CC BY
47
УДК 541. 13
В.П. Юркинский, Е.Г. Фирсова, Е.С. Константинова
ПЛОТНОСТЬ И ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТЬ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ СУЛЬФАТА ЖЕЛЕЗА (II)
V.P. Yurkinsky, E.G. Firsova, E.S. Constantinova
DENSITY AND ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF AQUEOUS SOLUTIONS OF FERROUS SULFATE (II)
Изучена плотность и электропроводимость водных растворов сульфата железа (II) в интервале температур 15—50 °С с использованием соответственно пикнометрического и кондуктометри-ческого методов. Определены плотность и удельная электропроводимость растворов (УЭП) в зависимости от содержания сульфата железа (II) и температуры.
ПЛОТНОСТЬ. ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТЬ. ПИКНОМЕТРИЯ. КОНДУКТОМЕТРИЯ. РАСТВОРЫ СУЛЬФАТА ЖЕЛЕЗА (II).
The density and electrical conductivity of aqueous solutions of ferrous sulfate (II) are studied in the temperature range 15—50 °С using a pycnometric and conductometric methods, respectively. The density and specific conductivity of the solutions are determined depending on the ferrous sulfate (II) content and temperature.
DENSITY. ELECTRICAL CONDUCTIVITY. PYCNOMETRY. CONDUCTOMETRY. FERROUS SULFATE SOLUTIONS (II).
В промышленных масштабах очистку поверхности различных изделий стального проката проводят путем их травления в растворах кислот, в частности в растворах серной кислоты [1]. При этом существует проблема постоянного оперативного определения концентрационного состава травильных ванн по содержанию серной кислоты и образующегося в ходе процесса травления стальных изделий сульфата железа (II), так как их количественное содержание в ванне влияет на время удаления окалины [2]. Для получения калибровочных кривых, используемых для определения количественного состава растворов в травильных ваннах, необходимо знать электропроводимость и плотность обоих компонентов исследуемых смесей [1]. В нашей работе изучены плотность и электропроводимость растворов сульфата железа (II).
Экспериментальная часть
Электропроводимость растворов определяли кондуктометрическим методом [3—5]. В работе использовали и-образную электрохимическую
ячейку капиллярного типа с диаметром капилляра 1,0 мм и длиной 5—7 см. В качестве материала электродов применяли никель. Электрическое сопротивление растворов измеряли с помощью автоматического моста переменного тока Е7—15 на частоте 1 кГц. Нагрев ячейки осуществляли со скоростью 15 град-ч-1. При измерении сопротивления раствора нагрев кратковременно прекращали с целью стабилизации температуры в ячейке. Точность измерения температуры составляла ± 0,1°.
Электропроводимость растворов серной кислоты изучена достаточно хорошо [6, 7], а электропроводимость растворов сульфата железа (II) изучена лишь при температуре 18 °С [8, 9] из-за низкой термической устойчивости этих растворов, которые при более высоких температурах подвергаются гидролизу с образованием осадка основной соли железа:
2Бе804 + 2Н20 = (Ре0Н)2804 + Н2804. (1)
Наличие в растворе сульфата железа (II) серной кислоты позволяет полностью предотвра-
тить протекание процесса гидролиза. Поэтому в нашей работе в области температур 18—50 °С была исследована электропроводимость растворов смесей серной кислоты и сульфата железа. Далее по разности полученных значений электропроводимости смесей и известных значений электропроводимости растворов серной кислоты была рассчитана электропроводимость растворов сульфата железа (II).
Для приготовления растворов использовали концентрированную серную кислоту (р = = 1,84 г/см3) и сульфат железа (II) квалификации х.ч. Концентрация серной кислоты в растворах изменялась в пределах 37—381 г-л-1, а сульфата железа (II) — 5-225 г-л-1.
Из-за термической неустойчивости растворов сульфата железа (II) в настоящее время их плотность изучена лишь при температуре 15 °С.
Определение плотности смешанных растворов серной кислоты и сульфата железа позволяет при известной концентрации серной кислоты, а следовательно, и плотности раствора серной кислоты при этой концентрации [6] рассчитать плотность растворов сульфата железа (II) в области более высоких температур.
Используя метод аддитивности, расчет проводили по формуле
рРе804 = рсм — (рН2804 — рН20), (2)
где PFeS04, РН2804 и РН20 —плотности соответственно растворов сульфата железа (II), серной кислоты и воды при определенной температуре. Плотность смешанных растворов рсм серной кислоты и сульфата железа (II) в нашей работе
определяли пикнометрическим методом [10]. При этом исследуемый раствор в пикнометре помещали в термостаты с различной температурой, выдерживали 1 час, далее охлаждали и взвешивали на электронных весах.
По разности весов определялась масса раствора и с учетом известного объема пикнометра (50 мл) рассчитывалась плотность растворов. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили с применением стандартной компьютерной программы «0RIDGIN».
Полученные значения удельной электропроводимости (УЭП) смешанных растворов серной кислоты и сульфата железа (II) при температурах 18, 25 и 50 °С представлены в табл. 1.
Используя известные данные об удельной электропроводности серной кислоты [6, 7] и приведенные значения УЭП смешанных растворов, по их разности была рассчитана удельная электропроводимость растворов сульфата железа (II). Полученные значения УЭП представлены в табл. 2.
При 18 °С имеются литературные данные [8, 9], которые приведены для сравнения. Как видно, наблюдается хорошее совпадение литературных и экспериментальных значений х.
На основе данных, представленных в табл. 2, построены температурные и концентрационные зависимости для электропроводимости растворов сульфата железа (II). Температурные зависимости х (См-м-1) — I (°С) линейны и описываются уравнением х = А + В1 (А и В — постоянные коэффициенты). Значения параметров А и В приведены в табл. 3 (Я — значение доверительного интервала).
Таблица 1
Удельная электропроводимость х смешанных растворов серной кислоты и сульфата железа (II) при различных температурах и составах раствора
Номер С (Н^04 + FeS04), г-л-1 х, См-м-1
раствора 18 °С 25 °С 50 °С
1 37+150 19,94 22,41 32,09
2 48+224,9 24,96 28,16 40,52
3 69+186,1 32,16 36,25 50,7
4 127+108,6 49,2 54,58 73,37
5 213+31,0 65,54 72,81 97,62
Таблица 2
Удельная электропроводимость^растворов сульфата железа (II)
х, См-м-1
Концентрация С^04), г-л-1 18 °С 25 °С 50 °С
Данные [8, 9] Экспериментальные данные
224,9 4,6 4,6 6,62 13,83
186,1 4,35 4,55 6,24 12,99
150 3,9 4,0 5,60 11,49
108,6 3,28 3,48 4,62 9,41
31,0 1,42 1,67 2,55 6,0
Таблица 3
Зависимость удельной электропроводимости^растворов сульфата железа (II) от температуры
Концентрация С^04), г-л 1 Коэффициенты зависимости х = А + Вг, См-м-1 Я
А В
224,9 -0,59125 0,28843 0,997
186,1 -0,510 0,270 0,999
150 -0,29084 0,23562 0,996
108,6 -0,16875 0,19157 0,997
31,0 -1,07144 0,14177 0,998
Зависимость УЭП от концентрации сульфата железа (II) описывается полиномом второй степени х = А + ВХС + В2С2 (А, В1, В2, — постоянные коэффициенты, С — концентрация FeS04, г-л-1). Значения коэффициентов полинома приведены в табл.4.
В табл. 5 приведены значения плотности смешанных растворов серной кислоты и сульфата железа (II) в зависимости от температуры и состава раствора. На основе этих данных с учетом известной плотности растворов серной кислоты и плотности воды была рассчитана
Таблица 4
Зависимость удельной электропроводимости^растворов сульфата железа (II) от концентрации
г, °С Коэффициенты зависимости х = А + В1С + В2С2, См-м-1 Я
А В1 В2
18 0,45982 0,0330 —0,000065 0,995
25 1,47636 0,03576 —0,000056 0,998
50 4,23336 0,05646 -0,000058 0,998
Таблица 5
Плотность р смешанных растворов серной кислоты и сульфата железа (II) при различных температурах
и составах раствора
Номер Концентрация р, г-см-3
раствора С (Н2804 + Бе804), г-л-1 15 °С 30 °С 40 °С 50 °С 60 °С
1 131,93+224,9 1,2867 1,2745 1,2664 1,2583 1,2502
2 175,90+186,1 1,2765 1,2645 1,2565 1,2485 1,2405
3 263,85+108,6 1,2708 1,2589 1,2510 1,2431 1,2352
4 351,80+31,0 1,2409 1,2304 1,2234 1,2164 1,2094
5 381,35+5,0 1,2342 1,2350 1,2217 1,2111 1,2045
плотность растворов сульфата железа (II). Плотность растворов сульфата железа (II) определялась по формуле (2).
Полученные результаты расчета плотности растворов Бе804 приведены в табл. 6. Здесь же представлены литературные данные [1], полученные при 15 °С. Как видим, наблюдается достаточно хорошее совпадение результатов.
С использованием данных, представленных в табл. 6 построены температурные и концентрационные зависимости для плотности растворов сульфата железа (II). Зависимости р = / () и р = / (С) имеют линейный вид и описываются соответственно уравнениями р = Лх + В^ и р = = А2 + В2 С. Значения параметров этих уравнений приведены в табл. 7 и 8.
Таблица 6
Плотность^растворов сульфата железа (II)
Концентрация С (Бе804), г.л-1 р, г-см-3
15 °С 30 °С 40 °С 50 °С 60 °С
Данные [1] Экспериментальные данные
224,9 1,2003 1,2009 1,1940 1,1873 1,1808 1,1740
186,1 1,1662 1,1637 1,1576 1,1514 1,1455 1,1392
108,6 1,0980 1,1037 1,0992 1,0940 1,0891 1,0838
31,0 1,0297 1,0199 1,0180 1,0145 1,0114 1,0079
5 1,0068 1,0046 1,0013 0,9954 0,9910 0,9861
Таблица 7
Зависимость плотностиЛрастворов сульфата железа (II) от температуры
Концентрация Коэффициенты зависимости р = А1 + В^, г-см-3 Я
С (Бе804), г-л-1 4 В1
224,9 1,2110 -0,00060 0,996
186,1 1,1730 -0,00055 0,996
108,6 1,1114 -0,00045 0,993
31,0 1,0250 -0,00027 0,983
5,0 1,0122 -0,00042 0,988
Таблица 8
Зависимость плотностиррастворов сульфата железа (II) от концентрации
t, °С Коэффициенты зависимости р = A2 + В2С, г-см-3 R
¿2 В2
15 0,9981 0,00090 0,998
30 0,9967 0,00088 0,998
40 0,9912 0,00088 0,997
50 0,9876 0,00086 0,996
60 0,9836 0,00085 0,998
Определены плотность и удельная электропроводимость смешанных растворов серной кислоты и сульфата железа (II) в зависимости от состава раствора и температуры.
С использованием метода аддитивности рассчитаны плотность и электропроводимость рас-
творов сульфата железа (II) в зависимости от концентрации и температуры.
Полученные данные могут служить основой построения калибровочных кривых для определении состава ванн в процессе травления стального проката в растворах серной кислоты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А. с. 65953 (1946) G01N9/36. Способ определения концентрации солей в растворах разбавленных кислот [Текст] / П.И. Гусев // Б.И.— 1946. № 3.
2. Лихачев, Н.И. Канализация населенных мест и промышленных предприятий [Текст]: Справочник проектировщика. / Н.И. Лихачев, И.И. Ларин [и др.] / Под ред. В. Н. Самохина.— М.: Стройиздат, 1981.— 639 с.
3. Будников, Г.К. Основы современного электрохимического анализа [Текст] / Г.К. Будников, В.Н. Майстренко, М.Р. Вяселев.— М.: Изд-во «Бином. Лаборатория знаний». 2003.— 592 с.
4. Грилихес, М.С. Контактная кондуктометрия. Теория и практика метода [Текст] / М.С. Грилихес, Б.К. Филановский.— Л.: Химия, 1980.— 176 с.
5. Галюс З. Теоретические основы электрохими-
ческого анализа [Текст] / З. Галюс.— М.: Мир, 1974.— 555 с.
6. Справочник сернокислотчика [Текст] / Под ред. К.М. Малина.— М: Химия, 1971.— 744 с.
7. Справочник по электрохимии [Текст] / Под ред. А.М. Сухотина.— Л.: Химия, 1981.- 488 с.
8. Рабинович, В.А. Краткий химический справочник [Текст] / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин.— Л.: Химия, 1991.— 432 с.
9. Никольский, Б.П. Справочник химика Т. 3 [Текст] / Б.П. Никольский, О.Н. Григоров, М.Е. Позин.— М.: Химия. 1965.— 1005 с.
10. Алешин, В.А. Практикум по неорганической химии. [Текст] / В.А. Алешин, К.М. Дунаев, А.И. Жиров [и др.] / Под ред. Ю.Д. Третьякова— М.: Издательский центр «Академия», 2004.— 384 с.
REFERENCES
1. A. s. 65953 (1946) G01N9/36. Sposob opredele-niia kontsentratsii solei v rastvorakh razbavlennykh kislot [Tekst] / P.I. Gusev // B.I.— 1946. № 3. (rus.)
2. Likhachev N.I., Larin I.I. [i dr.]. Kanalizatsiia nas-elennykh mest i promyshlennykh predpriiatii (Spravoch-nik proektirovshchika) [Tekst] / Pod red. V.N. Samokhi-na.— M.: Stroiizdat, 1981.— 639 s. (rus.)
3. Budnikov G.K., Maistrenko V.N., Viaselev M.R. Osnovy sovremennogo elektrokhimicheskogo analiza [Tekst].— M.: Izd-vo «Binom. Laboratoriia znanii», 2003.— 592 s. (rus.)
4. Grilikhes M.S., Filanovskii B.K. Kontaktnaia kon-duktometriia. Teoriia i praktika metoda [Tekst].— L.: Khimiia, 1980.— 176 s. (rus.)
5. Galius Z. Teoreticheskie osnovy elektrokhimicheskogo analiza [Tekst].— M.: Izd-vo «Mir». 1974.— 555 s. (rus.)
6. Spravochnik sernokislotchika [Tekst] / Pod red. K.M. Malina.— M: Khimiia, 1971.— 744 s. (rus.)
7. Spravochnik po elektrokhimii [Tekst] / Pod red. A.M. Sukhotina.— L.: Khimiia, 1981.— 488 s. (rus.)
8. Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. Kratkii khimicheskii
spravochnik [Tekst].— L.: Khimiia, 1991.— 432 s. (rus.)
9. Nikol'skii B.P., Grigorov O.N., Pozin M.E. Spravochnik khimika T. 3 [Tekst].— M.: Khimiia. 1965.— 1005 s. (rus.)
10. Aleshin V.A., Dunaev K.M., Zhirov A.I. [i dr.].
Praktikum po neorganicheskoi khimii [Tekst] / Pod red. Iu.D. Tret'iakova— M.: Izdatel'skii tsentr «Akademi-ia», 2004.— 384 s. (rus.)
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
ЮРКИНСКИЙ Владимир Павлович — доктор химических наук профессор кафедры физико-химии и технологии микросистемной техники Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия; e-mail: jurkinskij@rambler.ru
ФИРСОВА Елена Германовна — кандидат технических наук доцент кафедры физико-химии и технологии микросистемной техники Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия.
КОНСТАНТИНОВА Екатерина Сергеевна — студентка пятого курса кафедры физико-химии и технологии микросистемной техники Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия.
AUTHORS
YURKINSKY Vladimir P. — St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya Str. 29, St. Petersburg, Russia; e-mail: jurkinskij@rambler.ru
FIRSOVA Elena G. — St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya Str. 29, St. Petersburg, Russia.
CONSTANTINOVA Ekaterina S. — St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya Str. 29, St. Petersburg, Russia.
© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2013
