Исследование физико-химических свойств системы LiClO4-H2O

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

ОТЧЕТ

по производственной практике

"Исследование физико-химических свойств системы LiClO₄-H₂O"

на кафедре "Химическая технология редких, рассеянных и радиоактивных элементов"

Томск 2015



Реферат

Отчет: 18 страниц, 6 иллюстраций, 4 таблицы, 5 источников.

Цель практики: основной целью производственной практики является проверка и закрепление теоретических знаний, полученных при изучении специальных дисциплин.

В процессе прохождения производственной практики были поставлены задачи построения фазовой диаграммы системы "перхлорат лития - вода" и определения зависимости плотности и вязкости этой системы от концентраций компонентов.

В ходе решения данной задачи были изучены теоретические вопросы производства и применения перхлората лития, рассмотрены его физико-химические свойства, а также получены практические навыки работы с жидкостным криостатом и капиллярным вискозиметром.

перхлорат криостат вискозиметр капиллярный



Содержание

• Введение
• 1. Теоретическая часть
• 1.1 Общие сведения о перхлоратах металлов
• 1.2 Перхлорат лития
• 1.3 Атомно-эмиссионный анализ
• 1.4 Методика измерения вязкости
• 2. Практическая часть исследования
• 2.1 Построение фазовой диаграммы системы "перхлорат лития - вода"
• 2.2 Определения зависимости плотности от концентрации LiClO₄
• 2.3 Определения зависимости вязкости от концентрации LiClO₄
• Заключение
• Список литературы


Введение

Перхлораты щелочных металлов имеют большое значение в промышленности. Они широко применяются для проведения взрывных работ, используются в качестве окислителя в ракетных топливах, а также в аналитической химии. Одним из важнейших соединений этого класса является перхлорат лития LiClO₄. На основе перхлората лития разработано множество электролитов для аккумуляторных батарей, которые представляют собой источники тока с более высокими энергетическими характеристиками и расширенным диапазоном эксплуатационных возможностей по сравнению с аналогичными источниками тока на базе других электролитов. Также необходимо отметить использование перхлората лития в качестве дополнительного источника получения кислорода на замкнутых объектах (например, на подводных лодках и космических аппаратах).

Широкое использование перхлората лития приводит к необходимости изучения его физико-химических свойств, некоторые из которых к настоящему времени изучены не достаточно полно. Целью данной работы было изучение физико-химических свойств системы "перхлорат лития - вода".



1. Теоретическая часть

1.1 Общие сведения о перхлоратах металлов

Первые систематические исследования перхлоратов щелочных металлов появились в химической литературе начиная с 10-х годов XX века. До этого времени сведения о физико-химических свойствах перхлоратов носили разрозненный характер и зачастую были не полными.

Долгое время считалось, что присоединение атома кислорода к иону CiO₃- делает перхлораты менее стойкими, чем исходные хлораты. Только после того, как достаточно выраженная устойчивость перхлоратов стала широко известна, учёные начали изучать возможные области их применения.

На основе перхлоратов производят главным образом твердые ракетные топлива, используемые для снаряжения ракет и управляемых снарядов, буровых установок в нефтяной промышленности. Однако возможно применение перхлоратов не только как компонентов твердого топлива. Так, перхлораты широко применяются в химическом анализе. Перхлораты (особенно перхлорат магния) широко используются в качестве осушающих агентов при определении двуокиси углерода и анализе сожжением.

В результате исследований были постепенно разработаны удовлетворительные методы получения различных перхлоратов. Перхлораты являются сильными окислителями, и обращаться с ними следует весьма осторожно [1].

1.2 Перхлорат лития

Перхлорат лития представляет собой белое кристаллическое твердое вещество. Температура плавления LiClO₄ равна 236 °C, температура разложения 400 °C, растворимость в ацетоне 137 г/100 г, в воде при 25 °C 60 г/100 г. Жидкий перхлорат лития устойчив до 350 °С, после чего начинает постепенно разлагаться, причём процесс разложения достигает значительной скорости при 400 °С. При 25 °С и относительной влажности 40% перхлорат лития поглощает за 1 час 0,1% воды от собственной массы, при дальнейшем хранении на влажном воздухе расплывается. Разлагается перхлорат лития экзотермически в интервале 350-450 °С с образованием LiCl и О₂. LiClO₄ может быть получен электролитическим окислением хлората лития или через хлорную кислоту и ее соли. Так как перхлорат лития содержит большее количество кислорода по сравнению с другими перхлоратами (натрия, рубидия, цезия, а также некоторых щелочноземельных металлов), он может быть использован в качестве компонента твердого ракетного топлива и твердых источников кислорода. Перхлорат лития может существовать в виде тригидрата и безводного соединения. Безводный LiClO₄ можно использовать в качестве электролита в литиевых батарейках. Эти батарейки представляют собой источники тока с более высокими энергетическими характеристиками и расширенным диапазоном эксплуатационных возможностей. Их применяют в часах, фотокамерах, калькуляторах, для защиты памяти интегральных схем, в измерительных приборах и медицинском оборудовании, там, где требуется высокая сохранность и постоянство рабочего напряжения в течение многих лет эксплуатации. Литиевые батарейки в настоящее время в ряде областей техники успешно конкурируют с более дешевыми элементами на базе других электролитов [2].

Таким образом, поскольку в промышленности преимущественно используется безводная форма перхлората, то изучение свойств системы "перхлорат лития - вода" имеет важное практическое значение.

1.3 Атомно-эмиссионный анализ

В ходе практики мной был приготовлен ряд растворов перхлората лития в воде с известными концентрациями для исследования свойств системы "перхлорат лития - вода". Для уточнения концентрации лития в растворе я использовала метод атомно-эмиссионного анализа.

Атомно-эмиссионная спектроскопия (АЭС), или атомно-эмиссионный спектральный анализ - совокупность методов элементного анализа, основанных на изучении спектров испускания свободных атомов и ионов в газовой фазе. Обычно эмиссионные спектры регистрируют в наиболее удобной оптической области длин волн от ~200 до ~1000 нм. Для регистрации спектров в области 1000 нм требуются специальные инфракрасные или микроволновые детекторы. АЭС - способ определения элементного состава вещества по оптическим линейчатым спектрам излучения атомов и ионов анализируемой пробы, возбуждаемым в источниках света. В качестве источников света для атомно-эмиссионного анализа используют пламя горелки или различные виды плазмы, включая плазму электрической искры или дуги, плазму лазерной искры, индуктивно-связанную плазму, тлеющий разряд и другие. АЭС - самый распространённый экспрессный высокочувствительный метод идентификации и количественного определения элементов примесей в газообразных, жидких и твердых веществах, в том числе и в высокочистых. Он широко применяется в различных областях науки и техники для контроля промышленного производства, поисках и переработке полезных ископаемых, в биологических, медицинских и экологических исследованиях и т.д. Важным достоинством АЭС по сравнению с другими оптическими спектральными, а также многими химическими и физико-химическими методами анализа, являются возможности бесконтактного, экспрессного, одновременного количественного определения большого числа элементов в широком интервале концентраций с приемлемой точностью при использовании малой массы пробы.

В ходе практики я провела атомно-эмиссионный анализ на спектрометре ICAP 6300 DUO, общий вид которого показан на рисунке 1.

Рисунок 1 - Общая компановка спектрометра ICAP 6300 DUO

Ввод пробы в спектрометр осуществляется с помощью перистальтического насоса. Подача пробы в плазму осуществляется с помощью специальной распылительной системы.

Горелка представляет собой три соосные кварцевые трубки, во внутреннюю часть которых подается проба, в межтрубное пространство подаётся аргон для создания плазмы, а наружная служит для охлаждения системы. Необходимый подвод газа осуществляется с помощью специальной системы клапанов газового блока. Атомы распыленной пробы, попадая в плазму, переходят в возбуждённое состояние. Покинув горелку, атомы вещества переходят в основное состояние, что сопровождается испусканием излучения, которое детектируется оптической схемой прибора и в конечном итоге через систему зеркал попадает на чувствительную матрицу [3].

1.4 Методика измерения вязкости

Для определения вязкости использовался вискозиметр ВПЖ-2. Он представляет собой U-образную трубку, в колено которой впаян капилляр. Измерение вязкости жидкости при помощи капиллярного вискозиметра ВПЖ-2 основано на определении времени истечения через капилляр определённого объёма жидкости из измерительного резервуара [4].

Кинематическая вязкость жидкости определяется по формуле:

где:

K - постоянная вискозиметра (указана в паспорте, K=0,0264);

T - время истечения жидкости, с;

- кинематическая вязкость жидкости, м²/с;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

Вискозиметр ВЖП-2 показан на рисунке 2.

Рисунок 2 - Вискозиметр ВЖП-2 [4]



2. Практическая часть исследования

• 2.1 Построение фазовой диаграммы системы "перхлорат лития - вода"

Для построения фазовой диаграммы системы "перхлорат лития - вода" готовилась серия растворов с известной концентрацией LiClO₄. Средний объем раствора составлял 2 мл.

Далее проводилось измерение кривых охлаждения приготовленных растворов с использованием жидкостного криостата "КРИО-05-02" (TERMEX, Россия) и комплекса непрерывной регистрации температуры на базе устройства сбора данных cFP-2100 (National Instruments, США). Температура охлаждения растворов составила -40 ?С.

Пример полученной кривой охлаждения представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Кривая охлаждения раствора LiClO₄ в воде (концентрация раствора по перхлорату 14,5%)

Первый скачок на кривой свидетельствует о кристаллизации воды, а второй - о кристаллизации эвтектики. Результаты обработки всех кривых охлаждения, полученных в ходе исследования системы, представлены в таблице 1.



Таблица 1 - Данные для построения фазовой диаграммы "LiClO₄-H₂O"

Концентрация LiClO4, %	Температура кристаллизации избыточного компонента, ?С	Температура точки эвтектики, ?С
0	1,2	-19,6
8,6	-0,4	-23,4
14,5	-2,9	-19,6
25,9	-1,5	-15,6
32,2	-	-16,5
36,5	-	-17,7
50,7	-	-18,6
58,3	-	-19,0

После проведения первой части эксперимента, было замечено, что при увеличении концентрации перхлората лития интенсивность первого перехода постепенно уменьшалась, а при концентрации выше 32,2% данный переход не наблюдался. Таким образом, были установлены примерные температура и состав эвтектики системы "LiClO₄-H₂O": -18,8 ?С и 32,2% соответственно.

Для определения части фазовой диаграммы, лежащей справа от точки эвтектики, я приготовила раствор перхлората лития с концентрацией 56,6%, который далее выдерживался в криостате при различных температурах до достижения равновесия между раствором и осадком (нерастворимый избыток перхлората лития). После выдерживания в криостате я отбирала пробу и проводила атомно-эмиссионный анализ, чтобы узнать текущую концентрацию LiClO₄ в растворе при данной температуре. Затем я проводила ряд таких операций при различных температурах. Данные, полученные ходе исследования, представлены в таблицы 2.

Таблица 2 - Данные для построения фазовой диаграммы "LiClO₄-H₂O"

Температура криостата, ?С	Концентрация LiClO4, %
25,4	51,7
15,2	48,5
12,4	48,3
11,3	46,5
6,9	45,8
3,5	40,4
-6,4	38,9
-10,2	34,8
-18,7	32,2

Построенная по полученным данным фазовая диаграмма системы "перхлорат лития - вода" представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Фазовая диаграмма системы "перхлорат лития - вода"

2.2 Определение зависимости плотности от концентрации LiClO₄

Для определения плотности водного раствора перхлората лития я приготовила растворы LiClO₄ с разными концентрациями. Затем, зная объем каждого раствора, я проводила измерение их массы на лабораторных весах Acculab ALC-210d4. Полученные данные представлены в таблице 3. Графическая зависимость плотности от концентрации изображена на рисунке 5.



Таблица 3 - Экспериментальные значения плотности раствора LiClO₄ в зависимости от концентрации

Концентрация LiClO4, %	Плотность, г/мл
0	1,009
8,7	1,052
14,2	1,073
21,6	1,103
26,1	1,120
27,6	1,155
33,9	1,191
45,2	1,253
46,7	1,282

Рисунок 5 - Зависимость плотности от концентрации LiClO₄

При построение графика была рассчитана формула значений плотности раствора LiClO₄ в зависимости от концентрации:

где:

с - плотность, г/мл;

C - концентрация LiClO₄, %



2.3 Определение зависимости вязкости от концентрации LiClO₄

С помощью вискозиметра ВЖП-2 я определила вязкости растворов перхлората лития в воде при различных концентрациях. Для этого я заполняла вискозиметр раствором нужной концентрации и засекала время прохождения жидкости от одной метки до другой. Затем по формуле

рассчитала вязкости растворов. Полученные данные представлены в таблице 4. Графическая зависимость вязкости растворов LiClO₄ от концентрации изображена на рисунке 6.

Таблица 4 - Экспериментальные значения вязкости раствора LiClO₄ в зависимости от концентрации

Концентрация LiClO4, %	Вязкость, м2/с
0	0,98
3,0	0,983
13,0	0,984
17,4	0,995
21,1	1,007
24, 8	1,013
28,6	1,036
30,2	1,047
31,7	1,073
33,4	1,077
35,2	1,089



Рисунок 4 - Зависимость вязкости от концентрации LiClO₄

При построение графика была рассчитана формула значений вязкости раствора LiClO₄ в зависимости от концентрации:

где:

- вязкость, м²/с;

C - концентрация LiClO₄, %



Заключение

В ходе прохождения производственной практики были решены следующие задачи:

· проведен анализ литературных данных о свойствах перхлората лития и областях его применения;

· изучены основы метода атомно-эмиссионного анализа;

· изучены экспериментальные способы определения вязкости растворов;

· построена фазовая диаграмма системы "перхлорат лития - вода";

· определены зависимости плотности и вязкости водных растворов перхлората лития в зависимости от его концентрации;



Список литературы

1. Шумахер И. Перхлораты. Свойства, производства и применения. - М.: ГХИ, под редакцией Генина Л.С., 1963. - 236 c.

2. Справочник химика [Электронный ресурс]: Применение перхлоратов. - Режим доступа: http://chem21.info/page/213211232254161016142129245069068060238128246006/.

3. Аккумуляторы, батарейки и другие источники питания [Электронный ресурс]: Литиевые батарейки. - Режим доступа: http://www.powerinfo.ru/battery-li.php.

4. Сайт ТПУ [Электронный ресурс]: Методическое пособие. Атомно-эмиссионный анализ. - Режим доступа http://portal.tpu.ru/SHARED/i/IVLEV/teaching/Атомно-эмиссионный анализ.pdf.

5. Сайт о химии "Химик" [Электронный ресурс]: Вискозиметр ВЖП-2. - Режим доступа: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2353.html.

Размещено на Allbest.ru