Исследование свойств растворов, содержащих полифосфаты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Тема: Исследование свойств растворов содержащих полифосфаты

Содержание

Введение

1. Триполифосфат натрия. Общие сведения

2. Физико-химические свойства триполифосфата натрия

2.1 Гидролитическое расщепление в растворах

2.2 Комплексообразование

2.3 Растворимость

2.4 Вязкость, плотность и показатель преломления водных растворов

3. Экспериментальная часть

Заключение

Список использованных источников

Введение

Еще сравнительно недавно понятие «применение фосфатов» ассоциировалось главным образом с понятиями «ортофосфаты» и «фосфорные удобрения». По мере роста производства триполифосфатов и увеличения спроса на эти соединения, область их использования значительно расширилась. Они охватывают разнообразные отрасли промышленности и сельского хозяйства.

При дегидратации ортофосфатов натрия образуются различные конденсированные фосфаты. В зависимости от строения их относят к метафосфатам или полифосфатам.

Метафосфаты имеют общую формулу Мn(PO3)n. Их структура характеризуется образованием кольцеобразных анионов. Метафосфаты являются солями очень сильных кислот (водные растворы имеют нейтральную реакцию).

Полифосфаты имеют общую формулу Мn+2PnO3n+1 или МnH2PnO3n+1, где n может быть равно от 1 до ~106. Они характеризуются тем, что их анионы состоят из неразветвленных цепей, представляющих собой (РО4) - тетраэдры, связанные друг с другом атомами кислорода. Отношение заряда катионов к количеству атомов фосфора приближается к 1:1 с возрастанием длины цепи.

Среди полифосфатов наиболее известен триполифосфат натрия. (Na5P3O10). В настоящее время триполифосфат натрия является основным комплексообразователем, используемым в составе синтетических моющих средств (СМС) для повышения моющей способности поверхностно-активных веществ. В связи с этим, для решения практических вопросов касающихся использования жидких СМС необходимо изучить свойства растворов, содержащих полифосфаты. К таким свойствам относятся: растворимость, вязкость, пересыщение и др.

1. Триполифосфат натрия. Общие сведения

Химически чистый триполифосфат натрия имеет формулу Na5P3O10. Молекулярная масса соли равна 368 г/моль, а её истинная плотность 2500 кг/м3. Температура плавления равна 622 ?С, причём плавление сопровождается разложением триполифосфата натрия до метафосфата натрия (Na(PO3)x) и пирофосфата натрия (Nа4Р2О7).

Известны две безводные кристаллические формы: высокотемпературеая (фаза 1) и низкотемпературная (фаза 2). Переходу от фазы 2 до фазы 1 соответствует температурный интервал от 410 до 425 ?С. 1-ая фаза триполифосфата натрия называется также «комкующейся», так как растворение её в воде приводит к образованию плотных комков. Когда продукт находится в тонкоизмельчённом состоянии, переход фазы 1 в фазу 2 протекает очень медленно, поэтому вся фаза 1 в случае образования при дегидратации смеси ортофосфатов остаётся в охлаждённом продукте в почти неизменном виде.

На воздухе порошок триполифосфата натрия медленно гидратируется с образованием гексагидрата (Na5P3O10•6Н2О).

Основная часть триполифосфата натрия расходуется на производство CMC, однако он также находит широкое применение в других отраслях:

- для умягчения воды для питания котлов с целью предотвращения выпадения осадков и накипи;

- в текстильной и кожевенной промышленности для отбелки и мойки;

- для флотации руд;

- для диспергирования красок;

- в производстве синтетического каучука;

- в электролизных процессах;

- для стабилизации пергидроля;

- при бурении нефтяных скважин;

- в производстве бумаги для отбелки;

- в стекольной и керамической промышленности и др.

Физико-химические показатели технического триполифосфата натрия должны отвечать требованиям ТУ 2148-095-23380904-2004 указанным в таблице 1. Заявленный товарный знак - «Полиформаттм», реализуется под следующими торговыми марками:

Полиформаттм 1211 - быстрогидратируемый порошок по спецификации компании «Проктер энд Гэмбл» (P&G);

Полиформаттм 1212 «А» - медленногидратируемый порошок по спецификации компании «Проктер энд Гэмбл» (P&G);

Полиформаттм 1212 - порошкообразный безводный категории 1;

Полиформаттм 1213 - порошкообразный безводный категории 2;

Полиформаттм 1226 - гексагидрат триполифосфата натрия кристаллический;

Таблица 1 - Показатели качества технического триполифосфата натрия

Продукт пищевой квалификации соответствует ГОСТ 13493-77. Применение триполифосфатов и средств, содержащих эти соединения, способствует сохранению питательных свойств продуктов, облегчает их обработку и придаёт им более привлекательный товарный вид. Эти соединения добавляют также в пищу для животных.

2. Физико-химические свойства триполифосфата натрия

2.1 Гидролитическое расщепление в растворах

В водном растворе триполифосфат подвергается гидролизу, конечной стадией которого является образование ортофосфата. Однако скорость гидролиза в зависимости от условий меняется в широких пределах. В обычных условиях (комнатная температура, нейтральные растворы) эти соединения являются устойчивыми. Важнейшие факторы, влияющие на скорость гидролиза:

- температура (ускоряет в 105 - 106 раз при переходе от температуры замерзания к температуре кипения);

- рН (замедляет в 103 - 104 раз при переходе от сильно кислой среды к щелочной);

- ферменты (ускоряют в 105 - 106 раз);

- коллоидные гели (ускоряют в 104 - 105 раз);

- комплексообразующие катионы (в большинстве случаев ускоряют во много раз);

- концентрация (скорость примерно пропорциональна концентрации);

- ионная среда в растворе (изменяет скорость в несколько раз).

На основании лабораторных исследований установлено, что на скорость гидролиза триполифосфата в различных природных водах, помимо температуры, оказывает влияние кальциевая и магниевая жесткость воды.

Гидролиз аденозинтрифосфата и других органических производных триполифосфорной кислоты играет важную роль в биохимических процессах.

2.2 Комплексообразование

В присутствии триполифосфатных анионов поливалентные катионы не осаждаются из водных растворов обычно применяющимися для этой цели реактивами. Но при добавлении триполифосфата, осадок частично или полностью переводится в раствор. Комплексообразование является одним из свойств, с которым связано начало практического применения полифосфатов для умягчения воды.

В аналитической химии триполифосфат с успехом заменяет трилон Б в качестве комплексообразующего агента, он переводит в раствор такие малорастворимые соли, как карбонаты кальция, магния и марганца, окислы железа, пирофосфаты цинка и др.

Предотвращение осаждения солей жесткости характеризуется в технике «кальциевыми» или «магниевыми» числами, которые выражают весовые количества ионов этих металлов, удерживаемые в растворе определенным количеством полифосфата.

В методах, связанных с образованием и растворением осадков, важна правильная оценка достижения равновесного состояния между раствором и осадком. Пренебрежение фактором времени может привести к значительному расхождению результатов.

Секвестрирующая способность триполифосфата зависит от температуры, рН, природы и концентрации связываемых катионов, присутствия посторонних примесей и других факторов. Также на комплексообразующую способность триполифосфата влияет ионная среда раствора. При увеличении концентрации ионов натрия она уменьшается, что обусловлено эффектом высаливания. С ростом ионной силы раствора прочность образующихся комплексов уменьшается.

При таком многообразии влияющих факторов возникают споры относительно преимущества того или иного представителя семейства полифосфатов, применяемого в качестве комплексообразователя.

Примечательным свойством триполифосфатов является их способность стабилизировать водные растворы и предотвращать осаждение малорастворимых солей при очень низких концентрациях, заведомо недостаточных для связывания осаждающихся катионов в растворимые комплексы.

2.3 Растворимость

В водных растворах стабильной формой является гексагидрат (Na5P3O10•6Н2О). Растворимость гексагидрата триполифосфата натрия, содержащего 98-99% основного вещества, увеличивается сравнительно быстро с изменением температуры до значения 0°. При -1,41° (эвтектика) в равновесии с насыщенным раствором находятся кристаллы гексагидрата и лед. По мере дальнейшего роста температуры растворимость уменьшается и проходит через минимум при 20°. Выше 50° равновесие не устанавливается из-за усиленного гидролиза, который приводит к завышенным значениям растворимости.

В области температур 0-100° в равновесии с насыщенным раствором находится одна твердая фаза - кристаллический гексагидрат. Безводные формы 1 и 2 триполифосфата натрия растворяются необратимо и в заметно больших количествах по сравнению с гексагидратом.

Растворение метастабильного в воде безводного триполифосфата натрия сопровождается образованием более концентрированных растворов с концентрацией около 33 % для низкотемпературной формы 2 и около 15 % для высокотемпературной формы 1; образующиеся при этом растворы нестабильны, и содержание Na5P3O10 в них при хранении постепенно снижается до равновесной величины. Растворы триполифосфата натрия обладают щелочной реакцией; в водных растворах происходит медленная реакция разложения триполифосфата натрия, ускоряющаяся при нагревании и в присутствии щелочей и особенно кислот.

Безводные формы триполифосфата натрия растворяются в воде с выделением тепла, а гексагидрат - с поглощением. Теплоты растворения форм 1, 2 и гексагидрата равны соответственно -16,1, -14,1 и +2,6 ккал/моль. Различие в скорости растворения используется для определения форм 1 и 2 в безводном триполифосфате (испытанием на повышение температуры).

2.4 Вязкость, плотность и показатель преломления водных растворов

Динамическая вязкость з водных растворов триполифосфата натрия при 20° и 25° представлена на Рисунке 1. Кривые направлены выпуклостью к оси абсцисс. Изучение вязкости водных растворов высокомолекулярных конденсированных фосфатов позволило получить важные сведения об их структуре.

Плотность водных растворов триполифосфата натрия является линейной функцией концентрации (Рис. 2.). Эту зависимость можно выразить формулой:

d25 = BC + d?25,

свойство раствор полифосфат триполифосфат натрий

где d?25 - плотность воды при 25°;

С - концентрация в г/100 мл раствора;

В - постоянная величина.

Для триполифосфата натрия В = 8,77 * 10-3, в случае остальных фосфатов она имеет другие значения.

Как и плотность, показатель преломления n водных растворов триполифосфата натрия и полифосфорных кислот является линейной функцией концентрации. Она выражается формулой:

nD25 = AC + n0D25,

где n0D25 - показатель преломления воды;

А - постоянная (1,450 * 10-3 для триполифосфата натрия);

С - концентрация в г/100 мл раствора.

3. Экспериментальная часть

В данном исследовании используется:

- Натрия триполифосфат технический модифицированный ТУ 2148-095-23380904-2004

Марка: Полиформат 1212 «А»

Производитель: ЗАО «Метахим» г. Волхов.

Лабораторная установка представляет собой термостат в виде стеклянной емкости, в которую погружены:

- нагреватель;

- мешалка;

- термометр;

- контактный термометр (для установления постоянной температуры);

- стеклянный реактор с мешалкой.

Для проведения исследования были взяты %-растворы триполифосфата натрия: 5%, 10%, 12% и 14%. В настоящее время ведется определение содержания Р2О5 по методике.

Заключение

Триполифосфат натрия (Na5P3O10) - широко применяется в синтетических моющих средствах (CMC); помимо комплексообразующей способности он обладает способностью пептизировать пигментные загрязнения. Кроме того, фосфаты предотвращают повторное осаждение загрязнений на ткань, удерживая их в моющем растворе в диспергированном состоянии.

Известны многочисленные способы получения безводного триполифосфата натрия. Однако, образующаяся в качестве целевого продукта безводная соль метастабильна и при внесении в воду комкуется, слипается и схватывается, что ухудшает потребительские качества моющих средств.

Гексагидрат триполифосфата натрия является стабильной солью [7] и дополнительно не оводняется как во влажной атмосфере, так и в воде, а, следовательно, не слёживается при хранении, не комкуется и не схватывается при введении в реакторы или стиральные машины, заполненные водой. Это предопределяет целесообразность и эффективность его использования в процессах приготовления СМС и, особенно, при получении последних методом сухого смешения. Гексагидрат имеет меньшую насыпную массу по сравнению с триполифосфатом натрия, применяемым для его получения, что также интересно с точки зрения создания легковесомых композиций.

Для решения практических вопросов касающихся использования жидких СМС необходимо иметь данные о растворимости, пересыщении и других свойствах компонентов, составляющих моющее средство.

Список использованных источников

1. Жданов Ю.Ф. Химия и технология полифосфатов. М.: Химия,1979. - 240 с.

2. Натрия триполифосфат технический модифицированный. Технические условия. ТУ 2148-095-23380904-2004.

3. Позин М.Е. и др. Технология минеральных солей (удобрений, пестицидов, промышленных солей, окислов и кислот), ч.11, изд. 4-е, испр. Л., «Химия»,1974. - 1556 с.

4. Продан Е.А., Продан Л.И., Ермоленко Н.Ф., Триполифосфаты и их применение. Минск: «Наука и техника», 1969. - 533 с.

5. Шапкин М.А., Попов В.Л. Сырьевая база промышленности СМС и ТБХ. Информационно-аналитический журнал «Бытовая химия», №2, 2000.

6. Эсмонтович А.В. Выпускная квалификационная работа на получение

степени инженера. Проект реконструкции производства триполифосфата натрия с получением продукта пищевых кондиций., 2006. - 110 с.

7. Фанаков А.В. Магистерская диссертация. Изучение пересыщения триполифосфата натрия в водно-солевых системах, содержащих ионы натрия.,2010. - 73 с.

Размещено на Allbest.ru