1. Выход потоку и расход энергии при электроэкстракции и рафинировании
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
2. Методика проведения работы Опыт 1. Для получения порошка меди методом цементации с использованием перемешивания необходимо выполнить следующие операции. Рассчитать количество (m 1 ) цементируемого металла в соли (сернокислой меди, используемой для приготовления 100 мл раствора раствора сернокислой меди с концентрацией 0.1 моль/л. 2. Подготовить навески металла-цементатора (цинка, железа, никеля, кадмия – по указанию преподавателя) и 100 мл раствора соли получаемого металла сульфата меди) с концентрацией 0.1 моль/л. Приготовленный раствор сульфата меди) подкисляют до pH < 2 серной кислотой контролируют по индикаторным полоскам. При подготовке навески соли цементируемого металла необходимо исходить из того, что содержание цементируемого металла в навеске соли должно быть не меньше пяти граммов. Количество металла-цементатора необходимо брать с 50-ным % избытком от необходимого по стехиометрии реакции восстановления. 3. Для проведения процесса цементации стакан со 100 мл водного раствора сульфата меди) с помещенным в него порошком металла- цементатора установить на магнитную мешалку. 4. Установить оптимальный режим механоактивации процесса (скорость вращения магнита мешалки, обеспечивающий равномерное перемешивание содержимого стакана без выплескивания. В течение всего процесса цементации каждые 20 минут отбирать пробу раствора и анализировать на содержание меди иодометрическим способом. Полученные данные вносят в таблицу 1. Таблица 1. Результаты титрования и определение степени выделения меди в цементат № пробы Время отбора пробы Время от начала реакции, мин , мл ,моль/л α, % 1 …. Степень выделения меди в цементат рассчитывают по формуле *100% , где С 0 - начальная концентрация меди в растворе С - концентрация меди в растворе к моменту времени t. Определение концентрации меди Концентрация меди в растворе определяется йодометрическим методом. В мерную колбу на 100 мл отбирают пипеткой пробу цементационного раствора объемом 5 мл и добавляют 2 мл 10% раствора серной кислоты, доводят до метки водой. В коническую колбу отбирают 10 мл го раствора иодида калия и 10 мл раствора из мерной колбы, после чего ставят эту колбу в темное место на 10 минут, прибавляют 3 мл раствора крахмала и титруют 0.005 моль/л раствором тиосульфата натрия до обесцвечивания (исчезновения синей окраски. Концентрацию меди определяют по формуле где С- концентрация тиосульфата натрия, моль/л; V Na2S2O3 - объем тиосульфата натрия, пошедшего на титрование пробы, мл раствора - объем пробы исследуемого раствора, мл. 5. По окончании процесса цементации (100 мин, профильтровать раствори провести кислотную отмывку полученного порошка от остатков металла-цементатора. По окончании кислотной отмывки промыть порошок дистиллированной водой и обработать (последняя промывка) 4 % раствором хозяйственного мыла. 52 6. Раствор профильтровать, порошок высушить (в сушильном шкафу при температуре не выше 60 о С) и взвесить на аналитических весах (m 2 ). 7. Произвести расчеты, сделать выводы по работе. Опыт 2. Для выделения меди методом цементации с использованием перемешивания необходимо выполнить следующие операции 1. Рассчитать количество (m 1 ) цементируемого металла в соли (сернокислой меди, используемой для приготовления 100 мл раствора раствора сернокислой меди с концентрацией 0.1 моль/л. 2. Собрать установку (рис. 3. Пластину металла-цементатора (цинка, железа, никеля, кадмия – по указанию преподавателя) зачистить с использованием мелкой наждачной бумаги, потом активировать поверхность погружением в раствор разбавленной азотной кислоты в соотношении 1 к 4, промыть дистиллированной водой, высушить в сушильном шкафу и взвесить на аналитических весах (m 1 ). Рис. Установка для исследования процесса цементации меди 1 – штатив, 2 – стакан с раствором сернокислой меди, 3 – пластина металла- цементатора, 4 – магнитная мешалка. 4. В стакан емкостью 250 мл наливают 100 мл раствора соли сернокислой меди с концентрацией 0.1 моль/л и подкисляют до pH < 2 серной кислотой (pH проверить по индикаторным полоскам. Химический стакан с раствором ставится на магнитную мешалку (см. рис. Отбирается проба раствора для определения концентрации меди. Концентрация меди в растворе определяется йодометрическим методом (описание см. выше. 5. Пластина металла-цементатора крепится в лапке штатива, опускается в раствор сернокислой соли меди с концентрацией 0.1 моль/л и включается магнитная мешалка. 53 6. Последующие пробы раствора отбираются через каждые 4 минуты и анализируются, как описано в пункте 3. Всего исследуют 8-10 проб. Полученные данные вносят в табл. 2. 7. По окончании процесса цементации пластину металла- цементатора с осадком меди промывают дистиллированной водой, сушат в сушильном шкафу и взвешивают на аналитических весах (m 2 ). 3. Обработка результатов эксперимента Написать уравнения электрохимических реакций, происходящих при процессе цементации. Используя материал лекций рассчитать остаточную концентрацию ионов меди при достижении химического равновесия. Сопоставить для каждого опыта рассчитанные величины степени выделения меди в цементат (α) и m 2 /m 1 (для первого опыта, (для второго опыта. Таблица 2. Результаты титрования и определение степени выделения меди в цементат № пробы Время отбора пробы Время от начала реакции t, мин мл ,моль/л α, % 1 …. 4. Контрольные вопросы 1. Дайте определение процессу цементации. 2. От каких факторов зависит процесс цементации Приведите примеры. 3. Обоснуйте выбор металла-цементатора в работе. 4. Цинковые пластинки опущены в растворы солей NaCl, NiCl 2 , MgSO 4 , Pb(NO 3 ) 2 . В каких случаях будет протекать реакция вытеснения цинком других металлов Ответы поясните. 5. Можно ли в качестве металла – цементатора для цементации меди из раствора использовать порошок серебра 6. Какие процессы, кроме вытеснения металла из его соли могут протекать в растворе привнесении порошка цинка в кислый раствор сульфата меди 54 ПРИЛОЖЕНИЕ А ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРНОМ ЖУРНАЛЕ Лабораторные работы оформляются в специальных лабораторных тетрадях с пронумерованными страницами. Титульный лист тетради должен содержать фамилию, инициалы и номер группы студента, название предмета. До начала выполнения лабораторной работы необходимо в тетради составить краткое описание эксперимента. Описание должно содержать название работы, дату ее выполнения, краткое изложение теории изучаемого процесса схематичное изображение установки (электролизера, электрическую схему, электрохимические реакции, протекающие на электродах, с указанием стандартных электродных потенциалов, а также таблицы для внесения экспериментальных данных. Экспериментальные и расчетные данные оформляют в виде таблиц, приведенных в тексте работ ив приложениях, и графических зависимостей. Обязательно приводятся примеры выполненных расчетов. Входе проведения лабораторной работы в лабораторном журнале фиксируются визуальные наблюдения (газовыделение, изменение цвета растворов, выпадение осадков и т.п.). Текст заканчивают обсуждением полученных результатов. При этом желательно проанализировать закономерности, выявленные при выполнении работы, сравнить полученные данные с литературными и попытаться дать объяснения наблюдаемым расхождениям. 55 ПРИЛОЖЕНИЕ Б Значения стандартных электродных потенциалов (25 о С) по водородной шкале Электрод Электродная реакция E o , В 1 2 3 Li + /Li Li + + e = Li -3.045 K + /K K + + e = K -2.925 Ba 2+ /Ba Ba 2+ + 2e = Ba -2.906 Ca 2+ /Ca Ca 2+ + 2e = Ca -2.866 Na + /Na Na + + e = Na -2.714 La 3+ /La La 3+ + 3e = La -2.522 Mg 2+ /Mg Mg 2+ + 2e = Mg -2.363 Be 2+ /Be Be 2+ + 2e = Be -1.847 A1 3+ /A1 Al 3+ + 3e = Al -1.662 Ti 2+ /Ti Ti 2+ + 2e = Ti -1.628 Zr 4+ /Zr Zr 4+ + 4e = Zr -1.529 V 2+ /V V 2+ + 2e = V -1.186 Mn 2+ /Mn Mn 2+ + 2e = Mn -1.180 WO 4 2- /W WO 4 2- + 4H 2 O + 6e = W + 8OH - -1.05 Н 2H 2 O + 2e = H 2 + 2OH - -0.82 Se 2- /Se Se + 2e = Se 2- -0.77 Zn 2+ /Zn Zn 2+ + 2e = Zn -0.763 Cr 3+ /Cr Cr 3+ + 3e = Cr -0.744 Ga 3+ /Ga Ga 3+ + 3e = Ga -0.529 S 2- /S S + 2e = S 2- -0.51 Fe 2+ /Fe Fe 2+ + 2e = Fe -0.440 Cr 3+ ,Cr 2+ /Pt Cr 3+ + e = Cr 2+ -0.408 Cd 2+ /Cd Cd 2+ + 2e = Cd -0.403 Ti 3+ , Ti 2+ /Pt Ti 3+ + e = Ti 2+ -0.369 Tl + /Tl Tl + + e = Tl -0.3363 56 1 2 3 Co 2+ /Co Co 2+ + 2e = Co -0.277 Ni 2+ /Ni Ni 2+ + 2e = Ni -0.250 Mo 3+ /Mo Mo 3+ + 3e = Mo -0.20 Sn 2+ /Sn Sn 2+ + 2e = Sn -0.136 Pb 2+ /Pb Pb 2+ + 2e = Pb -0.126 Ti 4+ , Ti 3+ /Pt Ti 4+ +e = Ti 3+ -0.04 H + /H 2 , Pt H + + e = 1 / 2 H 2 0.000 Ge 2+ /Ge Ge 2+ + 2e = Ge +0.01 Sn 4+ , Sn 2+ Sn 4+ + 2e = Sn 2+ +0.15 Cu 2+ , Cu + Cu 2+ + e = Cu + +0.153 Cu 2+ /Cu Cu 2+ + 2e = Cu +0.337 Fe(CN) 6 4- , Fe(CN) 6 3- /Pt Fe(CN) 6 3- + e = Fe(CN) 6 4- +0.36 OH - /O 2 , Pt l / 2 O 2 + H 2 O + 2e = 2OH - +0.401 Cu + /Cu Cu + + e = Cu +0.521 J - /J 2 , Pt J 2 + 2e = 2J - +0.5355 Te 4+ /Te Te 4+ + 4e = Te +0.56 MnO 4 - , MnO 4 2- /Pt MnO 4 - + e = MnO 4 2- +0.564 Rh 2+ /Rh Rh 2+ /Rh +0.60 Fe 3+ , Fe 2+ Fe 3+ + e = Fe 2+ +0.771 Hg 2 2+ /Hg Hg 2 2+ + 2e = 2Hg +0.788 Ag + /Ag Ag + + e = Ag +0.7991 Hg 2+ /Hg Hg 2+ + 2e = Hg +0.854 Hg 2+ , Hg + /Pt Hg 2+ + e = Hg + +0.91 Pd 2+ /Pd Pd 2+ + 2e = Pd +0.987 Br - /Br 2 , Pt Br 2 + 2e = 2Br - +1.0652 Pt 2+ /Pt Pt 2+ + 2e = Pt +1.2 Mn 2+ , H + /MnO 2 , Pt MnO 2 + 4H + + 2e = Mn 2+ + 2H 2 O +1.23 O 2 /H 2 O, Pt O 2 + 4H + + 4e = 2H 2 O +1.23 Cr 3+ , Cr 2 O 7 2- , H + /Pt Cr 2 O 7 2- + 14H + + 6e = 2Cr 3+ + 7H 2 O +1.33 Tl 3+ , Tl + /Pt Tl 3+ + 2e = Tl + +1.25 57 1 2 3 Cl - /Cl 2 , Pt Cl 2 + 2e = 2Cl - +1.359 Pb 2+ , H + /PbO 2 , Pt PbO 2 + 4H + + 2e = Pb 2+ + 2H 2 O +1.455 Au 3+ /Au Au 3+ + 3e = Au +1.498 MnO 4 - , H + /MnO 2 , Pt MnO 4 - + 4H + + 3e = MnO 2 + 2H 2 O +1.695 Ce 4+ , Ce 3+ /Pt Ce 4+ + e = Ce 3+ +1.61 SO 4 2- ,H + /PbSO 4 , PbO 2 , Pb PbO 2 + SO 4 2- + 4H + + 2e =PbSO 4 + 2H 2 O +1.682 Au + /Au Au + + e = Au +1.691 H - /H 2 , Pt H 2 + 2e = 2H - +2.2 F - /F 2 , Pt F 2 + 2e = 2F - +2.87 ПРИЛОЖЕНИЕ В Оценка погрешности измерений Для повышения точности измерений следует по возможности устранить математические погрешности. Это можно сделать различными способами. Если известна природа такой ошибки, и может быть определена ее величина, достаточно ввести соответствующую поправку. Это возможно, например, для исключения влияния на результат измерения таких факторов, как температура и давление воздуха, или факторов, связанных сиз- вестным недостатком измерительного инструмента. Разумеется, что вносить такого рода поправки есть смысл только в том случае, когда их величина соизмерима с величиной других ошибок, сопровождающих данные измерения. Можно также исключить некоторые виды систематических погрешностей, используя специальные методы измерений. Так, например, влияние нерав- ноплечности весов можно устранить, взвесив исследуемое тело дважды - сначала на одной чаше весов, а затем на другой. Есть и другие способы исключения систематических погрешностей. Однако, всегда остается ошибка связанная с погрешностью используемого прибора, а также случайные погрешности, которые заранее учесть нельзя. В том случае, если погрешность прибора заведомо больше величины случайных погрешностей, присущих данному методу приданных условиях эксперимента, достаточно выполнить измерение один раз (например, при измерении обычной масштабной линейкой длины, точно изготовленной 58 детали. Тогда абсолютная погрешность измерения будет равна погрешности прибора. Если, наоборот, определяющей является случайная погрешность, надо уменьшить ее величину с помощью многократных измерений. Рассмотрим методику оценки случайной погрешности в этом случае. Предположим, что мы произвели n прямых измерений величины Х. Обозначим результаты отдельных измерений через Х, Х, ... Х, которые вследствие наличия случайных погрешностей будут в общем случае неодинаковыми. В теории вероятностей доказывается, что истинное значение измеряемой величины (при отсутствии систематических погрешностей) равно ее среднему значению, получаемому при бесконечно большом числе измерений, те. n i i n ист Х n Х 1 1 lim (1) Поэтому наиболее близким значением Х к истинному будет для данной серии измерений среднее арифметическое значение (Х ср ), а именно ср Х = n i i Х n 1 1 (2) Отклонения измеренных значении Хот X ср носят случайный характер и называются абсолютными ошибками отдельных намерений Х = | i ср Х Х | (3) В элементарной теории ошибок, разработанной Гауссом, мерой случайной погрешности отдельного измерения является, так называемая, средняя квадратичная погрешность, вычисляем по формуле 1 ) ( 1 Х) При большом числе измерений величина S n стремится к некоторому пределу, те. Строго говоря, именно этот предел называется средней квадратичной погрешностью, а квадрат этой величины - дисперсией измерений. Однако средняя квадратичная погрешность отдельного измерения S n полезна лишь для оценки точности применяемого способа измерений. Нас же, главным образом, интересует погрешность результата всей серии измерений. Для этого надо найти среднюю квадратичную погрешность среднего арифметического, характеризующую отклонение Х ср от истинного значения искомой величины. Из закона сложения ошибок вытекает, что средняя квадратичная погрешность среднего арифметического равна n S Х n кв (5) 59 Отсюда следует, что чем больше проделано измерений одной и той же величины, тем меньше случайная погрешность результата. Это вполне понятно, т.к. согласно (I-1) и (I-2), чем больше число опытов, тем ближе Х ср к Х ист Используя соотношения (I-4) и (I-5), можно записать следующее окончательное выражение для средней квадратичной погрешности результата серии измерений ) 1 ( 1 2 n n Х Х n i i кв (6) Это не означает, однако, что истинное значение измеряемой величины обязательно будет заключено в интервале от X ср -ΔX кв до Х ср +ΔX кв . Оказывается, что даже при очень большом числе измерений вероятность того, что истинное значение попадет в указанный интервал, не превышает 0.7. Другими словами, надежность полученного результата в данном случае составляет около 70 %. При малом числе измерений (n< 10) она будет еще меньше. Вероятность того, что истинное значение измеряемой величины попадет в заданный интервал, называется доверительной вероятностью, или коэффициентом доверия Р, а соответствующий интервал, определяемый величиной абсолютной погрешности – доверительным интервалом. Достоверность результата приданном количестве измерений можно увеличить, уменьшая его точность, те. расширяя доверительный интервал. Обычно случайную погрешность рассчитывают по формуле ) 1 ( 1 2 , , n n Х Х Х n i i p n кв p n сл (7) где α n,p — коэффициент Стьюдента, зависящий от числа измерений n ивы- бранного значения доверительной вероятности P. Значения α n,p для ряда случаев приведены в табл. 1. Табл. Значения коэффициента Стьюдента в зависимости от числа измерений и величины доверительной вероятности 3 4 5 6 7 8 9 10 … 100 0.5 0.82 0.77 0.74 0.73 0.72 0.71 0.71 0.70 0.68 0.7 1.3 1.3 1.2 1.2 1.1 1.1 1.1 1.1 1.0 0.95 4.3 3.2 2.8 2.6 2.4 2.4 2.3 2.3 2.0 60 Как видно из табл, увеличение числа опытов позволяет при заданной доверительной вероятности существенно уменьшить случайную погрешность. Здесь следует учесть, что помимо коэффициента α n,p с ростом n уменьшается и значение Х кв Таким образом, для характеристики величины случайной погрешности в принципе необходимо задать два числа саму погрешность кв и доверительную вероятность P, позволяющую оценить степень надежности полученного результата. Необходимая степень надежности определяется спецификой производимых измерений. Доверительная вероятность должна быть, например, очень высокой при контроле размеров деталей самолетов и достаточно низкой при аналогичном контроле деталей ручной тележки. Таким образом, для оценки абсолютной погрешности при прямых измерениях следует 1. произвести серию измерений искомой величины и вычислить среднее значение по формуле (2); 2. вычислить абсолютные ошибки отдельных опытов согласно (3); 3. рассчитать ΔХ кв по формуле (6); 4. определить случайную погрешность, пользуясь формулой (7) и табл. 1 (или формулой Стъюдента); 5. сравнить ΔХ ср с погрешностью прибора, выбирая в качестве абсолютной погрешности наибольшую из этих погрешностей 6. записать результат измерений в виде X = Х ср ± Х Заметим, что если величины случайной и приборной погрешностей близки друг к другу, то обе они влияют на точность результата, примерно в одинаковой степени. Поэтов иногда в качестве максимального значения абсолютной ошибки берут сумму указанных погрешностей. Следует обратить внимание на то обстоятельство, что величина абсолютной погрешности сама по себе дает мало информации о действительной точности измерения, если не сопоставлять ее со значением измеряемой величины. Действительно, пусть погрешность, полученная при измерении линейных размеров, равна 0.5 см и при этом идет речь о длине, например, спичечной коробки, то точность будет очень плохой, а если с такой же погрешностью измерена длина заводского цеха, то точность измерения следует считать даже излишне высокой. Поэтому, помимо абсолютной погрешности, часто используется, так называемая, относительная погрешность измерения Р. Она равна отношению абсолютной погрешности измерения к среднему значению измеряемой величины ср Х Х Е (8) Относительную погрешность иногда выражают в процентах. Тогда 61 ср Х Х Е *100% Таблица 2. Критические значения коэффициента Стьюдента (критерия) для различной доверительной вероятности p и числа степеней свободы f: f p 0.80 0.90 0.95 0.98 0.99 0.995 0.998 0.999 1 3.0770 6.3130 12.7060 31.820 63.656 127.656 318.306 636.619 2 1.8850 2.9200 4.3020 6.964 9.924 14.089 22.327 31.599 3 1.6377 2.35340 3.182 4.540 5.840 7.458 10.214 12.924 4 1.5332 2.13180 2.776 3.746 4.604 5.597 7.173 8.610 5 1.4759 2.01500 2.570 3.649 4.0321 4.773 5.893 6.863 6 1.4390 1.943 2.4460 3.1420 3.7070 4.316 5.2070 5.958 7 1.4149 1.8946 2.3646 2.998 3.4995 4.2293 4.785 5.4079 8 1.3968 1.8596 2.3060 2.8965 3.3554 3.832 4.5008 5.0413 9 1.3830 1.8331 2.2622 2.8214 3.2498 3.6897 4.2968 4.780 10 1.3720 1.8125 2.2281 2.7638 3.1693 3.5814 4.1437 4.5869 62 Рекомендуемая литература Основная 1. Антропов ЛИ. Теоретическая электрохимия. – М Высшая школа, 1984. – 509 с. 2. Лукомский Ю.Я., Гамбург Ю.Д. Физико-химические основы электрохимии г. Долгопрудный ИД Интеллект, 2008 – 424 с. 3. Левин АИ. Электрохимия цветных металлов. – М Металлургия, 1982. – 255 с. 4. Б. Б. Дамаскин, О. А. Петрий, ГА. Цирлина. Электрохимия. М Химия, КолосС, 2006. – 672 с Дополнительная 1 Гамбург Ю.Д. Электрохимическая кристаллизация металлов и сплавов М Янус-К, 1997. – 384 с. 2 Морачевский А.Г. Термодинамика расплавленных металлов и солевых систем. – М Металлургия, 1987. – 240 с. 3 Справочник по электрохимии. Под редакцией Сухотина А.М. – Л Химия, 1981. – 488 с. 4 Скорчеллетти В.В. Теоретическая электрохимия. – Л : Химия, 1974. – 568 с. 5 Прикладная электрохимия. Учеб. пособие для хим.-технол. специальностей вузов / Н.П. Федотьев, А.Ф. Алабышев, А.Л. Ротинян и др под ред. проф. Н.П. Федотьева. - е изд, испр. и доп. – Л Химия, 1967. – 600 с. 6 Баймаков Ю.В., Журин АИ. Электролиз в гидрометаллургии. – М Металлургия, 1977. – 335 с. 7 Алканцев МИ. Процессы цементации в цветной металлургии. – М, Металлургия, 1981. – 114 с. 8 Л.М.Якименко. Электродные материалы. – М Химия, 1977. – 266 с. 9 Баймаков Ю.В., Ветюков ММ. Электролиз расплавленных солей. – М Металлургия, 1966. – 560 с. 63 Учебное издание Чернышова Оксана Витальевна, Волчкова Елена Владимировна ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ТЕХНОЛОГИИ РЕДКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Методические указания к лабораторному практикуму Электронный ресурс федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московский технологический университет 119454, Москва, пр. Вернадского, д. 86 |