ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМПЕРАТРИЦЫ ЕКАТЕРИНЫ II» Кафедра металлургии По дисциплине: Теория гидрометаллургических процессов Отчёт по лабораторной работе №1: «Термодинамическая оценка процессов выщелачивания, сопровождающихся химическим взаимодействием» Выполнил: . ст. группы МЦ-20 / / (должность) Проверил: (подпись) ассистент (Ф.И.О) / Федоров А.Т. / (должность) (подпись) Дата: Санкт-Петербург 2024 (Ф.И.О) Цель работы: на основании исследования конкретного процесса выщелачивания установить концентрационную константу равновесия, определить с использованием коэффициентов активностей термодинамическую константу, вычислить убыть свободной энергии Гиббса и оценить термодинамическую возможность или невозможность реализации конкретного процесса выщелачивания. Основные теоретические положения: Выщелачивание — гетерогенный процесс избирательного извлечения ценного компонента в водный раствор. В зависимости от характера физико-химических процессов различают два вида выщелачивания: простое выщелачивание и выщелачивание с химической реакцией. Простое выщелачивание не сопровождается химическим взаимодействием веществ. При этом элемент извлекается в раствор в форме исходного соединения – растворяется. Простому растворению предшествуют подготовительные операции трансформации металла в растворимую форму: спекание, сплавление, сульфатизирующий обжиг и т д. В данном типе выщелачивания вещества в твердом состоянии образуют ионную кристаллическую решетку, а в растворе присутствуют в виде гидратированных ионов. Изменение энергии Гиббса при растворении определяется энергией кристаллической решетки и энергией гидратации ионов. При выщелачивании с химической реакцией металл, присутствующий в исходном сырье в виде малорастворимого в воде соединения переводится под действием реагента в растворимую форму. В данной лабораторной работе рассматривается процесс выщелачивания оксида меди уксусной кислотой. Этот процесс проходит по реакции. CuO + 2CH3COOH → (CH3COO)2Cu + H2O Термодинамическое исследование физико-химических превращений заключается в изучении и сравнении термодинамических характеристик исходного и равновесного состояния системы. Наиболее важными характеристиками являются изменение энергии Гиббса и изменение энтропии. Изменение энергии Гиббса характеризует равновесное состояние системы и возможность самопроизвольного протекания изучаемого процесса при определенной температуре и давлении. С помощью значения энергии Гиббса (изобарно-изотермического потенциала) определяют термодинамическую возможность осуществления процесса. Чем отрицательнее значение потенциала, тем термодинамически более вероятен процесс. 2 Начальная энергия Гиббса представляет собой функцию исходного состояния систем при начальной температуре. Начальная энергия Гиббса ∆𝐺 = 𝑅𝑇𝑙𝑛П(𝑎𝑖±𝑣𝑖 ) + ∆𝐺𝑖0 Энергия Гиббса системы после протекания реакции представляет собой функцию равновесного состава системы и является постоянной величиной заданной температуры, характерной для каждой химической реакции. Равновесная энергия Гиббса ∆𝐺 = 𝑅𝑇𝑙𝑛П(𝑎𝑖±𝑣𝑖 ) + ∆𝐺𝑖0 = ∆𝐺 = 𝑅𝑇𝑙𝑛𝐾𝑝 + ∆𝐺𝑖0 Концентрационная константа реакции 𝐾𝑐 = ( 𝐶𝐶𝑢𝑅2 ) 𝐶 2𝐻𝑅 где 𝐶𝐶𝑢𝑅2 – концентрация продукта реакции, моль/л; 𝐶 2𝐻𝑅 – концентрация кислоты, используемой в процессе выщелачивания, моль/л. Исходная концентрация кислоты, необходимая для полного растворения оксида меди Ск = 2 1 + 𝑉 √𝐾𝑐 𝑛𝐶𝑢𝑂 𝑉 где V – объем исходного раствора, л; 𝑛𝐶𝑢𝑂 – число молей оксида меди, взятых для растворения, моль. Термодинамическая константа равновесия процесса выщелачивания 𝛾𝐶𝑢𝑅 𝐾𝑝 = 𝐾𝑐 2 2 𝛾𝑘 где 𝛾𝐶𝑢𝑅2 – коэффициент активности продукта реакции до начала процесса; 𝛾𝑘2 – коэффициент активности уксусной кислоты. 3 Результаты эксперимента: Таблица 1. – Результаты эксперимента № пробы Время, мин Объем использованного тиосульфата, мл Концентрация металла С𝑀𝑒𝐴2 , моль/л Концентрация кислоты С𝐾 , моль/л Отношение С𝑀𝑒𝐴2 /С2к 1 5 0,05 0,0005 0,299 0,006 2 20 0,1 0,001 0,298 0,011 3 35 0,3 0,003 0,294 0,035 4 50 0,3 0,003 0,294 0,035 5 65 0,4 0,004 0,292 0,047 6 80 0,5 0,005 0,290 0,059 7 95 0,6 0,006 0,288 0,072 8 110 0,8 0,008 0,284 0,099 9 135 0,8 0,008 0,284 0,099 10 150 0,8 0,008 0,284 0,099 Обработка экспериментальных данных: 1. Расчет концентрации меди 𝑛 С𝑀𝑒𝐴2 = 0,05 ∙ 𝑉 , моль/л пр где n – количество тиосульфата натрия, пошедшее на титрование пробы, мл; 𝑉пр – объем пробы, взятой на анализ металла (5 мл). С𝑀𝑒𝐴2 = 0,05 ∙ 0,05 5 = 0,0005 моль/л 2. Расчет отношения С𝑀𝑒𝐴2 = 0,05/С2к 3. 0,05 Строим график С𝑀𝑒𝐴2 = С2 − 𝜏 и по нему устанавливаем концентрационную к константу равновесия. 4 Зависимость Сме/Ck от t 0,12 0,1 Смe/Сk 0,08 0,06 0,04 0,02 0 5 20 35 50 65 80 95 110 125 140 155 t, мин График 1. – Графическое определение концентрационной константы равновесия По графику Кс = 0,099 4. Рассчитываем исходную концентрацию кислоты, необходимую для обеспечения полного растворения оксида металла, по формуле: Ск = Ск = 2 1 + 𝑉 √𝐾𝑐 𝑛𝑀𝑒𝑂 𝑉 2 1 + = 23,08 0,3 √0,099 ∙ 0,125 ∙ 0,3 5. Рассчитываем термодинамическую константу равновесия процесса выщелачивания по формуле: 𝐾𝑝 = 𝐾𝑐 𝐾𝑝 = 0,099 𝛾𝐶𝑢𝑅2 𝛾𝑘2 0,6 = 5,94 0,12 6. Рассчитываем изменение энергии Гиббса процесса по уравнению: 0 ∆𝐺298 = −𝑅𝑇𝑙𝑛𝐾𝑝 = −2,3 ∙ 8,314 ∙ 298 ∙ 𝑙𝑔𝐾𝑝 0 ∆𝐺298 = −2,3 ∙ 8,314 ∙ 298 ∙ 𝑙𝑔5,94 = −4409,36 Дж/моль Вывод: в ходе лабораторной работы была экспериментально выявлена термодинамическая константа и константа равновесия системы, которая позволила установить значение энергии Гиббса, равное -4409,36 Дж/моль. Низкие концентрации соли металла и энергия Гиббса говорят о низкой степени протекания процесса, что может быть связано с низкой исходной концентрацией кислоты, взятой на выщелачивание. 5
