Схема лабораторной установки

Для обжига колчедана используется установка, схема которой представлена на рис.1.

Печь для обжига колчедана представляет собой кварцевую трубку 7, расположенную внутри горизонтальной трубчатой печи 6, обогреваемой электротоком. В кварцевую трубку помещается лодочка 8 с навеской колчедана.

Температура в печи (кварцевой трубке 7) измеряется термопарой 5, соединенной с милливольтметром 4 и поддерживается в заданном интервале вручную с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) 3. Соотношение между показаниями милливольтметра и температурой приводится на графике.

Воздух для обжига колчедана протягивается через кварцевую трубку и всю установку при помощи аспиратора 13. Скорость подачи воздуха регулируется краном 1 и измеряется реометром 2. Соотношение между расходом воздуха и перепадом давления по манометру приводится на графике.

Для определения количества образовавшегося серного ангидрида в данной работе газ из печи направляется в поглотительные склянки 12/1 – 5, заполненные раствором йода с определенной концентрацией.

При поглощении сернистого газа раствором йода протекает реакция:

SO₂ + J₂ + 2H₂O = H₂SO₄ + 2HI (8);

Во время поглощения работает одна из склянок. Переключение с одной склянки на другую осуществляется соответствующими кранами 11/1 – 5.

Непоглощенные в склянках 12/1 – 5 газы направляются в аспиратор 13.

Методика проведения работы:

Получают задание у преподавателя. Обычно задаются навеска колчедана в пределах 0,25 – 0,5 г., температура в печи 400 – 600⁰С и расход воздуха 2 – 6 л/ч.

Рассчитывают количество 0,1 н раствора йода, необходимого для полного поглощения SO₂, получаемого из данной навески колчедана по реакции (8).

Содержание FeS₂ в колчедане принимается равным 42%.

Необходимый объем раствора йода поровну разливают во все склянки 12/1 – 5 и дистиллированной водой доводят объем в каждой склянке до 100 мл.

Взвешивают по отдельности лодочку и навеску колчедана. Затем лодочку с навеской колчедана пинцетом помещают в кварцевую трубку 7 по возможности ближе к термопаре 5 и закрывают пробкой 9.

Аспиратор (бутыль) 13 заполняют водой. Для этого открывают зажим 15 для входа воздуха из бутыли 13 и открывают вентиль 16. После заполнения бутыли закрывают вентиль 16 и зажим 15.

Установку проверяют на герметичность. Для этого закрывают кран 1, открывают кран 14, зажим 17 и один из кранов 11, обычно первый по ходу газа. Если установка герметична, то вытекание воды из аспиратора 13 быстро прекращается. А также прекращается пробулькивание газа через раствор склянки, кран которой открыт. После проверки на герметичность кран 14 и зажим 17 не закрывают.

Включают печь 6 в электросеть при вывернутой до отказа влево ручке ЛАТРа 3. Поворотом ручки ЛАТРа вправо поднимают напряжение до 170 – 200 вольт и следят за повышением температуры по показанию милливольтметра 4.

По достижении определенной температуры, которая задается преподавателем в пределах 400 – 600⁰С и которую затем поддерживают постоянной в течение опыта, осторожно (во избежание переброса в печь жидкости, находящейся в манометре) открывают кран 1 и устанавливают заданный расход воздуха по показанию манометра реометра 2. Расход воздуха или соответствующий ему перепад давления по манометру поддерживается постоянным в течение опыта.

Появление (обычно вскоре после подачи воздуха) тумана над раствором йода в поглотительной склянке считается началом опыта. В это время включают секундомер. Газ пропускают через склянку 12/1 до полного обесцвечивания, затем переключают отходящие газы в следующую склянку, отметив время, в течение которого обесцветился раствор йода в первой поглотительной склянке. При переключении вначале открывают кран 11/2, а затем закрывают 11/1. Точно так же поступают и дальше. Раствор йода в одной из последних склянок может не обесцветится в течение 10 – 15 мин., что свидетельствует об окончании выгорания серы.

Опыт заканчивают, когда раствор йода либо обесцветится во всех склянках 11, либо в одной из последних склянок не обесцвечиваются в течение более 15 мин.

Выключают печь, снижая напряжение на ЛАТРе до нуля и отсоединяя от электросети, закрывают краны 1,14 и зажим 17. Открывают пробку 9 и осторожно пинцетом вынимают лодочку 8. После охлаждения лодочку с огарком взвешивают на аналитических весах.

Из склянки, через которую пропускали газ и в которой не обесцветился раствор йода, отбирают пипеткой 15 – 20 мл раствора и переносят в плоскодонную колбу. Добавляют примерно 100 мл дистиллированной воды и 3 капли крахмала. Титруют 0,1 н раствором тиосульфата натрия до обесцвечивания.

При титровании протекает реакция:

J₂ + 2Na₂S₂O₃ = 2NaJ + Na₂S₄O₆ (9);

Записывают количество отобранной пробы и пошедшего на титрование раствора тиосульфата натрия.

Первичные опытные данные рекомендуется записывать в форме таблицы №2.

По окончании опыта приводят в порядок рабочее место и сдают дежурному лаборанту.

Обработка результатов опыта:

1. Расчет степени превращения для различных промежутков времени коэффициента избытка воздуха и составление материального баланса.

Степень выгорания серы (степень превращения) определяется по формуле:

X_S = G_S / G_SH (10);

Где: G_s – количество выгоревшей серы ко времени τ, г;

G_SH – количество серы в исходной навеске колчедана, г;

Количество выгоревшей серы рассчитывается по формуле:

G_S = 0,016N_J2V_J2 (11);

Где: G_s – количество выгоревшей серы за данный промежуток τ времени,;.

0,016 – количество серы в граммах, соответствующее 1 мл 1 н раствора йода по реакции (8);

V_J2 – объем раствора йода, залитого в склянку, мл;

N_J2 – его нормальность.

Последняя формула справедлива для расчета количества серы, поглощенной в склянке, когда опыт ведут до обесцвечивания раствора йода (для первых склянок).

Расчет количества серы, поглощенной в склянке, в которой раствор йода не обесцветился, производят по формуле:

N_Na2S2O3 * V_Na2S2O3 * V_J2¹¹

G_S = 0,016 (N_J2 V_J2 — ———————————) (12);

V¹_J2

Где: V_Na2S2O3 – объем раствора тиосульфата натрия, пошедшего на титрование раствора йода, взятого из не обесцвеченной склянки, мл;

N_Na2S2O3 – нормальность раствора тиосульфата натрия;

V¹_J2 – объем раствора йода, взятого из не обесцвеченной склянки для титрования тиосульфатом натрия, мл;

V¹¹_J2 - полный объем раствора йода в не обесцвеченной склянке, мл;

Остальные обозначения те же, что и в формуле (11).

Количество серы в исходном колчедане рассчитывают по формуле:

G₀ * C_SH

G_SH = —————— (13);

где: G₀ – масса навески колчедана, г;

C_SH – начальная концентрация серы в колчедане, % массовых.

Вначале определяют степень превращения для времени от начала опыта до момента обесцвечивания раствора йода в первой склянке. Затем определяют степень превращения для времени от начала опыта до момента обесцвечивания раствора йода во второй склянке. Во втором случае суммируется время обесцвечивания в первой и второй склянках, а также количество серы, соответствующее обесцвечиванию раствора в первой и второй склянках. Далее поступают аналогично. И, наконец, определяют степень превращения для времени от начала опыта до его окончания. Здесь суммируется время работы всех склянок, а также количество серы, поглощенное во всех склянках.

Коэффициент избытка воздуха, усредненный за весь опыт, определяют по уравнению:

G_{пр. возд.}

γ = ————— (14);

G_т.возд

Где: G_т – теоретическое количество воздуха, требуемое для полного выгорания серы из навески колчедана данного состава и определяемое по реакции (1), содержание кислорода в воздухе принять равным 23,2 % массовых;

G_{пр. возд.} – практическое количество воздуха, определяемое по уравнению:

G_{пр.возд.} = V_ρ * τ (15);

Где: V – расход воздуха по реометру, л/ч;

ρ – плотность воздуха при температуре на входе в реометр, г /л принять равной 1,2 г/л;

τ – время обжига, ч.