Свойства нитрата кальция

Свойства нитрата кальция

Содержание

Цель работы и задачи

. Теоретическая часть

.1 Строение и хим связь

.2 Физико-хим св-ва

.3 Получение

.4 Применение

. Экспериментальная часть

.1 Приготовление растворов

.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)

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

) 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.

.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 ΔH :-937,2 кДж/моль

Стандартная энергия Гиббса образования ΔG:-742 кДж/моль

Стандартная энтропия образования S:193,3 Дж/моль·K

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

Энтальпия плавления ΔH_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-, три- и 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 хуже- в органических растворителях.

Нитраты токсичны. Вызывают отек легких, кашель, рвоту, острую сердечно- сосудистую 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 ΔH :-2131,2 кДж/моль

Стандартная энергия Гиббса образования ΔG :-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.

.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;(OH)₂ + 2HNO₂ = Ca(NO₂)₂ + 2H₂O.

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

(NO₂)₂ + 2NO₂ = Ca(NO₃)₂ + 2NO.

Одновременно получается небольшое количество элементарного азота по уравнению:

Ca(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.

)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.

) 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.

)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%.

Литература

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.

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

) http://tvibo.ru/nitcal

) http://www.nha.su/shop/UID_14445.html

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

) 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.

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

Приложение

нитрат кальций рефрактометрия концентрация

Технические характеристики приборов, используемых в эксперименте.

)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:

±(0.2 °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