krystalizacja

LABORATORIUM „SEPARACJA I OCZYSZCZANIE BIOPRODUKTÓW” –
KRYSTALIZACJA
Cele ćwiczenia:
1. Wykreślenie krzywych nasycenia i przesycenia dla KH2PO4, c [g/L] = f(T) [K] i na ich podstawie
obliczenie stężenia przesycenia (∆c) i stopnia przesycenia (P) dla KH2PO4.
2. Zbadanie wpływu temperatury, mieszania i obecności innych substancji rozpuszczonych na
szybkość procesu krystalizacji KH2PO4.
3. Przeprowadzenie krystalizacji z reakcją chemiczną otrzymania KH2PO4. Zbadanie wpływu stężenia
reagentów na ilość wytworzonego produktu. Obliczenie wydajności reakcji na drodze krystalizacji
na podstawie pomiarów przewodnictwa jonowego.
1. Przebieg doświadczenia – wyznaczanie krzywej nasycenia i przesycenia.
Rozpuszczalność soli KH2PO4 badana będzie w zakresie 303-363 K.
Stanowisko do badania rozpuszczalności stanowi: mieszadło magnetyczne o regulowanej ilości obrotów i
temperaturze płyty grzewczej, kolba stożkowa z mieszadełkiem magnetycznym zaopatrzona w gumowy
korek oraz termopara podłączona do mieszadła magnetycznego z regulacją temperatury.


Do kolby należy dodać 50-100 mL wody destylowanej i podgrzać do wskazanej przez
prowadzącego temperatury. Krystaliczną sól KH2PO4 należy dodawać małymi porcjami
(intensywnie mieszając) do momentu, aż przestanie się rozpuszczać we wskazanej temperaturze
(zbliżanie się do punktu nasycenia roztworu, powoduje znaczne spowolnienie rozpuszczania
soli). W wyniku tego otrzymuje się roztwór nasycony w danej temperaturze i tym samym
pierwszy punkt z krzywej nasycenia KH2PO4 (znana jest temperatura oraz stężenie substancji
rozpuszczonej).
Następnie otrzymany nasycony roztwór soli należy pozostawić do ochłodzenia
w temperaturze pokojowej, jednocześnie delikatnie mieszając. Obserwacje należy prowadzić
wraz ze spadkiem temperatury roztworu o 1°C do momentu pojawienia się pierwszych
kryształów. Temperatura, w której pojawią się pierwsze kryształy jest punktem na krzywej
przesycenia (znane jest stężenie substancji rozpuszczonej i temperatura krystalizacji).
W wyniku prowadzonych pomiarów wszystkich grup należy wyznaczyć równania krzywych nasycenia i
przesycenia, jak pokazano na rysunku poniżej oraz obliczyć przesycenie (∆C) oraz stopień przesycenia (P)
zgodnie z poniższymi wzorami:
C  (C  Cn )T
(1)
P(
C
)T
Cn
(2)
C – stężenie rzeczywiste składnika w roztworze w danej temperaturze (T), Cn – stężenie nasycenia w tej samej temperaturze (T)
1
2. Przebieg doświadczenia – wpływ mieszania, temperatury i obecności innych substancji na szybkość
krystalizacji KH2PO4.
W kolbkach zawierających 100 mL wody należy przygotować nasycony w temperaturze pokojowej roztwór
KH2PO4. Badanie wpływu różnych czynników na szybkość krystalizacji, ilość i jakość wytworzonych
kryształów prowadzone będzie na podstawie wizualnych obserwacji roztworu w czasie 30-60 min. Wpływ
czynników należy przeprowadzić zgodnie z poniższą tabelą.
Lp.
Temperatura 293 K
1
2
3
4
5
6
+
+
Mieszanie,
100-200
rpm
Dodanie substancji
wpływających na zmianę
rozpuszczalności soli.
(np. rozpuszczalnik
organiczny, sole posiadające
wspólne i nie posiadające
wspólnych jonów z KH2PO4)
+
+
+
+
Temperatura,
273 K
Dodanie
zarodków do
krystalizacji
(np. kryształ
KH2PO4)
+
+
+
+
2
3. Przebieg doświadczenia – krystalizacji z reakcją chemiczną otrzymywania KH2PO4.
Kryształy soli KH2PO4 można otrzymać na drodze krystalizacji w czasie reakcji opisanej poniższym
równaniem:
H3 PO4  KOH  KH 2 PO4  H 2O
Reakcję należy prowadzić w lodowej łaźni wodnej mieszając ze sobą roztwory kwasu i zasady o
zadanym przez prowadzącego stężeniu. Otrzymany roztwór należy wstawić do lodówki i po 1,5 godzinie
co kilkanaście minut obserwować tworzenie się kryształów. Po 2,5-3 h roztwór wyjąć z lodówki i
pozostawić w temperaturze pokojowej. Po osiągnięciu temperatury otoczenia zmierzyć przewodnictwo
jonowe roztworu nad kryształami i stąd wyznaczyć stężenie soli w roztworze.
Opracowanie wyników:
1. Na podstawie przeprowadzonych we wszystkich grupach pomiarów należy wykreślić krzywe
nasycenia i przesycenia KH2PO4 oraz na podstawie równań krzywych nasycenia i przesycenia
obliczyć stężenie przesycenia (∆c) i stopień przesycenia (P) w badanych temperaturach.
2. Na podstawie wizualnych obserwacji określić wpływ temperatury, mieszania i dodatku innych
substancji na ilość i jakość (drobno- , grubokrystaliczny osad) powstającego KH2PO4.
3. Na podstawie pomiarów przewodności jonowej roztworu nad powstałymi w reakcji chemicznej
kryształami, obliczyć masę powstałych kryształów i wydajność reakcji na drodze krystalizacji.
Określić jaka jest zależność stężenia jonów nad kryształami po procesie krystalizacji od stężenia
rzeczywistego w roztworze na początku tego procesu.
Zagadnienia
1.
Podstawy teoretyczne procesu krystalizacji, krystalizacja z roztworu:
- Sposoby prowadzenia krystalizacji (przez odparowanie, chłodzenie, współwytrącanie)
- Siła napędowa krystalizacji
- Zarodkowanie – definicja, rodzaje
- Wpływ procesów towarzyszących na szybkość krystalizacji (rozkład przesycenia, rozdrabnianie i
ścieranie, aglomeracja kryształów).
2. Rodzaje krystalizatorów – budowa i zasada działania:
- krystalizatory w wymuszoną cyrkulacją zawiesiny
- krystalizatory z częściową klasyfikacją hydrauliczną zawiesiny
- krystalizatory ze strumienicą cieczową
- krystalizatory z pełną klasyfikacją hydrauliczną zawiesiny (aparaty fluidalne)
- aparaty do krystalizacji z rekcją chemiczną
- aparaty do krystalizacji poprzez wysalanie
Literatura
 Piotr. M. Synowiec, Krystalizacja przemysłowa z roztworu, Wyd. Naukowo-Techniczne Warszawa,
2008;
 Z. Rojkowski, J. Synowiec, Krystalizacja i krystalizatory, Wyd. Naukowo-Techniczne Warszawa,
1991.
3
1,2
Zależność stężenia soli od przewodnictwa dla niskostężonych
r-ów < 1,5M
Stężenie NaCl[mol/dm3]
1
c = 0,0142σ - 0,0155
R² = 0,9988
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Przewodnictwo [mS/cm]
4,5
Zależność stężenia soli od przewodnictwa dla wysokostężonych
r-ów > 1,5M
4
Stężenie NaCl[mol/dm3]
3,5
c= 0,0229σ - 0,7515
R² = 0,9876
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
70
90
110
130
150
170
190
Przewodnictwo [mS/cm]
4