Получение сульфата аммония в лабораторных условиях

Введение

Сульфат аммония — аммонийная неорганическая соль серной кислоты, содержащая 21% азота в виде катионов аммония и 24% серы в виде сульфат-анионов. Он зачастую используется в качестве удобрения для щелочной почвы, встречается в виде бесцветных кристаллов или мелких белых гигроскопичных гранул.

Сульфат аммония, также известный как диаммоний сульфат или соль серной кислоты, представляет собой белое кристаллическое вещество без запаха, на вкус соленое. Соединение легко растворимо в воде, но не растворяется в спирте или ацетоне. Данное вещество разлагается при нагревании до 250 °C. Если его нагреть до более высокой температуры, то оно распадется на аммиак, азот, диоксид серы и воду. [1]

Основное применение сульфата аммония — удобрение для щелочной почвы. В почве ионы сульфата аммония высвобождаются и образуют небольшое количество кислоты, которая понижает что? почвы и в то же время насыщает необходимым азотом для лучшего роста растений.

Удобрение рекомендуется применять для культур, требовательных к сере и предпочитающих аммонийную форму азота нитратной: рапс, капуста, гречиха, озимая и яровая пшеница, картофель, сахарная свекла, кормовые культуры. Также оно эффективно для льна, чая, подсолнечника, моркови, помидоров, щавеля, петрушки, репы, редьки, тыквы, кабачков, редиса, крыжовника, малины — лучше произрастающих при слабокислой реакции почвенного раствора. Регулирует рост вегетативной массы, увеличивает урожайность культур, повышает жизнеспособность растений Сера, входящая в состав удобрения, способствует увеличению процента белка и клейковины в пшенице, содержанию масла в подсолнечнике, сое и рапсе. Хорошо рассеивается и быстро растворяется в воде, не расплывается на воздухе и сохраняет рассыпчатость. [2]

Аммонийный азот сульфата аммония не вымывается из почвы и хорошо усваивается растениями.

Основным недостатком использования сульфата аммония является низкое содержание азота по сравнению с нитратом аммония. Также широко известно применение сульфата аммония в качестве сельскохозяйственного спрея и адъюванта для водорастворимых инсектицидов, гербицидов и фунгицидов. Он функционирует как связка для катионов железа и кальция, которые присутствуют в воде и растительных клетках. [3]

Сульфат аммония растворим в воде, и поэтому на его основе можно создавать концентрированные растворы, которые могут очищать белки, вызывая их концентрированное осаждение. Это удобный и простой способ для фракционирования сложных смесей белков, благодаря чему сульфат аммония применяется в качестве ингредиента для многих вакцин от дифтерии, столбняка и коклюша. В пищевой промышленности сульфат аммония используется в качестве пищевой добавки Е517, которая используется, как регулятор кислотности для муки и хлеба и признана безопасной для употребления. Также сульфат аммония используется для получения других солей аммония, в особенности персульфата аммония. На основе сульфата аммония изготовляются самодельные взрывчатые вещества. Вещество является компонентом порошковых огнетушителей и огнезащитных средств. [4]

Существуют и некоторые недостатки в использовании данного вида удобрения. При вдыхании паров сульфата аммония возможно сильное раздражение и воспаление дыхательных путей. Употребление во внутрь вызывает раздражение желудочно-кишечного тракта, сопровождаемое тошнотой, рвотой и диареей. При контакте сульфата аммония с кожей или глазами возникает раздражение, покраснение, зуд и боль. Использование сульфата аммония безопасно в хорошо проветриваемых помещениях с использованием защитных очков и масок, закрывающих все лицо, в сапогах, перчатках, фартуках или комбинезонах из непроницаемого материала, такого как ПВХ. 5]

Целью данной курсовой работы является:

· Изучение общей характеристики данного вида удобрения;

· Изучение методик получения и выбор наиболее целесообразной;

· Получение сульфата аммония в лабораторных условиях.

1. Литературный обзор

1.1 Получение сульфата аммония из аммиака и серной кислоты в лабораторных условиях Получение сульфата аммония из аммиака и серной кислоты в лабораторных условиях заключается в улавливании аммиака из аммиачно — воздушной смеси в насадочном абсорбере барботажного типа, орошаемом раствором серной кислоты. Время необходимое для полной нейтрализации серной кислоты, зависит от скорости подачи аммиака и составляет 2 — 3 ч. Окончание процесса нейтрализации серной кислоты, контролируется путём отбора проб из маточного раствора. После завершение этого процесса осуществляется упаривание маточного раствора и кристаллизация сульфата аммония.

Для получения сульфата аммония используется лабораторная установка, схема которой представлена на рис. 1. В промежуточную ёмкость 1 (трёхгорлая колба на 500 см3) наливают 350 см³ раствора с массовой долей серной кислоты 20%, герметично закрывают отвод пробоотборника 2 и включают компрессор 3. Жидкость из ёмкости 1 под давлением поднимается по переливной трубке и стекает в абсорбер 6, смачивая насадку. После заполнения абсорбера открывают кран 5. В испаритель аммиака 7 (трёхгорлая колба на 500 см3) наливают 250 см³ 25% мас. раствора аммиака, проверяют установку на герметичность и включают компрессор 9. Затем открывают кран 8, устанавливая такой режим работы компрессора, при котором происходит интенсивный барботаж в абсорбере, и вся насадка смачивается раствором. Для десорбции аммиака из раствора содержимое испарителя 7 нагревают на водяной бане до температуры 90−95 оС. При оптимальном режиме работы установки реакционная смесь в абсорбере разогревается до температуры 30 оС за счёт тепла нейтрализации.

Для контроля за технологическим режимом отбирают пробы маточного раствора: первую — до подачи аммиака, последующие — через каждые 20 минут. Для этого открывают кран пробоотборника 2 и отбирают в микропробирку около 2 см³ маточного раствора. Перед отбором очередной пробы через пробоотборник прокачивают около 10 см³ жидкости, чтобы вытеснить предыдущую порцию раствора.

Из пробы маточного раствора пипеткой отбирают пробу 1 см³ и переносят её в колбу на 100 см³, добавляют 50 см³ дистиллированной воды и 2 капли метилового красного. Титруют раствором NaOH с молярной концентрацией эквивалента 0,5 моль/дм3 до перехода окраски из красной в жёлтую.

Рис 1 — Схема установки для получения сульфата аммония бессатураторным методом: 1 — промежуточная ёмкость; 2 — пробоотборник; 3, 9 — компрессоры; 4 — подставка; 5, 8 — регулировочные краны; 7 — испаритель аммиака (колба с 25% раствором аммиака); 6 — насадочный абсорбер; 10 — электроплитка; 11 — водяная баня; 12 — кислотная ловушка;

Процесс нейтрализации серной кислоты аммиаком можно считать завершённым при остаточной концентрации серной кислоты менее 5% мас.

При достижении этого условия прекращают обогрев испарителя 7, закрывают кран 8 и отключают компрессор 9. Открывают пробоотборник 2 и сливают маточный раствор в стакан на 500 см³, где его нейтрализуют аммиачной водой до рН = 6 (по лакмусовой бумаге).

Плотность раствора измеряют ареометром в цилиндре на 100 см³, затем его переливают в фарфоровую чашку и осторожно упаривают на электроплитке до образования поверхностной плёнки. Упаренный раствор оставляют для кристаллизации. Далее полученные кристаллы высушивают на воздухе. [7]

1.2 Другие способы получения сульфата аммония

1.2.1 Получение сульфата аммония из гипса Получение сульфата аммония из гипса осуществляется двумя методами: «газовым» и «жидкостным».

«Газовый метод» основан, на взаимодействии газообразного аммиака и углекислоты с водной суспензии гипса по реакции:

NH3 + CO2 + CaCO3 + H2O = (NH4)2CO3 + CaCO3 (1)

В результате реакции образуется 35−40% раствор сульфата аммония, который после отделения от СаСО3, выпадающего в осадок, обычным путём перерабатывают в сухую соль.

В «жидкостном» методе гипс реагирует с раствором углекислого аммония:

СаSO4 + (NH4)2CO3 = CaCO3 + (NH4)2SO4 (2)

Полученный раствор сульфат аммония отделяется от углекислого кальция, выпадающего в осадок, на вакуум — фильтрах, после чего раствор упаривают и охлаждают; при этом образуется кристаллы сульфата аммония, отделяемые от маточного раствора на центрифугах. [6]

1.2.2 Получение сульфата аммония из мирабилита Получение сульфата аммония из мирабилита основано на взаимодействии аммиачных растворов сульфата натрия с углекислотой, в результате чего образуется сульфат аммония и бикарбонат натрия. Сырьём служит природный сульфат натрия — мирабилит. Процесс получения сульфата аммония по указанному способу можно выразить следующей реакцией:

Na2SO4 + 2NH3 + 2CO2 + 2H2O = (NH4)2SO4 + 2NaHCO3 (3)

Бикарбонат натрия выпадает в осадок и отделяется от раствора фильтрованием, а оставшийся раствор сульфата аммония перерабатывают в сухую соль обычным путём. [7]

1.2.3 Получение сульфата аммония из сернистого газа, аммиака и кислорода Получение сульфата аммония из сернистого газа, аммиака и кислорода (без применения серной кислоты) заключается, в получении сульфита аммония и окислении его кислородом под давлением, в результате чего образуется сульфат аммония. Дальнейшая переработка сульфата аммония в сухую соль осуществляется обычным путём. Получение сульфата аммония из сернистого газа, аммиака и кислорода можно выразить реакцией:

SO2 + NH3 + 2H2O = (NH4)2SO3 + H2O (4)

Окисление сульфита аммония кислородом под давлением протекает по реакции:

2(NH4)SO3 + О2 = 2(NH4)2SO4 (5)

2. Экспериментальная часть

2.1 Получение сульфата аммония из серной кислоты и гидроксида аммония Реакция получения сульфата аммония в лабораторных условиях:

2 NH4OH + H2SO4 ?> (NH4)2SO4 + 2 H2O (6)

1) Необходимо определить количество раствора гидроксида аммония и серной кислоты для получения 5 г сульфата аммония. Для этого выпишем значения молярной массы для всех компонентов:

М (NH4OH) = 35 г/моль;

М (H2SO4) = 98 г/моль;

М ((NH4)2SO4) = 132 г/моль;

М (H2O) = 18 г/моль;

По реакции (6) найдём количество вещества сульфата аммония:

((NH4)2SO4) = m/M = 5/132 = 0,038 моль;

Из уравнения реакции (6) следует, что (NH4)2SO4 = H2SO4

m (H2SO4) = * М = 0,038 * 98 = 3,7 г

(NH4OH) / (NH4)2SO4 = 2/1 ;

(NH4OH) = 2 * (NH4)2SO4 = 2 * 0,038 = 0,076 моль;

m (NH4OH) = 0,076 * 35 = 2,6 г

2) Измерение плотности растворов серной кислоты и гидроксида аммония Измерение плотностей растворов осуществляли с помощью ареометров.

аммиак кислород сульфат аммоний Таблица 1 — Результаты измерений плотности и массовая доля растворов

3) Вычислим массу растворов соответствующих веществ, необходимых для реакции:

W (H2SO4) = m (H2SO4) / mр-ра (H2SO4);

mр-ра (H2SO4) = m (H2SO4) / W (H2SO4) = 3,7 / 0,1014 = 36,5 г;

W (NH4OH) = m (NH4OH) / mр-ра (NH4OH);

mр-ра (NH4OH) = m (NH4OH) / W (NH4OH) = 2,6 / 0,0975 = 45,2 г;

Осуществим перевод массы в объём:

V (NH4OH) = m (NH4OH) /? (NH4OH);

V (NH4OH) = 45,2 / 0,975 = 46,4 см³;

V (H2SO4) = m (H2SO4) / ?(H2SO4);

V (H2SO4) = 36,5 / 1,067 = 34,2 см³;

ТАКИМ ОБРАЗОМ, ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ 5 г СУЛЬФАТА АММОНИЯ НАДО ВЗЯТЬ столько-то мл раствора гидр амм и столько-то мл раствора серной кислоты

4) Найдём тепловой эффект реакции (кДж/моль (NH4)2SO4)

Таблица 2 — Термодинамические характеристики веществ в водном растворе

Из уравнения реакции:

2 NH4OHж + H2SO4 ж ?> (NH4)2SO4 кр + 2 H2Oж

?H0298 реакции = (? ?H0298 продуктов р-ии —? ?H0298 исход. в-в);

?H0298 реакции = (?H0298 ((NH4)2SO4)кр + 2 * ?H0298 (H2O)ж) — (2 * ?H0298 (NH4OH)ж + ?H0298 (H2SO4)ж) = (-1180,31 + 2 * (-285,83)) — (2 * (-69,87) + (- 813,99)) = (- 1180,31 — 571,66) — (- 139,74 — 813,99) = - 1751,97 + 953,73 = - 798,24 кДж/моль здесь будет ок. -111,6 с новыми цифрами Рассчитаем тепловой эффект реакции, в пересчёте на 5 г получаемого вещества (NH4)2SO4.

Пусть 1 моль — - 798,24 кДж/моль Тогда 0,038 моль — Х кДж/ моль Х = (0,038 * (- 798,24)) / 1 = - 30,33 кДж/моль

?H <0, можно сделать вывод, что реакция экзотермическая, с отдачей теплоты.

5) Определим возможность самопроизвольного протекания реакции.

6) ?G0298 реакции = (??G0298 продуктов р-ции —? ?G0298 исход. в-в);

?G0298 реакции = (?G0298 ((NH4)2SO4)кр + 2 * ?G0298(H2O)ж) — (2 * ?G0298 (NH4OH)ж + ?G0298(H2SO4)ж) = (-901,53 + 2* (-237,23)) — (2*(-16,48) + (- 690,14) = (-901,53 — 474,46) — (-32,96 — 690,14) = - 1375,99 — (- 723,1) = - 652, 89 кДж/моль.

Данный процесс самопроизвольно протекает в прямом направлении, то есть термодинамически возможен, т. к ?G < 0

7) Определение теплоты нейтрализации кислоты и сульфата аммония.

Тепловые эффекты, сопровождающие химические реакции, измеряют в приборах, называемые калориметрами или калориметрическими установками (рис 2). Простейший калориметр состоит из двух сосудов: наружного (4) и внутреннего калометрического (3). Калориметр закрывается крышкой (5) с тремя отверстиями: для воронки (2), мешалки (1) и термометра (6).

Рис 2 — Калориметрическая установка Перед началом опыта необходимо взвесить сухой калориметрический сосуд или узнать его массу у лаборанта.

Соберите калориметрическую установку и через воронку налейте во внутренний калориметрический сосуд 50 см³ раствора кислоты. В мерный стакан налейте 50 см³ раствора щёлочи и оставьте его на 3−4 минуты для выравнивания температур.

Опустите термометр в стакан с раствором щёлочи и замерьте его температуру с точностью до 0,1 К (Тщ). Затем, ополоснув шарик термометра водой и осушив его фильтровальной бумагой, опустите термометр во внутренний сосуд калориметра. Замерьте температуру раствора кислоты (Тк). Среднее арифметическое Тщ и Тк даст Т1 — начальную температуру раствора в калориметре.

Т1 = (Тщ+Тк)/2

Не вынимая термометра, осторожно перемешивая раствор, через воронку вылейте раствор щёлочи во внутренний калориметрический сосуд с кислотой. Отмерьте самую высокую температуру (Т2) после смешивания растворов. Рассчитайте изменение температуры в калориметре

? Т = Т2-Т1

Температура протекания процесса:

t1 = 24 0C;

t2 = 33 0C;

? t = t2 — t1 = 33 — 24 = 11 0C

Таблица 3 — Экспериментальный расчёт теплового эффекта

Вычислим, количество теплоты, выделившейся в ходе реакции:

Q =? t * (с1* m1 + с2 * m2)

Где с1 — удельная теплоёмкость стекла, равная 0,753 Дж/ (г*К);

m1 — масса калориметрического стакана;

с2 — удельная теплоёмкость воды 4,184 Дж/ (г*К);

m2 — суммарная масса раствора (mр-ра кислоты + mр-ра щёлочи = 36,5 + 45,2 = 81,7 г).

Q = 11 *(0,753 * 120 + 4,184 * 81,7) = 11* (90,36 + 378,0) = 5152 Дж = 5,152 кДж Рассчитаем молярную энтальпию реакции:

?H = - Q /

Где — число молей нейтрализованной кислоты, определяемое с учётом заданной молярной концентрации и объёма раствора, (т.к. (NH4)2SO4 = H2SO4).

?H = -5,152 / 0,038 = - 135,6 кДж/моль.

Погрешность измерения:

? = [(?Hэксп — ?Hтеор) / ?Hтеор]*100% = [(135,6−111,6)/111,6] *100% = 21,5%

8) После приготовления и смешивания растворов, в рассчитанном количестве, следует упаривание до образования кристаллов.

9) Получили mпракт = 4,52 г.

Выход составил:

mпракт / mтеор *100%;

4,52/5,00 * 100% = 90,5%

Заключение

1. Изучили общие характеристики удобрения, рассмотрели лабораторные и промышленные способы получения сульфата аммония.

2. Выбрали наиболее целесообразный способ — это получение сульфата аммония из серной кислоты и гидроксида аммония, т.к. данный метод сопровождается минимальными затратами, требует несложное аппаратурное оформление и доступны необходимые реактивы для осуществления синтеза.

3. Был произведён расчёт теплового эффекта реакции и критерия самопроизвольности протекания процесса, проведен эксперимент по определению теплового эффекта реакции.

4. Экспериментальный выход сульфата аммония составил 90,5%.

1 Вильдфлуш И. Р., Кукреш С. П., Ионас В. А. Агрохимия: Учебник — 2-е изд., доп. И перераб. — Мн.: Ураджай, 2009 — 488 с., ил.

2 ГОСТ 9097–82 Сульфат аммония. Технические условия. Издание официальное. Москва. Дата введения 01.01. 1984

3 Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации, 2013 год. Министерство сельского хозяйства Российской Федерации (Минсельхоз России).

4 Минеев В. Г. Агрохимия: Учебник.- 2-е издание, переработанное и дополненное.- М.: Издательство МГУ, Издательство «КолосС», 2009. 720 с., л. ил.: ил. — (Классический университетский учебник).

5 Мязин Н. Г. Система удобрения: учебное пособие. — Воронеж: ФГОУ ВПО ВГАУ, 2009. 350 с

6 Налойченко А. О, Атаканов А. Ж., Удобрительное орошение посредством внесения жидких минеральных удобрений с поливной водой (фертигация). Ассоциация НИЦ — ИВМИ. Проект повышения продуктивности воды на уровне поля (ППВ) (Кыргыз. НИИ ирригации), Бишкек 2009 г. — 24с

7 С. И. Нифталиев, О. А. Козадёрова. С. Е. Плотникова «Синтез и анализ минеральных удобрений в лабораторных условиях.

8 Ягодин Б. А., Жуков Ю. П., Кобзаренко В. И. Агрохимия / Под редакцией Б. А. Ягодина.- М.: Колос, 2009. 584 с.: ил (Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений).

.ur