氯化鈉提純實(shí)驗(yàn)中幾個重要問題的討論

馬玉翔 , 范應(yīng)菊

氯化鈉提純實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校化學(xué)、 化工、 生物、 材料、 環(huán)境類等專業(yè)的一個典型實(shí)驗(yàn), 是基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)必選的題目之一, 在各類大學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能大賽中也經(jīng)常選用這個實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)中涉及到無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)最基本的技能操作訓(xùn)練, 如稱量、 加熱、 溶解、 攪拌、 沉淀、 pH 值測定、 常壓過濾、 減壓過濾、蒸發(fā)濃縮、 結(jié)晶、 烘干、 離子的定性檢驗(yàn)等。

實(shí)驗(yàn)的原理是粗鹽中的不溶性雜質(zhì)通過過濾除去; 可溶性的Ca2+、 Mg2+、等雜質(zhì)采用化學(xué)法使之轉(zhuǎn)化為難溶性鹽,選用的沉淀劑為BaCl2、 Na2CO3、 NaOH, 產(chǎn)生的沉淀用常壓過濾除去; 過量的Na2CO3、 NaOH 用HCl 中和除去; 提純后飽和NaCl 溶液中含有的K+在蒸發(fā)、 濃縮、 減壓過濾溶液時除去;吸附在提純后NaCl 晶體上的HCl 可用無水乙醇洗滌除去; 再進(jìn)一步加熱除去晶體表面的少量水、 乙醇等, 即可得到顆粒狀、 流動性好、 純凈度非常高的NaCl 晶體[1-2]。

1 關(guān)于難溶鹽的轉(zhuǎn)化

溶液中加入BaCl2生成沉淀后存在下列平衡:?1.07×10-5mol·L-1。

加入Na2CO3、 NaOH 除去Ca2+、 Mg2+及Ba2+后存在下列平衡:

由于加入過量的BaCl2,

說明BaSO4比BaCO3、 CaCO3、 MgCO3、 Mg(OH)2有更小的溶解度, 當(dāng)幾種沉淀共存時:

則:

兩式相除分別得:

因此實(shí)驗(yàn)中BaSO4與BaCO3、 CaCO3兩步沉淀必須分開過濾, 而不能混在一起操作。

在加入沉淀劑Na2CO3除去Ca2+、 Mg2+、 及Ba2+離子時,由于加入了過量的Na2CO3, 溶液中引入了過多的, 因此必須除去。 方法是加入HCl, 調(diào)節(jié)溶液的pH=2 ～3, 使之生成

溶液中存在下列平衡:

由此可知:

當(dāng)pH = 2 時, [H+] =10-2mol·L-1代入式(1)和式(2)得:

即:

即:

由式(3)和式(4)得:

百分比表示:

依此, 當(dāng)pH=3 時, 得:

百分比表示:

當(dāng)pH=4 時, 得:

百分比表示:

[H2CO3]∶[HCO-3]∶[CO2-3]=99.56%∶0.437%∶2.05×10-7%

由此可知, 當(dāng)溶液pH=2 ～3 時, 溶液中主要以H2CO3形式存在, 溶液中的幾乎微乎其微, 可以忽略不計,當(dāng)加熱濃縮時, H2CO3將轉(zhuǎn)化為CO2而放出, 使提純后的氯化鈉溶液仍然保持中性。 至此可以認(rèn)為溶液中的完全除去。

3 鉀離子的除去

在過濾除去難溶性鹽、 中和除去CO2-3后, 溶液中還有可溶性K+。 由于粗鹽中K+含量少, 根據(jù)KCl 與NaCl 在水中的溶解度不同而除去K+。 KCl 與NaCl 在水中的溶解度見圖1。

圖1 NaCl 和KCl 溫度-溶解度曲線Fig.1 Temperature-solubility curves of NaCl and KCl

由圖1 可以明顯看出KCl 與NaCl 在水中的溶解度隨溫度變化差異明顯, 隨溫度的增高KCl 的溶解度有明顯的增加, 而NaCl 溶解度基本不變。

海水中鈉離子約10.62 g/kg, 鉀離子約0.38 g/kg, 而粗鹽中NaCl 的含量一般在90%左右, 而KCl 含量約0.1%。 假設(shè)在濃縮蒸發(fā)時剩余的水量約2 mL, 在高溫和室溫下少量水中K+遠(yuǎn)未達(dá)到飽和, 溶液蒸發(fā)和溫度降低時, K+仍然溶解在水中。溶液中Na+的濃度大, 隨著水分的不斷蒸發(fā), 不斷結(jié)晶成鹽析出。 由于NaCl 和KCl 二者晶型相同, 在NaCl 的析出過程中,晶體表面會吸附少量K+, 高溫時吸附較少, 低溫時吸附相對較多, 攪拌有利于K+脫附, 因此高溫時趁熱過濾更有利于K+的溶解, 減壓過濾即可除去少量K+。

若將溶液蒸干, 粗鹽中K+全部留在了提純后的NaCl 中,使其含量遠(yuǎn)高于化學(xué)純NaCl 國標(biāo)中K+允許的最大含量0.04%。 除去鉀離子的關(guān)鍵是: 溶液在蒸發(fā)濃縮時留有少量水, 切勿蒸干; 趁熱減壓過濾更有利于除去K+。

減壓過濾后的氯化鈉, 經(jīng)過醇洗除去吸附的HCl, 再經(jīng)小火烘干除去表面少量水、 乙醇后, 即可得到非常純凈的氯化鈉產(chǎn)品。

4 結(jié) 語