Медь растворяется в серной кислоте

Медь растворяется в серной кислоте

В сухом воздухе медь практически не окисляется, с водой не взаимодействует и является довольно инертным металлом.

    Взаимодействие с неметаллами

С кислородом в зависимости от температуры взаимодействия медь образует два оксида:

при 400–500°С образуется оксид двухвалентной меди:

при температуре выше 1000°С получается оксид меди (I):

Аналогично реагирует с серой:

при 400°С образуется сульфид меди (II):

при температуры выше 400°С получается сульфид меди (I):

При нагревании с фтором, хлором, бромом образуются галогениды меди (II):

с йодом – образуется йодид меди (I):

Медь не реагирует с водородом, азотом, углеродом и кремнием.

Взаимодействие с кислотами

В электрохимическом ряду напряжений металлов медь расположена после водорода, поэтому она не взаимодействует с растворами разбавленной соляной и серной кислот и щелочей.

Растворяется в разбавленной азотной кислоте с образованием нитрата меди (II) и оксида азота (II):

Реагирует с концентрированными растворами серной и азотной кислот с образованием солей меди (II) и продуктов восстановления кислот:

С концентрированной соляной кислотой медь реагирует с образованием трихлорокупрата (II) водорода:

Взаимодействие с аммиаком

Медь растворяется в водном растворе аммиака в присутствии кислорода воздуха с образованием гидроксида тетраамминмеди (II):

Медь окисляется оксидом азота (IV) и хлоридом железа (III):

Медь представляет собой тяжелый металл красного цвета, обладающий очень высокой тягучестью и ковкостью. Атомная масса меди 63,54; плотность 8,9 г/см2, температура плавления 1083°С. С различными элементами медь легко образует сплавы. В ряду напряжений металлов медь стоит правее водорода, нормальный электродный потенциал близок к потенциалу благородных металлов , поэтому химическая активность меди невелика. В нейтральной воде на поверхности меди образуется защитная пленка, которая приостанавливает дальнейшее окисление. При отсутствии кислорода и других окислителей медь не растворяется при комнатной температуре в серной кислоте при концентрации до 80%, в горячей серной кислоте медь растворяется при концентрации выше 80%. В азотной кислоте медь растворяется. В растворах соляной кислоты без доступа воздуха медь медленно окисляется, в присутствии воздуха медь реагирует с соляной кислотой очень быстро. Наличие в воздухе паров очень летучей СОЛЯНОЙ КИСЛОТЫ вызывает активную коррозию меди. Медь реагирует с растворами аммиака, хлористого аммония. Медь очень устойчива по отношению к щелочам. В растворах, щелочей на ее поверхности образуются пленки гидратированных оксидов меди, плохо растворимых в щелочах и защищающих металл от дальнейшего действия щелочи. Высока стойкость меди в различных органических растворителях. Химические свойства медных сплавов практически такие же, как у меди. Химическая активность основных составляющих продуктов коррозии на меди и медных сплавах следующая: закись меди куприт, красно-коричневого цвета, не растворяется ни в холодной, ни в горячей воде; при продолжительном кипячении медленно переходит в черную окись меди. В щелочах плохо растворяется, реагирует с кислотами. В холодной разбавленной серной кислоте разлагается с образованием металлической меди в виде мелкодисперсных частиц красно-коричневого цвета, в горячих растворах серной кислоты медленно переходит в раствор в виде средних и кислых сернокислых солей. В муравьиной кислоте растворяется плохо. Растворяется в растворах аммиака, углекислого аммония и трилона Б с образованием прочных комплексных соединений. Окись меди нерастворима ни в холодной, ни в горячей воде. Не реагирует с щелочами. Реагирует с кислотами. В растворах аммиака, углекислого аммония и в щелочном растворе сегнетовой соли практически не растворяется. Основная углекислая медь, малахит зеленого цвета, при 200°С разлагается на воду и черную окись меди. В холодной воде нерастворима, в горячей воде при кипячении разлагается с образованием окиси. В щелочах частично растворяется, частично переходит в синий гидрат окиси, быстро разлагающийся на воду и окись меди. В кислотах растворяется с бурным выделением углекислого газа. Легко растворяется в растворах углекислого аммония, аммиака и щелочном растворе сегнетовой соли.

Основная углекислая медь, азурит, синего цвета. Реакции те же, что и у малахита.

Основная сернокислая медь, синего цвета. Не растворяется ни в холодной, ни в горячей воде. Легко растворяется в кислотах, в растворах углекислого аммония и аммиака. В щелочи переходит в нерастворимый синий гидрат окиси, который разлагается с образованием окиси меди. Растворяется в щелочном растворе сегнетовой СОЛИ.

Хлористая медь бесцветная. Гигроскопична, в химическом отношении неустойчива. В холодной воде практически не растворяется. При нагревании медленно гидролизуется, образуя гидрат закиси, который затем разлагается на закись меди и воду. Растворяется в растворах углекислого аммония и аммиака. Хорошо растворяется В СОЛЯНОЙ кислоте и медленно — в муравьиной. В серной кислоте растворяется частично. В горячих растворах щелочей частично растворяется, остаток переходит в окись меди.

Основная хлорная медь, зеленого цвета» негигроскопична, нерастворима в холодной воде. При кипячении медленно разлагается с образованием черной закиси меди. Легко растворяется в кислотах, в растворах аммиака, углекислого аммония, в щелочном растворе сегнетовой соли. В щелочах частично растворяется, частично переходит в синий гидрат окиси, а затем в черную окись меди.

Цель и постановка задач

Обзор существующих исследований и разработок по теме

Перечень нерешенных проблем и вопросов

Моя магистерская работа связана с проблемой изучения кинетики растворения меди в смеси серной и азотной кислоты, а также возможностью проведения процесса в условиях максимальной скорости растворения меди и снижения вредных выбросов в атмосферу.

Идея работы состоит в разработке нового способа производства медного купороса и его солей.

Важной промышленной задачей является выбор и разработка экономически целесообразных технологий получения медного купороса. Экономическая целесообразность определяется, прежде всего, условиями размещения предприятия, близостью к возможным источникам сырья, а также минимизацией эксплуатационных и капитальных затрат. Поэтому главной задачей моей работы является выбор оптимальных критериев для разработки более эффективного производства.

2. Актуальность темы

Из соединений меди в наибольших количествах применяется медный купорос. Его используют в гальванических элементах в качестве электролита, в гальванотехнике, для консервирования дерева, для изготовления некоторых минеральных красок, в производстве искусственного волокна и при обогащении руд. Поэтому его производство является очень важной задачей для промышленности.

Основным сырьем для получения медного купороса служат серная кислота и медь: медный лом или отходы металлообрабатывающей промышленности – стружка, опилки, а также отходы или полупродукты металлургии меди – белый матт и окись меди, ватержакетная пыль, шлаковые отходы, отработанные электролитные растворы медеэлектролитных заводов и др. [1]. Таким образом, в предлагаемой схеме технологического производства мы осуществляем переработку отходов, содержащих медь.

Традиционный способ производства медного купороса из меди с окислением ее кислородом воздуха, на наш взгляд, не является оптимальным, поскольку имеет низкую эффективность. Это объясняется тем, что общая скорость процесса невелика. Нами предлагается технологический процесс получения медного купороса из меди, где в качестве окислителя используется азотная кислота. При этом скорость растворения меди в смеси серной и азотной кислоты увеличивается в десятки раз.

При взаимодействии меди с азотной кислотой в зависимости от условий процесса могут образовываться оксиды азота. Однако возможно создание таких условий, при которых образуется только газообразный азот.

Исходя из вышесказанного, тема работы, направленная на изучение кинетики растворения меди в смеси кислот, является актуальной и перспективной.

3. Цель и постановка задач

Цель работы: обоснование выбора окислителя в системе Cu 0 — Cu 2+ — H2SO4 – окислитель, необходимого для производства медного купороса.

изучение литературы по вопросам кинетики растворения меди в смеси серной и азотной кислоты и получение информации о возможном направлении протекания процесса;

выбор окислителя, соответствующего определенным требованиям;

выбор оптимального состава маточного раствора, определяющего минимальный объем загрузки меди и минимальное количество выделяющихся газообразных продуктов;

исследование кинетики растворения меди в системе Cu 0 — Cu 2+ — H2SO4 – окислитель различными методами;

получение аналитической зависимости скорости растворения меди от условий процесса в виде кинетического уравнения;

проектирование нового технологического процесса получения медного купороса.

4. Научная новизна

Научная новизна данного проекта заключается в том, что в опубликованной литературе система Cu 0 — Cu 2+ — H2SO4 – окислитель не рассматривается. Приводятся данные по кинетике растворения меди отдельно в серной кислоте и отдельно в азотной, а данных по коррозии меди в выше указанной среде не имеется. Нами же предполагается изучить данную систему и выявить механизм протекания реакции образования медного купороса.

5. Обзор существующих исследований и разработок по теме

Способы производства медного купороса различают главным образом по видам применяемого сырья:

из медного лома и отходов меди с окислением меди кислородом воздуха, электролизом или раствором хлорной меди;

из окиси меди, получаемой из белого мата;

из окиси меди и сернистого газа;

из окисленных медных руд, содержащих незначительное количество меди;

из колчеданных огарков и других отходов;

из отбросных электролитных растворов медеэлектролитных заводов.

Традиционным является способ производства медного купороса из меди и медного лома с окислением меди кислородом воздуха. Этот процесс имеет следующие стадии:

плавление медного лома;

получение гранулированной меди;

«натравка» и получение медного купороса;

кристаллизация и сушка медного купороса.

Следует отметить положительные характеристики данного метода. В отсутствии окислителей в разбавленной серной кислоте медь практически не растворяется. Она хорошо растворяется в горячей концентрированной серной кислоте, но осуществлять этот процесс нерационально, т.к. при этом половина затрачиваемой кислоты восстанавливается до SO2, который необходимо улавливать. С целью экономии серной кислоты окисление меди производят кислородом воздуха одновременно с процессом «натравки».

Рассмотрим все стадии процесса детально.

Медный лом предварительно переплавляют для удаления примесей летучих металлов и окислов, а также для удаления образующихся окислов металлов нерастворимых в меди, которые переходят в шлак. После окисления, ошлакования примесей металлов и удаления шлака производят процесс гранулирования с получением пузыристой и пористой меди, который основан на быстром выделении газов при внезапном охлаждении и затвердевании расплавленной меди. После получения гранул меди, обладающих большой поверхностью, что ускоряет растворение в кислоте, осуществляют процесс «натравки».

При взаимодействии гранул меди с разбавленным раствором серной кислоты, содержащим также сульфат меди, в присутствии воздуха, кислород воздуха растворяется в кислоте, диффундирует к поверхности меди и окисляет ее до закиси меди:

Закись меди растворяется в серной кислоте:

Образующийся сульфат закиси меди легко окисляется в сульфат окиси меди:

Процесс значительно ускоряется, когда в растворе уже присутствует медный купорос. В результате деполяризации CuSO4 восстанавливается медью до Cu2SO4, а затем Cu2SO4 вновь окисляется растворенным кислородом до CuSO4. Таким образом, медный купорос играет роль переносчика кислорода. Растворение меди также ускоряется в присутствии в растворе ионов железа вследствие деполяризации:

4Fe 2+ + O2 + 4H + = 4Fe 3+ + 2H2O,

2Cu + 4Fe 3+ = 2Cu 2+ + 4Fe 2+ .

Ионы Fe 2+ вновь окисляются в Fe 3+ и служат, таким образом, катализатором процесса. При этом происходит постепенное накопление сульфата железа в маточном растворе.

При рассмотрении процесса «натравки» следует отметить такие недостатки, как большие эксплуатационные затраты, т.к. на 1 тонну готовой продукции необходимо подать большое количество орошающей жидкости, а отработанный раствор, выводимый из цикла необходимо перерабатывать. Также общая скорость процесса очень мала и лимитируется наиболее медленной его стадией – окислением меди до закиси меди. Это объясняется малой растворимостью кислорода и медленной его диффузией к поверхности гранул меди [2]. Причем скорость растворения меди в системе CuSO4 — H2SO4 — H2O также невелика, что наглядно показывают данные таблицы 1 [3].

Таблица 1 – Скорость растворения меди в растворе серной кислоты

Состав исходного раствора, г/л Количество
растворенной
меди, г
Скорость
растворения,
г/м 2 •ч
H2SO4 CuSO4• 5H2O FeSO4
111.30 100.0 20.8 1.9265 129.80
111.30 500.0 20.8 1.7251 116.20

Дальнейшей стадией процесса является кристаллизация. Вытекающий из натравочной башни горячий щелок подается насосом во вращающийся кристаллизатор непрерывного действия с воздушным охлаждением раствора. Основное внимание на данной стадии следует уделить совместной растворимости системы FeSO4 – CuSO4 – H2SO4, равновесные соотношения которой можно посмотреть по литературным данным [4]. Как уже отмечалось ионы железа попадают в циркулирующий раствор при растворении меди с серной кислотой, образуя FeSO4. Содержание сульфатов железа в растворе непрерывно возрастает и достигает иногда критических значений. Вследствие этого при кристаллизации медного купороса выделяется также и сульфат железа, загрязняющий продукт. Поэтому, когда концентрация железа в растворе становится столь большой, что создается опасность получения нестандартного по содержанию железа медного купороса, раствор полностью выводится из обращения [2]. В дальнейшем необходима переработка отработанного маточного раствора. Это является еще одним недостатком данного метода.

Завершающими стадиями процесса являются центрифугирование и сушка медного купороса. Смесь кристаллов с маточным раствором поступает в центрифугу, где кристаллы, отжатые от маточного раствора, промываются водой. Отфугованный продукт высушивают в барабанной сушилке воздухом при 90 – 100 0 [2].

На наш взгляд такой процесс не является оптимальным, поскольку имеет низкую эффективность и ряд недостатков, описанных выше.

Таким образом, на основе выше изложенного следует, что необходимо искать другой более эффективный окислитель. Нами предлагается технологический процесс получения медного купороса из меди и медного лома, где в качестве окислителя используется азотная кислота. При этом протекает следующая реакция [3]:

Однако, при взаимодействии меди с азотной кислотой в зависимости от условий процесса (температуры, концентрации азотной кислоты, концентрации соли CuNO3, времени контакта газообразных продуктов реакции и т.д.), растворение протекает по различным окислительно-восстановительным механизмам. При этом азотная кислота может давать следующие продукты:

NO 3- + 4H + + 3e = NO + 2H2O;

2NO 3- + 10H + + 8e = N2O + 5H2O;

2NO 3- + 12H + + 10e = N2 + 6H2O;

NO 3- + 10H + + 8e = NH4 + + 3H2O.

Кроме того, в окислительно-восстановительные реакции вступают продукты восстановления азотной кислоты:

Также, не исключено, что в смеси возможно образование нитрозилсерной кислоты [(NO)HSO4], являющейся сильным окислителем [5].

Нами были проведены лабораторные исследования по растворению меди в смеси азотной и серной кислоты. Методика лабораторных экспериментов заключалась в следующем. В трех колбах готовили растворы, состав которых приведен в таблице 2.

Таблица 2 – Состав исходных растворов

Номер раствора CuSO4• 5H2O, г H2O, мл H2SO4 96%-ная, мл
Раствор-1 26.75 200.0 68.0
Раствор-2 51.75 180.0 47.0
Раствор-3 76.75 162.0 27.0

Образец металла, в виде пластины с площадью 19.18 см 2 , протравливали азотной кислотой, промывали дистиллированной водой, высушивали фильтровальной бумагой и взвешивали на аналитических весах. Брали один из растворов и выливали его в химический стакан. После чего в него добавляли определенное количество азотной кислоты. Стакан с раствором термостатировали при заданной температуре. В раствор помещали образец меди на подвеске на время от 5 до 1 минуты. При этом осуществляли интенсивное перемешивание раствора, исключающее влияние диффузии продуктов реакции на кинетику растворения. По окончании растворения образцы извлекали из раствора, промывали дистиллированной водой, сушили фильтровальной бумагой и взвешивали на аналитических весах [3].

Ниже приведена анимация (рис.1), на которой показана часть лабораторного эксперимента по растворению меди в смеси кислот.

На рисунке показано, что на электропечке установлен химический стакан с исходным раствором. В стакан опущен градусник, для измерения температуры. На проволоке, прикрепленной к штативу, подвешена пластинка меди, которую при заданной температуре опускают в раствор на определенное время. По истечении времени пластинку из раствора извлекают.

Рисунок 1 – Процесс растворения меди в растворе, содержащим растворенные в воде кристаллы медного купороса, серную и азотную кислоту.

Тот же эксперимент проводили с остальными растворами. Нами были сделаны три серии лабораторных опытов. В первой серии к каждому из трех растворов добавляли по 4 мл азотной кислоты. Во второй серии – вели процесс с 8 мл азотной кислоты. В третьей серии – с 12 мл.

После того, как были проведены некоторые расчеты по процессу растворения меди в данных условия, полученные результаты показали, что процесс протекает с достаточной скоростью и удовлетворяет ожидаемым показателям. Данные по растворению меди в первом, втором и третьем растворах, с содержанием в них 4 мл 51%-ной азотной кислоты, приведены в таблицах 3, 4, 5 [3].

Таблица 3 – Экспериментальные данные по растворению меди в растворе-1

№ опыта 1 2 3 4
Количество растворенной меди, г 0.0029 0.0074 0.0437 0.2646
Время, мин 5 5 5 5
Температура, о С 54 64 72.5 81
Скорость растворения, г/м 2 •ч 18.14 46.30 273.41 1655.47

Таблица 4 – Экспериментальные данные по растворению меди в растворе-2

№ опыта 1 2 3 4
Количество растворенной меди, г 0.0021 0.0071 0.0107 0.0201
Время, мин 5 5 5 5
Температура, о С 50 64 72.5 80
Скорость растворения, г/м 2 •ч 13.14 44.42 66.94 125.76

Таблица 5 – Экспериментальные данные по растворению меди в растворе-3

№ опыта 1 2 3 4 5
Количество растворенной меди, г 0.0004 0.0037 0.0077 0.0127 0.0185
Время, мин 1 5 5 5 5
Температура, о С 50 54 64 70 78.5
Скорость растворения, г/м 2 •ч 12.51 23.15 48.18 79.46 115.75

6. Перечень нерешенных проблем и вопросов

На данный момент экспериментальный материал обрабатывается с целью определения константы скорости растворения меди и получения кинетического уравнения, описывающего этот процесс, а также для нахождения энергии активации.

Еще необходимо изучить литературу по данному вопросу и провести потенциометрические исследования для определения возможного направления процесса.

Изучив данный процесс и подобрав все условия, предложить технологическую схему по производству медного купороса.

7. Практическая ценность

Как уже неоднократно было отмечено, изучение данного вопроса предполагает предложить технологическую схему производства медного купороса при переработке меди и медного лома. Данное производство будет компактным, т.к. потребуется меньший объем загрузки, обусловленный увеличением скорости процесса растворения меди, что также приведет и к снижению эксплуатационных затрат; а также позволит многократно использовать маточный раствор в цикле производства без его утилизации.

Таким образом, подводя итоги по проведенной работе, следует отметить следующее. Несмотря на то, что экспериментальные данные еще не до конца изучены и обработаны, но уже на данном этапе, по полученным расчетным данным, можно говорить о том, что предложенный окислитель, т.е. азотная кислота, является более выгодным и перспективным для производства медного купороса.

Научно технологическим центром «Реактивэлектрон» НАН Украины были проведены некоторые исследования в этой области и были осуществлены испытания на опытно-промышленной установке на основе нового способа производства медного купороса. Однако процесс растворения меди в системе Cu – Cu 2+ — H2SO4 – окислитель еще не до конца изучен, и необходимо проводить детальные исследования для изучения кинетики и химизма процесса.

Позин М. Е. Технология минеральных солей. – Л.: Госхимиздат, 1970, ч. I. – 791с.

Сборник докладов IV Международной научной конференции аспирантов и студентов "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов". – Донецк: ДонНТУ, 2005.

Сборник докладов V Международной научной конференции аспирантов и студентов "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов". – Донецк: ДонНТУ, 2006. – 274с.

Джон Г. Перри. Справочник инженера-химика. – Л.: Химия, 1969. – 639с.

Атрощенко В. И., Каргин С. И. Технология азотной кислоты.– 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1970. – 496с.

Читайте также:  Модель катамарана из пенопласта
Оценить статью
Добавить комментарий