Изучение процесса выделения вяжущих соединений магния и кальция растворением доломита в азотной кислоте

АННОТАЦИЯ

В данной статье даны сведения о природном магнийсодержащем минерале-доломит, о его разложении на соли кальция и магния при действии на него азотной кислотой. Описан процесс проведения данного эксперимента. В статье имеется таблица, в которой даны сведения о составе минерала доломит. Описаны стадии процесса разложения доломита с получением солей магния и кальция и области применения полученных продуктов. В статье также приведены формулы химических реакций, происходящих в процессе разложения.

ABSTRACT

This article provides information on the natural magnesium-containing mineral dolomite, on its decomposition into calcium and magnesium salts when exposed to nitric acid. The process of conducting this experiment is described. The article has a table that gives information about the composition of the dolomite mineral. The stages of the decomposition of dolomite with obtaining salts of magnesium and calcium and the scope of the products obtained are described. The article also provides formulas for chemical reactions that occur during decomposition.

Ключевые слова: сульфат кальция, доломит, гигроскопическая точка, влажность.

Keywords: calcium sulfate, dolomite, hygroscopic point, humidity.

Доломит – природный магний содержащий материал, в состав которого входят карбонаты магния, кальция и примеси придающие цвет. Состав доломита не однороден. Содержание компонентов колеблется, зависит от месторождения, а также уровня залегания пластов природного сырья. Перед использованием в производстве необходимо проведение анализов.[1]

Таблица 1.

Состав доломита месторождений Шорсу

Соединения магния находят широкое применение. Доломит может быть хорошим сырьем для получения чистых соединений магния и кальция. Разделить магний и кальций механическим путем невозможно. Одним из направлений переработки магний содержащих минералов является химический метод, который заключается в растворении доломита в азотной кислоте и дальнейшем химическом осаждении целевых компонентов. Метод химического разделения магния и кальция основан на сходстве и различии химических и физических свойств кальция и магния. Так карбонаты и гидроксиды магния и кальция не растворимы в воде, воздействие на раствор нитратов магния и кальция растворами щелочей не приведет к разделению элементов. Необходимо поочередно осаждать нерастворимые в воде соединения магния и кальция. При воздействии на раствор нитратов магния и кальция раствором сульфата в результате обменной реакции образуется и выпадает в осадок сульфат кальция. После отделения сульфата кальция и очистки раствора от примесей железа возможно осаждение магния в виде гидроксида или карбоната.

Процесс получения MgО проходит в несколько стадий:

1. Растворение доломита в азотной кислоте.

2. Фильтрование прореагировавшей смеси.

3. Осаждение кальция.

4. Отделение осадка сульфата кальция и его сушка.

5. Осаждение примесей железа.

6. Осаждение магния.

7. Отделение карбоната магния и его сушка.

8. Прокаливание карбоната магния с получением оксида магния.

9. Использование конечного фильтрата.

Растворение доломита в азотной кислоте протекает по следующим основным реакциям

Mg CO₃ + 2HNO₃ = Mg (NO₃)₂ + H₂O + CO₂↑

CaCO₃ + 2HNO₃ = Ca(NO₃)₂ + H₂O + CO2↑

Основываясь на вышеизлаженной теории проведены эксперименты. Опыт проводил следующим образом: в стакан с 56%-ой азотной кислотой небольшими порциями при постоянном перемешивании вносили измельченный доломит. Предварительно был произведён расчет расхода реагентов. При внесении первых порций доломита признаки протекающей реакции наблюдались через 30-40 секунд. Начинает выделяться углекислый газ. При дальнейшем внесении доломита газ выделяется более интенсивно и образуется пена коричневого цвета. Объем пены больше объема взятой для опыта азотной кислоты в три-четыре раза и зависит от массы очередной порции доломита. В начале растворения пена оседает достаточно быстро, за 20-30 секунд. После внесения 50-60% доломита от расчетного количества образуется более устойчивая пена. Если внести большую порцию, наблюдается сильное пенообразование, которую невозможно удалить даже при интенсивном перемешивании и пена переливается через край стакана. После внесения последней порции доломита и оседания пены определен уровень рН  среды, который был равен рН=3-4. Добавляя доломит в стакан достигается рН=5-6. Процесс проводится в течение 6 часов. Много времени занимает оседание пены. В итоге в стакане образовалась достаточно густая смесь темно-коричневого цвета, на дне стакана осели не растворившиеся частицы.

Фильтрование прореагировавшей смеси проводят с целью отделения примесей не растворимых в азотной кислоте.Фильтрование вели с применением вакуума, так как фильтрование под действием собственного веса оказалось практически невозможным. На фильтре остался осадок из небольших кусочков серо-коричневого цвета, кристаллов от прозрачных бесцветных до молочно белых разного размера (от размеров песчинки до горошины), и очень тонкий осадок коричневого цвета похожий на глину. Осадок на фильтре промыли тремя порциями горячей дистиллированной воды, промывные воды собрали в фильтрат. Получили фильтрат соломенно-желтого цвета. В состав фильтрата входят в основном растворимые в воде нитраты кальция и магния, и небольшие количества солей железа, которые и придают желтую окраску раствору.

Таблица 2.

Состав доломита месторождений Шорсу после прокаливания

Кальций из растворов можно осадить в виде сульфата раствором водорастворимого сульфата, например сульфатом натрия.

Процесс протекает по реакции

Ca(NO₃)₂ + (NН₄)₂SO_{4 =} СаSO4↓ + 2 NН₄NO₃

Если в качестве осадителей кальция и магния применять сульфат натрия и гидроксид натрия конечный фильтрат будет содержать нитрат натрия и небольшое количество ионов кальция, магния, сульфатов. Нитрат натрия можно выделить, для этого фильтрат упаривают до влажной соли, отделяют ее фильтрованием и высушивают.

MgO образуется при прокаливании гидроокиси и многих других соединений магния. Окись магния плавится при 2800^оС, растворимость ее в во­де составляет 0,00062 г/100 г при 20^оС. Аморфная окись магния, полученная прокаливанием соединений магния при низких температу­рах, гигроскопична, легко поглощает из воздуха влагу и углекислый газ с образованием основных карбонатов; хорошо растворяется в кислотах и в солях аммония. При прокаливании до 1000^оС и выше образуется кристаллическая окись магния (кубическая сингония), которая теряет способность поглощать влагу и растворяться в кислотах.

По литературным данным, прокаленная при 1000^оС окись магния не меняет своего веса, если даже оставить на один час на воздухе. Все же желательно ох­лаждать окись магния при весовых определениях в эксикаторе и взвеши­вать по возможности быстро.

Оксид магния встречается в природе в виде минерала периклаза. Получае­мый прокаливанием природного магнезита оксид магния является исходным продуктом и для получения самого магния, и для получения искусственных строительных материалов ("ксилолит"). В основе ксилолита лежит магне­зиальный цемент, получаемый смешиванием прокаленного оксида магния с 30% раствором хлорида магния. Образование полимерной структуры из ато­мов магния, связанных в цепь -O-Mg-O-Mg-O-, приводит к тому, что смесь через несколько часов образует белую, очень прочную и легко полирующу­юся массу. При изготовлении ксилолита к смеси примешивают древесные опилки и другие наполнители. Ксилолитовые плиты используют для покры­тия полов.[3]

Карбонат магния (MgCO₃) - бесцветное кристаллическое вещество, труднораствори­мое в воде - растворимость его 0,0094 г/100г при 18^оС.

Карбонат из водных растворов выделяется лишь в присутствии большого избытка ок­сида углерода (IV) CO₂; обычно образуются основные карбонаты. Из них основной карбонат 3MgCO₃*Mg(OH)₂*3H₂O - соединение, труднорастворимое в воде (0,04 г/100г), но растворимое в солях аммония. При 900-1000^оС разлагается с образованием окиси магния. При пропускании уг­лекислого газа через водную взвесь карбоната магния происходит его растворение, благодаря образованию кислой соли (гидрокарбоната).

→ MgCO₃+CO₂+H₂O Mg(HCO₃)₂

Двойной карбонат магния и кальция MgCO₃*CaCO₃ - доломит - самое расп­ространенное природное соединение магния, образует огромные залежи, в которых минерал часто бывает окрашен примесями в более или менее тем­ные цвета. Карбонаты магния - магнезит и доломит широко применяют для изготовления огнеупорных материалов путем обжига их до оксидов. Такие материалы идут, например, на обкладку внутренней поверхности конверте­ров для производства стали. Полуобожженный доломит - смесь MgO и CaCO₃ используют для изготовления строительных плит и в качестве добавки в почву и воду для уменьшения их кислотности.[2]

Искусственно приготовленный основной карбонат магния является исходным материалом для приготовления других соединений магния, он растворяется в кислотах гораздо быстрее, чем магнезит.

Кроме того, его применяют как составную часть пудры, зубных порошков, а так же как наполнитель в производстве красок, бумаги и резины.[3]

Список литературы:

1. Мухленов И.П., Горштейн А.Е., Тумаркина Е.С., Кузичкин Н.В. Основы химической технологии // Учебник- М.: Высш.шк., 1991.
2. Тожимаматова М.Ё. Изучение процесса выделения соединений магния из доломитов месторождения Шорсу // Universum: Технические науки: электрон.научн. журн. 2019. № 11(68). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/8250 (дата обращения: 18.06.2020).
3.  Электронный ресурс Режим доступа: URL:https://fialka.tomsk.ru/forum/viewtopic.php?t=34341