Fe(II) en Fe(III) berekenen

[R.Kerkhoff]

Ik probeer een massabalans van ons proces op te stellen. Daarbij loop ik tegen een probleem op bij de bepaling van Fe(II) en Fe(III).
 
 
Ik heb de volgende reacties;
 
FeCl2 + O2 + H2O -> Fe2O3 + HCl + O2
en
FeCl3 + O2 + H20 -> Fe2O3 + HCl
 
Beide reacties gebeuren gelijktijdig en zijn afkomstig van één stofstroom. (De stofstroom is dus een mengsel van Fe(II) en Fe(III).)
 
 
Ik weet wel hoeveel Fe(II) er in de stofstroom aanwezig is, maar het Fe(totaal) en Fe(III) is onbekend. Daarnaast weet ik hoeveel Cl(totaal) er aanwezig is. Mijn vraag is nu hoe kan ik weten hoeveel Fe(II) en hoeveel Fe(III) er in de stofstroom zit, zonder extra analyse? Wie kan mij dit uitleggen? 
 
 
Alvast bedankt, Remco

[Jan van de Velde]

Opmerking moderator

Dit onderwerp past beter in het huiswerkforum en is daarom verplaatst.

[Wdeb]

Als weet wat Fe(II) is én je weet de totale hoeveelheid Cl^- er is, zou je de hoeveelheid Fe(III) moeten kunnen bepalen.
 
Want de enige bron van de chloride zijn de ijzerverbindingen.... doe eens een voorstel van de oplossing.
 
Wdeb

[R.Kerkhoff]

Het is een zoutzuur winning uit ijzerchloride waarbij ijzeroxide gevormd wordt volgens de volgende reactie;
 
FeCl2 + O2 + H2O -> Fe2O3 + HCl
en
FeCl3 + H2O -> Fe2O3 + Cl2
 
De oplossing bestaat dus uit FeCl2 + FeCl3 + H2O.
 
Maar nu het lastige deel. Er zit een gedeelte aan HCl in de oplossing. Dus het wordt compleet:
 
FeCl2 + FeCl3 + H2O + HCl.
 
Ik weet hiervan;
het Fe2 gehalte (gram/liter)
het soortelijk gewicht (kg/liter)
het Cl2 gehalte (gram/liter)
het HCl gehalte (gram/liter)

[Marko]

Je omschrijving is nog niet helemaal duidelijk.
Als ik het goed begrijp wil je de samenstelling van je aanvoerstroom berekenen uit de gegevens die je hebt. De reactie die je er mee uitvoert is wat dat betreft niet belangrijk. Die wordt pas belangrijk als je een van de gevormde producten zou bepalen, bijvoorbeeld de massa Fe₂O₃. Maar dat betekent een extra analyse en dat wilde je niet.
 
Voor de rest is niet helemaal duidelijk wat je nu precies van de aanvoerstroom weet. Je noemde eerder dat je het gehalte Fe²⁺ kent en het gehalte Cl. Later spreek je van HCl en Cl₂. Welke is het nu, of liever gezegd: met welke techniek heb je deze gegevens bepaald?
 
In ieder geval is het zo, dat als je aanvoerstroom bestaat uit FeCl₂, FeCl₃ en HCl en je alleen Fe²⁺ en het totale gehalte aan Cl weet, je deze vraag niet kunt beantwoorden.
 
Stofbalansen die je kunt opstellen zijn immers:
 
Cl_totaal  (bekend) = 2 c_FeCl2 + 3 c_FeCl3 + c_HCL  
c_FeCl2 = [Fe²⁺] (bekend)
c_FeCl3 = [Fe³⁺] (onbekend)
c_HCL = [H⁺] (onbekend)
 
(dit alles in molaire concentraties), heb je massa's, dan moet je dus even omrekenen.
 
Als je H⁺ kent, kun je de rest wel bepalen. Maar zonder die informatie blijf je altijd een onbekende meer houden dan je aan vergelijkingen hebt.
 
Je hebt maar een uitweg, maar die uitweg gaat je hooguit een benadering opleveren. Als je aanneemt dat er door het oplossen van HCl, FeCl₂ en FeCl₃ geen volumeverandering oplevert, kun je met behulp van je dichtheid uitrekenen wat de totale massa aan HCl, FeCl₂ en FeCl₃ is. Dan kun je dus ook uitrekenen wat de massa FeCl₃ + HCl is. En dan kun je, gebruikmakend van de bekende totale hoeveelheid Cl en de molmassa's van FeCl₃ en HCl, uitrekenen welk gedeelte daarvan FeCl₃ is en welk gedeelte HCl.

[Jan van de Velde]

 
Stofbalansen die je kunt opstellen zijn immers:
 
Cl_totaal  (bekend) = 2 c_FeCl2 + 3 c_FeCl3 + c_HCL  
c_FeCl2 = [Fe²⁺] (bekend)
c_FeCl3 = [Fe³⁺] (onbekend)
c_HCL = [H⁺] (onbekend)
 

 
die is ook bekend
 

 Daarnaast weet ik hoeveel Cl(totaal) er aanwezig is. 
 

 
 
 

 
Ik weet hiervan;
het Fe2 gehalte (gram/liter)
het soortelijk gewicht (kg/liter)
het Cl2 gehalte (gram/liter)
het HCl gehalte (gram/liter)

alles is er dan toch, of zie ik iets over het hoofd?

[Wdeb]

Er is geen reden om aan te nemen dat in de aanvoerstroom HCl is, gezien de vergelijkingen die geponeerd worden (waarvan ik nu zie dat de tweede wel heeeeel erg raar is).
 
Er staat ook niet dat er Fe(II)/(III) vrij voorkomt voor de reactie, maar enkel erna. Daarbij gaan we er maar vanuit dat beide reacties voor 100% verlopen.
 
Maar je komt nu wel weer met totaal andere stoffen aan en daarvan de gehalten...huh?
 
Als je Cl₂ weet, dan weet je dus ook hoeveel FeCl₃ er vooraf was. En dus hoeveel Fe(III). En die verandert niet in dit proces.
Zover ik kan zien, is je HCl gelijk aan de verdwenen hoeveelheid FeCl₂
 
Maar, ik vermoed dat je bij een betere context voor ons een beter antwoord zult verkrijgen. Dus geef de  juiste informatie, niveau etc.
 
Wdeb

[Marko]

 
die is ook bekend
 
 
 
 
alles is er dan toch, of zie ik iets over het hoofd?

 
Als het HCl-gehalte bekend is, dan zie je niets over het hoofd. Maar ik vraag me af of dat wel zo is, want de TS spreekt zichzelf in bericht #1 en #4 tegen. Eerst is er sprake van het bepalen van het totale gehalte aan Cl (dit is dus een elementaire analyse), daarna van HCl en van Cl₂ waarbij ook nog niet duidelijk is wat die daar doet en waar die vandaan komt.
 
Dus eerst maar eens duidelijk krijgen wat er echt gemeten is.

[R.Kerkhoff]

Ik zal het even anders beschrijven. Gister zonder al te veel tijd even gepost, en ben inmiddels op mijn werk.
 
 
Wij regenereren zoutzuur bij een staal bedrijf. Dit staal bedrijf beitst hun geproduceerde staal schoon met dit zoutzuur. Hierbij wordt ijzeroxide (FeO) van het staal verwijderd. 
Het zoutzuur wordt hier omgezet naar IJzer(II)chloride.
Het IJzer(II)chloride ontvangen wij om weer om te zetten naar opnieuw inzetbaar zoutzuur (regenereren).
Voor dat bij ons het zoutzuur gevormd wordt, gebruiken we het IJzer(II)chloride om een klein gedeelte Cl2 uit het proces "scrubben". (Het Cl2 wordt in kleine hoeveelheden gevormd bij het regeneratieproces, zie formules.) Hierbij wordt IJzer(III)chloride gevormd.
 
In formulevorm is dit;
 
Beitsproces:
FeO + 2 HCl -> FeCl2 + H2O
(Dit FeCl2 krijgen wij vervolgens toegestuurd.)
 
 
Binnenkomst scrubber:
Cl2 + 2 FeCl2 -> 2 FeCl3
(Het Cl2 is afkomstig uit ons proces. Niet al het FeCl2 wordt gebruikt. Het FeCl3 blijft in dezelfde oplossing, er is dus een mengsel ontstaan van FeCl2, FeCl3 en H2O.)
 
Vorming opnieuw inzetbaar zoutzuur:
4 FeCl2 + 4 H2O + O2 -> 2 Fe2O3 + 8 HCl
en
2 FeCl3 + 3 H2O -> Fe2O3 + 6 HCl
 
en
4 HCl + O2 -> 2 Cl2 + 2 H2O (de vorming van het kleine gedeelte Cl2. Dit wordt als gasvorm door de scrubber geleidt om te worden "gescrubt".)
 
 
 
Analyse:
Nu gebruiken wij een titratieopstelling voor de bepaling van Fe(II) en het totaal Chloride. Met deze gegevens berekend de opstelling het HCl gehalte van de oplossing.
voorbeeld analyseresultaat:
 
Fe(II) 138,1 gr/l
totaal Cl 217,8 gr/l
HCl 44,2 gr/l
 
Er zit dus een gedeelte aan ongebruikte HCl in de oplossing wat wij ook terug ontvangen, en ook door de scrubber leiden. Dit komt omdat het een circulatie is tussen beide processen. Het HCl reageert verder niet, dus staat niet in de formules.
 
Voor het opvangen voor de verliezen uit het proces voeren we af en toe vers zoutzuur toe. Hier zit geen Fe(II) of Fe(III).
 
Ik kan van de oplossing het soortelijk gewicht berekenen.
 
 
 
Het probleem:
Het probleem bij deze situatie is dat er geen rekening gehouden wordt met het Fe(III). Er zit dus een gedeelte aan Fe(III) in de oplossing, wat ook een binding aan is gegaan het Cl.
Hierdoor meet onze opstelling (volgens mij) wel het totaal Chloride, maar zit er veel meer in, gebonden aan het Fe(III), en klopt de berekening tot HCl ook niet.
 
Ook als de analyse geen Fe(II) meet (bijvoorbeeld wanneer we het verlies herstellen met het vers zuur) dan kan de opstelling geen berekening uitvoeren tot HCl, terwijl dit er wel daadwerkelijk inzit. Dit komt omdat de opstelling geen "0 gram/liter" invuld wanneer er niets te meten is, maar "invalid".
 
 
 
 
Wat wil ik nu weten/bereiken?
Ik probeer nu een massabalans op te stellen welke het Fe (II), Fe(III),  (juiste) HCl en totaal Cl gehalte kan berekenen a.d.h.v. de huidige analyseresultaten.
Ik wil dan dat de gegevens in te vullen zijn zodat operators het bekende Fe(II) en totaal Cl met eventueel soortelijk gewicht o.i.d. in kunnen vullen, en zo achter het Fe(III) en juiste HCL kunnen komen van de analyse op dat moment.
 
Er is ooit zo een berekening bekend geweest, alleen is deze in de loop der tijd verdwenen uit de documentatie, ik kan ook nergens informatie vinden over de gebruikte formules. Ik zie zelf door de bomen het bos niet meer, en haal ook de termen snel door elkaar. Welke informatie heb ik nodig om zo een berekening op te kunnen stellen? En hoe kan ik nu de gewenste gegevens berekenen??
 
 
(Excuus voor de rommelige uitleg voorheen!) Alvast bedankt,
 
Remco

[R.Kerkhoff]

Je hebt maar een uitweg, maar die uitweg gaat je hooguit een benadering opleveren. Als je aanneemt dat er door het oplossen van HCl, FeCl₂ en FeCl₃ geen volumeverandering oplevert, kun je met behulp van je dichtheid uitrekenen wat de totale massa aan HCl, FeCl₂ en FeCl₃ is. Dan kun je dus ook uitrekenen wat de massa FeCl₃ + HCl is. En dan kun je, gebruikmakend van de bekende totale hoeveelheid Cl en de molmassa's van FeCl₃ en HCl, uitrekenen welk gedeelte daarvan FeCl₃ is en welk gedeelte HCl.

 
 
@Marko, dit zou inderdaad de oplossing kunnen leveren. Het hoeft gelukkig niet al te exact, dus de volumeverandering is ook te verwaarlozen.
Ik begrijp alleen niet helemaal hoe ik dit dan zal moeten berekenen. Ik raak hierbij in de war met het gedeelte H2O in de oplossing. Ik zal daar toch rekening mee moeten houden? Hoe kan ik dan achterhalen hoeveel H2O er in de oplossing zit als ik ook het Fe(III) niet weet?

[Jan van de Velde]

Opmerking moderator

we gaan dit maar eens terug in het scheikundeforum zetten.....

[R.Kerkhoff]

alles is er dan toch, of zie ik iets over het hoofd?

 
@ Jan, Het HCl gehalte is inderdaad bekend, maar dit is een berekening welke geen rekening houdt met Fe3;
 
a.d.h.v. de kennis van het totaal Cl en het Fe2 gehalte is te berekenen hoeveel Cl er over blijft (dit wordt ongebonden Cl). Dit ongebonden Cl moet dus HCl vormen, er is geen andere mogelijkheid. Het probleem is nu juist dat zodra er Fe3 aanwezig is, er ook Fe2Cl3 gevormd wordt. Dus het ongebonden Cl moet nu "verdeeld" worden over twee onbekende hoeveelheden.
 
Wat ik nu wil weten is hoe ik het Fe3 gehalte wél kan berekenen. (Als dat uberhaubt mogelijk is!)
 
@Marko, je hebt inderdaad een punt (en ik mijzelf inderdaad tegenspreek) dat we alleen het totaal Cl meten (en dus geen Cl2) en het Fe2. Het HCl wordt dus berekend, maar deze berekening houdt geen rekening met de aanwezigheid van Fe3. 

[Wdeb]

Het "totaal Cl" is dus eigenlijk: De concentratie Cl^- ? Dus heeft het niks te maken met de Cl₂?
 
Dus je meet enkel het volgende:
Fe²⁺ 138,1 g/l
Cl^- 217,8 g/l
 
En hieruit wordt op de één of andere manier het volgende afgeleid:
HCl 44,2 g/l
 
Ik zeg dit zo omdat ik, als ik enkel rekening houd met het Cl- dat bij het FeCl2 hoort, dan komt ik niet op 44,2 g. Wel in de buurt, maar niet erop. Zit hier misschien nog een omrekenfactor achter? Je spreekt over een opstelling die het HCl-gehalte berekent. Is het echt een blackbox met Oempa-Loempa's erin?
Dat doet mij gelijk benieuwen naar de titratie. Mag je zeggen hoe, wat etc?
 
Ik stel deze vragen omdat je weet dat het ooit wel werkte, maar iemand de documentatie verloren heeft laten gaan...en dan blijkt in bedrijven wel vaker gewoon met "het werkt dus het is goed"-methoden door gegaan te worden. Totdat er iemand het bedrijf verlaat of er een irritante, betweterige stagiaire binnen komt....
 
Toch is dit best een interessante puzzel tot nu toe.
 
Wdeb

[R.Kerkhoff]

 
 Is het echt een blackbox met Oempa-Loempa's erin?
 

 
Haha was het maar waar, dat zou pas een leuk verhaal worden om het uit te leggen Nee, geen Oempa-Loempa's helaas.
 
 
We gebruiken een Metrohm opstelling van Applikon. Maken gebruik van de "Tiamo" software. De opstelling meet d.m.v. titratie met:
 
AgNo3 het chloride gehalte (ik ben altijd in de veronderstelling geweest dat dit het totaal chloride is geweest...) Laten we dit X noemen.
 
CeSO4 het Fe2+ gehalte. Deze noemen we Y.
 
De formule welke de Metrohm gebruikt voor de HCl berekening is als volgt;
 
HCl = ( X / 35,45) - ( Y / 28 ) * 36,45
 
Als je meer specifieke info wilt dan hoor ik dat graag.
 
 
Als ik zelf de berekening maak, uitgaande dat ik dan het totaal chloride weet, dan kom ik ook op een iets ander resultaat. Dit scheelt enkele tiende, ik vermoed dat dit komt door het afronden en het niet gebruiken van de exacte atomaire massa's.
 
Tot zover snap ik de Fe2+ bepaling en de berekening ook, alleen houdt deze berekening dus geen rekening met de aanwezigheid van Fe3+... Hoe ik achter die waarde kan komen zonder extra analyse blijft mij een raadsel.
Ik dacht nog aan de optie om a.d.h.v. de pH waarde te berekenen wat de concentratie HCl moet zijn, zodat ik ook die hoeveelheid exact bereken. Dan kan ik die waarde ook van het totaal Chloride halen. Wat er dan over blijft moet dan gebonden zijn aan Fe3+... Maar daar kom ik ook niet helemaal uit... Of dat inderdaad een mogelijkheid is weet ik ook niet. Ik vermoed dat het ijzerchloride ook invloed op de pH moet hebben...

[Marko]

@Marko, dit zou inderdaad de oplossing kunnen leveren. Het hoeft gelukkig niet al te exact, dus de volumeverandering is ook te verwaarlozen.

Ik begrijp alleen niet helemaal hoe ik dit dan zal moeten berekenen. Ik raak hierbij in de war met het gedeelte H2O in de oplossing. Ik zal daar toch rekening mee moeten houden? Hoe kan ik dan achterhalen hoeveel H2O er in de oplossing zit als ik ook het Fe(III) niet weet?

We gaan uit van het volgende voorbeeld (met fictieve getallen, ik hoop dat dat het wat inzichtelijk maakt.)

De oplossing heeft een dichtheid van 1.2 (g/mL)

We zijn ervan uitgegaan dat oplossen van FeCl₂, FeCl₃ en HCl niet tot een volume-toename heeft geleid. De oplossing bestaat dan dus uit 1000 g water (beter: 980, maar met 1000 rekent wat makkelijker) en 200 g andere stoffen.

Nu bepalen we Fe²⁺ en vinden 56 g/L. Dat komt overeen met 1 mol Fe²⁺ en dus ook 1 mol FeCl₂ per liter (127 g/L en dus 71 g/L aan Cl^- ionen afkomstig van FeCl₂)

Ook vinden we dat het gehalte Cl^- gelijk is aan 100 g/L. Er is dus 100-71 = 29 g/L afkomstig van FeCl₃ en HCl

Het totale gehalte FeCl₃ en HCl is 200-127 = 73 g/L. Hiervan wordt 29 g/L geleverd door de Cl^- ionen en 73-29 = 44 g dus door Fe³⁺ (molmassa: 56) en H⁺ (molmassa: 1)

Je kunt dus zeggen: 56 * n_FeCl3+ 1 * n_HCl = 44
 
Hierbij staat n voor de hoeveelheid in mol
Verder weet je dat 3 * n_FeCl3+ 1 * n_HCl = 29/35.5
(omdat iedere mol Fe³⁺ overeenkomt met 3 mol Cl^- en iedere mol H⁺ met 1 mol Cl^-)
 
Dit zijn 2 vergelijkingen met 2 onbekenden. En dat is op te lossen.
 
Door de tweede vergelijking van de eerste af te trekken staat er
 
53 * n_FeCl3= 44-29/35.5
 
En zo kun je uitrekenen wat n_FeCl3is. Daarna kun je ook uitrekenen van n_HClis.
 
 
Dit dus onder de aanname dat er door het oplossen van de stoffen geen volumetoename is, en dat er geen andere