Реакция нейтрализации
Всего получено оценок: 492.
Всего получено оценок: 492.
Взаимодействие кислоты и основания с образованием соли и воды называется реакцией нейтрализации. Обычно подобные реакции протекают с выделением тепла.
Общее описание
Суть нейтрализации состоит в том, что кислота и основание, обмениваясь активными частями, нейтрализуют друг друга. В результате образуется новое вещество (соль) и нейтральная среда (вода).
Простым и наглядным примером реакции нейтрализации является взаимодействие соляной кислоты и гидроксида натрия:
Если опустить лакмусовую бумажку в раствор соляной кислоты и гидроксида натрия, то она окрасится в фиолетовый цвет, т.е. покажет нейтральную реакцию (красный – кислая среда, синий – щелочная среда).
После нагревания получившегося раствора вода испарится, а в пробирке останется поваренная соль – NaCl.
Рис. 1. Образование соли после выпаривания.
В подобных реакциях вода – обязательный продукт.
Примеры
Реакция нейтрализации может происходить между сильными и слабыми кислотами и щелочами. Рассмотрим два типа реакций:
Примером первого вида реакций является взаимодействие сильной кислоты с сильным основанием:
Обратимые реакции протекают при нейтрализации слабой кислоты сильным основанием, а также слабого основания слабой кислотой:
Слабые нерастворимые или слаборастворимые основания (Fe(OH)3, Fe(OH)2, Mg(OH)2, Zn(OH)2) также нейтрализуются сильной кислотой. Например, гидроокись меди не растворяется в воде, но при взаимодействии с азотной кислотой образует соль (нитрат меди) и воду:
Реакции нейтрализации экзотермичные, они протекают с выделением тепла.
Использование
Реакции нейтрализации – основа титриметрического анализа или титрования. Это метод количественного анализа концентрации веществ. Метод используется в медицине, например, для определения кислотности желудочного сока, а также в фармакологии.
Рис. 3. Титрование.
Кроме того, важно практическое применение нейтрализации в лаборатории: при проливе кислоты её можно нейтрализовать щёлочью.
Что мы узнали?
Реакция, при которой кислота и основание образуют соль и воду, называется нейтрализацией. Эта реакция возможна между любыми кислотами и основаниями: сильной кислотой и сильной щёлочью, слабой кислотой и слабым основанием, сильным основанием и слабой кислотой, слабым основанием и сильной кислотой. Реакция протекает с выделением тепла. Нейтрализация применяется в медицине и фармакологии.
Щёлочи – наши помощники
Сведения о растворимости в воде можно брать из таблицы растворимости. Р – растворимые основания, то есть щёлочи, м – малорастворимые, н – нерастворимые, черта «–» означает, что такого основания не существует.
В обычных условиях являются твёрдыми веществами. Имеют вид белых порошков, легко впитывающих влагу. Требуют хранения в банках из толстого стекла с широким горлышком или полиэтиленовых емкостях.
Получение оснований
Щёлочь образуется в результате реакции металла и воды с большим выделением теплоты.
2Na + 2H2O>2NaOH + H2
CaO + H2O>Ca(OH)2.
Гидроксиды натрия и калия образуются при воздействии на раствор электрического тока:
KCl + 2H2O>2KOH + H2 + Cl2.
Свойства оснований
Щёлочи реагируют
1. С кислотными оксидами:
2КОН+SO3>K2SO4+H2O.
Щёлочи способны растворять оксидную плёнку алюминия (амфотерного оксида):
2. С кислотами:
NaOH+HCl>NaCl+HOH.
Можно определить, осталась ли щёлочь, если добавить 1-2 капли раствора фенолфталеина. Щёлочь прореагировала полностью, если малиновый цвет окрашивания раствора не появился.
Реакция между основанием и кислотой – реакция нейтрализации. Подобные реакции часто применяют с целью очищения сточных вод промышленных предприятий от щелочей и кислот. Продукты таких реакций – соли, которые более безопасны для окружающей среды. Очень эффективной и экономически выгодной является нейтрализация стоков различных производств.
3. С солями. Это реакции обмена. Происходят в растворе, при этом исходная соль должна быть водорастворимой. А получаемое вещество – нерастворимым:
2NaOH+Mn(NO3)2=Mn(OH)2v+2NaNO3
4. С галогенами.
На холоде: Cl2 + 2NaOH = NaClO+NaCl+H2O.
При нагревании: 3Cl2+6NaOH = NaClO3+5NaCl+3H2O.
Расплавить можно только гидроксиды натрия и калия (температуры плавления соединений составляют 322о и 405о соответственно).
Безопасность в работе со щелочами
Химические ожоги, причиняемые щелочами, в том числе едким натром и едким кали, намного опаснее, чем химические ожоги от кислот. Ожог усугубляется, если кусочек кристаллического вещества прилипает к коже.
Щёлочи способны разъедать много материалов, вызывать серьёзные ожоги на коже и слизистых оболочках, поражать глаза. Поэтому гидроксид натрия называют «едким натром», а гидроксид калия – «едким кали». При работе со щелочами и их растворами, нужно соблюдать осторожность. При попадании раствора щелочи на кожу, нужно сразу смыть его большим количеством воды. Затем обработать это место слабым раствором уксусной или борной кислоты. И опять промыть водой.
Что за вещество «нашатырный спирт»?
Во взаимодействие вступает небольшое количество растворённого аммиака и одновременно распадается на исходные вещества, на что указывает знак «-» в уравнении. Гидроксид аммония, подобно щелочам, изменяет окрашивание индикатора, взаимодействует с кислотными оксидами, кислотами и солями.
2NH4OH+СО2>(NH4)2СО3+H2O
NH4OH+HCl>NH4Cl+H2O
NH4OH+Pb(NO3)2>Pb(OH)2v+2NH4NO3.
Применение оснований
Нашатырный спирт используют не только для того, чтобы привести человека в сознание. С его помощью можно отлично вымыть окна, используя 1 столовую ложку препарата на 1 литр воды. Затем нужно вытереть поверхность бумажными полотенцами.
Если смешать 1 часть нашатырного спирта с 1 частью уксуса, а потом протирать полученным раствором поверхность утюга, то он станет чистым. Но не стоит думать, что получится мгновенный эффект. Поверхность нужно аккуратно потереть.
Широко применяют, прежде всего, гидроксиды кальция и натрия. Гашёная известь – это гидроксид кальция Сa(OH)2. Её используют, как вяжущий материал в строительстве. Смешивают с песком и водой. Полученную смесь наносят на кирпич, штукатурят стены. В результате взаимодействия основания с углекислым газом и оксидом силициума (IV), смесь твердеет. Известь способна поглощать кислые газы. Также может впитывать токсичные вещества, поэтому для здоровья жильцов белить комнату предпочтительнее, чем красить.
Также гидроксид кальция используют в сахарной промышленности, сельском хозяйстве, при изготовлении зубных паст, получении многих веществ.
Гидроксид натрия (каустическую соду) используют при производстве мыла в реакции щёлочи с жиром, при изготовлении лекарств, в кожной промышленности, для очищения нефти. Каустическая сода применяется для чистки масляных пятен. Всем известный «Крот» для труб представляет собой раствор гидроксида натрия, способный растворять жиры и даже волосы.
Щёлочи разъедают стекло и фарфор. Растворяют белковые вещества.
Применяются в медицине в качестве антисептиков, раздражающих и прижигающих препаратов. При заболеваниях пищеварительной системы щелочные минеральные воды действуют оздоравливающе. Эффективны в лечении подагры, стоматита, в лечении заболеваний дыхательной системы. Являются мочегонным средством. Нейтрализуют отравление кислотами.
Немаловажно участие щелочей в изготовлении каучука, искусственного волокна, красителей, очищения предметов из металла, обработки деревянных поверхностей. Являются хладагентом холодильных установок. Используются в сельском хозяйстве, лёгкой промышленности и металлургии.
Щелочные продукты питания
Различают кислые, щелочные и нейтральные продукты питания. Среди щелочных продуктов можно перечислить зелень, репу, огурцы, хрен, сельдерей, лимоны, свеклу, морковь, капусту, цитрусовые, смородину, виноград, вишню, сухофрукты, картофель, перец, помидоры, чеснок.
Примечательно, что в составе нейтральных продуктов содержатся и кислоты, и щёлочи. Это растительное, сливочное масло.
Щёлочи активно используются человеком. При этом следует помнить и в обязательном порядке соблюдать правила техники безопасности.
Нейтрализация путем добавления реагентов
Если на промышленном предприятии имеются только кислые или щелочные воды или невозможно обеспечить их взаимную нейтрализацию применяется реагентный метод нейтрализации. Этот метод наиболее широко используется для нейтрализации кислых сточных вод. Выбор реагента зависит от вида кислот, их концентрации, растворимости солей, образующихся в результате химической реакции.
Для нейтрализации минеральных кислот применяется любой щелочной реагент, чаще всего известь-пушонка, известковое молоко, карбонаты кальция и магния в виде суспензии. Эти реагенты сравнительно дешевы и общедоступны, но имеют ряд недостатков: обязательно устройство усреднителей перед нейтрализационной установкой; затруднительно регулирование дозы реагента по рН нейтрализованной водой; сложное реагентное хозяйство.
Скорость реакции между раствором кислоты и твердыми частицами суспензии относительно невелика и зависит от размеров частицы и растворимости образующегося в результате реакции нейтрализации соединения. Поэтому окончательная активная реакция устанавливается не сразу, а по истечении некоторого времени – 10-15 мин. Сказанное выше относится к сточным водам, содержащим сильные кислоты (H2SO4, H2SO4), кальциевые соли которых труднорастворимы в воде.
При нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту (H2SO4), реакция в зависимости от применяемого реагента протекает по уравнениям:
H2SO4+Ca (OH)2 = CaSO4+2H2O,
Образующийся в результате нейтрализации сульфат кальция (гипс) кристаллизуется из разбавленных растворов в виде CaSO4·2H2O. Растворимость этой соли при температуре 0-40 0С колеблется от 1,76 до 2,11 г/л.
При более высокой концентрации сульфат кальция выпадает в осадок, поэтому при нейтрализации сильных кислот, кальциевые соли которых труднорастворимы в воде, необходимо устраивать отстойники-шламонакопители. Существенным недостатком метода нейтрализации серной кислоты известью является образование пресыщенного раствора гипса (коэффициент пресыщения может достигать 4-6), выделение которого из сточной воды может продолжаться несколько суток, что приводит к зарастанию трубопроводов и аппаратуры. Присутствие в сточных водах многих химических производств высокомолекулярных органических соединений усиливает устойчивость пресыщенных растворов гипса, поскольку эти соединения сорбируются на гранях кристаллов сульфата кальция и препятствуют их дальнейшему росту.
Для уменьшения коэффициента пресыщения используется метод рециркуляции образующегося в результате нейтрализации осадка сульфата кальция. Концентрация ионов кальция в сточной воде уменьшается при увеличении дозы рециркулирующего осадка: продолжительность перемешивания этой воды должна быть не менее 20-30 мин. Для уменьшения зарастания трубопроводов, по которым транспортируются нейтрализованные известью сернокислотные стоки, применяют методы промывки, увеличивают скорость транспортирования, а также заменяют металлические трубопроводы на пластмассовые.
Поскольку в кислых и щелочных сточных водах практически всегда присутствуют ионы тяжелых металлов, то дозу реагентов следует определять с учетом выделений в осадок тяжелых металлов.
Количество реагента, необходимого для нейтрализации сточных вод определяется по формуле
где k – коэффициент запаса расхода реагента по сравнению с теоретическим k = 1,1 – для известкового молока, k = 1,5 – для известкового теста и сухой извести; В – количество активной части в товарном продукте, %; Q – количество сточных вод подлежащих нейтрализации, м3; а – расход реагента для нейтрализации (табл. 1.7), г/кг
Расход реагентов для нейтрализации 100 % кислот и щелочей
каустическая
0,67/1,5
При нейтрализации кислых и щелочных сточных вод содержащих соли тяжелых металлов, количество реагента будет определяться по формуле
где С1, С2. Сn – концентрации металлов в сточных водах, кг/м; b1, b2. bn, – концентрации реагентов, требуемых для перевода металла из растворенного состояния в осадок (табл. 1.8), кг/кг.
Расход реагентов, требуемых для удаления металлов
| Металл | Реагент СаО | Реагент Са(ОН)2 | Реагент Na2CO3 | Реагент NaOH |
| Цинк | 0,85 | 1,13 | 1,6 | 1,22 |
| Никель | 0,95 | 1,26 | 1,8 | 1,36 |
| Медь | 0,88 | 1,16 | 1,66 | 1,26 |
| Железо | 1 | 1,32 | 1,9 | 1,43 |
| Свинец | 0,27 | 0,36 | 0,51 | 0,38 |
Например, при нейтрализации гашеной известью сточных вод, поступающих после травления черных металлов серной кислотой происходят следующие реакции:
На основании приведенных выше реакций или данных в табл. 1.7 и 1.8, а также по содержанию серной кислоты и железа в отработанных травильных растворах можно определить количество гашеной извести, необходимой для нейтрализации кислых сточных вод и осаждения железа
где А – содержание серной кислоты, кг/м3; С – содержание железа, кг/м3.
Количество сухого вещества, которое образуется при нейтрализации 1м3 сточной воды, содержащей свободную серную кислоту и соли тяжелых металлов, определяется по формуле
где М – масса сухого вещества, кг; В – содержание активного вещества в используемой извести, %; х1, х2 – количество активного вещества, необходимое соотвественно для осаждения металла и для нейтрализациии свободной серной кислоты, кг; х3 – количество образующихся гидроксидов металлов, кг; у1, у2 – количество сульфата кальция, образующиеся соответственно при осаждении металла и при нейтрализации свободной серной кислоты, кг.
Если значение третьего члена в приведенной формуле отрицательно, то он не учитывается.
Объем осадка, образующегося при нейтрализации сточной воды можно найти по уравнению
где Wвл – влажность осадка, %.
Для нейтрализации кислых вод могут быть использованы: NaOH, КОН, Na2CO3. NH4OH (аммиачная вода), СаСО3. доломит (СаСО3. MgСО3 ) цемент. Однако наиболее дешевым реагентом является гидроксид кальция (известковое молоко) с содержанием активной извести Са(ОН)2 5-10 %. Соду и гидроксид натрия следует использовать, если они являются отходами производства. Иногда для нейтрализации применяют различные отходы производства. Например, шлаки сталеплавильного, феррохромового и доменного производств используют для нейтрализации вод, содержащих серную кислоту.
Реагенты выбирают в зависимости от состава и концентрации кислой сточной воды. При этом учитывают, будет ли в процессе образовываться осадок или нет. Различают три вида кислотосодержащих сточных вод: 1) воды, содержащие слабые кислоты (Н2СО3, СН3СООН); 2) воды, содержащие сильные кислоты (НСl, HNO3). Для их нейтрализации может быть использован любой названный выше реагент. Соли этих кислот хорошо растворимы в воде; 3) воды, содержащие серную и сернистую кислоты. Кальциевые соли этих кислот плохо растворимы в воде и выпадают в осадок.
Известь для нейтрализации вводят в сточную воду в виде гидроксида кальция (известкового молока; «мокрое» дозирование) или в виде сухого порошка («сухое» дозирование). Схема установки для нейтрализации кислых вод известковым молоком показана на рис. 1.49.
Для гашения извести используют шаровые мельницы мокрого помола, в которых одновременно происходят тонкое измельчение и гашение. Для смешения сточных вод с известковым молоком применяют гидравлические смесители различных типов: дырчатые, перегородчатые, вихревые, с механическими мешалками или барботажные с расходом воздуха 5-10 м3/ч на 1 м2 свободной поверхности.
При нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту, известковым молоком в осадок выпадает гипс CaSO4·2H:2O. Растворимость гипса мало меняется с температурой. При перемещении таких растворов происходит отложение гипса на стенках трубопроводов и их забивка. Для устранения забивки трубопровода необходимо промывать их чистой водой или добавлять в сточные воды специальные умягчители, например гексаметафосфат. Увеличение скорости движения нейтрализованных вод способствует уменьшению отложений гипса на стенках трубопровода.
Для нейтрализации щелочных сточных вод используют различные кислоты или кислые газы. Метод реагентной нейтрализации кислых и щелочных сточных вод широко используется на предприятиях химической промышленности.
Как нейтрализовать уксусную кислоту быстро и эффективно?
Химическая реакция нейтрализации представляет собой реакцию между щелочью и кислотой в результате которой образуется какая-то соль и вода. Примером таких процессов может быть реакция нейтрализации между уксусной кислотой и гидроксидом натрия или соляной кислотой и едким натрием.
Наблюдать реакцию нейтрализации кислоты щелочью можно только в том случае, если самого начала к раствору кислоты добавить индикатор, чтобы изменить окраску раствора. А как только к такому цветному раствору добавить щелочь, окраска сразу же исчезнет – будет выглядеть как фокус.
Как нейтрализовать уксусную кислоту гидроксидом натрия?
Для любой кислоты обязательно характерна реакция полной нейтрализации. В качестве доказательства этого можно провести эксперимент нейтрализации гидроксидом натрия уксусной кислоты. Для этого необходимо взять специальные химические колбы и наполнить их разбавленными растворами гидроксида натрия (NaОН) и уксусной кислоты (СН3 СООН). В ту колбу где будет раствор гидроксида натрия (NaОН) необходимо добавить несколько капель индикатора, а именно фенолфталеина, также можно добавить катализатор.
После этого в бюретку необходимо аккуратно налить раствор уксусной кислоты. Затем в раствор щелочи по одной капле добавляется кислота. Это продолжается до того момента, пока весь гидроксид натрия не перейдет в соль. Полный переход будет виден по окраске ранее добавленного индикатора – фенолфталеина. Как только вся щелочь полностью прореагирует с образовавшейся солью ацетата натрия – малиновый цвет раствора исчезнет и жидкость будет прозрачной.
Современный способ нейтрализации уксусной кислоты.
На сегодняшний день в случае аварий и проливов на производствах используется способ нейтрализации уксусной кислоты на фасовочно-укупорочной автоматизированной машине. Осуществляется обработка поверхности, где была разлита уксусная кислота, безводным порошкообразным карбонатом натрия. Обработка кислоты ведется до образования густой пасты и паста не убирается. При последующих разливах уксусной кислоты на поддоне при появлении жидкой фазы поверхность места разлива обрабатывают карбонатом натрия до появления пасты, которая связывает жидкую фазу. В случае попадания кислоты на поверхность, расположенную вне поддона, нейтрализация проводится водой до получения раствора с концентрацией 25-30%.
Если остается открытый вопрос чем можно нейтрализовать уксусную кислоту, то это может быть либо карбонат натрия, либо гидроксид натрия.
Обработка поверхности карбонатом натрия в случае первого разлива выполняется при таком соотношении компонентов по общей массе: Na2CO3:CH3COOH=1,6÷4,0:1. Такой способ нейтрализации обеспечивает значительное сокращение отходов всего технологического процесса, позволяет уменьшить выделение СО2 и позволяет снизить токсичность технологического процесса.
Также существуют способы нейтрализации кислоты и ее растворов водными растворами гидрокарбоната натрия с концентрацией 1-4%, или водными растворами гидроксида натрия с концентрацией 2,5-10%. Недостатком данных способов является очень большой расход раствора, и как следствие, большое количество сточной воды, которая содержит ацетат натрия. А такую воду обязательно нужно очистить перед сбросом. Кроме этого, недостатком является еще и выделение в атмосферу и рабочую зону диоксида углерода.
Максимально близким по технической сущности и полученному результату является метод нейтрализации уксусной кислоты на фасовочно-укупорочной машине.
Место разлива вещества на поверхностях выше поддона и на самом поддоне нейтрализуется с помощью раствора карбоната натрия. В растворе образуется большое количество ацетата натрия. Процесс нейтрализации контролируется при помощи устройства, определяющего уровень рН. Недостатком такого способа является также большое количество сточных вод с повышенной концентрацией ацетата натрия. Это приводит к тому, что для реализации выделения ацетата натрия нужна сложная технология, которая включает в себя кристаллизацию, выпаривание и фильтрование. Еще один недостаток – это большой расход карбоната натрий (порошкообразного), что связанно с избыточным его использованием. Кроме этого в ходе нейтрализации уксусной кислоты образуется очень большое количество углекислого газа. Негативной стороной способа является большая площадь нейтрализуемой смеси, а также несущественное повышение температуры, а это приводит к выделению паров уксусной кислоты.
Задача этого устройства – сокращение отходов всего технологического процесса, сокращение расхода нейтрализующего агента, сокращение уровня выделения СО2, а также уменьшение токсичности.
Эта задача достигается тем, что в методе нейтрализации водных горючих растворов кислоты на фасовочно-укупорочной автоматизированной линии, включающем дополнительную обработку поверхности, на которую была разлита кислота, порошкообразным карбонатом натрия до образования пасты и ее не убирают.
Автоматизированная фасовка и укупоривание выполняется на модифицированной фасовочно-укупорочной машине Б3-ОД-2-К/3-02/03/ по ТУ 3-1768. Данная машина предназначена для реализации фасовки 70-80%-ной уксусной кислоты в вакууме. Машина представляет собой автоматизированную систему ротационного типа с электроприводом, включающую специальный бункер полиэтиленовых пробок, карусели для укупоривания и фасовки. Максимальная мощность электропривода – 2,6 кВт. Основная часть уксусной кислоты выливается на поверхность поддона из нержавеющей стали, некоторая часть может попасть на поверхность вне поддона.
Поэтому если на своем предприятии вы не знаете, чем нейтрализовать уксусную кислоту, тогда данная система будет идеальным вариантом. На сегодняшний день это наиболее современный способ, который активно набирает популярность на различных предприятиях, занимающихся производством уксусной кислоты.
