Получение гидроксида натрия каустификацией содового раствора

2Na HCO3 = Na2 CO3 + H2 O + CO2 – Q (4) ]

или растворением кальцинированной соды, обрабатывают известью или известковым молоком. При этом в результате реакции образуется осадок карбоната кальция по уравнению 5:

Na2 CO3 + Ca (OH)2 = Ca CO3 + 2Na OH (5)

Процесс каустификации содового раствора служит характерным примером обратимого взаимодействия, идущего в кинетической области, в системе жидкость – твердое (Ж-Т). Ход реакции (5) определяется равновесием в этой многокомпонентной системе, причем направление и скорость реакции зависит главным образом от соотношения растворимостей наименее растворимых компонентов гидроксида кальция (Ca (OH)2) и карбоната кальция (Ca CO3), то есть от концентрации гидроксид ионов (ОН-) и карбонат ионов (CO3 2-) в растворе.

Константа равновесия обратимой реакции (5) в общем виде выражается по формуле 1:

[Ca Co3] [Na OH]2

К = ——————————————(1)

[Ca (OH)2] [Na2CO3]

Поскольку при каустификации в реакционной смеси присутствует твердая фаза гидроокиси и карбоната кальция, то величины [ Ca CO3] и [Ca(OH)2] постоянны, и их можно включить в величину константы равновесия по формуле 2:

[Cа (OH)2] [Na OH]2 [Na+]2 [OH-]2 [OH-]2

К= ————— = К1 = ——————— = ————————— = ————— (2)

[Сa CO3] [Na2 CO3] [Na+]2 [CO2-3] [CO2 -3]

Выразив значение [OH-]2 и [CO32-] через произведения растворимостей соответствующих веществ получим значение константы равновесия в зависимости от растворимости гидроокиси и карбоната кальция по формуле 3:

ПР Са(ОН)2

К = —————— (3)

ПР Са СО3

Из выражения (3) видно, что равновесие в рассматриваемой системе определяется исключительно соотношением растворимостей гидроксида и карбоната кальция. Отсюда можно определить пути повышения равновесного выхода едкого натрия (NaOH) называемого степенью каустификации.

Основным способом повышения равновесной степени каустификации (то есть степени превращения карбоната натрия (Na2CO3) в гидроксид натрия (NaOH) при равновесии) является понижение концентрации карбоната натрия в исходном содовом растворе. При этом в равновесном каустифицированном растворе понижается концентрация карбонат ионов [ СО32-] и возрастает соотношение [ОН-]2 : [СО3 2-] и, следовательно, степень каустификации. Выбор оптимальной концентрации соды в исходном растворе определяется не только степенью каустификации, но и концентрацией полученного раствора едкого натрия. При этом учитывается расход пара и топлива на упарку щелоков. На практике применяют 2 –3 Н раствор карбоната натрия, (то есть 10-15 % -ный раствор), при этом достигают степени каустификации в среднем около 90% и получают щелок, содержащий 100-120 г/дм3 едкого натрия. Низкая концентрация едкого натра в щелоках, идущих на упаривание – основной недостаток известкового способа.

Влияние температуры на процесс каустификации неоднозначно. Повышение температуры снижает константу равновесия и равновесную степень каустификации вследствие увеличения растворимости карбоната кальция; с другой стороны, повышение температуры увеличивает скорость реакции (5), а также скорость отстаивания шлама карбоната кальция. Поэтому каустификацию ведут при повышенной температуре 80-1000 С в реакторах – каустицерах, обогреваемых острым паром или при помощи змеевиков, по которым циркулирует пар. /1/

Влияние технологических параметров на степень каустификации подробнее представлено в приложении 1.

3. Исходный уровень знаний

Для выполнения лабораторной работы студент должен знать:

1) правила работы в химической лаборатории;

2) химические и физические свойства используемых соединений;

3) понятие о концентрации растворов: процентная (массовая доля), молярная, нормальность;

4) определение грамм-эквивалента вещества для различных соединений: кислот, солей, оснований;

5) метод кислотно-основного титрования, метод весового анализа, правила приготовления растворов, фильтрование (простое и под вакуумом), способы определения плотности растворов;

6) закон эквивалентов и методы расчета концентрации раствора и содержание вещества;

7) понятие о гетерогенных системах.

Для выполнения лабораторной работы студент должен уметь:

1) правильно пользоваться химической посудой и лабораторным оборудованием;

2) взвешивать необходимое количество вещества;

3) приготавливать растворы требуемой концентрации;

4) проводить титрование и фильтрование.

4. Цель самоподготовки

Для проведения лабораторной работы «Каустификация содового раствора» студент должен самостоятельно изучить следующие вопросы:

1) правила техники безопасности при выполнении данной работы;

2) теоретические основы производства гидроксида натрия известковым методом;

3) влияние температуры и соотношения исходных реагентов в загрузке на равновесную степень каустификации;

4) методику выполнения лабораторной работы;

5) методы обработки экспериментальных данных.