labs

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3

ТЕРМОГРАФІЧНЕ ДОСЛІДЖЕННІ РЕАКЦІЇ ДИСОЦІАЦІЯ КАРБОНАТУ Мета роботи: визначити температуру початку дисоціації і темпера-

тур хімічного кипіння карбоніту.

3.1. Термічний аналіз

Термічний аналіз - це широко застосовуваний фізико-хімічний метод вивчення процесів (фазових перетворень, хімічних реакцій), притікає в часі при нагріванні речовин або їх охолодженні і супроводжуються виділенням або поглинанням теплоти. Методом термічного аналізу можна визначити температуру TН початку дисоціації хімічної сполуки, при якій пружність дисоціації стає рівною парціальному тиску газу - продукту дисоціації в системі, і температуру ТХ.К хімічного кипіння з'єднання, що відповідає досягненню рівності пружності дисоціації загальному тиску газів в системі.

При нагріванні з постійною швидкістю реакційного об'єму, в якому знаходиться зразок досліджуваного хімічної сполуки, останній нагрівається до температури ТН приблизно з такою ж швидкістю (ділянка Оа а термограмі дисоціації з'єднання, рис. 3.1). При перевищенні ТН підвищення температури зразка сповільнюється, оскільки частина тепло-

ти, що підводиться до системи, витрачається на протікання ендотермічна процесу дисоціації. В результаті виникає градієнт температур реакційного об'є- му (рис. 3.1, пряма 1) і зразка з'єднання (рис. 3.1, крива 2). При ТХК=const на кривій 2 з'являється горизонтальний ділянка бв, довжина якого визначається масою з'єднання. Після повного розкладу вихідної хімічної сполуки температура реакційного зразка знову підвищується в міру нагрівання реакційного об'єму просто-

вихідне з'єднання та продукт реакції взаємно нерозчинні. Якщо процес дисоціації супроводжується утворенням розчинів, то станом хімічного кипіння відповідає визначенням температурний інтервал, оскільки; система володіє двома ступенями свободи і пружність дисоціації з'єднання залежить від складу розчину, що обумовлює зміна температури хімічного кипіння. На термограмі це виражається Відхиленням від горизонталі ділянки бв термограми.

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

3.2.Метод дослідження

Уданій лабораторній роботі застосовується метод диференренціального термічного аналізу. В тиглі, розділеному перегородко на дві половинки, поміщають зразки еталонного (інертного) і досліджуваної речовини. У процесі спільного нагріву їх температури змінюються з однаковою швидкістю. У момент початку дисоціації досліджуваної речовини швидкість зміни його температури стає менше в порівнянні зі зміною температури еталонного зразка, що фіксується вимірювальними приладами.

3.3.Опис установки

Рис.3.2. Схема установки для термічного аналізу карбонату

Установка (рис. 3.2.) складається з муфельній електричної печі 1 до якої установлюють тигель 2, розділений перегородкою на дві половини. У центрах обох половин поміщені гарячі (робочий) спаї термопар 3 і 4, з'єднаних диференційно (один з одним з'єднані однойменні електроди обох термопар). Другі електроди термопар приєднані до нульгальванометра. Обидва електрода одне з термопар приєднані до мілівольтметри (потенціометри) 6 для вимірювання температури досліджуваного матеріалу. Швидкість нагрівання регулюється зміною напруги електричного струму за допомогою регулятора 7. Для зменшення втрат теплоти Муфель печі закривається пробкою 8

3.4Порядок виконання роботи

1.Навіску подрібненого до крупності 0,07 ... 0 мм карбонату помістити в ту половину тигля, де буде встановлений робочий спай термопар, підключеного до мілівольтметра (потенціометра). У другу половину тигля помістити навіску подрібненого інертного (еталонного) матеріалу (висушений глинозем, пропечений магнезит та ін.)

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

2.Робочий спай термопари, підключеного до мілівольтметри (потенціометру), помістити в шар досліджуваного карбонату, а робочий спай другої термопари - в шар еталонного матеріалу.

3.Тигель зі зразками і термопарами помістити в електричну піч. Регулюючи напруга електричного струму, нагрівати піч зі швидкістю 10 ...

15 К/хв.

4.Через кожні дві хвилини (до 973 К) фіксувати в журналі (протоколі)

увигляді табл. 3.1 свідчення нуль-гальванометра і мілівольтметра (потенціометра), після 973 До свідчення фіксувати через одну хвилину (можливе застосування автоматичного запису). У момент початку дисоціації карбонату стрілка нуль-гальванометра відхиляється від нульового положення, а стрілка мілівольтметра зупиняється і залишається практично на місці до повного розкладання карбонату.

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

5.Виміряти барометричний тиску повітря у приміщенні лабораторії.

3.5.Обробка та аналіз дослідних даних

1. Побудувати термограму досліду в координатах T-t і E-t, де T - температура досліджуваного матеріалу; t - час від початку досліду;

E - різниця ЕРС.

2. Визначити по термограмі температуру початку дисоціації карбонату в атмосфері повітря (0,03% CO2; PCO2 =0,0003 окремих одиниць)

ітемпературу його хімічного кипіння.

3.Визначити вид досліджуваного карбонату, (CaCO3, MgCO3).

4.Використовуючи термодинамічні даний і додаток 3, скласти рівняння ізотерми хімічної реакції типу

звідси температури початку дисоціації та хімічного кипіння можна

5. Співставити експериментальне і розрахункове значення температур початку дисоціації та хімічного кипіння і зробити висновки по роботі.

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4 КІНЕТИКА ДИСОЦІАЦІЇ КАРБОНАТІВ

Мета роботи: підтвердити автокаталітичний механізм процесу дисоціації карбонату при обдуванні навішування потоком повітря і вивчити вплив температури і крупності частинок карбонату на кінетику процесу.

4.1. Механізм і кінетика топохімічних реакцій

Розкладання (дисоціація) твердих речовин за схемою тверда речовина A → тверда речовина B + газ C (4.1) належить до типу топохімічних процесів, що містять наступні ланки:

кристалохімічні перетворення - це власне хімічна реакція дисоціації, що супроводжується фазовим переходом: перебудовою кристалічної решітки речовини А в кристалічні грати речовини В;

внутрішній масоперенос газоподібного продукту реакції по поверхні реагування до зовнішньої поверхні частинки твердої фази, відбувається шляхом його дифузії через пори; це внутрішня дифузія газоподібного продукту реакції;

зовні дифузійний газообмін між поверхнею частинки і газовим потоком (навколишнім середовищем).

Кристалохімічні перетворення - складний процес, що включає стадії твердофазної дифузії, освіти зародків нової фази і десорбію газоподібного продукту реакції.

Рис. 4.1. Зміна глибини розкладання (а) та швидкості (б) топохімічного процесу дисоціації з'єднання у часі

Швидкість процесу дисоціації з'єднання оцінюється за ступенем перетворення вихідної речовини на одиницю часу. Позначимо через Δmг

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

масу газоподібного продукту реакції при повній дисоціації сполуки, а через mt - масу його в довільний момент часу від початку процесу. Відношення ω = Δmt/Δmг називається ступенем перетворення або глибиною розкладання речовини (хімічної сполуки). На рис. 4.1 показані криві, що відображають зміна глибини розкладання і швидкості процесу в часі.

У зміні швидкості процесу чітко видно чотири характерних періоду (рис. 4.1,б). Початковий період H відповідає інтенсивному виділенню (десорбції) невеликої кількості (0,1 ... 5,0% маси зразка) адсорбованого газу (водяна пара, азот та ін.) з поверхні частинок вихідної речовини. У деяких випадках цей період виразно не виявляється.

За початковим періодом (якщо він спостерігається) слід період індукції I, який характеризується повільним виділенням газу, часто практично незмірно.

Адеорбціонно-каталітична теорія топохімічного процесу припускає локалізацію його на поверхні розділу старої (оригінал речовина) і нової (продукт реакції) кристалічних фаз, званої реакційною поверхнею. У індукційний період на поверхні кристалів з деформованою решіткою і в появляються при цьому тріщини в тілі кристалів, розташованих у зовнішній поверхні частинки, що утворюються зародки нової кристалічної фази (продукту реакції).

За індукційним періодом завжди проходить період прискорення ІІ. Він зазвичай триває до часу досягнення глибини (ступеня) розкладання, що дорівнює ~ 0,5. Цей період називається автокаталітичним. Зростання площі реакційної поверхні обумовлює збільшення кількості вихідної речовини, що втягуються в процес дисоціації, що в свою чергу супроводжується збільшенням поверхні розділу фаз і новим зростанням швидкості.

У момент злиття поверхонь вогнищ нової фази і освіти загальної реакційної поверхні спостерігається швидкість процесу досягає максимального значення. У міру подальшого просування реакційної поверхні в глиб шматка її площа постійно зменшується, в результаті чого падає і швидкість процесу розкладу вихідної речовини. Настає період ІІІ - період спаду швидкості процесу, що називається періодом усередненого фронту. Цей період може бути досить тривалим, оскільки виникають надзвичайно ускладнення переносу маси газоподібного продукту через шар кристалічного продукту реакції.

Тривалість кожного періоду процесу дисоціації може змінюватися в широких межах в залежності від дисперсності вихідної речовини і його природи, віддаленості системи від стану хімічної рівноваги, температури і швидкості газового потоку в реакторі та ін.

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

4.2. Метод дослідження

Дисоціацію карбонату здійснюють у потоці повітря при постійній температурі в кінетичної області реагування, коли швидкість процесу визначається тільки швидкістю кристалохімічного перетворення.

4.3. Опис установки

Установка (рис. 4.2) включає в себе реакційну трубку I, обігріваються електричними піччю 2, температура в якій вимірюється термопарою 3 і потенціометром 4. Потік повітря, що створюється повітродувки 5, послідовно проходить через осушувальна склянку 6, реометр 7 з краном 8, реакційну трубку 1, реометр 9 з краном 10 і склянку 11 з рідиною, що служить для візуального контролю за проходженням процесу. Необхідна швидкість потоку повітря підтримується постійною за допомогою мікрокрана 12. Температура в печі регулюється автоматично, або зміною напруги електричного струму, що подається на нагрівач, за допомогою регулятора 13.

Рис. 4.2. Схема установки для дослідження кінетики дисоціації карбонатів

4.4.Порядок виконання роботи

1.Перевірити герметичність установки. Для чого відкрити крани 8 і 10, поставивши їх в положення А (рис. 4.2); відкрити мікрокран 12 і включити повітродувки 5; за допомогою мікрокрана 12 встановити необхідну швидкість потоку повітря в системі, яку контролюють візуально за кількістю бульбашок газу, які побулькують через рідину в склянці II (2-3 бульбашки в секунду); крани 8 і 10 поставити в положення Б, направляючи потік повітря через капіляри реометрів 7 і 9. Установка герметична, якщо показники обох реометрів одинакові. Якщо швидкість на виході з реакційної трубки менше, є витік повітря, для усунення якої необхідно

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

перевірити щільності стиків у всіх вузлах системи. Мікрокраном 12 встановити швидкість подачі повітря, що відповідає 20-30 поділу реометра 7, і підтримувати її постійної протягом усього експерименту. 2. Включити електричну піч і довести температуру до заданої.

3. Наповнити порцеляновий човник подрібненим карбонатом, вийняти пробку з реакційної трубки 1, гачком вставити човник в реакційну трубку, встановивши її навпроти місця розташування робочого спаяний термопари 3; трубку 1 швидко закрити пробкою і негайно почати досвід, фіксуючи покази обох реометрів через кожні 15 с. Після п'ятихвилинної витримки навішування в реакційній трубці проміжки часу між вимірюваннями подвоюють. Коли швидкість потоку газу на виході з печі досягне максимуму і перестане істотно змінюватися, показники реометрів записувати через одну хвилину і більше. Дослід припинити після зменшення швидкості потоку газу в 1,5-2 рази в порівнянні з максимальним її значенням.

Вийняти пробку з реакційної трубки і гачком витягти човник.

У зазначеному порядку провести досліди з навішеннями карбонату інших фракцій і при інших температурах.

Після закінчення останнього досвіду вимкнути електричну піч, і реакційну трубку з одного торця залишити відкритою.

4.5.Обробка та аналіз досвідчених даних

1.Результати досвіду занести в табл. 4.1.

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата

Лист

Зм. Лист № докум. Підпис Дата