Ćwiczenie nr. 2 - Badanie właściwości azotowego oraz korozja

Ćwiczenie nr. 2 - Badanie właściwości azotowego oraz korozja

ĆWICZENIE NR 2
Badanie właściwości kwasu azotowego oraz korozja
stopów wywołana działaniem kwasu azotowego (V)
1. Właściwości kwasu azotowego (V)
Kwas azotowy(V) to bezbarwna ciecz o gęstości 1,52 g/cm3 i temperaturze wrzenia
84°C, w stanie czystym dymiąca na powietrzu (wydziela tlenki azotu). Wzór cząsteczki
kwasu:
Występuje w znikomych ilościach w powietrzu (synteza tlenku azotu
NO z pierwiastków podczas wyładowań atmosferycznych), skąd
przechodzi do gleby, tworząc azotany. Misza się z wodą we wszystkich
stosunkach tworząc hydraty (tworzy z wodą azeotrop zawierający
69,2% HNO3 o temperaturze wrzenia 121,8oC i gęstości 1/41 g/cm3.
Rozkład kwasu następuje powoli a czynnikiem przyspieszającym ten
proces jest światło według reakcji (reakcja ta powoduje żółte
zabarwienie kwasu):
4 HNO3 = 4 NO2 + H2O + O2
Kwas azotowy(V) ma silne własności żrące, jest silnym utleniaczem (może zapalić
słomę lub drewno, na skórę działa parząco zostawiając żółte plamy – reakcja
ksantoproteinowa), roztwarza wszystkie metale z wyjątkiem platynowców i złota; niektóre
metale (żelazo, chrom, glin) są lepiej roztwarzane w rozcieńczonym niż w stężonym kwasie
azotowym(V), gdyż w tym ostatnim powstaje ochronna warstwa tlenków (pasywacja). Kwas
azotowy utlenia również niektóre niemetale (siarkę do kwasu siarkowego, fosfor do kwasu
fosforowego).
Zmieszany z kwasem siarkowym tworzy mieszaninę nitrującą, stosowaną do
nitrowania związków organicznych. Z kwasem solnym tworzy wodę królewską. Kwas
azotowy(V) otrzymuje się w przemyśle metodą Ostwalda poprzez spalanie amoniaku w
powietrzu, w wysokiej temperaturze, w obecności katalizatorów, a następnie reakcję
utlenienia powstałych tlenków azotu oraz reakcję powstałego N2O5 z wodą. Główne
zastosowania: do syntez w przemyśle chemicznym (nitrowanie, materiały wybuchowe, paliwa
rakietowe, barwniki), w farmacji i do produkcji nawozów sztucznych.
Oznaczenia stosowane dla kwasu azotowego (V):
silnie żrący
silny utleniacz
2. Otrzymywanie kwasu azotowego (V)
Kwas azotowy otrzymuje się poprzez katalityczne spalanie amoniaku do tlenków
azotu, dodatkowe utlenianie tlenków powietrzem lub tlenem a następnie związanie ich z
wodą. Jako katalizator stosuje się platynę (lub jej stop z rodem). Spalanie amoniaku powinno
zachodzić według reakcji:
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O
W praktyce obok tej podstawowej reakcji przebiegają również inne niepożądane
reakcje, które obniżają wydajność procesu spalania. Przy niedoborze tlenu zachodzi
następująca reakcja:
4NH3 + 3O2 = 4N2 + 6H2O
A gdy amoniak przebija przez siatki:
4NH3 + 6NO = 5N2 + 6H2O
Przebijanie amoniaku przez siatki nie tylko wpływa na obniżenie wydajności zgodnie
z równaniem, ale może być przyczyną gwałtownych wybuchów w związku z możliwością
powstawania roztworów azotynu amonowego, którego rozkład w pewnych warunkach
odbywa się wybuchowo.
Mieszankę amoniakalno-powietrzną (powietrze ewentualnie uprzednio wzbogacone w
tlen) prowadzi się do utleniacza, gdzie zachodzi spalanie na siatkach platynowych. Następnie
tlenki kierowane są do produkcji kwasu słabego albo stężonego. W przypadku produkcji
kwasu słabego tlenki utlenia się dodatkowo powietrzem i prowadzi do absorpcyjnych wież
kwasowych; resztę niezaabsorbowanych tlenków prowadzi się do komór lub wież
alkalicznych , gdzie pochłaniane są w roztworze węglanu sodowego. Resztę tlenków nie
dających się zaabsorbować wypuszcza się w powietrze co stanowi straty produkcyjne.
Po częściowym wykropleniu par kwasu azotowego w wieży suchej i usunięciu resztek
kwasu w chłodnicy solankowej tlenki azotu prowadzi się do trójstopniowej wieży
absorpcyjnej, intensywnie chłodzonej zimnym 98-100% wym kwasem azotowym, który
absorbuje wykroplony N2O4. Z kolei w odgazowaczu tlenki zostają uwolnione, a kwas
powraca do obiegu. Czyste tlenki skrapla się w chłodnicach wodnych i solankowych, miesza
w mieszalniku kwasowym z kwasem słabym i przetłacza do autoklawu, do którego
jednocześnie doprowadza się jednocześnie pod zwiększonym ciśnieniem czysty tlen:
Po zakończeniu reakcji kwas z autoklawu przetłacza się do odgazowacza gdzie
uwalnia się go od nadmiaru tlenków azotu odgazowany stężony kwas azotowy jest gotowym
produktem.
Ogólny schemat produkcji kwasu azotowego oraz miejsca pobierania próbek do kontroli
jakości procesu przedstawiono na rys. 2.
UWAGA!!!
Przed przystąpieniem do ćwiczenia dokonać oględzin kwasu azotowego (V)
 Określenie intensywności zabarwienia: Stopień intensywności zabarwienia badanego
kwasu należy określić pojęciami: bezbarwny, słabo zabarwiony o odcieniu żółtawym,
żółtobrunatny.
 Sprawdzanie przezroczystości: Roztwór kwasu należy uznawać za przezroczysty,
jeżeli uzbrojonym okiem np. w lupę nie rozróżnia się w nim zawieszonych cząstek lub
innych nierozpuszczalnych składników.
Ćwiczenie 1.
Temat: Przygotowanie różno molowych roztworów kwasu azotowego (V)
Wykonanie: Przygotować dwa roztwory wodne kwasu azotowego (V) o następujących
stężeniach: 1,0 M; 0,1 M według poniższego schematu:
1. Obliczoną ilość kwasu należy pobrać pipetą miarową (pipeta obowiązkowo powinna
być zaopatrzona w pompkę).
2. Do wcześniej przygotowanych kolbek miarowych nalać po około 5ml wody
destylowanej.
3. Przenieść kwas z pipety do kolbek (0,1 dm3) i dopełnić kolbki wodą destylowaną.
4. Wykonać oznaczenia zawartości kwasu azotowego (V) przygotowanego w kolbkach.
Ćwiczenie 2.
Temat: Oznaczenia zawartości kwasu azotowego (V) w kolbkach – metoda pomiaru
gęstości roztworów.
Najszybsza ale najmniej dokładna metoda oznaczania zawartości HNO3 w roztworze polega
na wykorzystaniu zależności między gęstością roztworów kwasu HNO3 a zawartością w nich
HNO3.
Oznaczenie to polega na pomiarze gęstości badanego roztworu HNO3 w określonej
temperaturze (25oC) i odczytaniu zawartości HNO3 z tabeli wartości 1.
Wykonanie:
1. Do przygotowanych wcześniej cylindrów miarowych nalać badane roztwory kwasu
HNO3, w takiej ilości aby możliwe było swobodne zanurzenie w nich areometrów.
2. Po zanurzeniu areometrów dokonujemy odczytu wartości gęstości.
3. Posługując się danymi zawartymi w tabeli 1 oszacować zawartość procentową kwasu
w badanych próbkach roztworów.
4. Przeliczyć otrzymane wyniki na zawartość molową.
Tabela1. Gęstość kwasu azotowego (V) (w temp. 20oC) *10-3 kg/m3
Zawartość
Gęstość
Zawartość
Gęstość
Zawartość
HNO3 [%]
[g/cm3]
HNO3 [%]
[g/cm3]
HNO3 [%]
1
1,0036
26
1,1534
51
2
1,0091
27
1,1600
52
3
1,0146
28
1,1666
53
4
1,0201
29
1,1733
54
5
1,0256
30
1,1800
55
6
1,0312
31
1,1867
56
7
1,0369
32
1,1934
57
8
1,0427
33
1,2002
58
9
1,0485
34
1,2071
59
10
1,0543
35
1,2140
60
11
1,0602
36
1,2205
61
12
1,0661
37
1,2270
62
13
1,0721
38
1,2335
63
14
1,0781
39
1,2399
64
15
1,0842
40
1,2463
65
16
1,0903
41
1,2527
66
17
1,0946
42
1,2591
67
18
1,1028
43
1,2655
68
19
1,1088
44
1,2719
69
20
1,1150
45
1,2783
70
21
1,1213
46
1,2847
71
22
1,1276
47
1,2911
72
23
1,1340
48
1,2975
73
24
1,1404
49
1,3040
74
25
1,1469
50
1,3100
75
Gęstość
[g/cm3]
1,3160
1,3219
1,3278
1,3336
1,3393
1,3449
1,3505
1,3560
1,3614
1,3667
1,3719
1,3769
1,3818
1,3866
1,3913
1,3959
1,4004
1,4048
1,4091
1,4134
1,4176
1,4218
1,4258
1,4298
1,4337
Ćwiczenie 3.
Temat: Oznaczanie zawartości kwasu azotowego (V) metodą acydymetryczną.
Celem ćwiczenia jest wykonanie oznaczenia stężenia molowego kwasu azotowego (V) przy
zastosowaniu metody objętościowej z użyciem mianowanego roztworu zasady sodowej. Jako
wskaźnika używamy błękitu bromotymolowego.
Wykonanie:
1. Odmierzamy przy pomocy pipety 25cm3 badanego kwasu i wlewamy do kolbki
stożkowej, dodajemy kilka kropel błękitu bromotymolowego (zabarwi on roztwór na
kolor żółty).
2. Napełniamy biuretę roztworem mianowanym NaOH.
3. Miareczkujemy kwas do momentu zmiany zabarwienia roztworu na kolor zielony. W
przypadku przemiareczkowania roztwór zabarwi się na niebiesko.
(Dodawana kroplami zasada sodowa zobojętnia kwas azotowy. Punkt, w którym do
określonej ilości kwasu dodamy równoważną ilość zasady, nazywamy punktem
równoważnikowego nasycenia lub punktem końcowym miareczkowania. Poznajemy do po
zmianie barwy wskaźnika, świadczącej o tym, że kwaśny odczyn roztworu po dodaniu
ostatniej kropli zasady przeszedł w odczyn obojętny. W tym momencie następuje trwała
zmiana barwy błękitu bromotymolowego z żółtej na zieloną, nadmiar zasady zmienia
barwę wskaźnika na niebieską)
4. Notujemy ilość zużytego roztworu NaOH na miareczkowanie badanej próbki kwasu.
5. Próbę powtarzamy jeszcze dwa razy, a do obliczeń przyjmujemy średnią wartość z
pomiarów.
Ćwiczenie 4.
Temat: Zapoznanie się z analizą stopów technice.
W zależności od rodzaju składników stopu i ich stosunku procentowego właściwości
stopów są różne, a tym samych ich zastosowanie również bywa różne. Obecność niektórych
zanieczyszczeń powoduje, że stop często nie może być stosowany zgodnie z przeznaczeniem.
Wymagana jest zatem kontrola składników stopowych prowadzona na drodze analitycznej.
Najważniejsze stopy metali dzieli się zasadniczo na cztery zasadnicze grupy
-stopy żelaza (stopy czarne): żeliwa, stale, ferrostopy.
-stopy miedzi (stopy kolorowe): brązy, mosiądze, melchior, nowe srebro.
-stopy glinu i magnezu (stopy lekkie): duraluminium, silumin, elektron, magnalium itd.,
-stopy ołowiu i cyny (stopy ciężkie): łożyskowe, drukarskie.
W celu ustalenia do jakiej grupy należy dany stop, bada się jego zabarwienie, twardość i inne
właściwości fizyczne, a następnie sprawdza jego rozpuszczalność.
Wykonanie:
1. Dokonać obserwacji wizualnej badanych próbek stopów wykorzystując dane zwarte w
tabeli 2.
Tabela 2. Skład jakościowy stopów.
Rodzaj stopu
Osnowa
Skład
Stopy żelaza
Żelazo
Fe, Ni, Cr, Mn, Co,
Cu, W, V, Mo, Ti
Stopy miedzi
Miedź
Cu, Zn, Sn, Pb, Sb,
Fe, Al., Ni, Mn
Stopy glinu i Glin i magnez
magnezu
Stopy ołowiu i Ołów i cyna
cyny
Barwa
ciemnoszara
złocistożółta,
czerwonobrązowa,
srebrzystobiała
Al, Mg, Zn, Mn, Fe, srebrzystobiała
Sn, Cu
Pb, Sn, Cu, Zn, Fe, szara, srebrzystobiała
Cd, Sb
2. Przeprowadzić badaną próbkę do roztworu według następującej procedury:
Metody przeprowadzania próbek stopów do roztworu są następujące:
 W analizie istnieje zasada, że analizowaną próbkę przeprowadza się do
roztworu. Trzeba mieć tylko pewność, że oznaczany składnik ilościowo
roztwarza się w danej frakcji. Na przykład w analizie stopów glinowych, które
oprócz glinu (jako składnika głównego zawierają dodatkowo krzem, miedź,
nikiel żelazo, cynk i mangan stosowane bywa frakcjonowane rozpuszczanie: w
20% NaOH do roztworu przechodzi glin, krzem i cynk , a w kwasie
siarkowym (IV) roztwarza się żelazo i mangan, natomiast w kwasie azotowym
(V) nikiel i miedź.
 Należy jednak zaznaczyć, że np. wyniki oznaczania cynku po roztworzeniu
próbki w NaOH są niższe niż w przypadku roztwarzania całkowitego próbki w
kwasach, co może sugerować niecałkowite roztwarzanie się (w tych
warunkach) cynku. Chociaż cynk dobrze roztwarza się w 20% roztworze
NaOH, korzystniejsze jest i pewniejsze całkowite przeprowadzenie próbki do
roztworu.
 Roztwarzanie w kwasach nieutleniających: HCl, HBr, Hf, H2SO4, w tych
kwasach roztwarzają się te metale, które w szeregu napięciowym wydzielają z
roztworów kwasów wodór (czyli im bardziej ujemny potencjał tym lepiej się
roztwarzają). Należy pamiętać, że metale roztwarzają się wolniej im są
bardziej czyste (pozbawione domieszek i zanieczyszczeń). Np. cynk o
czystości 99,99% roztwarza się w HCl bardzo wolno. W przypadku kwasów
beztlenowych stosuje się również zdolność tworzenia kompleksów np. z
fluorkami. Kwas fluorowodorowy roztwarza dzięki temu trudnorozpusczalny
tlenek cyrkonu lub tytanu.
 Roztwarzanie w kwasach utleniających: HNO3, H2SO4, HClO3 (roztwory
stężone). W tych kwasach lub mieszaninach tych kwasów roztwarza się wiele
metali tworząc w pierwszym etapie tlenki.
 HNO3 roztwarza większość metali, ale nie roztwarza złota, metali z grupy
platynowców, tantalu czy cyrkonu. Glin, gal i ind pod wpływem kwasu
azotowego (V) pokrywają się warstwą tlenku i pasywują się. Cyna, antymon
roztwarzając się powodują wytrącanie się jednocześnie trudno
rozpuszczalnych osadów.
 Woda Królewska (stężony kwas azotowy (V) + HCl w stosunku 1+3:
roztwarza złoto.


3.
Woda Lenorta stężony kwas azotowy (V) + HCl w stosunku 3+1: roztwarza
minerały.
20% wodorotlenek sodu lub potasu: do roztwarzania cynku, glinu i ich stopów.
Identyfikacja próbek stopów. Instrukcja postępowania (patrz tabela 3).
Tabela 3. Identyfikacja próbek stopów
Etap (czynność)
1. Próbka stopu +
25% NaOH (na
zimno)
2. Próbka stopu +
25% NaOH (na
zimno)
Obserwacja
i
równania reakcji
Stop roztwarza się z
wydzieleniem wodoru
(Reakcja 1)
Stop mnie roztwarza
się
Wniosek
wstępny
Stop Al
Możliwe
stopy:
Mg, Fe,
Sn, Sb,
Pb, Cu
Stop Mg
3. Próbka stopu+
6m CH3COOH
Stop roztwarza się z
wydzieleniem wodoru
(Reakcja 2)
4. Próbka stopu +
stęż. HCl, ogrzać
1min i dodać
kroplę 6m HNO3
5. Próbka stopu+
kilka kropli stęż.
HNO3 i taka sama
objętość
H2O
(ogrzać)
Stop roztwarza się z
wydzieleniem wodoru
(Reakcja 3,4)
Stop Fe
Stop roztwarza się i
powstaje
niebieskie
zabarwienie roztworu
(Reakcja 5)
Stop Cu
Dodatkowe
etapy
Roztwór badać
na
obecność
Al3+
Postępować
według p.3
Próbkę
stopu
roztworzyć
w
2m HCl i badać
na obecność Mg
Roztwór badać
na
obecność
jonu Fe3+
Roztwór badać
na
obecność
jonu Cu2+
Reakcje charakterystyczne
Do kilku kropli roztworu dodać
aluminon  czerwony osad
świadczy o obecności tego jonu
Do kilku kropli roztworu dodać
magnezon  niebieski osad
świadczy o obecności tego jonu
Stop Mg
Do kilku kropli roztworu dodać
NH4SCN  krwistoczerwone
zabarwienie świadczy o obecności
tego jonu (Reakcja 6)
Do kilku kropli roztworu dodać
NH3H2O  szafirowoniebieskie
zabarwienie świadczy o obecności
tego jonu (Reakcja 7)
Stop Fe
Reakcja 1: 2Al+2NaOH + 6H2O = 2NaAl(OH)4 + 3H2
Reakcja 2: Mg + CH3COOH = Mg2+ + 2CH3COO- + H2
Reakcja 3: Fe + 2HCl = Fe2+ + 2Cl- + H2
Reakcja 4: 3Fe2+ + 10HNO3 = 3Fe3+ + 9 NO3- + NO + 2H2O + 6H+
Reakcja 5: 3Cu + 8 HNO3 = 3Cu2+ + 6NO3- + 2NO+ 4H2O
Reakcja 6: Fe3+ + 3NH4SCN = Fe(SCN)3 + 3NH4+
Reakcja 7: Cu2+ + 4 NH3H2O = [Cu(NH3)4]2+ + 4H2O
Wniosek
końcowy
Stop Al
Stop Cu
Wzory i obliczenia:
1) Reakcja zobojętniania kwasu azotowego zasadą sodową:
HNO3 + NaOH = NaNO3 + H2O
V1 – objętość HNO3
C1 – stężenie HNO3
V2 – objętość NaOH
C2 – stężenie NaH
V1*C1 = V2*C2
C1= (V2*C2)/V1
2) Przeliczanie stężenia kwasu na jego masę:
1M
- 63,02g HNO3
0,3166 M - x
x = (63,02g * 0,3166)/ 1
Jeżeli pojemność kolbki w której przygotowano roztwór wynosiła 100cm3, oznacza to że
zawartość HNO3 w tej kolbce jest 10-krotnie mniejsza.
3) Cmol=n/V
C% = (ms/mr)*100%
4) Przeliczenia wzajemne stężeń:
Cmol= (C%*d)/100%* M
C% = (Cmol*M*100%)/d
Sprawozdanie:
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Obliczenia stężenia procentowego i molowego badanych roztworów kwasu azotowego
(V).
2. Podać błąd z jakim dokonano obliczenia stężenia molowego (na podstawie gęstości w
stosunku do stężenia molowego obliczonego na podstawie miareczkowania)
otrzymanych kwasów
3. Określić i zinterpretować wpływ stężenia kwasu azotowego (V) na roztwarzania
próbek badanego stopu (określić zachodzące reakcje chemiczne).
4. Na podstawie wykonanych badań jakościowych próbek stopów podać rodzaj stopu i
jego skład pierwiastkowy.
ZAKRES TEORETYCZNY
1. Technologia otrzymywania kwasu azotowego (V)
2. Stosowane kontakty, wpływ parametrów na przebieg utleniania amoniaku.