工程化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)一硫酸亞鐵銨的制備內(nèi)容提要用廢鐵屑制備硫酸亞鐵銨。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解硫酸亞鐵銨的制備方法。2．練習(xí)在水浴上加熱、減壓過(guò)濾等操作。3．了解檢驗(yàn)產(chǎn)品中雜質(zhì)含量的一種方法——目測(cè)比色法。實(shí)驗(yàn)原理鐵屑與稀硫酸作用，制得硫酸亞鐵溶液,硫酸亞鐵溶液與硫酸銨溶液作用，生成溶解度較小的硫酸亞鐵銨復(fù)鹽晶體：FeSO4+(NH4)2SO4+6H2O=FeSO4?(NH4)2SO4?6^0硫酸亞鐵銨又稱摩爾鹽，它在空氣中不易被氧化，比硫酸亞鐵穩(wěn)定。它能溶于水，但難溶于乙醇。目測(cè)比色法是確定雜質(zhì)含量的一種常用方法，在確定雜質(zhì)含量后便能定出產(chǎn)品的級(jí)別。將產(chǎn)品配成成溶液，與各標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行比色，如果產(chǎn)品溶液的顏色比某一標(biāo)準(zhǔn)溶液的顏色淺，就確定雜質(zhì)含量低于該標(biāo)準(zhǔn)溶液中的含量，即低于某一規(guī)定的限度，所以這種方法又稱為限量分析。本實(shí)驗(yàn)僅做摩爾鹽中Fe3+的限量分析。儀器、藥品及材料1．儀器錐形瓶(160mL)燒杯(150mLI個(gè)，60mLI個(gè))臺(tái)秤漏斗漏斗架布氏漏斗吸濾瓶(400mLI個(gè))量筒(10mLI個(gè))抽氣管(或真空泵)蒸發(fā)皿表面皿比色管比色管架水浴鍋2．藥品酸：HCI(2.0moLL-i)H2SO4(3.0mol.L-i)堿：NaOH(1.0mol.L-i)鹽：Na2CO3(1.0mol.L-i)KSCN(1.0moI.L-i)固體：(NH4)2SO4鐵屑其它：乙醇(95%)Fe3+的標(biāo)準(zhǔn)溶液三份(見(jiàn)注1)3．材料：pH試紙濾紙實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．硫酸亞鐵銨的制備鐵屑油污的除去稱取2g鐵屑，放入錐形瓶(150mL)中，加入20mLNa2C03溶液(1.0moI.L-1)，小火加熱約10分鐘，以除去鐵屑表面的油污。傾析除去堿液，并用水將鐵屑洗凈。硫酸亞鐵的制備在洗凈鐵屑的錐形瓶中，加入15mLH2SO4溶液(3.0moI.L-1)，放在水浴上加熱，使鐵屑與稀硫酸發(fā)生反應(yīng)(在通風(fēng)櫥中進(jìn)行)。在反應(yīng)過(guò)程中要適當(dāng)?shù)靥砑尤ルx子水，以補(bǔ)充蒸發(fā)掉的水分。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到不再產(chǎn)生氣泡時(shí)，表示反應(yīng)基本完成。用普通漏斗趁熱過(guò)濾，濾液盛于蒸發(fā)皿中。將錐形瓶和濾紙上的殘?jiān)磧?，收集在一起，用濾紙吸干后稱其質(zhì)量(如殘?jiān)繕O少，可不收集)．算出已作用的鐵屑的質(zhì)量。硫酸銨飽和溶液的配制根據(jù)已作用的鐵的質(zhì)量和反應(yīng)式中的物量關(guān)系，計(jì)算出所需NH4)2SO4(s)的質(zhì)量和室溫下配制硫酸銨飽和溶液所需要H2O的體積(見(jiàn)注2)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果在燒杯中配制(NHJ2SO4的飽和溶液．硫酸亞鐵銨的制備將(NH4)2SO4飽和溶液倒入盛FeS04溶液的蒸發(fā)皿中，混勻后，用pH試紙檢驗(yàn)溶液的pH值是否為1~2，若酸度不夠，用H2SO4(3.0mol.L-1)調(diào)節(jié)。在水浴上蒸發(fā)混合溶液，濃縮至表面出現(xiàn)晶體膜為止(注意蒸發(fā)過(guò)程中不宜攪動(dòng))。靜置，讓溶液自然冷卻，冷至室溫時(shí)，便析出硫酸亞鐵銨晶體。抽濾至干，再用ml乙醇溶液淋洗晶體，以出去晶體表面上附著的水分。繼續(xù)抽干，取出晶體，在表面皿上晾干。稱其質(zhì)量，并計(jì)算產(chǎn)率。2.Fe3+的限量分析用燒杯將去離子水煮沸5分鐘，以除去溶解的氧，蓋好，冷卻后備用。稱取1.00g的產(chǎn)品,置于比色管中，加10.0ml備用的去離子水，以溶解之，再加入2.00mlHCl溶液(2.0mol?L-1)和0.5mlKSCN溶液(1.0mol?L—1)，最后以備用的去離子水稀釋到25.00ml，搖勻。與標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行目測(cè)比色，以確定產(chǎn)品等級(jí)。數(shù)據(jù)記錄和處理已作用的鐵質(zhì)量/g(NH4)2so4飽和溶液FeSO4?(NH4)SO4?6H2O(NH4)量/g2SO4質(zhì)h2o體積/ml理論產(chǎn)量/g實(shí)際產(chǎn)量/g產(chǎn)率％級(jí)別思考題為什么硫酸亞鐵溶液和硫酸亞鐵銨溶液都要保持較強(qiáng)的酸性？進(jìn)行目測(cè)比色時(shí)，為什么用含氧較少的去離子水來(lái)配制硫酸亞鐵銨溶液制備硫酸亞鐵銨時(shí)，為什么采用水浴加熱法?注1Fe3+標(biāo)準(zhǔn)镕液的配制(實(shí)驗(yàn)室配制)先配制0.01mgml-1的Fe3+標(biāo)準(zhǔn)溶液。用吸量管吸取Fe3+的標(biāo)準(zhǔn)溶液5.00ml、10.00mL、20.00mL分別放入8支比色管中，然后各加入2.00mLHCl溶液(2.0mol?L-1)和0.50mLKSCN溶液(1.0mol?L-1)。用備用的含氧較少的去離子水將溶液稀釋到25.00mI，搖勻，得到符合三個(gè)級(jí)別含F(xiàn)e3+量的標(biāo)準(zhǔn)溶液：25mL溶液中含F(xiàn)e3+0.05mg、0.10mg和0.20mg分別為I級(jí)、II級(jí)和III級(jí)試劑中Fe3+的最咼允許含量。若1.00g摩爾鹽試樣溶液的顏色，與I級(jí)試劑的標(biāo)準(zhǔn)溶液的顏色相同或略淺，便可確定為I級(jí)產(chǎn)品，其中Fe3+含量的百分?jǐn)?shù)=0.05/(1.00X1000)X100%=0.005%,II級(jí)和III級(jí)產(chǎn)品以此類推。注2幾種鹽的溶解度數(shù)據(jù)(g/100gH2O)溫度/°c鹽(相f、'、、、、對(duì)分子質(zhì)量)10203040(NH4)2SO4(132.1)73.075.478.081.0FeSO4?7H2O(277.9)3748.060.073.3FeSO4?(NH4)?SO4?6H?O(392.1)36.545.053實(shí)驗(yàn)二磷酸鹽在鋼鐵腐蝕中的應(yīng)用內(nèi)容提要鋼鐵表面的磷化處理鋼鐵的磷化處理是防銹的一種有效措施，本文簡(jiǎn)單介紹了鋼鐵的磷化工藝。鋼鐵制件在一定條件下，經(jīng)磷酸鹽水溶液處理后，表面上能形成一層磷酸鹽保護(hù)膜，簡(jiǎn)稱磷化膜。此膜疏松、多孔，具有覆著力強(qiáng)、耐蝕性和絕緣性好等特點(diǎn)，可以作為良好的涂漆底層和潤(rùn)滑層。所以磷化處理被廣泛地應(yīng)用于汽車、家用電器和鋼絲拉拔等工業(yè)部門(mén)。按磷化液主成份的不同，有磷酸錳鹽、磷酸鐵鹽和磷酸鋅鹽等類型的磷化液；按磷化方式不同，有浸漬、噴射和涂刷等磷化方式。為了獲得性能良好的磷化膜和改進(jìn)磷化工藝，目前國(guó)內(nèi)外仍將磷化作用重要課題加以研究。磷酸鋅鹽磷化液的基本原料是工業(yè)磷酸、硝酸和氧化鋅。可以按一定比例直接配成磷化液，也可以先制成磷酸二氫鋅和硝酸鋅濃溶液，再按一定比例加水配成磷化液。磷化處理的一般過(guò)程是：(鋼件)一除油一水洗一酸洗一水洗一磷化一水洗一涂漆。除油可采用金屬清洗劑在常溫下進(jìn)行，水洗時(shí)如表面不掛水珠，則表示除油徹底。酸洗液可用20%H2SO4，洗到鐵銹除凈為止，酸洗溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)腐蝕現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)避免。各水洗過(guò)程都用自來(lái)水，最好采用淋洗。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．試片的預(yù)處理試片為85X25X0.80(mm)普通碳素鋼片。經(jīng)除油、酸洗和水洗后放在清水中備用(時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則易生銹)，操作時(shí)用鑷子夾取試片。2．磷化液的配制稱量4.0gZnO(99.5%)放入100ml燒杯中，加10mL自來(lái)水潤(rùn)透，用玻璃棒攪成糊狀。將燒杯放在石棉網(wǎng)上，加8.5mLHNO3(45%)和1.8mLH3PO4(85%),邊加邊攪拌，使固體基本溶解。將溶液倒入100mL量筒中，加水稀釋至100mL，配成磷化液。3．試片的磷化把磷化液倒入燒杯中，攪拌均勻，用pH試紙測(cè)酸度(pH~2)。將燒杯放在恒溫槽中加熱至50±1°C,取一試片浸在磷化液中，并計(jì)時(shí)，5分鐘時(shí)取出，用水沖掉表面上的磷化液，將試片放在支架上自然干燥(15分鐘左右)。若磷化膜外觀呈銀灰色，連續(xù)、均勻、無(wú)銹跡，說(shuō)明磷化效果較好(可重復(fù)磷化3?5片)。4．磷化膜耐蝕性的檢驗(yàn)選擇已干燥的磷化好的試片，滴一滴硫酸銅試液于磷化膜上，記錄該處出現(xiàn)紅棕色的時(shí)間，若接近或超過(guò)一分鐘為合格。硫酸銅點(diǎn)滴試液的組成［1］：40mLCuSO4溶液(1.0mol*L—1)加0.8mLNaCI溶液(0.1mol?L—1)和20mLHCl溶液(10%)。結(jié)果與討論磷化過(guò)程包含著復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，涉及離解、水解、氧化還原、沉淀和配位反應(yīng)等。1．磷化前磷化液中存在兩類化學(xué)反應(yīng)：離解：TOC\o"1-5"\h\zZn(NO3)2—Zn2++2NO3—(1)Zn(H2PO4)2—Zn2++2H2PO4—(2)H2PO4—=HPO42+H+(K2~10—8)(3)HPO42—=PO43—+H+水解(K3^10—13)(4)Zn2++H2O=Zn(OH)++H+(Kh^10—io)(5)PO43—+H2O=HPO42—+OH—(Kh嚴(yán)10t)(6)HPO42—+H2O=H2PO4—+OH—(Kh2^10—6)(7)H2PO4—+H2O=PO43—+OH—(Kh3^10—ii)(8)由于磷化液的pH值在2左右，Zn2+的水解可以忽略。但磷酸根離子的水解比較顯著，磷化根離子的水解比較顯著，磷化液中PO43—的濃度極小，即：c(Zn2+)三c(H+)^c(H2PO4—)>c(HP042—)2c(PO43—)。2．磷化時(shí)，在鋼鐵表面上同時(shí)發(fā)生兩類化學(xué)反應(yīng)：氧化還原：TOC\o"1-5"\h\zFe+2H+=Fe2++H2(g)(9)3Fe+2NO3—+8H+=3Fe2++2NO(g)+4H2O(10)3H2+2NO3—+2H+=2NO(g)+4H2O(11)反應(yīng)(9),(10)是鋼鐵的腐蝕；反應(yīng)(11)是NO3-的去氫氣作用，以保證磷化的正常進(jìn)行。沉淀反應(yīng)：Fe2++HPO42—=FeHPO4(s)(12)3Zn2++PO43—=Zn3(PO4)2(s)(13)伴隨(9),(10)反應(yīng)的進(jìn)行，在相界面處H+的濃度逐漸下降，pH值升高；Fe2+濃度逐漸增大，當(dāng)c(Fe2+)?c(HPO42—)^Ksp(FeHPO4)和[c(Zn2+)]2?[c(PO43—)]2三Ksp[Zn3(PO4)2]時(shí)，鋼鐵表面上將發(fā)生(12)、(13)反應(yīng)。有人認(rèn)為[2]，早期生成的磷化膜的鐵含量高，磷酸鐵鹽小晶粒是磷酸鋅鹽沉淀的基礎(chǔ)；磷化膜的主要成分是FeHPO4和Zn3(PO4)2o3．磷化繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，磷化液中還會(huì)發(fā)生下列反應(yīng)：TOC\o"1-5"\h\z[Fe(H2O)6]2++NO=[Fe(NO)(H2O)5]2++H2O(14)3Fe2++NO3—+4H'=3Fe3++NO(g)+2H2O(15)Fe3++PO43—=FePO4(白色)(16)因此可以看到磷化液由無(wú)色透明漸漸變成淺棕色，繼而溶液混濁并產(chǎn)生白色沉淀。4．影響磷化質(zhì)量的諸因素[3]鋼鐵種類及其表面狀態(tài)、磷化溫度和時(shí)間、以及磷化液中雜質(zhì)離子的含量都對(duì)磷化質(zhì)量有影響，這些因素之間是相互制約的，分析問(wèn)題時(shí)應(yīng)全面考慮。磷化液配方和工藝條件的確定，可通過(guò)正交試驗(yàn)方法進(jìn)行優(yōu)選。參考文獻(xiàn)1．韓熙麟、姜英濤編，《輕工產(chǎn)品涂裝技術(shù)》，上海科學(xué)技術(shù)出版社，1983年《鋼鐵的磷化機(jī)理》加拿大魁北克省Laval大學(xué)金相系Edward.L.Ghal.R.I.A，Poetin(1980)《表面處理》編寫(xiě)組編，(表面處理)(下冊(cè))，國(guó)防工業(yè)出版社，1973年防銹顏料磷酸鋅的制備提要本文介紹了制備防銹顏料磷酸鋅的一種方法。磷酸鋅是一種新型防銹顏料，利用它可配制各種防銹涂料，以此代替氧化鉛作為底漆可簡(jiǎn)化防銹工藝，避免鉛中毒。實(shí)驗(yàn)部分在不斷攪拌下將稱得的2.44gZn0⑸粉末加入盛有80°C熱水的50mL小燒杯中，連續(xù)蟬拌20分鐘制成20%的糊狀混合物，冷卻之，稱取1.9gH3PO4(85%)配成H3PO4溶液(15%)，逐滴加到糊狀物中，邊加邊攪拌10分鐘后，放置之，令其自然結(jié)晶，然后再攪拌5分鐘。如果反應(yīng)已基本完成，則溶液的pH值當(dāng)在5—6左右，將晶體用水洗滌，直至洗滌水接近中性，然后抽濾。分離出產(chǎn)品在110°C左右烘干并研細(xì)、稱重、計(jì)算百分產(chǎn)率。產(chǎn)品應(yīng)為比較疏松的白