CC BY
9ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Том 9 Химия Вып. 4
УДК 546: 544.344.4: 631.812.2
DOI: 10.17072/2223-1838-2019-4-331-336
ИССЛЕДОВАНИЕ МОНОВАРИАТНОГО РАВНОВЕСИЯ В СИСТЕМЕ KH2PO4 - KNO3 - KCl - H2O ПРИ 25°C
Н.С. Кистанова, А.И. Белослудцева
Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь, Россия
Описана методика изучения моновариантного равновесия в четырехкомпонентной системе KH2PO4 - KNO3- KCl - H2O при 25°C. Определены составы жидких фаз на ветвях кристаллизации дигидрофосфата калия и нитрата калия, дигидрофосфата калия и хлорида калия оптимизированным методом сечений. Полученные составы на линиях двойного насыщения являются максимально концентрированными растворами, содержащими необходимые растениям макроэлементы в широком интервале N:P2O5:K2O.
Ключевые слова: дигидрофосфат калия; нитрат калия; хлорид калия; фазовая диаграмма; оптимизированный метод сечений
THE INVESTIGATION OF MONOVARIANT PHASE EQUILIBRIUM FOR THE SYSTEM KH2PO4 - KNO3 - KCl- H2O AT 25 °С
N.S. Kistanova, A.I. Belosludceva
Perm State University, Perm, Russia
The investigation of the monovarian phase equilibrium of the quaternary water-salt system KH2PO4 - KNO3 - KCl - H2O at 25 °C is described. The compositions of monovariant point on the crystallization lines of monopotassium phosphate and potassium nitrate, monopotassium phosphate and potassium chloride are determined by the method of section. The compositions on the double saturation lines are the most concentrated solutions containing the macroelements necessary for plants in wide range ofN:P2O5:K2O.
Keywords: monopotassium phosphate; potassium nitrate; potassium chloride; phase diagram; method of sections
© Кистанова Н.С., Белослудцева А.И., 2019
Введение
Известно, что водные растворы солей, содержащие необходимые растениям питательные макро- и микроэлементы, используются в автоматических оросительных системах для традиционного выращивания в земле, в беспочвенной среде, а также для внекорневой подкормки растений. Все растения нуждаются в постоянном получении азота, фосфора, калия, а также кальция, магния, серы. Немного меньше требуется таких элементов как бор, медь, хлор, цинк, железо, молибден и марганец. Процесс поглощения питательных веществ из растворов происходит быстрее - они в легкодоступной форме попадают через корни или листья. Качество жидких комплексных удобрений и эффективность внесения питательных веществ в листья и корневую систему определяются многими факторами: растворимостью солей, плотностью, pH, вязкостью, электропроводностью растворов, солевым индексом, коррозионной
активностью, температурой кристаллизации, стабильностью. На разных стадиях роста растениям необходимо разное соотношение питательных веществ. Данные по совместной растворимости солей позволяют выбрать максимально концентрированные жидкие смеси, содержащие питательные элементы в требуемом соотношении N:P2O5:K2O.
Растворы трех компонентов
дигидрофосфата калия, нитрата калия и хлорида калия с общим ионом образуют простую четырехкомпонентную систему: KH2PO4 - KNO3 - KCl - H2O. Для графического изображения системы использованы каноническая и
аксонометрическая проекции тетраэдра. На ребрах фигуры расположены
двухкомпонентные системы соль - вода, на гранях - изотермы трехкомпонентных систем, внутри тетраэдра - четырехкомпонентная система. Состав компонентов выражен в масс. %. По правилу фаз Гиббса растворам, насыщенным одной солью, на диаграмме соответствует поверхность насыщения. Составы растворов, насыщенных двумя компонентами в присутствии третьего, находятся на линиях пересечения поверхностей насыщения солей. Растворам, насыщенным тремя компонентами,
соответствует нонвариантная точка. Процесс химического взаимодействия между компонентами, например появление нового соединения, твердых растворов, однозначно отражается в геометрии диаграммы системы. Основой диаграммы является
экспериментальное исследование [1-3]. Установлено, что в трехкомпонентных водно-солевых системах KH2PO4 - KCl - H2O и KNO3 - KCl - H2O наблюдается высаливание хлоридом калия дигидрофосфата калия и нитрата калия соответственно [4]. В водно-солевой системе, образованной
дигидрофосфатом калия и нитратом калия, высаливающей способностью обладает нитрат калия [5]. По результатам исследования нонвариантного фазового равновесия в четырехкомпонентной системе KH2PO4 -KNO3 - KCl - H2O при 25 °C установлено, что это система простого эвтонического типа, трехкратно насыщенный раствор находится в равновесии с исходными солевыми компонентами [6]. Сведений о составах жидких фаз, находящихся в моно- и
дивариантном равновесии с соответствующими твердыми фазами, нами не обнаружены.
Экспериментальная часть
В работе использовали соли марки «хч». Содержание дигидрофосфата калия в его насыщенном растворе составило 20,0 % масс., нитрата калия - 27,5 % масс., хлорида калия -26,5 % масс. Составы исходных смесей компонентов готовили на аналитических весах AND GR-200 (±0,0001 г). Навески термостатировали с использованием циркуляционного термостата LOIP LT-316a (±0,2°С) и шейкера DAIHAN WiseShake SHO-2D. Равновесие в гетерогенных смесях устанавливалось в течение 8-12 часов. Показатель преломления жидкой фазы измеряли на рефрактометре ИРФ-454 Б2М
-4
(±Ы0 ).
Исследование моновариантного равновесия в четырехкомпонентной водно-солевой системе проведено оптимизированным методом сечений [7-9]. Составы на линиях двойного насыщения установлены с помощью изогидрического разреза в гетерогенной области с постоянным содержанием воды, и разреза «раствор - соли», направленного из вершин, отвечающих исходным солевым компонентам, на противоположное ребро концентрационной фигуры состава [10-11].
Рис. 1. - Структура сечения в разрезе О^В при изучении линии двойного насыщения ЕВОЕАВО в системе А-В-0-Н20
На рис. 1 проиллюстрирован разрез «раствор - соли» DCAB для определения состава на линии двойного насыщения EBDEABD относительно исходных солевых компонентов D и В в четырехкомпонентной системе A—B—D-H2O простого эвтонического типа. В сечении разреза «раствор - соли» находится треугольник DCAB. Состав на линии моновариантного равновесия ЕВОЕАВО в четырехкомпонентной системе соответствует эвтоническому составу е'ВО в сечении-треугольнике.
Составы на линиях моновариантного равновесия R'De'BD и ^'ве'вд в «псевдотрехкомпонентной» системе О-СА-В на диаграмме четырехкомпонентной системы A—B—D-H2O представлены составами, отвечающих дивариантным равновесиям.
Рис. 2. Исследование фазовых равновесий в сечении KH2PO4 - KNO3 - С1 (9,5% р-р KCl)
Для определения линии двойного насыщения относительно дигидрофосфата калия и нитрата калия изучено два разреза KNO3 - С (9,5 % масс. KCl) - KH2PO4 и KNO3 - C2 (17,7 % масс. KCl) - KH2PO4. В «псевдотрехкомпонентных» системах KNO3 -С - KH2PO4 установлены составы эвтонических растворов с,. Для этого с помощью изогидрических разрезов, содержащих 63,0 % масс. раствора С1 и 67,0 %
масс. раствора С2, определены составы на каждой предельной ноде. На рис. 2 показано планирование изогидрического разреза pi (63 % масс. раствора Ci) в системе KNO3 - Ci (9,5 % масс. KCl) - KH2PO4. Состав эвтонического раствора c1 рассчитан по экспериментально определенным составам a и b на предельных нодах KNO3 - c1 - KH2PO4 по методике [8].
Для определения линии двойного насыщения относительно дигидрофосфата калия и хлорида калия изучено два разреза KCl
- Si (12,3 % масс. KNO3) - KH2PO4 и KCl - S2 (6,4 % масс. KNO3) - KH2PO4. В «псевдотрехкомпонентных» системах KCl - S,
- KH2PO4 установлены составы эвтонических растворов S,. Для этого с помощью изогидрических разрезов, содержащих 64,0 % масс. S1 и 62,5 % масс. S2, определены составы на каждой предельной ноде. Результаты исследования составов на линиях двойного насыщения приведены в таблице.
Фазовые равновесия в системе KNO3-KH2PO4-KCl-H2O при 25 °С
Состав насыщенного раствора, % масс. Твердая фаза
KNO3 KH2PO4 KCl H2O
21,73 9,53 0,00 68,73 KH2PO4+KNO3 [5]
18,79 6,47 7,07 67,66 KH2PO4+KNO3
15,89 3,64 14,25 66,21 то же
13,75 2,18 21,16 62,91 KH2PO4+KNO3+ KCl [6]
9,18 2,73 22,50 65,59 KCl+KH2PO4
4,66 3,07 23,71 68,56 то же
0,00 3,57 24,68 71,75 -"- [4]
14,72 0,00 21,94 63,34 KNO3+ KCl [4]
Выводы
В четырехкомпонентной водно-солевой системе KH2PO4 - KNO3 - KCl - H2O при 25 °C впервые изучено моновариантное равновесие оптимизированным методом сечений. Составы на линиях двойного насыщения относительно
дигидрофосфата калия и нитрата калия, а также хлорида калия и дигидрофосфата калия являются максимально насыщенными растворами, содержащими необходимые растениям макроэлементы в широком интервале N:P2O5:K2O.
Библиографический список
1. Викторов М.М. Графические расчеты в технологии неорганических веществ. Изд. 3-е, перераб. и доп. Л.: Химия, 1972. 464 с.
2. Аносов В.Я., Озерова М.И., Фиалков Ю.Я. Основы физико-химического анализа. М.: Наука, 1976. 504 с.
3. Михеева В.И. Метод физико-химического анализа в неорганическом синтезе. М.: Наука, 1975. 272 с.
4. Справочник по растворимости солевых систем: в 3 т. Т. 3, кн. 2. Тройные и многокомпонентные системы, образованные неорганическими веществами / под ред. В.В. Кафарова и др. Л.: Наука, 1969.
5. Шабанов Р.А., Хазеев А.В., Кистанова Н.С. Исследование фазовых равновесий в системе KH2PO4-KNO3-H2O при 25 °C // Вестник Пермского университета. Серия Химия. 2016. № 3(23). С. 77-84.
6. Кистанова Н.С., Чистина Ю.С. Исследование фазовых равновесий в системе KH2PO4-KNO3-KCI-H2O при 25 °C // Вестник Пермского университета. Серия Химия. 2018. Т. 8, № 3. С. 286-291.
7. Журавлев Е.Ф., Шевелева А.Д. Изучение растворимости в водно-солевых системах графоаналитическим методом сечений // ЖНХ. 1960. Т. 5, С. 2630-2637.
8. Мазунин С.А., Носков М.Н., Елсуков А.В. Эффективные способы исследования фазовых равновесий в многокомпонентных системах // ЖНХ. 2017. Т. 62. № 5. С. 538-544.
9. Кистанова Н.С., Мазунин С.А., Фролова С.И. Оптимизация исследования
многокомпонентных водно-солевых систем методом сечений // Наука и инновации XXI века: матер. VII окружной конф. молодых ученых, 23-24 нояб. 2006 г. В 2 т. Сургут: Изд-во СурГУ, 2007. Т.1 С. 110-112. ISBN 5-89545-231-07.
10.Воскобойников Н.Б. Метод изучения четверных взаимных водно-солевых систем // ЖНХ. 1982. Т. 27, вып. 10. С. 2634-2640.
11.Елсуков А.В., Мазунин С.А. Изогидрические разрезы водно-солевых систем для решения различных задач // ЖНХ. 2017. Т. 62, вып. 5. С. 545-550.
References
1. Viktorov M.M. Graphic compulation in the inorganic compounds technology. Chimia. Saint Petersburg, 1972, 464 p.
2. Anosov V.Ja., Ozerova M.I., Fialkov Yu.Ja. Basics of physicochemical analysis. М. : Science, 1976. - 504 p.
3. Micheeva V.I. The method of physicochemical analysis in the inorganic synthesis. М. : Science, 1975. - 272 p.
4. Kogan, V.B., Ogorodnikov C.K., Kapharov, V.V. (1969), Solubilities of Inorganic Compounds, in Kapharov, V.V. (ed.), Nauka, St.-Petersburg, Russia, vol. 3, no 2, 1218 p.
5. Shabanov, R.A., Khazeev, A.V., Kistanova, N.S. (2016), "Phase diagram for the system KH2PO4 + KNO3 + H2O at 25 °C", Russian Joutnal of Inorganic Chemistry, Vol. 62, no 5, pp.538-544.
6. Kistanova, N.S., Chistina J.A. (2018), "Phase equilibrium investigation of the system KH2PO4-KNO3-KCl-H2O at 25 °C", Russian
Joutnal of Inorganic Chemistry, Vol. 8, no 3, pp.286-291.
7. Zhuravlev, E.F., Sheveleva A.D. (1960), "The investigation water-salt systems by method of section", Russian Joutnal of Inorganic Chemistry, Vol. 5, no 11, pp. 2630-2637.
8. Mazunin, S.A., Noskov, M.N., Elsukov, A.V. (2017), "Efficient methods of study phase equilibria in multinary aqueous systems", Russian Joutnal of Inorganic Chemistry, Vol. 62, no 5, pp. 538-544.
9. Kistanova, N.S., Mazunin, S.A., Frolova, S.I. (2007), "Optimization of the multicomponent
Об авторах
Кистанова Наталья Сергеевна,
кандидат химических наук, доцент кафедры
неорганической химии, химической технологии и
техносферной безопасности
Пермский государственный национальный
исследовательский университет
614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15.
natalya.kistanova@gmail.com
Белослудцева Анна Игоревна, студент
Пермский государственный национальный исследовательский университет 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15. natalya.kistanova@gmail.com
water-salt systems study by the method of sections", PROC. 7th young scientists's Conf. "Science and Innovation", 23-24 November 2006, Surgut, pp. 110-112
10.Voskobojnikov, N.B. (1982), "The method of the quaternary reciprocal water-salts Systems investigation", Russian Joutnal of Inorganic Chemistry, Vol. 27, no 10, pp. 2634-2640.
11.Elsukov, A.V., Mazunin, S.A. (2017), "Izohydric sections of water-salt systems for solving various problems", Russian Joutnal of Inorganic Chemistry, Vol. 62, no 5, pp. 545-550.
About the authors
Kistanova Natalya Sergeevna,
Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor
of the Department of Inorganic Chemistry, Chemical
Technology and Safety Engineering
Perm State University
Russia, 614990, Perm, Bukireva street, 15.
natalya.kistanova@gmail.com
Belosludceva Anna Igorevna, student
Perm State University
Russia, 614990, Perm, Bukireva street, 15.
natalya.kistanova@gmail.com
Информация для цитирования:
Кистанова Н.С., Белослудцева А.И. Исследование моновариатного равновесия в системе KH2PO4 - KNO3 - KCl - H2O при 25°C // Вестник Пермского университета. Серия «Химия». 2019. Т. 9, вып. 4. С. 331-336. DOI: 10.17072/2223-1838-2019-4-331-336.
Kistanova N.S., Belosludtseva A.I. Issledovanie monovariatnogo ravnovesiia v sisteme KH2PO4 -KNO3 - KCl - H2Opri 25°C [The investigation of monovariant phase equilibrium for the system KH2PO4 -KNO3 - KCl - H2O at 25 °С] // Vestnik Permskogo universiteta. Seriya «Khimiya» = Bulletin of Perm University. Chemistry. 2019. Vol. 9. Issue 4. P. 331-336 (in Russ.). D0I:10.17072/2223-1838-2019-4-331-336.
