)2 + (n+1)H3PO4 (4.2.12)
Eliminarea hidrogenului după imersarea obiectului în soluţia de fosfatare indică
începerea procesului. După încetinirea procesului de eliminare a hidrogenului,
obiectul se mai ţine 5-15 min, pentru a se definitiva procesul de formare a peliculei.
La obţinerea peliculei fosfatice pot participa nu numai acidul ortofosforic de
hidroliză şi produsele de interacţiune ale acidului cu metalul, dar şi unii fosfaţi aşa ca:
Mn(H2PO4)2·H2O, MnHPO4, Fe(H2PO4)2, Zn(H2PO4)2.
Pentru aplicaţii industriale, la fosfatarea fontelor şi a oţelurilor se folosesc
soluţii pe bază de preparat MAJEF, care conţine săruri de mangan şi de fier (uneori de
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
62
zinc). Folosirea soluţiilor concentrate de MAJEF (100-200 g/l) face posibilă obţinerea
peliculelor fosfatice cu cristale microdisperse, ce aderă bine la substrat şi cu bune
proprietăţi protectoare.
Pentru fosfatarea aluminiului, folosirea acidului fosforic şi a fosfaţilor săi nu dă
rezultate bune. Pelicula de oxid care permanent acoperă suprafaţa aluminiului,
împiedică interacţiunea aluminiului şi a aliajelor lui cu soluţii fosfatice. Acesta este
motivul pentru care formarea unei pelicule fosfatice de calitate pe aluminiu este
imposibilă fără unele adaosuri. Experimental, s-a stabilit că doar la introducerea
compuşilor fluorului (HF şi sărurile lui) sau a acidului cromic (sau a sărurilor lui) în
soluţiile fosfatice pe aluminiu şi pe aliajele lui, se formează pelicule fosfatice de
calitate bună. Metoda de fosfatare cu aceste soluţii a primit denumirea de „fosfatare
azurie”.
Pentru fosfatarea azurie a aluminiului, se recomandă folosirea unei soluţii a
cărei compoziţie este indicată în tab. 4.6.
Tabelul 4.6. Compoziţii ale soluţiilor pentru fosfatarea aluminiului.
Componente, g/l I II III
Acid ortofosforic 50 50 100
Acid fluorhidric, ml/l 5 3 5
Anhidridă cromică 7 10 5
Fosfatarea poate fi efectuată şi prin metoda electrochimică. Această metodă se
aplică pentru detaliile de o configuraţie mai simplă, deoarece capacitatea de difuzie a
electrolitului fosfatic este mică şi calitatea peliculei fosfatice, pe diferite sectoare
catodice poate fi neuniformă.
În aceasta lucrare, se va efectua fosfatarea azurie a unor modele de aluminiu.
Temperatura de lucru la fosfatarea azurie este de 15-300C, iar timpul necesar –
5-12 min.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
63
Aparataj, veselă şi reactivi: balanţă analitică; plăcuţe de aluminiu; hârtie de
filtru; soluţie de ortofosfat de sodiu şi sodă calcinată (30 g/l Na3PO4, 30 g/l Na2CO3);
soluţie 50-100 g NaOH/l, soluţie pentru testarea rezistenţei (40 ml soluţie 0,8 N
CuSO4·5H2O + 0,8 ml soluţie 0,1N HCl + 20 ml soluţie de 20% NaCl).
Modul de lucru. Pentru a asigura o bună aderenţă a peliculei protectoare cu
suprafaţa metalului, plăcile sunt supuse următoarelor operaţii. Degresarea chimică a
modelelor este realizată la imersarea într-o soluţie ce conţine ortofosfat de sodiu şi
sodă calcinată la temperatura de 60-700C, timp de 5-10 min. Modelele sunt scoase din
soluţie, clătite cu apă distilată şi supuse operaţiei de decapare în soluţie de hidroxid de
sodiu, unde sunt ţinute timp de 1-1,5 min, la temperatura de 50-600C. După decapare
modelele se spală cu apă distilată, se usucă prin tamponare cu hârtie de filtru şi se
cântăresc la balanţa analitică. Înainte de cântărire, modelele se numerotează.
Fosfatarea modelelor are loc într-o celulă din masă plastică termostatată. Durata
fosfatării şi temperatura procesului sunt stabilite de profesor. După fosfatare,
modelele se spală cu apă, se usucă în aer, se cântăresc pentru a stabili grosimea
peliculei fosfatice şi sunt supuse testelor de determinare a proprietăţilor protectoare.
Calcule
a) Determinarea grosimii peliculei fosfatice
Formula de calcul aplicată pentru determinarea grosimii (m) peliculei:
10000
4,112
S
mmG
, (4.2.13)
în care: m1 – masa plăcii de aluminiu înainte de acoperire, g;
m2 – masa plăcii de aluminiu după acoperire, g;
ρ – greutatea specifică a peliculei fosfatice, 3,42 g/cm3;
1,4 – coeficientul de corecţie a greutăţii specifice;
S – suprafaţa plăcii de aluminiu, cm2.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
64
b) Determinarea rezistenţei la coroziune a peliculei fosfatice
Pe suprafaţa peliculei fosfatice se depun, la anumite distanţe, 3-4 picături
soluţie de testare, totodată, se porneşte şi cronometrul. Se măsoară timpul, în minute,
de la depunerea picăturii pe suprafaţa fosfatică până la momentul schimbării culorii
picăturii de la azuriu-suriu până la roşu-cafeniu. Modificarea culorii se datorează
reducerii ionilor de Cu2+ la Cu0 de către aluminiu. Timpul măsurat şi este
caracteristica rezistenţei la coroziune a peliculei fosfatice. Conform acestui indice,
peliculele fosfatice se clasifică în felul următor:
– pelicule cu stabilitatea mare (t 5 min);
– pelicule cu stabilitatea medie ( 2 t 5 min);
– pelicule cu stabilitatea mică (t 1 min).
Rezultatele măsurărilor şi calculelor se trec într-un tabel.
Tabelul 4.7. Rezultatele măsurărilor, calculelor şi testărilor pentru acoperirile
fosfatice
Nr.
modelului
Durata
fosfatării,
min
Masa modelului Grosimea
peliculei,
m
Timpul de
corodare,
min
înainte de
fosfatare, g
după
fosfatare, g
Chestionar
1. Cu ce scop este efectuată protecţia anticorosivă a metalelor?
2. Cum se divizează acoperirile metalice şi care este mecanismul lor de protecţie?
3. Enumeraţi şi explicaţi operaţiile de pregătire a suprafeţelor metalice înainte de
acoperire.
4. Comparaţi între ele peliculele protectoare de nichel şi cea fosfatică.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
65
5. Explicaţi dependenţa dintre compoziţia electrolitului şi calitatea peliculei
protectoare.
6. Prezentaţi mecanismul de formare a peliculelor de nichel şi fosfatică.
7. Descrieţi instalaţiile de laborator şi modul de realizare practică a nichelării şi
fosfatării metalelor.
8. Explicaţi modul de calcul al grosimii peliculelor depuse.
5. Procese electrochimice
5.1. Obţinerea hidrogenului la electroliza apei
Scopul lucrării: Realizarea practică a electrolizei apei; calcularea
randamentului de curent şi a celui energetic; calcularea energiei consumate şi pierdute
în procesul de electroliză.
Generalităţi. Consumul mondial anual de hidrogen este în creştere, pe măsură
ce cresc şi se diversifică numărul de consumatori.
În prezent, hidrogenul este o importantă materie primă în diferite procese de
fabricaţie: sinteza amoniacului, metanolului şi a clorurii de hidrogen, hidrogenarea
grăsimilor, obţinerea benzinei din cărbuni, reducerea oxizilor metalici etc. Aceste
necesităţi sunt asigurate, în special, de procesul de reformare cu vapori de apă a
gazului metan:
CH4 + H2O ↔ CO +3H2 (5.1.1)
Hidrogenul obţinut pe cale chimică este impurificat cu compuşi organici şi
anorganici şi pentru a fi utilizat trebuie supus procesului de purificare, ceea ce
necesită cheltuieli suplimentare şi se reflectă asupra costului produsului finit.
Metoda electrochimică de obţinere a hidrogenului constă în electroliza apei.
Această metodă are un şir de avantaje: gradul de puritate înalt al hidrogenului
(99,8%); proces tehnologic format dintr-o singură etapă; obţinerea oxigenului,
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
66
coprodus valoros, cu multe utilizări practice; materie primă ieftină. Însă această
metodă este eficientă atunci când este nevoie de cantităţi reduse de hidrogen sau se
dispune de surse de energie electrică ieftine.
Electroliza apei are loc cu pierderi mari de energie electrică din cauza
conductibilităţii mici a apei pure, condiţionată, la rândul ei, de rezistenţa electrică
înaltă (~ 106 Ω·m ). Pentru a reduce consumul de energie (tensiune) sunt folosite
soluţii pe bază de electroliţi cu grad de disociere înalt. Aceste cerinţe le satisfac
alcaliile, de aceea electroliţii utilizaţi la producerea electrochimică a apei sunt
pregătiţi pe baza acestor substanţe. S-a stabilit că rezistenţa electrică a soluţiilor de
alcalii depinde de concentraţie şi temperatură. Astfel soluţia de hidroxid de sodiu cu
concentraţia 22,5%, la temperatura de 800C, are o rezistenţă electrică egală cu 9,3·10-3
Ω·m, iar electrolitul care conţine 32,5-35% KOH, la aceeaşi temperatură, se
caracterizează prin rezistenţa electrică de ordinul 7,3·10-3 Ω·m. De aceea electroliza
industrială se realizează la temperatura de 800C şi cu concentraţiile respective. Alte
cerinţe înaintate electroliţilor, pe care le îndeplinesc alcaliile sunt: compoziţia ionică a
electrolitului asigură formarea la catod doar a hidrogenului, iar la anod – a
oxigenului, electrolitul nu provoacă coroziunea oţelului şi a altor materiale din care
este confecţionat electrolizorul.
În timpul electrolizei soluţiilor de alcalii, la catod se degajă hidrogenul, iar la
anod se obţine oxigenul ca rezultat al următoarelor reacţii electrochimice:
2H2O e2 H2 + 2OH- (5.1.2)
2OH- e2 1/2O2 + H2O (5.1.3)
Reacţia globală care descrie procesul de electroliză este:
H2O aelectroliz H2 + 1/2O2 (5.1.4)
Potenţialele de echilibru ale reacţiilor electrochimice de la catod şi anod depind
de pH-ul electrolitului şi sunt date de următoarele formule:
φc = - 0,059 · pH, V (5.1.5)
φc = 1,23 – 0,059 · pH, V (5.1.6)
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
67
Ţnând cont că pH-ul soluţiei de electrolit în condiţii industriale este
aproximativ egal cu 14, atunci, aplicând formulele (5.1.5) şi (5.1.6), deducem că
potenţialele de echilibru ale catodului şi anodului vor fi egale, respectiv, -0,826 V şi
0,404 V. Diferenţa dintre potenţialele la echilibru ale anodului şi catodului prezintă
valoarea tensiunii teoretice de descompunere a apei în condiţii standard (t = 250C) :
Et = φa – φc = 0,404 – (-0,826) = 1,23 V (5.1.7)
Însă tensiunea reală la care se realizează practic electroliza este mai mare decât
cea teoretică, şi constituie 1,8-2,1 V. Aceasta se explică prin aceea că în timpul
electrolizei, din cauza fenomenului de polarizare, numit şi supratensiune, valoarea
potenţialului de electrod creşte. Astfel gradul de utilizare a tensiunii este de cca 50%,
deci şi randamentul energetic sau gradul de valorificare a energiei este la fel de cca
50%.
În prezent, una dintre cele mai atractive direcţii ale energiei viitorului este
utilizarea hidrogenului drept carburant nepoluant (pentru rachete, avioane de reacţie,
motoare cu ardere internă, pile de combustie). Toate acestea aduc pe prim plan
cercetările ce ţin de elaborarea unui procedeu electrochimic de obţinere a
hidrogenului rentabil din punct de vedere economic.
Aparataj, veselă şi reactivi: electrolizor; ampermetru; voltmetru; tub pentru
măsurarea volumului de hidrogen degajat; soluţie 16-18% NaOH (25-29% KOH).
Modul de lucru. Schema electrolizorului pentru obţinerea hidrogenului este
prezentată în fig. 5.1. Catodul 1 este un vas cilindric confecţionat din oţel, iar anodul
2 este format dintr-o bară de nichel. Spaţiul anodic este separat de cel catodic prin
intermediul manşonului poros de sticlă 3. Drept electrolit se foloseşte o soluţie 16-
18% NaOH sau soluţie 25-29% KOH.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
68
Fig. 5.1. Electrolizor de laborator pentru electroliza apei:
1– catod; 2 – anod; 3 – manşon de sticlă; 4 – ştuţuri; 5 – capac; 6 – dop
Întrucât cele două spaţii ale electrolizorului trebuie să fie ermetice, după
montarea părţilor componente, se verifică etanşeitatea. Pentru aceasta, conducta de
gaz prin care se degajă hidrogen se imersează la 5-6 cm în apă şi se conectează
electrolizorul, aplicând un curent de 5-10 A. După câteva minute, din conducta de gaz
trebuie să iasă bule de hidrogen. Lipsa hidrogenului indică faptul că spaţiul catodic nu
este ermetic. Apoi, în mod similar, se verifică ermeticitatea spaţiului anodic.
În timpul lucrului cu electrolizorul, direcţia curentului nu se schimbă.
După montarea şi verificarea etanşeităţii electrolizorului, se începe lucrarea de
laborator. Pentru asta, se va alimenta electrolizorul cu o intensitate de curent cuprinsă
între 2,5 şi 15 A. La fiecare valoare a intensităţii, electroliza se va efectua 10-20 min,
având grijă să se măsoare cu ajutorul voltmetrului conectat între electrozi şi tensiunea
la sfârşitul fiecărei determinări.
Mărimile citite se vor înscrie în tab. 5.1.
Tabelul. 5.1. Mărimi determinate experimental
Nr.
determ.
I, A Er, V Et, V t, min. Vr(H2), l t, 0C P, Pa
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
69
1
2
3
Calcule:
a) Randamentul în curent (%) a procesului se calculează în baza formulei:
%100)(
)(
2
2
t
pr
cHV
HV , (5.1.8)
în care: prHV )( 2 – volumul de hidrogen practic obţinut, recalculat pentru condiţii
normale (p0 = 1,01325·105 Pa; T0 = 273,15 K), l;
tHV )( 2 – volumul de hidrogen calculat din legea lui Faraday, l.
b) Energia reală şi teoretic (kWh) consumată la obţinerea hidrogenului:
100060
t
IEEWW tprtpr , (5.1.9)
în care: tpr EE – tensiunea practică (teoretică) de descompunere a apei, V;
I – intensitatea procesului de electroliză, A;
t – durata electrolizei, min;
60, 1000 – coeficient de convertire a unităţilor de măsură.
c) Energia pierdută (nevalorificată) (kWh) în procesul de electroliză:
tprp WWW , (5.1.10)
d) Randamentul energetic (%) al procesului de electroliză:
%100%100 pr
t
pr
te
E
E
W
W (5.1.12)
Mărimile calculate se vor înscrie în tab. 5.2.
Tabelul. 5.2. Mărimi calculate
Nr. determ. c, % Wr, kWh Wt, kWh e, % Wp, kWh
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
70
Chestionar
1. Indicaţi domeniile de utilizare a hidrogenului.
2. Comparaţi avantajele şi dezavantajele metodelor de obţinere a hidrogenului.
3. De ce valoarea tensiunii reale de descompunere a apei este mai mare decât cea
teoretică?
4. Descrieţi procesele electrochimice care au loc în electrolizor.
5. Caracterizaţi indicatorii utilizaţ la stabilirea eficienţei unui proces electrochimic.
6. Aplicaţii de calcul.
PROBLEME DE TEHNOLOGIE CHIMICĂ
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
71
Indicatori tehnoeconomici ai procesului chimico-tehnologic
Importante mărimi pentru caracterizarea cantitativă a evoluţiei procesului
chimic industrial sunt:
Conversia totală, t, reprezintă raportul dintre cantitatea de materie primă, care
s-a transformat în reacţia chimică, şi cantitatea de materie primă intrată într-un
reactor:
%1000
MP
MPt
t ,
în care: MPt – cantitatea de materie primă transformată în toţi produşii, kmol, kg;
MP0 – cantitatea de materie introdusă, kmol, kg.
Conversia utilă, u, se defineşte prin raportul dintre cantitatea de materie primă
care s-a transformat în produsul util şi cantitatea de materie primă introdusă într-un
reactor:
%1000
MP
MPu
u ,
în care: MPu – cantitatea de materie primă transformată în produsul util, kmol, kg;
MP0 – cantitatea de materie introdusă, kmol, kg.
Ca noţiune, conversia utilă se aplică în cazul existenţei reacţiilor secundare într-un
proces ciclic.
Randamentul, , în produs final se defineşte ca un raport între cantitatea de
produs practic obţinut şi cantitatea de acelaşi produs care s-ar forma teoretic, conform
ecuaţiei stoechiometrice:
%1000
m
m
unde: m – cantitatea de produs practic obţinut, kmol, kg;
m0 – cantitatea de produs calculat teoretic, kmol, kg.
În multe cazuri, se consideră conversia utilă identică cu randamentul în produs
util.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
72
În procesele chimice industriale, reacţia utilă se desfăşoară într-un complex de
reacţii paralel-consecutive secundare, când se formează alături de produsul util şi alte
produse. Selectivitatea arată care este cantitatea de materie primă consumată numai
pentru obţinerea produsului util.
Selectivitatea, S, reprezintă raportul dintre cantitatea de materie primă
transformată în produs util şi cantitatea de materie primă transformată în toţi
produşii:
%100
Ct
CS u ,
în care: Cu – cantitatea de materie primă transformată în produs util, kmol, kg;
Ct – cantitatea de materie primă transformată în toţi produşii, kmol, kg.
Consumul specific (indicator care defineşte eficienţa folosirii materiilor) –
defineşte cantitatea de materie primă, auxiliară şi utilităţi care se consumă pentru
fabricarea unităţii de măsură de produs finit:
PF
MPs
m
mC sau
PF
MP
V
V
în care: mMP – masa materiei prime utilizată în procesul de producere, kg;
mPF – masa produsului finit rezultat practic, kg.
Bilanţul de materiale este o expresie a legii conservării masei în sistemele
chimice. Ecuaţia generală de bilanţ de materiale într-un sistem tehnologic:
mi = me
unde: mi – masa curenţilor de intrare în procesul de producere, kg;
me – masa curenţilor de ieşire din procesul de producere, kg.
Bilanţul de materiale se prezintă sub formă de tabel
Substanţe intrate m, kg (sau , mol) Substanţe ieşite m, kg (sau , mol)
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
73
Capitolul 1. Materii prime
1. Calculaţi concentraţia procentuală de fier şi steril în minereul de magnetită,
ce conţine 85,63% FeFe2O4 (!!! Nu FeO·Fe2O3). R.: Fe = 62%; steril = 14,37%.
2. Care este conţinutul de FeS2 într-un zăcământ de pirită, dacă analizele au
indicat un conţinut de 42% S în acest zăcământ? R.: FeS2 = 78,75%.
3. Calculaţi conţinutul procentual de fluorapatită (Ca5(PO4)3·F) şi impurităţi din
zăcământul ce conţine 32% P2O5. R.: Ca5(PO4)3·F = 75,72%; imp. = 24,28%.
4. Ce masă de soluţie acid sulfuric 68% H2SO4 este necesară pentru prelucrarea
a 125 t de fosforită îmbogăţită, în care conţinutul de Ca3(PO4)2 este de 92%? R.:
m(sol. 68% H2SO4) = 106,93 t.
5. Se supune operaţiei de îmbogăţire un minereu ce conţine 1,3% Cu. În urma
prelucrării a 1 tonă de acest minereu, a rezultat un concentrat cu masa de 110,5 kg ce
conţine 9,6% Cu. Determinaţi randamentul în concentrat şi gradul de extracţie în
componentul util. R.: c = 11,05%; Xex = 81,6%.
6. La prelucrarea prin flotaţie a 3 t de minereu de cupru ce conţine 5% CuS, a
rezultat un concentrat cu masa de 200 kg şi cu conţinutul de cupru egal cu 30%.
Stabiliţi gradul de extracţie a cuprului şi cel de îmbogăţire a materiei prime. R.: Xex =
60,2% ; X = 9 ori
7. Determinaţi masa minereului supus flotaţiei şi concentraţia procentuală a
metalului în minereu, dacă a rezultat un concentrat cu masa de 275 kg şi randamentul
de 5,5%. Gradul de extracţie a metalului din minereu este de 85%, iar masa metalului
conţinută în concentrat 95 kg. R.: mMP = 5000 kg; % Me = 2,24.
8. Ca rezultat al îmbogăţirii prin flotaţie a unui minereu de Pb ce conţine 1,3%
Pb, s-au obţinut 380 kg concentrat cu 18% Pb şi randamentul de 5,5%. Determinaţi
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
74
masa de minereu supusă flotaţiei, gradul de extracţie a componentului util şi gradul de
îmbogăţire a materiei prime. R.: m = 6909,1; Xex = 76,1%; X = 13,8 ori.
9. La prelucrarea a 100 t minereu polimetalic au rezultat 2240 kg concentrat de
cupru cu 25% Cu şi 84 kg concentrat de molibden cu 50% Mo. Gradul de îmbogăţire
pentru Cu constituie 35,7, iar pentru Mo – 8,33. Determinaţi gradul de extracţie a
componentului util. R.: Xex(Cu) = 80%; Xex(Mo) = 0,7%.
10. Productivitatea unei instalaţii de îmbogăţire a cărbunilor este de 250 t/h,
rezultând 150 t/h concentrat. Conţinutul de cenuşă în concentrat este de 20%, iar în
materia primă de 40%. Determinaţi gradul de extracţie a cărbunilor, masa cenuşii şi
conţinutul de cărbune în ea. R.: Xex = 80%; m(cenuşii) = 100t ; % cărbuni = 30.
11. Pentru obţinerea unei tone de HNO3 65% se consumă 186,2 kg NH3. Să se
calculeze randamentul în HNO3 şi consumul specific de NH3. R.: = 94,2%; Cs =
0,286 kg NH3/kg HNO3.
12. Se fabrică diferite sortimente de acid azotic folosind NH3 drept materie
primă, randamentul tehnologic este de 95%. Care va fi consumul specific pentru o
tonă de: a) HNO3 60%; b) HNO3 58%; c) HNO3 45% . R.: Cs (a) = Cs (b) = Cs (c) =
0,284 kg NH3/kg HNO3.
13. Să se calculeze consumul specific de materie primă pentru o tonă de H2SO4
95%, dacă se folosesc gaze sulfurate cu 85% H2S (% de vol.), randamentul tehnologic
fiind de 98%. R.: Cs = 0,274 m3 g. sulf./kg H2SO4.
14. Să se calculeze consumul specific de pirită, cu puritatea de 84%, necesară
pentru a produce o tonă de acid sulfuric de 70%, dacă randamentul tehnologic este de
93%. R.: Cs = 0, 784 kg pirită/kg H2SO4.
15. Să se determine randamentul global în H2SO4, dacă pentru fabricarea a
300.000 tone H2SO4 93% s-au consumat 48.000 tone sulf de 95% şi 133.500 tone
pirită de flotaţie, cu un conţinut în sulf de 42%. R.: = 89,6%.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
75
16. Să se calculeze randamentul în produs, dacă pentru obţinerea unei tone de
var cu 85% CaO, se consumă 1,7 tone piatră de var cu puritatea 94%. R.: = 95,0%
17. Să se determine randamentul în produs la descompunerea unei tone de
fosforită cu un conţinut de 62% Ca3(PO4)2, dacă s-au obţinut 727,2 kg superfosfat
simplu. R.: = 69,40%
18. Prin evaporare se supun concentrării 10 t soluţie 45% NH4NO3 pentru a
obţine un produs cu 4,5% umiditate. Să se întocmească bilanţul de materiale al
procesului de concentrare.
19. Determinaţi duritatea unei ape, dacă un litru de această apă conţine 0,1002
g ioni de Ca2+ şi 0,03648 g ioni de Mg2+. R.: 8 mg-echiv/l.
20. La titrarea a 200 ml apă naturală s-au consumat 5,5 ml soluţie EDTA de
concentraţia 0,1 N. Stabiliţi duritatea totală a acestei ape. R.: 2,75 mg-echiv/l.
21. Care este duritatea unei soluţii de MgSO4 cu concentraţia 0,005 M? Dar a
unei soluţii de Ca(HCO3)2 cu concentraţia 0,005 M? R.: ambele soluţii au duritatea
10 mg-echiv/l.
22. Duritatea totală a unei ape este de 11,7 mg-echiv/l. Determinaţi duritatea
permanentă (Dperm) a acestei ape, dacă la titrarea a 100 ml apă naturală s-au consumat
6,5 ml soluţie acid clorhidric 0,1 N HCl. R.: 5,2 mg-echiv/l.
23. Consumul zilnic de apă a unei curăţătorii chimice este de 1000 l. Ce masă
de săpun (sare de sodiu a acidului stearic C17H35COONa) se va consuma suplimentar
zilnic, dacă un litru de această apă conţine 1,5 g Ca(HCO3)2; 0,145 g Mg(HCO3)2 şi
0,7 g CaSO4. R.: m = 9,42 kg.
24. Analizele efectuate asupra unei ape au indicat o duritate totală de 6 mg-
echiv/l şi o duritate temporară de 2,5 mg-echiv/l Să se calculeze cantităţile de var şi
sodă necesare pentru dedurizarea a 100 m3 apă. R.: mCa(OH)2 = 9,25 kg; mNa2CO3 =
18,55 kg.
25. O apă are duritatea totală de 8,4 mg-echiv/l. Cunoscând că apa respectivă
conţine Ca(HCO3)2 şi CaSO4 şi că duritatea permanentă este egală cu jumătate din cea
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
76
temporară. Să se determine cantitatea de suspensie de Ca(OH)2 18,5% şi volumul
soluţiei de Na2CO3 1,6 N necesare pentru dedurizarea a 3,7 m3 apă, în accepţia că
operaţia ar avea loc total. R.: msusp.Ca(OH)2, 18,5% = 4,14 kg; Vsol. 1,6 N Na2CO3 = 6,48 l.
26. La tratarea cu fosfat trisodic a unui volum de 2 l apă cu duritatea de 9 mg-
echiv/l s-a depus un precipitat cu m = 0,882 g. Stabiliţi cantităţile de CaCl2 şi MgSO4
conţinute în acest volum de apă. R.: mCaCl2 = 0,67 g; mMgSO4 = 0,36 g.
27. Determinaţi volumul de cationit (în m3) pentru 24 h de lucru a instalaţiei de
dedurizare, dacă se ştie: debitul apei – 5 m3/h; duritatea apei – 8,5 mg-echiv/l;
capacitatea de schimb a cationitului – 1150 g-echiv/m3. R.: Vcat.= 0,88 m3/24 h.
28. Prin filtrul cationic cu volumul de lucru de 2,15 m3 se trece o apă cu
duritatea de 7,5 mg-echiv/l şi debitul de 6,0 m3/h. Stabiliţi capacitatea de schimb a
filtrului, dacă se ştie că el poate funcţiona fără a fi regenerat timp de 3 zile. R.: Q =
1507 g-echiv/m3.
29. Spaţiul de lucru al filtrului unui ionit permite încărcarea a 5,5 t cationit cu
capacitatea de schimb 0,9 g-echiv/kg. Stabiliţi timpul de lucru cationitului pentru
dedurizarea unei ape cu 12 mg-echiv/l duritate şi debitul fluxului de apă de 10 m3/h.
R.: 41,25 h.
30. O coloană cu capacitatea de schimb de 7 mg-echiv/g este încărcată cu 800
kg. Presupunând că trebuie dedurizată o apă cu duritatea de 8 mg-echiv/l, să se
determine volumul de apă care va putea fi dedurizat, utilizînd respectiva coloană. R.:
VH2O = 700 m3.
31. Pentru dedurizarea unei ape cu duritatea de 4 mg-echiv/l se foloseşte un
schimbător de ioni cu capacitatea de schimb de 6,3 mg-echiv/g; secţiunea coloanei –
400 cm2; lungimea coloanei – 2,5 m; densitatea granulelor în volumul coloanei – 0,8
t/m3. Să se stabilească timpul de lucru a ionitului, dacă debitul apei este de 2 m3/h. R.:
t = 63 h.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
77
Capitolul II. Procese anorganice de bază
1. Sunt supuse uscării, în scopul utilizării la arderea unei materii ce conţine
sulf, 25300 m3/h aer cu t-ra 200C şi gradul de saturaţie cu vapori de apă 50%. Pentru
uscare este utilizat acid sulfuric cu concentraţia 98% H2SO4, iar din turn se evacuează
acid cu concentraţia de 96% H2SO4. Determinaţi consumul de soluţie de acid sulfuric
98% necesar uscării. R.: m sol. 98% H2SO4 = 10492,32 kg.
2. Prin arderea cu aer a sulfului, la t = 900-1100 0C, se obţin gaze cu un
conţinut de 15% SO2. Se cere consumul de aer m3(c.n.)/t de sulf cu puritatea de 96%,
concentraţia O2 (% vol) în gazele de ardere şi excesul de aer utilizat. R.: Vaer = 4471,6
m3 ; φO2 = 6%; exces aer 1,4.
3. Se supune prăjirii cu aer o tonă care conţine 84% FeS2, 4,85% ZnS şi restul
steril, stabil în condiţiile de desfăşurare a procesului. Cunoscând, că ZnS se
converteşte complet, FeS2 în proporţie de 90% şi că volumul de aer utilizat este de 1,5
ori mai mare decât cel efectiv consumat, se cere masa cenuşii formate şi compoziţia
volumetrică a gazelor rezultate. R.: mcenuşii = 740 kg; φSO2 = 10,6%; φO2 = 7,3%; φ N2
= 82,2%.
4. Prin analiza chimică a unei pirite, s-a stabilit următoarea compoziţie
procentuală (% de masă) a acesteia: 49% S; 39,7% Fe; 0,23% Zn; 0,3% Al2O3 şi
restul SiO2. Ştiind că la prăjirea respectivei pirite se utilizează de 1,6 ori mai mult aer
decât cantitatea stoechiometric necesară, să se calculeze volumul (c.n.) de aer
consumat/t de pirită şi concentraţia SO2 (% vol) în gazele de ardere rezultate. R.: Vaer
= 3523,4 m3 ; φSO2 = 13,1%.
5. Se prăjeşte o tonă de pirită în exces de aer, în vederea fabricării SO2. Se cere
volumul (c.n.) de aer necesar pentru prăjire în condiţiile: S = 48%; φSO2 = 8 %. R.:
Vaer = 4326 m3
6. Gazele sulfuroase concentrate, cu un conţinut volumetric de 15,96% SO2
sunt diluate cu aer, până la concentraţia 7% SO2. Să se calculeze volumul de aer
necesar diluării a 500 m3 gaze sulfuroase concentrate. R.: Vaer = 640 m3.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
78
7. Gazele rezultate de la arderea unei pirite, cu compoziţia (c.n.): SO2 – 277 m3;
SO3 – 14,6 m3; O2 – 228 m3; N2 – 2374,4 m3; H2O (vap.) – 92 m3; cenuşă – 1,2 kg,
sînt trimise la secţia de epurare. Stabiliţi care va fi compoziţia (% vol) gazelor
sulfuroase după epurare, dacă la spălarea cu soluţie 30% H2SO4 sunt reţinute
impurităţile şi 2 m3 vapori de apă. R.: φSO2 = 9,3%; φO2 = 7,7%; φN2 = 79,9%; φH2O =
3,0%.
8. La arderea unei pirite rezultă 3020 m3 (c.n.) gaze sulfuroase cu compoziţia
(% vol): SO2 – 9,2%; O2 – 7,6%; N2 – 78,7%; H2O (vap.) – 4,5%. Gazele sunt diluate
cu aer, până la concentraţia 7% SO2, după care trimise la turnul de uscare.
Determinaţi masa soluţiei 94% H2SO4 necesară uscării, dacă acidul de spălare se
diluează până la 93,5% H2SO4, iar gazele uscate mai conţin 0,2 g H2O/m3. R.: msol. 94%
H2SO4 = 20270,8 kg.
9. Se realizează sinteza amoniacului, unde gazul de sinteză conţine 0,8% (vol.)
„inert” (Ar, CH4, CO2), restul fiind N2 : H2 = 1 : 3 (molar). Ştiind că randamentul
reacţiei de formare a NH3 este de 15%, să se stabilească volumele de N2 şi H2 care vor
fi recirculate şi compoziţia procentuală volumetrică a amestecului gazos rezultat. R.:
1) 2NV = 21,08 m3;
2HV = 63,24 m3; 2) %N2 = 22,77, %H2 = 68,32, %NH3 = 8,04, %
inert = 0,86.
10. Cunoscând valoarea conversiei CH4 cu vapori de apă în CO de 85%, la
8000C, să se calculeze compoziţia amestecului gazos la echilibru, considerând că nu
au loc reacţii secundare, dacă reactanţii sunt luaţi în raport echimolar. R.: % CH4 =
4,05; % CO = 22,97; % H2 = 68,92.
11. Conversia în CO2 a CO din gazul de sinteză, de compoziţia volumetrică:
CO – 19,1%; H2 – 76,1%; CO2 – 4,7%; CH4 – 0,1%, se realizează prin tratarea
acestuia cu vapori de apă. Se cere cantitatea apei adăugate la gazul de sinteză iniţial şi
conversia CO în CO2, dacă amestecul final conţine 4% CO, iar toată apa adăugată se
consumă în procesul de transformare a CO la CO2. R.: OHV
2= 14,52 m3;
2CO = 76%.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
79
12. La sinteza amoniacului (la presiune înaltă), gazele rezultate la o trecere prin
coloana de sinteză conţin 25% NH3 (vol). Se cere randamentul de formare a NH3,
dacă raportul molar N2 : H2 = 1 : 3, iar amestecul gazos rezultat conţine 1,157% inert.
R.: 3NH = 40,37%
13. Efectuând reacţia de sinteză a NH3, la atingerea echilibrului amestecul
gazos conţine 8% (vol) NH3. Ştiind că amestecul gazos iniţial conţine 1% inert şi că
reactanţii au fost luaţi în raport molar N2 : H2 = 1 : 3, să se stabilească randamentul de
formare a NH3. R.: 3NH = 14,96%.
14. Amestecul gazos (NH3-aer) supus oxidării conţine 10% (vol) NH3. Să se
determine excesul de aer folosit, faţă de cantitatea stoechiometric consumată, dacă 99
% din NH3 se oxidează la NO şi restul la N2. R.: Vaer exces = 30,71 l.
15. Un amestec gazos cu compoziţia volumetrică: 10,5 % NO; 1,8% NO2; 6,4%
O2; 71,9% N2 şi 9,4% H2O se trimite la oxidare, având loc conversia totală a NO la
NO2. Se cere: 1) compoziţia procentuală volumetrică a amestecului gazos rezultat; 2)
cantitatea de soluţie HNO3 50% / m3 (c.n.) în urma absorbţiei NO2 în apă cu un =
99,8%. R.: 1) % NO2 = 12,98; % N2 = 75,88; % O2 = 1,21; % H2O = 9,92;
2)%50. 3HNOsol
m = 486 g.
16. Să se calculeze masa de acid azotic 60% HNO3 obţinută dintr-un amestec
NH3-aer cu 3NH = 11,2%, dacă randamentul global de oxidare a NH3 la NO2 este de
98,5%, iar cel de la absorbţie în apă – 99%. R.: %60. 3HNOsol
m = 34,14 kg.
17. Determinaţi cantitatea de NH3, necesară pentru producerea a 100.000 t/an
HNO3 şi consumul orar de aer necesar oxidării, dacă: uzina lucrează 355 zile/an;
gradul de conversie a NH3 în NO2 constituie 97%, iar cel de absorbţie a gazelor de
nitroză 92%; concentraţia NH3 în amestecul NH3 – aer constituie 11,5 % (vol). R.: 1)
3NHV = 59,81·106 m3; 2) Vaer = 54,02·103 m3/h.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
80
18. Se supune concentrării prin încălzire la 1200C soluţie HNO3 50%. Ştiind că
din masă distilă amestec de HNO3 şi H2O, cu un conţinut în masă de 68,4% HNO3, să
se calculeze consumul de soluţie HNO3 50%/tona de acid azotic 68,4% HNO3
fabricat, dacă = 98%. R.: %50. 3HNOsol
m = 1,4 t
19. Calculaţi consumul de acid sulfuric 96% H2SO4 necesar pentru a concentra
1 tonă soluţie 50% HNO3 la 98%, dacă concentraţia acidului ajunge la 70% H2SO4.
R.: %96. 42SOHsolm = 1319,23 kg.
20. Se produce NH4NO3 utilizând în calitate de materii prime soluţie 55%
HNO3 şi amoniac gazos sub presiune de 2 atm. Soluţia rezultată se trimite la
evaporare, unde se aduce la concentraţia de 98% NH4NO3, prezentându-se ca o
topitură fierbinte, prin granularea acesteia se obţine produsul finit, de concentraţia
99,8% NH4NO3, restul umiditate. Se cere: 1) consumurile de acid azotic de 55%
HNO3 şi amoniac gazos de 2 atm şi 1200C, pentru o tonă de produs finit; 2) cantitatea
de apă care trebuie evaporată la fabricarea unei tone de produs finit, în condiţiile
descrise; 3) cantitatea de nitrocalcar obţinută prin amestecarea unei tone de produs
finit cu calcar de 92% puritate, cunoscând raportul de mase al componentelor,
NH4NO3:CaCO3 = 3:2. R.: 1) %55. 3HNOsol
m = 1428,95 kg; 3NHV = 201, 04 m3; 2)
OHm2.
=
641,02 kg; 3) rnitrocalcam. = 1723,2 kg.
21. Se fabrică uree, cu utilizarea unui amestec NH3 : CO2 = 4 : 1 (molar). Să se
stabilească volumele (c.n.) de NH3 şi CO2, necesare obţinerii a 3,6 t uree cu 46% N,
dacă randamentul de transformare al gazelor de sinteză este de 80%. R.: 2COV = 1656
m3; 3NHV = 6623,96 m3.
22. Calculaţi bilanţul de materiale a procesului de sinteză a ureei (obţinerea
topiturii), care se realizează la P = 200 atm, la 2000C. Dacă: pentru sinteză se
utilizează gaz în care concentraţia de masă a CO2 constituie 96%; excesul de amoniac
faţă de necesarul stoechiometric constituie 125%; gradul de transformare a
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
81
carbamatului de amoniu în uree – 70%; pierderile de uree la distilare şi concentrare
constituie 7%.
23. Se tratează 800 kg fluoroapatită având un conţinut de 34,84% P2O5, cu acid
fosforic 69% H3PO4, în scopul preparării superfosfatului concentrat. Acidul fosforic
se utilizează în exces de 10% faţă de cantitatea stoechiometrică. O parte din exces
fiind consumată de substanţele însoţitoare din minereu (CaCO3, Al2O3, Fe2O3 etc.). În
urma tratării fluoroapatitei, se mai degajă şi 1,018 m3 (c.n.) CO2. Calculaţi: 1)
concentraţia procentuală a Ca5(PO4)3F şi CaCO3 în fluoroapatită; 2) cantitatea de
soluţie 69% H3PO4 utilizată.
24. O cantitate de 1200 kg superfosfat concentrat, având un conţinut de 48%
P2O5 şi 4% H3PO4 liber se supune amonizei (tratare cu NH3) în scopul îmbunătăţirii
calităţii îngrășământului; respectiv prin corectarea acidităţii libere a acestuia. Operaţia
se desfăşoară după următoarele reacţii:
Ca(H2PO4)2·H2O + NH3 CaHPO4 + NH4H2PO4 + H2O
H3PO4 + NH3 NH4H2PO4
Se cere: 1) cantitatea de soluţie 25% NH3 consumată; 2) conţinutul procentual de
CaHPO4 şi NH4H2PO4 în masa de superfosfat amonizată care rezultă; 3) valoarea
nutritivă a acestui îngrășământ după evaporarea apei încărcată cu soluţia de 25% NH3.
R.: 1) %25. 3NHsol
m =309,15 kg; 2) % NH4H2PO4=34,64; %CaHPO4= 36,56; 3) %P2O5 =
47,82; % N = 4,98.
25. Pentru desăvârşrea procesului de obţinere a superfosfatului simplu, se trimit
la depozit 1919 kg superfosfat cu următoarea compoziţie (% mas): Ca(H2PO4)2 –
9,65%; H3PO4 liber – 16,5%; CaSO4 – 50,3%; apatită nedescompusă – 7,3%;
umiditate higroscopică – 12,6%; impurităţi – 3,65%. În timpul depozitării, se elimină
2% din umiditatea higroscopică, iar conţinutul de P2O5 se micşorează până la 7,5%.
Stabiliţi conţinutul de P2O5 asimilabil din îngrășământ după maturizare. R.: 12,25%
P2O5 .
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
82
26. În procesul de fabricare a superfosfatului simplu prin atacul acid al
fosforitelor, au loc următoarele reacţii:
Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 + H2O Ca(H2PO4)2·H2O + 2CaSO4
CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + CO2 + H2O
R2O3 + 3H2SO4 R2 (SO4)3 + 3H2O R = Al, Fe
Să se determine excesul de soluţie 67% H2SO4 faţă de norma stoechiometrică,
dacă se prelucrează o tonă de fosforite, având compoziţia (% mas): 30,1% P2O5; 6,0%
CO2; 1,16% Al2O3; 0,93% Fe2O3. R.: 44% exces soluţie 67% H2SO4 .
Capitolul III. Tehnologia materialelor de construcţie
1. Se consideră pentru obţinerea varului un calcar impurificat cu 5% MgCO3,
restul fiind CaCO3. Ca urmare, varul obţinut va fi impurificat cu oxid de magneziu. Se
cere să se determine gradul de impurificare cu MgO al varului rezultat. R.: % MgO =
4,3%.
2. Determinaţi gradul de descompunere a calcarului, dacă varul rezultat are
următoarea compoziţie chimică: 87% CaO; 8% CaCO3 şi 5% impurităţi. R.: 3CaCO =
95,1%.
3. Se consideră un calcar cu conţinutul de 93% CaCO3, restul fiind impurităţi a
căror pierdere la calcinare este de 23,3%. Prin calcinare, la 10000C, se obţine var, în
care impurităţile din calcar, ca urmare a pierderilor la calcinare, apar sub formă de
oxizi. Să se determine conţinutul procentual în CaO al varului obţinut. R.: %CaO =
90,65.
4. În cuptorul de ardere se alimentează un calcar cu următoarea compoziţie
chimică (% mas): 90% CaCO3; 5,5% MgCO3 şi 4,5% alumosilicaţi. Cocsul utilizat în
calitate de agent termic conţine 87,5 % C şi 12,5 % cenuşă. Consumul de combustibil
constituie 6,5 kg cocs/100 kg calcar. Calculaţi gradul de puritate a varului obţinut. R.:
%CaO = 86,4.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
83
5. Într-un cuptor de ardere a calcarului se încarcă: 1) 2000 kg calcar cu
compoziţia: 94% CaCO3; 0,21% MgCO3; 0,06% apă şi restul impurităţi stabile la
temperatura procesului (CaSO4, SiO2, oxizi de forma R2O3 etc.); 2) 168 kg cocs cu
4% impurităţi, a căror masă scade la jumătate sub acţiunea temperaturii. Randamentul
de transformare al CaCO3 este de 98%, în timp ce MgCO3 se descompune complet. În
timpul procesului se trec 1680 m3 (c.n.) aer prin cuptor. Carbonul din cocs se
transformă 99% în CO2 şi restul în CO. Se cere puritatea varului obţinut şi volumul de
oxigen nevalorificat din aerul trecut prin cuptor. R.: %CaO = 86,75; V(O2)nevalor .=
53,25 m3.
6. Se dispune de următoarele materii: sodă cu o puritate de 93,08%, calcar –
90,05% şi nisip – 99%. Se cer cantităţile de materii prime pentru obţinerea a 1 tonă
sticlă obişnuită, ţinând cont de faptul că pierderile de oxizi alcalini ca urmare a
volatilizării constituie 3,2%.
7. Să se determine cantităţile de nisip, calcar şi sodă necesare pentru obţinerea
unei sticle cu următoarea compoziţie chimică (% de mas.): SiO2 = 74%, CaO = 14%,
Na2O = 12%. Puritatea calcarului este de 90%. Pierderile de masă ale materiilor
alcaline constituie 5%.
Capitolul IV. Coroziunea şi metode de protecţie a metalelor
1. Să se afle timpul necesar coroziunii unei cantităţi de 0,0232 g dintr-o plăcuţă
de zinc, în soluţie de 10% H2SO4, dacă intensitatea curentului de dizolvare anodică
este Ia = 0,25 A. Să se scrie şi reacţiile procesului anodic şi catodic de coroziune. R.: t
= 4,66 min.
2. Să se calculeze viteza de coroziune în mediu de 1 N HCl pentru o plăcuţă de
fier, cu suprafaţa totală de 30 cm2, dacă intensitatea curentului de dizolvare anodică
este de Ia = 0,32 A. R.: corV = 7 4,286 g/m2·h.
3. Pentru o plăcuţă de aluminiu supusă coroziunii în soluţie de 1N HNO3, timp
de 10 min s-a determinat viteza de coroziune de 42 g/m2·h. Să se calculeze suprafaţa
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
84
plăcuţei ştiind că prin coroziune s-au pierdut 0,0234 g. Scrieţi reacţiile care au loc la
cei doi electrozi. R.: S = 0,0033 m2
4. Pentru alierea oţelului, este necesar a introduce în topitură titan, astfel ca
concentraţia procentuală să constituie 0,12%. Ca masă de aliaj fierotitan, este necesar
a adăuga la topitura de oţel cu masa 500 kg, dacă concentraţiile procentuale ale
metalelor în fierotitan constituie: titan – 30%; fier – 70%. R.: kgm fieroti 2tan
5. Aliajul fieromangan conţine: Mn – 75%, Fe – 17 %, C – 6%, Si – 2%. Ce
masă de fieromangan trebuie adăugată la oţelul cu masa de o tonă, pentru ca
concentraţia procentuală a manganului să constituie 2%? A se ţine cont, că carbonul şi
siliciul, cuprinşi în fieromangan, la topirea oţelului se elimină. R.: kgm nfieromanga 34,27
6. Aliajul fierovanadiu conţine: Fe – 55% şi V – 45%. Ca masă de fierovanadiu
trebuie adăugată la oţelul cu masa de 200 kg, pentru a mări conţinutul vanadiului de la
0,4% până la 1,2%? R.: kgm iufierovanad 65,3
Capitolul V. Procese electrochimice
1. Se supune electrolizei 600 kg soluţie HCl 32%. La anod se colectează 100 kg
clor umed, care conţine 4,2% vapori de apă (antrenaţi din masă). Calculaţi cantitatea
de hidrogen umed format, cu 2% vapori de apă (antrenaţi din masă) şi concentraţia
soluţiei reziduale de HCl, rămasă în electrolizor. R.: kgm umedH 75,22
; %8,18HCl
2. Se supun electrolizei, într-o celulă cu diafragmă, 0,5 m3 soluţie clorură de
sodiu de concentraţie 310 g/l NaCl. La întreruperea operaţiei, soluţia conţine 120 g/l
NaOH şi are un volum cu 25% mai mic decât soluţia iniţială supusă electrolizei.
Calculaţi: 1) Concentraţia în g/l a NaCl rămasă nereacţionată. 2) Volumul (c.n.)
produşilor degajaţi la electrozi. 3) Durata electrolizei, dacă s-a folosit un curent de
1200 A, iar randamentul de curent a fost de 91,78%. R.: 1) lgCNaCl /83,237 ; 2)
3
.... 6,1222
mVV ncHncCl ; 3) h38,27
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
85
3. Clorul umed care iese din celulele de electroliză conţine vapori de apă şi
pentru a evita acţiunea corosivă a acestuia se usucă în contracurent, în turnuri stropite
cu acid sulfuric concentrat. Cunoscând că se prelucrează în acest scop 100 kg clor
gazos umed, care are un conţinut de 42 g vapori de apă/kg, se cere: 1) care va fi masa
clorului gazos uscat obţinut, care mai conţine doar 0,5% vapori de apă? 2) masa
acidului sulfuric de 94% H2SO4 necesar uscării cerute, dacă concentraţia lui este
permis să ajungă la minimum 80% H2SO4? R.: kgm uscatCl 85,952
; kgm SOHsol 7,2342%94.
Lucrări practice la Tehnologie chimică anorganică
86
BIBLIOGRAFIE
1. Mihăilă Gh., Bîlba N., Tehnologie chimică generală, ed. “Univ. Al. I. Cuza”, Iaşi,
1995.
2. Firoiu C., Tehnologia proceselor electrochimice, ed. Diadctică şi Pedagogică,
Bucureşti, 1983.
3. Gorodeţchii Iu., Duca Gh., Siminiceanu I., Lucrări de laborator la cursul de
“Tehnologie chimică”, 1994.
4. Calistru C., Leonte C., Hagiu C. ş.a, Tehnologia îngrăşămintelor minerale, ed.
Tehnică, Bucureşti, 1984.
5. Cioara A., Caluser S., Chimia silicaţilor şi analize tehnice, ed. Diadctică şi
Pedagogică, Bucureşti, 1992.
6. Тихвинская М.Ю., Волынский В.Е., Практикум по химической технологии,
Просвещение, Москва 1984.
7. Практикум по прикладной электрохимии, изд-во Калинингр. ун-та,
Калининград, 2000.
8. Михайлова Е.А, Лобойко А.Я. и др., Свойства, область применения и
способы производства химически осаждённого карбоната кальция, în Вопросы
химии и химической технологии, 2004, № 1, с. 81-84.
9. Игнатенков В.И., Бесков В.С., Примеры и задачи по общей химической
технологии, ИКЦ «Академкнига», Москва, 2005.
10. Urseanu F., Tărăbăşanu-Mihăilă C., Bogza G., Probleme de chimie şi tehnologie
chimică, ed. Tehnică, Bucureşti, 1978.