Растворы щелочей
Приблизительные растворы. Наиболее употребительными растворами щелочей в лабораторной практике являются растворы едкого натра NaOH. Растворы едкого кали KOH готовят редко, растворы же аммиака почти всегда покупают готовыми.
Едкий натр (или едкое кали) имеется в продаже в виде препаратов: технического, чистого и химически чистого. Разница между ними состоит в процентном содержании NaOH (или KOH)1 а следовательно, и примесей. Технический * NaOH содержит значительные количества NaCl, Na2CO3, Na2SiO3, Fe2O3 и т. д. Чистый реактив содержит минимальное количество этих примесей, а хими- » чески чистый реактив содержит только следы их.
Технический едкий натр продают отлитым в железные бочки, чистый — пластинчатыми кусками, а химически чистый —в виде палочек или таблеток.
При растворении щелочи происходит сильное разогревание, в особенности в тех местах, где лежат куски ее. Чтобы растворение шло быстрее, раствор следует все время перемешивать стеклянной палочкой.
Применять стеклянную посуду при растворении щелочи не рекомендуется, потому что она может легко разбиться и работающий может пострадать, так как концентрированный раствор щелочи разъедает кожу, обувь и одежду. Если приходится готовить малые количества щелочи, то можно растворять ее и в стеклянной посуде.
Куски щелочи голыми руками брать нельзя, их следует брать тигельными щипцами, специальным пинцетом или в крайнем случае руками, но обязательно в резиновых перчатках.
Вначале рекомендуется готовить концентрированные растворы щелочи плотности 1,35—1,45 г/см3, т. е. 32— 40%-ные. В подобных концентрированных растворах
* В технике едкий натр часто называют каустической содой.
щелочи многие примеси не растворяются и при отстаивании раствора оседают на дно. Отстаивание концентрированного раствора щелочи продолжается несколько дней (не меньше двух) *. Отстоявшийся раствор осторожно сливают, лучше всего сифоном, в другой сосуд, а осадок выбрасывают или употребляют для мытья посуды.
Если в лаборатории приходится часто и в больших количествах готовить растворы щелочи, то применяют следующий прием. Сначала полностью растворяют щелочь в фарфоровой чашке, и когда раствор немного остынет (до 40—50° С), его через воронку сливают в стеклянную бутыль подходящей емкости. Бутыль хорошо закрывают резиновой пробкой, снабженной отверстием, в которое вставляют хлоркальциевую трубку, наполненную натронной известью (для поглощения двуокиси углерода). Когда щелочь отстоится и на дне образуется резко отграниченный слой осадка (в 1—2 см от дна), верхний слой раствора сливают в другую бутыль. В резиновую пробку последней вставляют две трубки, одна из которых должна входить приблизительно на 1/3 высоты бутыли, а другая должна быть на 1—2 см ниже пробки (рис. 350).
На наружный конец длинной стеклянной трубки насаживают резиновую трубку со стеклянным концом, который опускают в бутыль с отстоявшейся щелочью. Нижний конец этой трубки следует изогнуть так, как показано на рис. 350. Такой конец препятствует захвату осадка со дна бутыли даже в том случае, если конец трубки коснется осадка. Короткую трубку соединяют с вакуум-насосом. Включив насос, отстоявшийся раствор быстро и безопасно перекачивают в другую бутыль. При Переливании щелочи нужно следить, чтобы трубка, опущенная в сосуд с отстоявшейся щелочью, не поднимала осадок со дна. Поэтому ее в начале переливания держат достаточно высоко над осадком, постепенно опуская к концу переливания.
После этого определяют ареометром плотность раствора и по таблице находят процентное содержание щелочи. Если нужно приготовить более разбавленный раствор, то разбавление проводят, применяя описанные выше способы расчета.
* Естественно, что раствор едкого натра должен отстаиваться без доступа к нему двуокиси углерода. Концентрированные растворы щелочей сильно выщелачивают стекло бутылей, поэтому внутренняячасть бутыли должна быть покрыта парафином или смесью церезина и вазелина или же сплавом парафина с полиэтиленом (см. гл. 3 «Пробки и обращение с ними»).
Для покрытия стенок бутыли парафином несколько кусков его помещают внутрь бутыли и последнюю нагревают в сушильном шкафу или же над электрической плитой или газовой горелкой (осторожно) до 60—8O0C Когда парафин расплавится, бутыль поворачивают и распределяют расплавленную массу тонким слоем по всей внутренней поверхности.
Парафиновый или церезиновый слой можно нанести, применяя раствор этих веществ в авиационном бензине. Парафин вначале растворяют в бензине, полученный раствор наливают в бутыль, которая должна быть покрыта внутри парафином. Стенки бутыли обмывают внесенным раствором парафина, медленно поворачивая ее «о оси в горизонтальном положении. Когда на стекле образуется парафиновая пленка, бутыль продувают воздухом до полного вытеснения паров бензина. Затем бутыль один-два раза споласкивают водой. Только после этого ее можно заполнять щелочью или другой жидкостью.
Обработка бутылей для хранения щелочей особенно важна для аналитических лабораторий, так как предотвращает загрязнение титрованных растворов продуктами выщелачивания стекла.
Точные растворы. Приготовление точных растворов отличается тем, что для них берут химически чистую щелочь, растворяют ее, как указано выше, и определяют содержание щелочи титрованием точным раствором кислоты.
Титр раствора щекочи (т. е. точную концентрацию раствора) лучше всего устанавливать по раствору щавелевой кислоты (C2H2O4 •2H2O)*.
Продажную щавелевую кислоту следует один-два раза перекристаллизовывать и только после этого применять для приготовления точного раствора. Это двухосновная кислота и,следовательно, ее эквивалентный вес равен половине молекулярного. Так как последний равен 126,0665, то эквивалентный вес ее будет:
Приготовляя 0,1 и. раствор NaOH, мы должны иметь раствор щавелевой кислоты такой же нормальности, для чего на 1 л раствора ее нужно взять:
Но для установки титра такое количество раствора не нужно; достаточно приготовить 100 мл или максимум 250 мл. Для этого на аналитических весах отвешивают около 0,63 г (для 100 мл) перекристаллизованной щавелевой кислоты с точностью до четвертого десятичного знака.
Начинающие работники при взятии навесок для установки титра часто стараются отвесить точно указанное в руководстве количество вещества (в нашем случае 0,6303 г). Этого делать ни в коем случае не надо,так как такое отвешивание неминуемо требует многократных от-
* Так как едкий натр легко поглощает двуокись углерода, то в щелочи всегда присутствует углекислый натрий. Приготовив раствор едкого натра, обязательно устанавливают его концентрацию путем титрования растворов точных навесок органической кислоты, как, например, щавелевая, яблочная и др. Поэтому нет необходимости разбавлять концентрированный раствор в мерной колбе с доведением уровня раствора точно до метки; можно, перелив его в ту бутыль, где он будет храниться, добавить воду мерным цилиндром. Следует иметь в виду, что при приготовлении растворов едких щелочей основное внимание должно быть уделено защите растворов от двуокиси углерода воздуха. Всякое сокращение операций, при которых раствор может соприкасаться с воздухом, весьма желательно, сыпаний и досыпаний вещества в тару. В результате часть вещества попадает на чашки весов и на наружную стенку тары и точно отвешенное количество вещества не удастся полностью перенести в мерную колбу. Поэтому приготовленный раствор будет неточным. Наконец, очень многие вещества изменяются на воздухе (теряют кристаллизационную воду или, как говорят, «выветриваются», поглощают из воздуха двуокись углерода и т. д.). Следовательно, чем дольше продолжается взвешивание; тем больше возможность загрязнения вещества. Поэтому сначала на технохимических весах берут навеску, сходя-> щуюся с требуемой в двух первых десятичных знаках, а затем на аналитических весах определяют точную массу. Навеску растворяют в соответствующем объеме растворителя.
Зная массу взятого вещества и объем раствора, легко вычислить его точную концентрацию, которая в нашем случае будет равна не 0,1 н., а немного меньше. При таком способе несколько усложняется расчет, но достигается большая точность и значительная экономия времени.
Когда раствор будет готов, берут из него пипеткой 20 мл, переносят в коническую колбу, добавляют несколько капель фенолфталеина и титруют приготовленным раствором щелочи до появления слабого розового окрашивания.
Пример. На титрование израсходовано 22,05 мл раствора щелочи Вычислить его титр и нормальность.
Щавелевой кислоты было взято 0,6223 г вместо теоретически рассчитанного количества 0.6303 г. Следовательно, концентрация раствора ее не точно 0,1 н., а равна
Чтобы вычислить нормальность раствора щелочи, следует воспользоваться соотношением N[Vi = /V2-V2, т. е. произведение объема на нормальность известного раствора равно произведению объема на нормальность неизвестного раствора. В нашем случае известным является раствор щавелевой кислоты, следовательно
Нормальность раствора щелочи равна 0,08955.
Чтобы вычислить титр, или содержание NaOH в 1 мл раствора, следует нормальность умножить на грамм-эквивалент щелочи и полученное произведение разделить на 1000. Тогда титр раствора щелочи будет:
В тех случаях, когда требуются особо чистые растворы едкого натра, их готовят или из спиртовых растворов NaOH, или из амальгамы натрия.
Металлический натрий растворяют в максимально обезвоженном этиловом спирте. Спиртовый раствор готовят приблизительно 5%-ным. Небольшой стакан, наполненный до половины и не больше чем на 3U его объема чистым керосином или лигроином, тарируют на техно-химических весгГх дробью или гирьками. Из банки, в которой хранится металлический натрий под керосином или лигроином, берут пинцетом или ножом кусочки натрия и, обрезав наружные корки ножом, переносят в тарированный стакан, отвешивая нужное количество. При этой операции гири и тару ставят на левую чашку весов, а стакан с керосином — на правую чашку. *
Иногда вместо металлического натрия применяют металлический калий или растворяют в спирте гидроокись натрия или калия. Следует помнить, что растворимость при 28° С в этиловом спирте NaOH меньше, чем растворимость КОН, почти вдвое (соответственно 14,7 г/100 г и 27,9 г/100 г).
Спиртовые растворы щелочей обычно имеют слабожелтую окраску, вызываемую осмолепием при действии щелочи на примеси, особенно непредельных соединений, которые могут присутствовать в спирте.
Для приготовления бесцветных растворов КОН, не желтеющих и не темнеющих при употреблении и хранении, рекомендован следующий прием. Около 5 мл бу-тилата алюминия прибавляют при перемешивании к 1 л этилового спирта при температуре около 20° С. Этой смеси дают стоять несколько недель, но не меньше месяца, после чего спирт осторожно сливают (лучше всего с применением сифона для декантации) и добавляют к нему требуемое количество КОН. Бутилат алюминия вызывает выпадение в осадок всех примесей, от которых зависит пожелтение или даже потемнение спиртовых растворов щелочей.
Для получения раствора NaOH можно пользоваться также амальгамой натрия. Для ее приготовления отвешивают 2,5 г металлического натрия и 100 г ртути. Ртуть наливают в пробирку, последнюю помещают в стакан, поставленный в фарфоровую чашку. Предварительно заготавливают несколько стеклянных палочек с оттянутым концом (длина палочек 35—40 см). На палочку надевают кусок асбеста так, чтобы при опускании палочки пробирка закрывалась асбестом. При шэмощи этой палочки вынимают из керосина кусочек металлического натрия величиной с горошину, быстро вытирают его фильтровальной бумагой и вносят в ртуть. Следует учитывать, что при этом возможна легкая вспышка. Постепенно вносят в ртуть весь металлический натрий. Получаемая амальгама (раствор металла в ртути) должна быть жидкой, но она может постепенно затвердеть. Жидкую амальгаму выливают в сосуд с водой, предварительно освобожденной от двуокиси углерода. Сосуд следует снабдить отводной трубкой с клапаном Бунзена. Если амальгама затвердеет, пробирку нужно разбить и кусочки амальгамы поместить в воду, не содержащую двуокиси углерода. Через два дня раствор едкого натра сливают со ртути и устанавливают его нормальность, как описано выше.
О приготовлении растворов, титр которых устанавливают по определяемому веществу, см. выше.
Для приготовления точных растворов щелочей используют также ионообменный способ. Аниониты могут быть применены для очистки растворов едкого натра и едкого кали от карбонатов и для приготовления точных растворов едкого натра и едкого кали, исходя из точных навесок хлористого натрия или хлористого калия.
Если нужно отделить только карбонаты и не загрязнять раствор ионами хлора, первые порции раствора, прошедшего через колонку в Cl-форме, отбрасывают до тех пор, пока хлорид-ион не перестанет обнаруживаться в пробе раствора.
Насыщенный карбонат-ионами анионит можно снова перевести в С1-форму обычным приемом, т. е. пропуская через колонку с соляной кислотой, затем колонку хорошо промывают водой.
Для получения точного раствора’ едкого натра или едкого кали рассчитанную навеску хлористого натрия или хлористого калия, отвешенную на аналитических весах, растворяют в дистиллированной или деминерализованной воде и полученный раствор пропускают через хро-матографическую колонку, наполненную анио-нитом в ОН-форме. Из колонки будет вытекать раствор щелочи рассчитанной концентрации.
Точные растворы NaOH или KOH лучше всего сохранять в полиэтиленовой посуде, на которую щелочи не действуют, или в стеклянной посуде парафинированной внутри.
Источник
Приготовление раствора каустической соды (едкого натра, гидроксида натрия, NaOH)
В технологических процессах многих предприятий используется раствор едкого натра. Чаще всего закупается готовый раствор гидроксида натрия. В России всего несколько заводов-изготовителей, занимающихся производством каустической соды. Основные – АО «Башкирская содовая компания» (г. Стерлитамак, специализируется на чешуированном едком натре), АО «Каустик» (г. Волгоград, специализируется на гранулированном едком натре).
Все привыкли к тому, что можно купить 46% раствор, а затем разбавить водой до необходимой концентрации. Более концентрированный раствор производители едкого натра не поставляют, т.к. повышается вероятность кристаллизации раствора при понижении температуры, что создаст проблемы при перекачивании. В холодное время года приходится перевозить раствор едкого натра в обогреваемых утепленных танк-контейнерах, что еще больше удорожает и без того недешевую перевозку.
Принимая во внимание еще и:
- монопольно завышенную цену на раствор каустической соды,
- возможные перебои поставок,
- экономию места для хранения раствора
руководство некоторых предприятий задумалось о снижении издержек путем самостоятельного наведения раствора из сухого каустика. Данное решение также позволяет снизить риски, связанные с хранением вещества второго класса опасности. Периодически создавать достаточный запас раствора из сухого реагента проще, чем обеспечивать хранение большого объема агрессивного раствора.
Одно из таких предприятий – ТОО «Cracking Catalyst» (Казахстан, г. Шымкент).
При проработке вопроса приготовления раствора едкого натра технолог предприятия столкнулся со следующими затруднениями:
- При ручном растаривании мешков с гидроксидом натрия неизбежно пыление. Пыль впитывает влагу, образуя вокруг площадки оператора щелочь.
- Растаривать мешки в костюме химзащиты очень затруднительно, неудобно, жарко. Без костюма поражаются открытые кожные покровы оператора. Неясно, как обезопасить персонал.
- При приготовлении щелочи выделяются значительное количество тепла, раствор закипает, возникает обильное щелочное парение.
- За смену нужно успеть растворить 6 900 кг каустической соды (растарить 276 мешков – что весьма трудоемко).
- Ввиду отсутствия соответствующего опыта нет четкого понимания, как самостоятельно изготовить работоспособное оборудование для растворения едкого натра в воде.
Решение проблемы растворения каустической соды
Весной 2018 г ТОО «Cracking Catalyst» обратилось в ООО «Квант Минерал», имеющее опыт изготовления оборудования для безопасного растаривания опасных реагентов и приготовления их растворов.
Уточнив исходные данные заказчика, мы предложили ему для ускорения процесса и снижения трудоемкости операций растаривать едкий натр в биг-бегах (МКР). Получив согласие заказчика, мы разработали под его нужды следующее техническое решение:
Описание технологии растворения
Оператор заполняет исходной водой накопительную емкость.
Контейнеры МКР с каустической содой доставляют автотранспортом в здание узла растворения. С помощью электрического тельфера контейнеры разгружают и устанавливают на площадку.
Оператор закрепляет контейнер на крюк тельфера и с его помощью загружает контейнер в растворный бак (растворитель). Оператор закрывает крышку растворного бака, нажимает кнопку запуска цикла растворения. Растаривание и растворение проводятся в герметично закрытом пространстве, что обеспечивает отсутствие пыления и гарантирует безопасность персонала.
Циркуляционный насос подает воду из накопительной емкости в контейнер МКР с растворяемым веществом. Через перфорированную решетку раствор стекает в нижнюю часть растворителя. Циркуляция раствора продолжается до полного растворения. Цикл растворения и перезагрузки одного контейнера в среднем составляет около 60-90 мин (подбирается при пуско-наладочных работах).
После окончания растворения (время задается таймером) отключается циркуляционный насос и включается сигнализатор окончания цикла. Оператор открывает крышку. Из растворного бака извлекается пустой контейнер.
Готовый раствор каустической соды сливается в имеющиеся у заказчика накопительные емкости.
Для обслуживания оборудования требуется 1 оператор.
Отвод теплоты, образующейся при растворении каустической соды, происходит через пластинчатый теплообменник.
Предусмотренная автоматизация обеспечивает защиту насосов от «сухого хода», автоматическое отключение циркуляционных насосов по завершении цикла растворения, защиту емкостей от перелива, оповещение оператора об аварийных ситуациях, оповещение об окончании растворения. Контроль и управление оборудованием осуществляется при помощи щита управления.
Реализация проекта
После утверждения технического решения и подписания договора, мы приступили к проектированию, комплектации, изготовлению, поставке узла растворения едкого натра.
В ходе реализации проекта заказчик для экономии воды установил градирню – создал закрытый контур охлаждения.
Через 6 месяцев заказчик получил оборудование. В течении 3 последующих недель мы произвели шеф-монтажные и пуско-наладочные работы.
Запас мощности, заложенный в теплообменник, пригодился после окончания работ. Осенью 2018 г в Казахстане установилась жаркая погода и температура исходной воды, подаваемой на охлаждение, увеличилась с 25 °С до 30 °С. Оборудование успешно справилось с повышением нагрузки.
Источник