Свойства нитрата кальция

Содержание Цель работы и задачи

1. Теоретическая часть

1.1 Строение и хим связь

1.2 Физико-хим св-ва

1.3 Получение

1.4 Применение

2. Экспериментальная часть

2.1 Приготовление растворов

2.2 Определение фазового состава растворов Вывод Литература Приложение

Цель работы и задачи Цель работы: исследовать свойства нитрата кальция, выявить оптимальную концентрацию нитрата кальция в водном растворе, для дальнейшего применения в составе охлаждающей жидкости.

Задачи: 1) изучить методы работы с точными приборами (рефрактометр, аналитические весы, цифровой термометр)

2) методом рефрактометрии определить зависимость показателя преломления фаз системы вода-нитрат кальция при отрицательной температуре от концентрации.

3) выявить оптимальную концентрацию нитрата кальция в водном растворе, чтоб при отрицательных температурах концентрация соли в осадке была минимальна.

1. Теоретическая часть

1.1 Строение и химическая связь Кальция нитрат (кальциевая селитра, азотнокислый кальций, кальций динитрат) — неорганическая соль азотной кислоты. Соединение сильно гигроскопично, поэтому его хранят без доступа влаги. Химическая формула Са (NО₃)₂.

Условно нитраты могут быть разделены на соединения с преимущественно ковалентным типом связи (соли Be, Cr, Zn, Fe и др. переходных металлов) и с преимущественно ионным типом связи (соли щелочных и щелочно-земельных металлов). Для ионных нитратов характерны более высокая термическая устойчивость, преобладание кристаллических структур более высокой симметрии и отсутствие расщепления полос нитрат-иона в ИК спектрах. Ковалентные нитраты имеют более высокую растворимость в орг. растворителях, более низкую термическую устойчивость, их ИК спектры носят более сложный характер.

1.2 Физико-химические свойства вещества Внешний вид Са (NO₃)₂: бесцветные кубические кристаллы Молекулярная масса: 164,09 а.е.м.

Температура плавления: 561°C

Температура разложения: 561°C

Таблица 1. Растворимость нитрата кальция в некоторых растворителях

Вкуса, запаха не имеет, гигроскопичен.

Плотность:2,36 (20°C, г/см³)

Стандартная энтальпия образования ДH :-937,2 кДж/моль Стандартная энергия Гиббса образования ДG:-742 кДж/моль Стандартная энтропия образования S:193,3 Дж/моль· K

Стандартная мольная теплоемкость C_p :149,33 Дж/моль· K

Энтальпия плавления ДH_пл :21,3 кДж/моль Вследствие сильной гигроскопичности, даже при обычных температурных условиях, нитрат кальция, присоединяя воду, переходит в гидратную форму. Из гидратов существуют моно-, ди-, трии тетрагидрат, причем последний Са (NO₃)₂?4H₂O является стабильным при обычной температуре. При температуре выше 40^оС образуется тригидрат.

Гидратированные нитраты отличаются от безводных тем, что в их кристаллич. структурах ион металла в большинстве случаев связан с молекулами воды, а не с ионом NO^-₃. Поэтому они лучше, чем безводные нитраты, растворяются в воде, но хужев органических растворителях.

Нитраты токсичны. Вызывают отек легких, кашель, рвоту, острую сердечнососудистую недостаточность и др. Смертельная доза нитратов для человека 8−15 г, допустимое суточное потребление 5 мг/кг.

Физико-химические свойства Са (NO₃)₂?4H₂O, используемого в химической практике.

Внешний вид: бесцветные моноклинные кристаллы Молекулярная масса: 236,15 а.е.м.

Температура плавления: 42,7°C

Температура разложения: 100°C

Продукты термического разложения: кальция нитрат, вода Растворимость (в г/100 г или характеристика):

ацетон: растворим вода: легко растворим этанол: растворим Вкуса, запаха нет, гигроскопичен Плотность:1,82 (20°C, г/см³)

Стандартная энтальпия образования ДH :-2131,2 кДж/моль Стандартная энергия Гиббса образования ДG :-1700,8 кДж/моль Стандартная энтропия образования S:339 Дж/моль· K

При 151^оС соль полностью теряет воду.

Таблица 2. Зависимость температуры замерзания раствора нитрата кальция от концентрации.

1.3 Получение нитрата кальция, А Получение нитрата кальция нейтрализацией мела или известняка азотной кислотой.

Сырье.

Сырьем служат известняк (реже мел) и азотная кислота. Содержание основного вещества CaCO₃ в известняке (меле) колеблется от 90 до 98%. Содержание примесей, состоящих из MgCO₃, CaCO₃, Fe₂O₃, Al₂O₃, силикатов и др., в зависимости от месторождения известняка (мела) также различно.

Азотная кислота для получения нитрата кальция употребляется слабая в пределах 30−45%.

Сущность метода.

Нейтрализация углекислого кальция азотной кислотой протекает по следующей реакции:

СaCO₃ + 2HNO₃ = Ca (NO₃)₂ + H₂O + CO₂.

Полученные растворы нитрата кальция декантируются (иногда фильтруются) и выпариваются; после охлаждения и застывания получается готовый продукт.

Часто нитрат кальция смешивается с другими продуктами в целях улучшения его физических свойств.

Б Получение нитрата кальция поглощением хвостовых нитрозных газов известковым молоком.

Сырье.

Сырьем служат известковое молоко с содержанием окиси кальция 110−130г/л и хвостовые нитрозные газы с содержанием 1−2% NO.

Известковое молоко готовится из доброкачественной извести (содержание активной CaO не менее 75−85%).

Сущность метода.

Хвостовые нитрозные газы после кислой абсорбции поглощаются известковым молоком. Вначале образуется смесь нитрата и нитрита кальция по уравнению:

2N₂O₄ + 2Ca (OH)₂ = Ca (NO₃)₂ + Ca (NO₂)₂ + 2H₂O.

При дальнейшей подаче нитрозных газов происходит разложение нитрита с образованием нитрата. Механизм процесса может быть представлен следующими реакциями:

2NO₂ + H₂O = HNO₂ + HNO₃ ;

Ca (OH)₂ + 2HNO₃ = Ca (NO₃)₂ + 2H₂O;

Ca (OH)₂ + 2HNO₂ = Ca (NO₂)₂ + 2H₂O.

Образующийся нитрит кальция частично реагирует с NO₂, переходя в нитрат:

Ca (NO₂)₂ + 2NO₂ = Ca (NO₃)₂ + 2NO.

Одновременно получается небольшое количество элементарного азота по уравнению:

2Ca (NO₂)₂ + 2NO₂ = 2Ca (NO₃)₂ + N₂

Соотношение получаемого нитрита к нитрату зависит от степени окисления газа. По мере прохождения газов через систему поглотительных скрубберов, отношение NO к NO₂ в нитрозных газах увеличивается, и поэтому в конце системы, где содержание NO₂ невелико, образуется большее количество нитрита.

Получаемые щелока подвергаются инвертированию азотной кислотой, после чего растворы нитрата кальция перерабатываются по схемам, описанным выше.

1.4 Применение

1) В сельском хозяйстве. Кальциевая селитра является физиологическим щелочным удобрением, пригодным для всех почв и прежде всего для закисленных почв. В сельском хозяйстве применяют как азотное удобрение. Выпускают в гранулированном виде; товарный продукт должен содержать не менее 15,5% азота, кроме того, к нему добавляют в процессе производства 4—7% нитрата аммония для уменьшения гигроскопичности удобрения; содержание влаги не должно превышать 15%. Нитрат кальция вносят под все культуры. Наиболее эффективен на кислых почвах, особенно для весенней подкормки озимых. Кальциевая селитра — единственное полностью усваиваемое растениями удобрение, восполняющее потери водорастворимого (усваиваемого растениями) кальция в почве. Потери кальция, в основном, обусловлены выносом с урожаем сельскохозяйственных культур (от 20 до 350 кг/га). И если вынос фосфора, серы и азота восполняется такими широко применяемыми удобрениями, как аммиачная селитра, сульфат аммония, суперфосфат и др., то восполнение потерь водорастворимого кальция в почве при этом не происходит. А между тем кальций регулирует поступление питательных веществ в растение. Кальций играет ключевую роль в формировании клеточных стенок и мембран, улучшает окраску и качество плодов, поэтому особенно важен для быстрорастущих культур. Кальций не перераспределяется внутри растений, т. е. не перемещается от старых листьев к молодым, поэтому почва всегда должна содержать достаточное количество этого вещества в доступной для растений форме. А, кроме того, кальций — это важнейший строительный материал в организмах животного мира и в человеке, получающих его по пищевой цепочке от растений.

2)В пиротехнике. Несмотря на то, что нитрат кальция в смеси с горючими веществами способен давать недорогой источник кирпично-красного пламени, применение его в этом качестве крайне ограничено из-за сильной гигроскопичности.

3) Для изготовления бетона. Нитрат кальция одна из немногих добавок прошедших проверку машиной стройиндустрии и научно-исследовательских институтов бывшего СССР, тысячи испытаний на различных цементах, инертных, в разных условиях и комплексах, десятилетия наблюдений за свойствами бетонов модифицированных Нитратом Кальция, а также комплексом Нитрат Кальция + Нитрит Кальция, практически не оставили белых пятен в понимании свойств бетонов с введенным Нитратом Кальция. Благодаря тотальной проверке, показывающей превосходные результаты, Нитрат Кальция присутствует в большинстве тематических ГОСТов и рекомендаций. Немногие вещества вводимые в бетонные и растворные системы с целью улучшения их свойств могут похвастать такой детальностью изучения, как Нитрат Кальция. Уникальность Нитрата Кальция заключается в том, что он в своей структуре имеет активный ион Кальция (Ca²⁺), а Кальций, кремний и вода, как известно, являются основными материалами формирующими структуру цементного камня. Уникальный симбиоз одних и тех же ионов добавки NITCAL и продуктов гидратации цемента позволяет получить равномерную, полноценно сформированную (здоровую) структуру цементного камня, а благодаря редкой особенности воздействия на гидратацию двукальцивого силиката и реакции превращения эпоксида с аммонием в амин позволяет значительно увеличивать динамику набора прочности бетонов в течение долгих лет.

4)В составе охладительной жидкости.

Рис. 1 Диаграмма состояния Ca (NO₃)₂ — H₂O

Одновременное присутствие кристаллов соли, льда и раствора приводит к поддержанию постоянной (эвтектической) температуры до тех пор, пока одна из фаз не исчезнет.

Следовательно, появляется возможность использовать модифицированный раствор нитрата кальция дополнительно в качестве охлаждающей жидкости в производстве теплоносителей для промышленных установок.

2. Экспериментальная часть

2.1 Приготовление растворов различной концентрации Формула расчета массы соли для раствора необходимой концентрации, с учетом того, что соль гидратированная.

Для нахождения массы необходимо значение количества вещества. Возьмем его за х. Для приготовления каждого раствора было взято 50 г воды.

Аналогично рассчитано для всех остальных концентраций.

2.2 Определение фазового состава растворов при t=-5?C

После приготовления растворов нужных концентраций их помещали в сосуд, а сосуд в изолированный хладотермостат на основе элементов Пельтье. Раствор в сосуде постоянно перемешивали. Температуру измеряли при помощи цифрового термометра Testo 735−2, который способен измерять температуру в пределах от −200…+400, с погрешностью ±0,03.Опыт проводился при условиях -5?С. Эту температура поддерживалась в хладотермостате при помощи регулировки силы тока и напряжения установки. Время установления равновесия в каждой системе определяли, отбирая пробы насыщенного раствора и анализируя их химический состав. Равновесие устанавливалось примерно через 30 мин. После отстаивания смеси отбирались три пробы и 2−3 пробы осадка. Доводили их до состояния комнатной температуры и измеряли показатель преломления жидкой (L) и твёрдой фазы (S) на рефрактометре ИРФ-454Б2М. Рефрактометрия (от лат. refractus — преломленный и греч. metreo — измеряю) — это метод исследования веществ, основанный на определении показателя (коэффициента) преломления (рефракции) и некоторых его функций. Рефрактометрия (рефрактометрический метод) применяется для идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ.

Показатель преломления n, представляет собой отношение скоростей света в граничащих средах. Для жидкостей и твердых тел n обычно определяют относительно воздуха, а для газов — относительно вакуума. Значения n зависят от длины волны l света и температуры, которые указывают соответственно в подстрочном и надстрочном индексах. Влияние температуры на показатель преломления определяется двумя факторами: изменением количества частиц жидкости в единице объема и зависимостью поляризуемости молекул от температуры. Второй фактор становится существенным лишь при очень большом изменении температуры.

Температурный коэффициент показателя преломления пропорционален температурному коэффициенту плотности. Обычно n жидких и твердых тел рефрактометрией определяют с точностью до 0,0001 на рефрактометрах, в которых измеряют предельные углы полного внутреннего отражения. Наиболее распространены рефрактометры Аббе с призменными блоками и компенсаторами дисперсии, позволяющие определять n_D в «белом» свете по шкале или цифровому индикатору. Максимальная точность абсолютных измерений (10 ^-10) достигается на гониометрах с помощью методов отклонения лучей призмой из исследуемого материала.

Таблица 3. Зависимость показателей преломления от концентрации растворов.

Рисунок 2. Зависимость показатель преломления от количества растворов в системе Ca (NO₃)₂ — H₂O при температуре -5?C

Вывод

1) Исследована зависимость показателя преломления растворов нитрата кальция от их концентраций.

2) Нитрат кальция может быть использован в составе охлаждающих жидкостей.

3) Найдена оптимальная концентрация нитрата кальция в растворе, после замораживания которого при -5?С образуется минимальное количество кристаллов- 15%.

1) Рабинович В. А., Хавин З. Я. «Краткий химический справочник» Л.: Химия, 1977 стр. 71

2) http://ru.wikipedia.org/wiki/Нитрат_кальция

3) Addison С. С., Logan N. Anhydrous metal nitrates, «Advances Inorganic Chemistry and Radiochemistry», 1964, v. 6, p. 72−142. П. М. Чукуров.

4) http://www.bhz.kosnet.ru/Rus/Prod/Agrprom/Cal-2H2Oud.html

5) http://tvibo.ru/nitcal

6) http://www.nha.su/shop/UID_14 445.html

7)М. А. Миниович. Соли азотной кислоты (нитраты). 1946. 78 с.

8) Киргинцев А. Н. Растворимость неорганических веществ в воде. /А.Н. Киргинцев, Л. Н. Трушникова, В. Г. Лаврентьева. Справочник// Изд-во «Химия». Л., 1972. — 154с.

9) С. И. Нифталиев, И. В. Кузнецова, О. А. Козадерова, Г. В. Клоков, В. В. Окшин, А. В. Мельник. Модифицирование и применение нитрат-содержащего раствора — отхода производства минерального удобрения.

10) http://www.eurolab.ru/refraktometriya

Приложение нитрат кальций рефрактометрия концентрация Технические характеристики приборов, используемых в эксперименте.

1)Рефрактометр Аббе лабораторный ИРФ-454Б2М предназначен для измерения показателя преломления n_D и средней дисперсии неагрессивных жидкостей и твердых тел. Имеет дополнительную шкалу «Brix» .

Рефрактометр может применяться:

В пищевой промышленности

— для контроля качества пива, вин, коньяков, водок и ликеров;

— для определения массовой доли растворимых сухих веществ (%, Brix,) в продуктах переработки плодов и овощей, в напитках, сиропах, консервах, рассолах;

— для измерения процентного содержания жира в твердых продуктах питания;

— при определении влажности меда и т. д.

В медицинских учреждениях

— для определения белка в сыворотке крови с помощью таблицы Рейса;

— для определения плотности мочи, субретинальной жидкости глаза;

— для определения концентрации лекарств.

В фармацевтической промышленности

— для исследования концентрации растворов различных лекарственных препаратов.

При обслуживании автомобилей, тракторов, судов

— для определения сорта моторных топлив, охлаждающих жидкостей.

При обслуживании авиационной техники

— для определения с большей точностью объемной концентрации противокристаллизационной жидкости «ИМ» .

Технические характеристики

2) Цифровой термометр Testo 735−2 Прочный, надежный и компактный измерительный прибор с разъемом для высокоточного зонда Pt100, 2 разъемами для быстродействующих термопарных зондов. Результаты измерений не более 3-х доп. зондов температуры отображаются на высокочетком дисплее. Погрешность измерений 0.05 °C с разрешением 0.001 °C достигается с помощью сменного погружного/проникающего зонда Pt100. Аппарат подходит для использования в качестве эталонного прибора.

Память прибора позволяет сохранить до 10,000 значений Отображение, сохранение и печать данных дифференциальной температуры, макс/мин/среднего значений Акустический сигнал тревоги при превышении предельных значений Цикличность измерений от 1 раза в 0,5 секунд до 24 часов Диапазон измерений: -200 … +1000 °C

Погрешность:

±0.3 °C (-60 … +60 °C)

±(0.2 °C + 0.3% от изм. знач.) (в ост. диапазоне) Разрешение: 0.1 °C

Тип зонда Тип S PT10RH РТ Диапазон измерений: 0 … +1760 °C

Погрешность: ±1 °C

Разрешение: 1 °C