工程化学实验内容

实验一硫酸亚铁铵的制备内容提要用废铁屑制备硫酸亚铁铵。实验目的1．了解硫酸亚铁铵的制备方法。2．练习在水浴上加热、减压过滤等操作。3．了解检验产品中杂质含量的一种方法——目测比色法。实验原理铁屑与稀硫酸作用，制得硫酸亚铁溶液,硫酸亚铁溶液与硫酸铵溶液作用，生成溶解度较小的硫酸亚铁铵复盐晶体：FeSO4+(NH4)2SO4+6H2O=FeSO4・(NH4)2SO4・6^0硫酸亚铁铵又称摩尔盐，它在空气中不易被氧化，比硫酸亚铁稳定。它能溶于水，但难溶于乙醇。目测比色法是确定杂质含量的一种常用方法，在确定杂质含量后便能定出产品的级别。将产品配成成溶液，与各标准溶液进行比色，如果产品溶液的颜色比某一标准溶液的颜色浅，就确定杂质含量低于该标准溶液中的含量，即低于某一规定的限度，所以这种方法又称为限量分析。本实验仅做摩尔盐中Fe3+的限量分析。仪器、药品及材料1．仪器锥形瓶(160mL)烧杯(150mLI个，60mLI个)台秤漏斗漏斗架布氏漏斗吸滤瓶(400mLI个)量筒(10mLI个)抽气管(或真空泵)蒸发皿表面皿比色管比色管架水浴锅2．药品酸：HCI(2.0moLL-i)H2SO4(3.0mol.L-i)碱：NaOH(1.0mol.L-i)盐：Na2CO3(1.0mol.L-i)KSCN(1.0moI.L-i)固体：(NH4)2SO4铁屑其它：乙醇(95%)Fe3+的标准溶液三份(见注1)3．材料：pH试纸滤纸实验内容1．硫酸亚铁铵的制备铁屑油污的除去称取2g铁屑，放入锥形瓶(150mL)中，加入20mLNa2C03溶液(1.0moI.L-1)，小火加热约10分钟，以除去铁屑表面的油污。倾析除去碱液，并用水将铁屑洗净。硫酸亚铁的制备在洗净铁屑的锥形瓶中，加入15mLH2SO4溶液(3.0moI.L-1)，放在水浴上加热，使铁屑与稀硫酸发生反应(在通风橱中进行)。在反应过程中要适当地添加去离子水，以补充蒸发掉的水分。当反应进行到不再产生气泡时，表示反应基本完成。用普通漏斗趁热过滤，滤液盛于蒸发皿中。将锥形瓶和滤纸上的残渣洗净，收集在一起，用滤纸吸干后称其质量(如残渣量极少，可不收集)．算出已作用的铁屑的质量。硫酸铵饱和溶液的配制根据已作用的铁的质量和反应式中的物量关系，计算出所需NH4)2SO4(s)的质量和室温下配制硫酸铵饱和溶液所需要H2O的体积(见注2)。根据计算结果在烧杯中配制(NHJ2SO4的饱和溶液．硫酸亚铁铵的制备将(NH4)2SO4饱和溶液倒入盛FeS04溶液的蒸发皿中，混匀后，用pH试纸检验溶液的pH值是否为1~2，若酸度不够，用H2SO4(3.0mol.L-1)调节。在水浴上蒸发混合溶液，浓缩至表面出现晶体膜为止(注意蒸发过程中不宜搅动)。静置，让溶液自然冷却，冷至室温时，便析出硫酸亚铁铵晶体。抽滤至干，再用ml乙醇溶液淋洗晶体，以出去晶体表面上附着的水分。继续抽干，取出晶体，在表面皿上晾干。称其质量，并计算产率。2.Fe3+的限量分析用烧杯将去离子水煮沸5分钟，以除去溶解的氧，盖好，冷却后备用。称取1.00g的产品,置于比色管中，加10.0ml备用的去离子水，以溶解之，再加入2.00mlHCl溶液(2.0mol・L-1)和0.5mlKSCN溶液(1.0mol・L—1)，最后以备用的去离子水稀释到25.00ml，摇匀。与标准溶液进行目测比色，以确定产品等级。数据记录和处理已作用的铁质量/g(NH4)2so4饱和溶液FeSO4・(NH4)SO4・6H2O(NH4)量/g2SO4质h2o体积/ml理论产量/g实际产量/g产率％级别思考题为什么硫酸亚铁溶液和硫酸亚铁铵溶液都要保持较强的酸性？进行目测比色时，为什么用含氧较少的去离子水来配制硫酸亚铁铵溶液制备硫酸亚铁铵时，为什么采用水浴加热法?注1Fe3+标准镕液的配制(实验室配制)先配制0.01mgml-1的Fe3+标准溶液。用吸量管吸取Fe3+的标准溶液5.00ml、10.00mL、20.00mL分别放入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)。用备用的含氧较少的去离子水将溶液稀释到25.00mI，摇匀，得到符合三个级别含Fe3+量的标准溶液：25mL溶液中含Fe3+0.05mg、0.10mg和0.20mg分别为I级、II级和III级试剂中Fe3+的最咼允许含量。若1.00g摩尔盐试样溶液的颜色，与I级试剂的标准溶液的颜色相同或略浅，便可确定为I级产品，其中Fe3+含量的百分数=0.05/(1.00X1000)X100%=0.005%,II级和III级产品以此类推。注2几种盐的溶解度数据(g/100gH2O)温度/°c盐(相f、'、、、、对分子质量)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实验二磷酸盐在钢铁腐蚀中的应用内容提要钢铁表面的磷化处理钢铁的磷化处理是防锈的一种有效措施，本文简单介绍了钢铁的磷化工艺。钢铁制件在一定条件下，经磷酸盐水溶液处理后，表面上能形成一层磷酸盐保护膜，简称磷化膜。此膜疏松、多孔，具有覆着力强、耐蚀性和绝缘性好等特点，可以作为良好的涂漆底层和润滑层。所以磷化处理被广泛地应用于汽车、家用电器和钢丝拉拔等工业部门。按磷化液主成份的不同，有磷酸锰盐、磷酸铁盐和磷酸锌盐等类型的磷化液；按磷化方式不同，有浸渍、喷射和涂刷等磷化方式。为了获得性能良好的磷化膜和改进磷化工艺，目前国内外仍将磷化作用重要课题加以研究。磷酸锌盐磷化液的基本原料是工业磷酸、硝酸和氧化锌。可以按一定比例直接配成磷化液，也可以先制成磷酸二氢锌和硝酸锌浓溶液，再按一定比例加水配成磷化液。磷化处理的一般过程是：(钢件)一除油一水洗一酸洗一水洗一磷化一水洗一涂漆。除油可采用金属清洗剂在常温下进行，水洗时如表面不挂水珠，则表示除油彻底。酸洗液可用20%H2SO4，洗到铁锈除净为止，酸洗温度过高或时间过长，会产生过腐蚀现象，应当避免。各水洗过程都用自来水，最好采用淋洗。实验内容1．试片的预处理试片为85X25X0.80(mm)普通碳素钢片。经除油、酸洗和水洗后放在清水中备用(时间不宜过长，否则易生锈)，操作时用镊子夹取试片。2．磷化液的配制称量4.0gZnO(99.5%)放入100ml烧杯中，加10mL自来水润透，用玻璃棒搅成糊状。将烧杯放在石棉网上，加8.5mLHNO3(45%)和1.8mLH3PO4(85%),边加边搅拌，使固体基本溶解。将溶液倒入100mL量筒中，加水稀释至100mL，配成磷化液。3．试片的磷化把磷化液倒入烧杯中，搅拌均匀，用pH试纸测酸度(pH~2)。将烧杯放在恒温槽中加热至50±1°C,取一试片浸在磷化液中，并计时，5分钟时取出，用水冲掉表面上的磷化液，将试片放在支架上自然干燥(15分钟左右)。若磷化膜外观呈银灰色，连续、均匀、无锈迹，说明磷化效果较好(可重复磷化3〜5片)。4．磷化膜耐蚀性的检验选择已干燥的磷化好的试片，滴一滴硫酸铜试液于磷化膜上，记录该处出现红棕色的时间，若接近或超过一分钟为合格。硫酸铜点滴试液的组成［1］：40mLCuSO4溶液(1.0mol*L—1)加0.8mLNaCI溶液(0.1mol・L—1)和20mLHCl溶液(10%)。结果与讨论磷化过程包含着复杂的化学反应，涉及离解、水解、氧化还原、沉淀和配位反应等。1．磷化前磷化液中存在两类化学反应：离解：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严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。但磷酸根离子的水解比较显著，磷化根离子的水解比较显著，磷化液中PO43—的浓度极小，即：c(Zn2+)三c(H+)^c(H2PO4—)>c(HP042—)2c(PO43—)。2．磷化时，在钢铁表面上同时发生两类化学反应：氧化还原：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)反应(9),(10)是钢铁的腐蚀；反应(11)是NO3-的去氢气作用，以保证磷化的正常进行。沉淀反应：Fe2++HPO42—=FeHPO4(s)(12)3Zn2++PO43—=Zn3(PO4)2(s)(13)伴随(9),(10)反应的进行，在相界面处H+的浓度逐渐下降，pH值升高；Fe2+浓度逐渐增大，当c(Fe2+)・c(HPO42—)^Ksp(FeHPO4)和[c(Zn2+)]2・[c(PO43—)]2三Ksp[Zn3(PO4)2]时，钢铁表面上将发生(12)、(13)反应。有人认为[2]，早期生成的磷化膜的铁含量高，磷酸铁盐小晶粒是磷酸锌盐沉淀的基础；磷化膜的主要成分是FeHPO4和Zn3(PO4)2o3．磷化继续进行时，磷化液中还会发生下列反应：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无色透明渐渐变成浅棕色，继而溶液混浊并产生白色沉淀。4．影响磷化质量的诸因素[3]钢铁种类及其表面状态、磷化温度和时间、以及磷化液中杂质离子的含量都对磷化质量有影响，这些因素之间是相互制约的，分析问题时应全面考虑。磷化液配方和工艺条件的确定，可通过正交试验方法进行优选。参考文献1．韩熙麟、姜英涛编，《轻工产品涂装技术》，上海科学技术出版社，1983年《钢铁的磷化机理》加拿大魁北克省Laval大学金相系Edward.L.Ghal.R.I.A，Poetin(1980)《表面处理》编写组编，(表面处理)(下册)，国防工业出版社，1973年防锈颜料磷酸锌的制备提要本文介绍了制备防锈颜料磷酸锌的一种方法。磷酸锌是一种新型防锈颜料，利用它可配制各种防锈涂料，以此代替氧化铅作为底漆可简化防锈工艺，避免铅中毒。实验部分在不断搅拌下将称得的2.44gZn0⑸粉末加入盛有80°C热水的50mL小烧杯中，连续蝉拌20分钟制成20%的糊状混合物，冷却之，称取1.9gH3PO4(85%)配成H3PO4溶液(15%)，逐滴加到糊状物中，边加边搅拌10分钟后，放置之，令其自然结晶，然后再搅拌5分钟。如果反应已基本完成，则溶液的pH值当在5—6左右，将晶体用水洗涤，直至洗涤水接近中性，然后抽滤。分离出产品在110°C左右烘干并研细、称重、计算百分产率。产品应为比较疏松的白