Zimin_Yaroslav.kursovaya1x

Московский Государственный Университет
имени М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
Качественное и количественное определение
состава кремнеземного стекловолоконного
носителя.
Курсовая работа:
студента Зимина Я.С.
II курс. 202 группа
Научный руководитель:
Дорохов В.Г.
Старший преподаватель:
к.х.н. Чернобровкина А.В.
Черноголовка 2015 г.
Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
Оглавление
Введение....................................................................................................................................................... 3
Обзор литературы ....................................................................................................................................... 3
Определение элементов .......................................................................................................................... 3
Определение калия .............................................................................................................................. 4
Определение алюминия ...................................................................................................................... 5
Определение кремния ......................................................................................................................... 6
Определение натрия ............................................................................................................................ 7
Определение кальция .......................................................................................................................... 7
Определение бария.............................................................................................................................. 7
Определение титана ............................................................................................................................ 8
Актуальность вопроса............................................................................................................................. 9
Экспериментальная часть .........................................................................................................................10
Заключение и обсуждение результатов ..................................................................................................13
Список литературы ...................................................................................................................................13
2
Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
Введение
В настоящее время в химической промышленности применяются различные виды
катализаторов,
которые наносятся на стекловолокнистый
носитель. В качестве
стекловолокнистых носителей могут выступать боросиликатные или кремнеземные стекла.
Боросиликатные стекла включают в себя 53-55% SiO2, B2O3 10%, Al2O3 14-15%, CaO 1516%, MgO 4%, Na2O 0,7%, TiO2 и K2O 0,2% по массе. Основными компонентами в составе
кремнеземных стекол являются диоксид кремния, оксид алюминия и оксид калия. Так же
встречаются оксиды бария, кальция, натрия и титана. Кремнеземные стекла достаточно
термостойки и имеют простой состав. Катализаторы на основе кремнеземных стекол
применяются в газофазных процессах при температурах порядка 8000С; так же
катализаторы, нанесенные на определенные типы кремнеземных стекол, в которые входит
лишь несколько компонентов, находят применение в процессах изомеризации нормальных
углеводородов, избавляясь от щелочных компонентов и доводя Si и Al до определенных
пропорций. Платина, нанесенная на кремнеземное стекло, используется как катализатор в
водяной конверсии метана.
Обзор литературы
Различные стекловолокнистые носители включают в себя большое количество диоксида
кремния, который не растворим во многих кислотах, что осложняет его определение
химическими методами. Поэтому для растворения кремнеземных стекловолокнистых
носителей используют HF и HBF4; также используется и соляная кислота. Она служит
растворителем для многих компонентов, входящих в состав различных стекол: оксидов
алюминия, бария, щелочных металлов и тд., а так же переводит их в удобную форму для
качественного анализа. При использовании HBF4 в полученном растворе появляется
посторонние ионы B3+, которые могут мешать химическому определению элементов,
входящих
в
состав
кремнеземных
стекловолокнистых
носителей.
Определение элементов
В аналитической химии катионы можно разбить на 6 групп: 1 группа - литий, аммоний,
натрий, калий и магний; 2 группа – кальций, стронций, барий; 3 группа – серебро, ртуть,
3
Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
свинец, вольфрам; 4 группа – цинк, алюминий, олово, ванадий, хром, молибден; 5 группа –
титан, цирконий, сурьма, висмут, марганец, железо; 6 группа – кобальт, никель, медь,
кадмий, ртуть, магний. В исследуемом образце стекловолокнистого носителя присутствуют
катионы кремния, алюминия и калия. Далее буду рассмотрены способы определения этих
элементов в растворе.
Определение калия
K+ - катион, относящийся к первой группе катионов. Для его определения существует
несколько способов:
1. Гидротартратом натрия
Гидротартрат натрия образует с иона калия при pH 4-5 белый кристаллический
осадок KHC4H4O6. Осадок гидротартрата калия склонен образовывать
пересыщенные растворы. Осадок растворяется в горячей воде, щелочах и кислотах,
более сильных, чем винная кислота. Предел обнаружения калия составляет 1,2 мг.
Определению калия мешает ион аммония, образующий аналогичный осадок.
2. Гексанитрокобальтатом натрия
Гексанитрокобальтат натрия образует с ионами калия при pH 4-5 желтый осадок
состава KnNamCo(NO2)6, где n+m=3 (основным соединением является
K2NaCo(NO2)6 ). Осадок нерастворим в уксусной кислоте, но растворяется при
нагревании в сильных кислотах с образованием азотистой кислоты, которая
разлагается и одновременно восстанавливает Co(III) в Co(II). Предел обнаружения
калия составляет 20мкг. Но его можно понизить до 4 мкг при выполнении реакции
капельным методом. Его определению мешают ионы аммония и лития, так как они
образуют аналогичные желтые осадки, иодиды из-за их окисления до йода,
окислители, так как они разрушают реагент.
3. Гексанитрокупратом свинца и натрия
при действии Na2PbCu(NO2)6 на раствор соли калия образуются черные или
коричневые кубические кристаллы K2PbCu(NO2)6. Предел обнаружения калия – 0,
15 мкг, а обнаружению мешают ионы аммония и иодид-ионы.
4. Окрашивание пламени
Летучие соли калия окрашивают пламя газовой горелки в бледно-фиолетовый цвет.
Предел обнаружения – 0,0001 мкг.
4
Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
Определение алюминия
Катион Al3+ относится к 4 группе катионов. Существуют следующие способы его
определения:
1. Гидроксидом натрия и аммиаком
Гидроксид натрия и аммиак с ионами алюминия образует белый осадок гидроксида
алюминия в диапазоне pH от 4 до 7,8. Полное его осаждение достигается при pH ~
5. При pH> 10 осадок растворяется с образованием гидроксокомплексов.
Добавлением NH4Cl к щелочному раствору можно понизить pH раствора и осадить
гидроксид алюминия. В присутствии фторид-, аксалат- и тартрат-ионов нельзя
осадить гидроксид алюминия, так как он образует устойчивые комплексные
соединения.
2. Алюминоном
Алюминон образует с ионами алюминия комплекс красного цвета. Образуется
вещество следующего возможного состава.
Это комплексное соединение не разрушается при действии аммиака или
карбоната аммония. Мешают определению ионы железа, хрома и кальция.
3. Ализариновый красный S(I)
Ализариновый красный с ионами алюминия в щелочной среде образует осадок
ярко-красного цвета.
Предполагают, что осадок является адсорбционным соединением алюминия и
ализарина. Ионы железа, хрома, марганца мешают определению алюминия, так как
образуют окрашенные ализариновые лаки.
5
Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
4. 8-оксихинолин
8-оксихинолин образует с алюминием при pH 4,5 – 10 внутрикомплексное
соединение.
Это соединение малорастворимое в воде, хорошо экстрагируется органическими
растворителями(спирты, кетоны). Определению мешают иона кальция, магния,
стронция, бария, цинка, кадмия, циркония, олова, никеля, кобальта, железа и меди.
5. Морин, кверцетин(люминесцентная реакция)
Морин и кверцетин с ионами алюминия при pH 4-6 образует флуоресцирующие
желто-зеленым светом комплексы. Определению мешают ионы циркония, торий,
галий, индий, цинк, бериллий, скандий, а также никель, железо, кобальт, титан и
медь.
Определение кремния
Анион кремния SiO32- относится к первой группе анионов. В растворе свободная
кремниевая кислота почти не растворима в воде. Поэтому для определения силикат-аниона
используются следующие методы:
1. Разбавленных кислот
Разбавленные кислоты при медленном добавлении к раствору силиката выделяют
белый студенистый осадок (гель) кремниевых кислот. При быстром добавлении
осадок выпадает не сразу. Для полного осаждения раствор несколько раз
упаривают досуха с концентрированной HCl. При этом кремниевая кислота
переходит почти в нерастворимое в кислотах состояние и при обработке раствором
кислоты осаждается. Таким образом можно обнаружить силикат-ион в присутствии
всех анионов.
2. Солей аммония
Соли аммония выделяют из растворов силикатов кремниевую кислоту лучше, чем
кислоты. Этом методом можно определить силикат-ион в присутствии всех
анионов.
6
Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
Определение натрия
Катион Na+ относится к 1 группе катионов. Существуют следующие способы его
определения:
1. Октаацетат-триуранилат цинка
При взаимодействии с ионами натрия при pH 7 образуются тетраэдрические или
октаэдрические кристаллы NaZn(UO2)3∙(CH3COO)9∙9H2O. Обнаружению мешают
ионы лития, ртути(I), серебра и сурьмы(III). Иона Ca(II), Ba(II), Sr(II), Pb(II), Zn(II),
Mn(II), Co(II), Ni(II), Hg(II), Al(III), Fe(III) и Bi(III) мешают проведению реакции
при содержании более 5г/л. Так же октаацетат-триуранилат натрия обладает яркой
флуоресценцией. При содержании натрия более 10 мкг свечение наблюдается
сразу, при меньших концентрациях через 1-4 минуты. Интенсивность свечения
зависит от агрегатного состояния-в жидком состоянии оно слабое, а в твердом
состоянии обладает яркой желто-зеленой флуоресценцией.
2. Окрашивание пламени
Летучие соли натрия окрашивают пламя газовой грелки в желтый цвет.
Определение кальция
Существуют следующие методы определение иона кальция в растворе:
1. Оксалат аммония
Он образует с ионами кальция кристаллический осадок CaC2O4∙H2O. осадок
растворим в сильных кислотах, но не растворим в уксусной кислоте. При
определении мешают иона бария и стронция, дающие аналогичные осадки.
2. Гексацианоферрат калия. При pH>7 в присутсвии хлорида аммония он
взаимодействует с ионами кальция и образует белый кристаллический осадок
состава Kn(NH4)mCaFe(CN)6. Осадок нерастворим в уксусной кислоте.
Определению мешают иона бария.
3. Летучие соли кальция окрашивают пламя горелки в кирпично-красный цвет.
Определение бария
Имеются следующие способы определение ионов бария в растворе
1. Дихромат калия в ацетатном буферном растворе образует с ионами бария желтый
кристаллический осадок. В растворе содержащем дихромат-анионы, имеет место
кислотно-основное равновесие между дихромат-анионом и хромат-анионом.
Определению бария мешают ионы кальция. Но при pH<7 ионы кальция не
образуют осадок с дихроматом калия. Так можно отделить кальция от бария в
растворе.
2. Серная кислота образует с ионами бария белый кристаллический осадок BaSO4
Определению мешают ионы кальция образующие малорастворимый сульфат.
3. Летучие соли бария окрашивают пламя газовой горелки в желто-зеленый цвет.
7
Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
Определение титана
Для определения ионов титана в растворе используют следующие методы
1. Гидроксиды щелочных металлов и аммиак с ионами титана(IV) образуют белый
осадок титановой кислоты, растворимый в концентрированных щелочах и плохо
растворимый в кислотах.
2. Пероксид водорода в сильнокислых растворах с ионами титана (IV) образует
пероксидные соединения желтого цвета. Предполагается образование комплексов
TiO2(SO4)2- по реакции
Ti(OH)22+ + H2O2 + 2SO42- = TiO2(SO4)2- + 2H2O
или Ti(OH)2H2O22+
Ti(OH)22+ + H2O2 = Ti(OH)2H2O22+
Определению мешают фторид-ионы, которые образуют бесцветные комплексы с
титаном.
3. Хромотроповая кислота
в зависимости от концентрации ионов водорода может образовывать с ионами
титана 3 комплексных соединения: при рН>5 – оранжевый хелат, в 1М H2SO4 –
соединение красного цвета, в концентрированной H2SO4 – соединение фиолетового
цвета.
8
Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
Актуальность вопроса
На данный момент в различных отраслях химической промышленности катализаторы
играют важную роль. Эта роль заключается не только в их каталитических свойствах, а
также в свойствах носителя, на который нанесен катализатор. А конкретно инертность
определенного носителя в условиях проведения различных химических реакциях. Как уже
говорилось ранее, в состав кремнеземных стекловолокнистых носителей входят оксиды
кремния, алюминия и калия, как основные компоненты, так же могут встречаться оксиды
бария, кальция, натрия и титана. И состав таких носителей влияет на механизм протекания
реакции, на ее селективность. Так же от условий протекания реакции зависит постоянство
состава стекловолокнистого носителя, что так же играет немаловажную роль в механизм
протекания химической реакции. Кроме того, исключение различных оксидов из состава
кремнеземных стекловолокнистых носителей влияет на свойства катализатора.
Данные носители применяются в газофазных процессах при температурах порядка 8000С;
так же катализаторы, нанесенные на определенные типы кремнеземных стекол, в которые
входит лишь несколько компонентов, находят применение в процессах изомеризации
нормальных углеводородов. Оптимальные свойства для процессов изомеризации
достигаются путем удаления оксидов щелочных металлов из состава носителя, и доведения
соотношения оксидов кремния и алюминия до определённых пропорций. Вопрос
нахождения таких соотношений между оксидами кремния и алюминия, при которых
реакция проходит наилучшем образом, является важным и требует изучения.
9
Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
Экспериментальная часть
В данной работе было проведено качественное определение состава и количественное
содержание элементов в кремнеземном стекловолокнистом носителе. Был проведен
качественный анализ полученного носителя, представленный на схеме 1
Схема 1
Осадок
Образец растворили в
соляной кислоте
Раствор, предположительно
содержащий ионы калия,
натрия, бария, кальция и
титана
+Na2CO3, при нагревании
Были взяты 4 пробы и
помещены в различные
пробирки
Происходит выделение
аммиака, что
свидетельствует о
нахождении в растворе
кремниевой кислоты
+HCl +NH3
При добавлении
аммиака по
каплям к
сильнокислому
раствору,
выпадение осадка
не наблюдалось,
т.е. в нашем
растворе не
обнаружены ионы
титана.
+
NaHC4H4O6
Выпал белый
кристаллически
й осадок, что
свидетельствует
о наличии ионов
калия.
+ алюминон
+ NH4Cl
Выпал осадок
ярко красного
цвета, что
свидетельствует
о содержании
алюминия.
+K2Cr2O7
+ NH4Cl
Выпадение
осадка не
наблюдалось.
Значит в
растворе не
содержатся
ионы кальция
и бария.
На основе данных полученных в ходе качественного анализа, полученного кремнеземного
стекловолокнистого носителя, можно сделать вывод, что данный носитель содержит ионы
калия, алюминия и кремния. Значит в состав полученного носителя входят оксиды калия,
алюминия и кремния.
10
Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
Так же качественный анализ был проведем методом атомно-эмиссионной спектроскопии.
Далее
количественный
анализ
был
проведем
методом
масс-спектрометрии.
Кремнеземное стекло
C, мкг/г
Элемент
Li
Be
Na
Mg
Al
Si
P
S
K
Ca
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
As
Se
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Rh
Pd
Ag
Cd
ПО, мкг/г
1-3ml6
0,05
0,01
5
9
33
0,68
0,089
1952
139
18714
Основа
< ПО
116
525
531
229
0,76
4,8
4,9
398
20,2
< ПО
1,8
3,9
3,2
1492
< ПО
7,9
10,3
1,0
285
5,7
0,16
0,38
1,7
< ПО
< ПО
10
32
2
7
1
0,3
0,2
0,1
9
0,1
0,2
0,6
0,2
1
0,1
1
0,07
0,06
0,03
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
C, мкг/г
Элемент
Te
Cs
Ba
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
Hf
Ta
W
Re
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Th
U
Sn
Sb
ПО, мкг/г
1-3ml6
0,2
0,02
0,07
0,04
0,04
0,01
0,04
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,04
0,04
0,04
0,00
0,01
0,01
0,1
0,07
0,005
0,07
0,01
0,04
0,01
0,1
0,04
< ПО
0,048
12,6
0,63
1,5
0,16
0,21
0,14
0,017
0,10
0,024
0,045
0,053
0,18
0,032
0,28
0,050
6,9
5,7
0,40
< ПО
< ПО
0,88
< ПО
< ПО
0,013
72,1
3,1
0,18
0,33
< ПО
1,9
11
Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
12
Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
Заключение и обсуждение результатов
1. В ходе проведенного качественного анализа был определен состав
стекловолокнистого кремнеземного носителя для катализаторов. В состав входят
оксиды кремния, алюминия и калия.
Список литературы
1. Н.В. Алов, Ю.А. Барбалат, А.В. Гармаш, «Основы аналитической химии.» под
ред. Ю.А. Золотова. М.: Издательский центр «Академия». 2010. 416 с.
2. А.П. Горешков, «Основы аналитической химии. Том 1». М.: издательство
«Химия». 1970. 472 с.
3. А.П. Горешков, «Основы аналитической химии. Том 2». М.: издательство
«Химия». 1971. 456 с.
4. А.П. Горешков, «Основы аналитической химии. Том 3». М.: издательство
«Химия». 1970. 472 с.
5. В.И. Фадеева, Т.Н. Шеховцова, В.М. Иванов, «Основы аналитической химии.
Практическое руководство.» под ред. Ю.А. Золотова. М.: Высшая школа, 2003.
463 с.
13