Тепловые эффекты в реакциях окисления вольфрамата железа при обработке нитратом натрия в присутствии карбоната натрия | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Химия

Опубликовано в Молодой учёный №8 (88) апрель-2 2015 г.

Дата публикации: 18.04.2015

Статья просмотрена: 68 раз

Библиографическое описание:

Гутарева Н. Ю., Виноградов Н. В. Тепловые эффекты в реакциях окисления вольфрамата железа при обработке нитратом натрия в присутствии карбоната натрия // Молодой ученый. — 2015. — №8. — С. 51-53. — URL https://moluch.ru/archive/88/17382/ (дата обращения: 24.06.2018).

Автором статьи доказывается необходимость расчета тепловых эффектов реакции между вольфраматом железа, нитратом натрия и карбонатом натрия, для выявления возможности проведения высокотемпературного синтеза (СВС) и определение оптимальных соотношений реагентов, с точки зрения развития современной науки. Основное внимание в работе автор акцентирует на то, что экзотермические реакции в системе WO4, NaNO3, Na2CO3 возможны при таких соотношениях компонентов, в результате которых степень окисления азота меняется с N5+ до N2+ или до N0. Наибольшее тепловыделение ожидается в реакциях с выделением молекулярного азота и наименьшим количеством вольфрамата натрия в качестве продукта реакции.

Ключевые слова: химическая реакция, нитрат натрия и карбонат натрия, реагент, вольфрамат железа, окислителели, высокотемпературный синтез.

 

Целью работы является расчет тепловых эффектов реакции между вольфраматом железа, нитратом натрия и карбонатом натрия, для выявления возможности проведения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и определение оптимальных соотношений реагентов.

При переработке вольфрамита применяется реакция окисления концентрата FeMn (WO4)2, с содержанием WO3 50–60 % при помощи смеси нитрата натрия и карбоната натрия [1].

6FeMn (WO4)2+5NaNO3 +12Na2CO3 = 3Fe2O3+2Mn3O4+12Na2WO4+5NaNO2+12CO2               (1)

Данная реакция приведена для характерного мольного соотношения между марганцем и железом в вольфрамите — 50 на 50. В качестве расчетной модели для поиска возможных экзотермических эффектов был взят вольфрамат железа. Содержание WO3 в чистом веществе 76,34 %, поэтому для применения расчетных данных в промышленном процессе необходимо учитывать теплоемкость примесей, находящихся в вольфрамитовых концентратах.

Для вольфрамата железа можно написать реакцию подобную промышленно используемой:

2FеWO4 + NaNO3 + 2Na2CO3 = Fe2O3 + 2Na2WO4 + NaNO2 + 2CO2                              (2).

Расчет, проведенный для теплоты, выделяемой при проведении этой реакции, дает значение ΔНОРЕАКЦ= -25,5кдж (или на моль FеWO4 -12,75 кдж), то есть реакция экзотермическая но идет с невысоким выделением тепла. В данной реакции восстановителем является двухвалентное железо, а окислителем — нитрат натрия. Железо окисляется до трехвалентного Fе2+ → Fе3+, а азот восстанавливается до трехвалентного N5+ → N3+. Реакция энерговыделяющая окислительно-восстановительная. Вторым энергоопределяющим фактором может быть обмен между вольфраматом железа и карбонатом натрия.

FеWO4 + Na2CO3 = FeO + Na2WO4 +CO2                                                                                        (3).

Расчет показывает, что эта реакция эндотермическая ΔНОРЕАКЦ=79,2кдж, т. е. идет с поглощением тепла. Поэтому, для повышения выделения энергии существует два способа: первый — изменить степень окисления азота в меньшие N5+ → N4+ → N2+→ N0; второй — уменьшить количество карбоната натрия с частичным получением в качестве продукта вольфрамового ангидрида.

Уменьшение мольной доли карбоната натрия автоматически может привести к изменению степени окисления азота в реакции (3). Это обеспечивается тем, что при недостатке карбоната натрия, получающийся вольфрамовый ангидрид вступает в реакцию с образующимся нитритом натрия.

WO3 + 2 NaNO2 = Na2WO4 + NO2 + NO                                                                    (4)

Выделяющиеся окислы азота сами могут выступить в качестве окислителей для двухвалентного железа. Наиболее активный диоксид азота может перейти в монооксид азота. Восстановление монооксида азота до молекулярного азота проблематично, так как он устойчив до 1000ОС. Но наличие оксидов железа и вольфрама, которые могут служить катализаторами, требует рассмотреть реакции идущие с образованием в качестве конечного продукта газообразного азота.

Для последующих расчетов приведем таблицу (табл.1) стандартных мольных энтальпий образования исходных и возможных конечных продуктов рассматриваемых реакций [2,3].

Таблица 1

 

FеWO4

Na2CO3

NaNO3

Fe2O3

Na2WO4

NaNO2

WO3

NO

CO2

NO2

ΔНО кДж/м

-1155

-1130

-468,2

-822,2

-1548

-359,5

-842,7

+90,25

-393

34,2

Рассмотрим реакцию, идущую с образованием газообразного азота в качестве конечного продукта восстановления нитрата натрия.

10FеWO4 + 2NaNO3 + 9Na2CO3 = 5Fe2O3 + 10Na2WO4 + N2 + 2CO2                             (5).

В результате реакции степень окисления азота меняется максимально, побочных растворимых солей, кроме вольфрамата натрия, не образуется. Расчет энтальпии реакции дает значение ΔНОРЕАКЦ= — 471,6 кдж, то есть реакция экзотермическая и принципиально возможен СВС.

Так, как соотношение вольфрамат железа — нитрат натрия для этой реакции величина постоянная, то проведем расчёты для реакций меняя количество карбоната натрия.

Уменьшая количество карбоната натрия до нулевого значения, получим реакцию:

10FеWO4 + 2NaNO3 = 5Fe2O3 + 9WO3+Na2WO4 + N2                                              (6).

В общем виде можно записать:

10FеWO4 + 2NaNO3 + nNa2CO3 = 5Fe2O3 + (9-n) WO3 +(n+1)Na2WO4 + N2 + nCO2 (7);

где n — количество молей карбоната натрия, введенного в реакцию.

Рассмотрим реакцию вольфрамата железа с нитратом натрия и карбонатом натрия с изменением степени окисления азота от +5 до +2. Эта реакция наиболее вероятна с точки зрения конечного продукта — монооксида азота (NО), который является несолеобразующим оксидом и очень устойчив.

6FеWO4 + 2NaNO3 + 5Na2CO3 = 3Fe2O3 + 6Na2WO4 + 2NО + 5CO2                              (8)

Приведем также данные расчетов по суммарной удельной теплоемкости реакционной смеси по продуктам реакции для серии реакций (7) и (10, а также подъем температуры ожидаемый в зоне реакции (табл.4).

Таблица 2

n

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

СрОΣпродуктов реакции(7) кдж·К-1

1,35

1,46

1,56

1,62

1,77

1,87

1,97

2,08

2,18

2,28

ΔТ реакции(7) ОС

563

500

445

402

355

318

285

255

228

204

СрОΣпродуктов реакции(10) кдж·К-1

0,74

0,98

1,09

1,19

1,29

1,40

-

-

-

-

ΔТ реакции(10) ОС

245

152

108

72

42

16

-

-

-

-

 

Из таблицы видно, что подъем температуры до плавления нитрата натрия возможен при соотношениях компонентов соответствующих реакциям n = 0÷5(7). При температуре исходной смеси 25О С и потери тепловой энергии на плавление 32 кдж, для реакции n = 5(7) может быть достигнута температура продуктов реакции 328,1О С. Для реакций n = 6 ÷ 9(7) тепловыделения недостаточно для плавления нитрата и хода процесса взаимодействия при начальных условиях в 25О С.

Выводы:

1.                  Экзотермические реакции в системе FеWO4, NaNO3, Na2CO3 возможны при таких соотношениях компонентов, в результате которых степень окисления азота меняется с N5+ до N2+ или до N0.

2.                  Наибольшее тепловыделение ожидается в реакциях с выделением молекулярного азота и наименьшим количеством вольфрамата натрия в качестве продукта реакции.

3.                  Для реакций, в результате которых, получается монооксид азота необходим предварительный нагрев реакционной смеси до температуры не менее 300О С.

4.                  Концентрационные пределы, при которых ожидается самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), характеризуются весовыми соотношениями FеWO4:NaNO3:Na2CO3, как 17,87: 1:(0÷5,61) для реакций с выделением молекулярного азота; а для реакций с выделением монооксида азота FеWO4: NaNO3:Na2CO3 соответственно10,87:1:(0÷3,12).

 

Литература:

 

1.                  Гутарева Н. Ю., Виноградов Н. В. Thermal effects in the oxidation of iron in the Tungstate treatment with sodium nitrate in the presence of sodium carbonate — труды конференции материалы международного симпозиума LFPM-32014. г. Ростов-на-Дону — г. Туапсе, 2–6 сентября 2014 год Выпуск 3, Том 1–386 с. — С. 147–151.

2.                  Гутарева Н. Ю., Сыродой С. В., Соломатов В. В. Concentration organic components in the hydrocarbon fuel particles conditions and characteristic of ignition. EPJ Web of Conferences 76, 01018 (2014). — 01018 — p.6.

3.                  Гутарева Н. Ю., Сыродой С. В., Соломатов В. В. Modelling of heat and mass transfer to solve the problem of particle ignition water-coal fuel. EPJ Web of Conferences 76, 01018 (2014). — 01018 — p.6. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 66 (2014) 012040

4.                  Гутарева Н. Ю., Сыродой С. В., Соломатов В. В. Effect of structural heterogeneity water-coal fuel conditions and characteristics of ignition. EPJ Web of Conferences Volume82, 2015. — 01037 — p.5. IOP Conf. Series: Thermophysical Basis of Energy Technologies 66 (2014) 012040

5.                  Химия и технология редких и рассеянных элементов. Часть 3. Под ред. К. А. Большакова. — М.: Высшая школа, 1978. — 320 с.

6.                  Краткий химический справочник. Рабинович В. А., Хавин З. Я. Под ред. А. А. Потехина и А. И. Ефимова. — Л.: Химия, 1991. — 432 с.

7.                  Термические константы веществ. Выпуск 7, Часть 1. Под ред. В. П. Глушко. М.: Высшая школа, 1978. — 342 с.

8.                  Справочник по плавкости систем из безводных неорганических солей. Том 1, Двойные системы. Под ред. Н. К. Воскресенской. — АН СССР. М.: Химия, 1961. — 132 с.

Основные термины (генерируются автоматически): реакция, карбонат натрия, вольфрамат железа, окисление азота, нитрат натрия, высокотемпературный синтез, молекулярный азот, монооксид азота, вольфрамат натрия, соотношение компонентов.


Похожие статьи

К вопросу о тепловых эффектах в реакциях окисления...

Ключевые слова:химическая реакция, нитрат натрия и карбонат натрия, реагент, вольфрамат железа, окислителели, высокотемпературный синтез. Так как соотношение окислителя к восстановителю менять нельзя, то так же, как и в предыдущем случае...

Синтез и исследование гексамолибденокобальтата (III) натрия

Тепловые эффекты в реакциях окисления вольфрамата железа при обработке нитратом натрия в присутствии карбоната натрия.

Исследование процесса конверсии сульфата натрия нитратом...

Тепловые эффекты в реакциях окисления вольфрамата железа при обработке нитратом натрия в присутствии карбоната натрия.

Технология получения ферратов, предусматривающая...

III, феррат калия, высокотемпературное окисление, нитрат калия, оксид железа, феррат натрия, оксид калия, электрохимическое окисление, химическое окисление, твердый вид. Ключевые слова.

Статьи по ключевому слову "нитрат натрия и карбонат натрия..."

"нитрат натрия и карбонат натрия": Молодой учёный №8 (88) апрель-2 2015 г. — Гутарева Н. Ю., Виноградов Н. В. Тепловые эффекты в реакциях окисления вольфрамата железа при обработке нитратом натрия в присутствии карбоната натрия.

Усовершенствование процесса получения цианистого натрия

Технология получения технического хлористого натрия из галитовых хвостов. Исследование процесса конверсии сульфата натрия нитратом и нитритом кальция. Тепловые эффекты в реакциях окисления вольфрамата железа при обработке нитратом натрия в присутствии...

Статьи по ключевому слову "вольфрамат железа" — Молодой...

Тепловые эффекты в реакциях окисления вольфрамата железа при обработке нитратом натрия в присутствии карбоната натрия. Молодой учёный №8 (88) апрель-2 2015 г. — Гутарева Н. Ю., Виноградов Н. В.

Исследование окислительных и адсорбционных свойств...

Окислительные свойства двуокиси марганца исследовали по появлению в растворе двухвалентного марганца окислением до перманганата персульфатом натрия в присутствии нитрата серебра. Двуокись марганца представляет собой линейную полярную молекулу с...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

К вопросу о тепловых эффектах в реакциях окисления...

Ключевые слова:химическая реакция, нитрат натрия и карбонат натрия, реагент, вольфрамат железа, окислителели, высокотемпературный синтез. Так как соотношение окислителя к восстановителю менять нельзя, то так же, как и в предыдущем случае...

Синтез и исследование гексамолибденокобальтата (III) натрия

Тепловые эффекты в реакциях окисления вольфрамата железа при обработке нитратом натрия в присутствии карбоната натрия.

Исследование процесса конверсии сульфата натрия нитратом...

Тепловые эффекты в реакциях окисления вольфрамата железа при обработке нитратом натрия в присутствии карбоната натрия.

Технология получения ферратов, предусматривающая...

III, феррат калия, высокотемпературное окисление, нитрат калия, оксид железа, феррат натрия, оксид калия, электрохимическое окисление, химическое окисление, твердый вид. Ключевые слова.

Статьи по ключевому слову "нитрат натрия и карбонат натрия..."

"нитрат натрия и карбонат натрия": Молодой учёный №8 (88) апрель-2 2015 г. — Гутарева Н. Ю., Виноградов Н. В. Тепловые эффекты в реакциях окисления вольфрамата железа при обработке нитратом натрия в присутствии карбоната натрия.

Усовершенствование процесса получения цианистого натрия

Технология получения технического хлористого натрия из галитовых хвостов. Исследование процесса конверсии сульфата натрия нитратом и нитритом кальция. Тепловые эффекты в реакциях окисления вольфрамата железа при обработке нитратом натрия в присутствии...

Статьи по ключевому слову "вольфрамат железа" — Молодой...

Тепловые эффекты в реакциях окисления вольфрамата железа при обработке нитратом натрия в присутствии карбоната натрия. Молодой учёный №8 (88) апрель-2 2015 г. — Гутарева Н. Ю., Виноградов Н. В.

Исследование окислительных и адсорбционных свойств...

Окислительные свойства двуокиси марганца исследовали по появлению в растворе двухвалентного марганца окислением до перманганата персульфатом натрия в присутствии нитрата серебра. Двуокись марганца представляет собой линейную полярную молекулу с...

Задать вопрос