Размещено на http://www.allbest.ru/

Кіровоградський державний педагогічний університет

імені Володимира Винниченка

Природничо-географічний факультет

Кафедра хімії

Лекція

з неорганічного синтезу

НЕОРГАНІЧНЙ СИНТЕЗ І ЙОГО РОЛЬ В ХІМІЇ

Кіровоград 2006

У відмінності від інших природничих наук хімія сама собі утворює об'єкти свого дослідження. Скінчився час, коли хіміки вивчали насамперед речовини, які утворені самою природою та існують на Землі в готовому вигляді. З декількох мільйонів відомих сьогодні хімічних сполук тільки невелика частка складає ті, які існували ще до появи людини і не пов'язані з її створювальною діяльністю. Частка мінеральних речовин падає поступово, так як число природних мінералів постійне, а загальна кількість неорганічних речовин зростає не декілька тисяч кожний рік.

Отримання речовин, неіснуючих в природі в готовому вигляді, почалося дуже давно. Ще в ХІІ-ХV сторіччях алхіміки вміли добувати сульфатну кислоту (spiritus vitrioli), соляну кислоту (spiritus salis), нітратну кислоту (aqua fortis), амоніак (alcali valatile ) деякі інші неорганічні сполуки.

Однак до другої половини ХVІІІ сторіччя поява нових неорганічних речовин мала випадковий, епізодичний характер, а ті, хто відкривав їх, практично не мали уяви про їх склад. Про структуру сполук мова зовсім не йшла. Тільки після Антуана Лорана Лавуз'є (1743-1794) синтез неорганічних сполук стає цілеспрямованим процесом з кінцевим результатом.

Що таке синтез? В перекладі з грецької мови “синтез” - сполука, конструкція, сполучення, складання. З хімічної точки зору його можна розуміти, як одержання складних сполук, складних молекул, з більш простих складових частин. Однак простота і складність сполук - поняття дуже умовні. Наприклад, що складніше - молекула азотної кислоти НNO₃, чи молекула азотного ангідриду N₂O₅. Однак отримання НNO₃ з азотного ангідриду і води є синтез азотної кислоти. Тому не завжди продукти синтезу мають більш складний характер, ніж вихідних речовин. І це потрібно враховувати.

Деяка сукупність послідовних дій, в результаті яких утворюється бажана хімічна сполука - синтез. Однак, часто пишуть “промисловий” синтез аміаку (азотної кислоти, ацетилену і т.д.) “синтез вихідних речовин”. При цьому мається на увазі одержання відомих речовин по відомим методикам. Тому є різниця між синтезом раніше відомих сполук з метою їх подальшого використання, і синтезом невідомої речовини, тобто відкриттям нової сполуки. Тому неорганічний синтез це не тільки розробка і створення нових методів добування відомих речовин, але і одержання і ідентифікація нових неорганічних сполук. Протягом сторіч, протягом всієї історії хіміки-дослідники синтезували нові сполуки, встановлювали їх склад, визначали властивості ще до того, як в них з'явилась потреба. Відповідні данні заносили в довідники. Зрозуміло, що чим більше речовин синтезували і досліджували, тим більше з'являлось матеріалу для вирішення подальших технічних задач.

Одержання речовини із заданим набором властивостей - одна з основних задач синтезу, однак вирішити її не завжди вдається. А труднощі складаються в тому, що хіміків цікавлять скоріше не категорії властивостей речовин, а категорії складу і структури сполуки, яка синтезується. А пов'язати склад і структуру речовини з її визначеними фізичними властивостями іноді не можливо.

Не існує поки що загальної моделі або теорії, яка б дозволила б обчислювати такі властивості, як густина, електропровідність, температура плавлення, напівпровідність, теплоємність, модуль пружності, границя міцності, виходячи з даних про елементарний склад речовини і взаємне розташування його атомів в просторі. Тому всі основні задачі синтетичної хімії вирішуються емпіричним шляхом, методом проб і помилок, тим самим методом, яким йшла природа у своєму розвитку. Успіхи на цьому шляху дуже різні, однак не всі проби приводять до помилок, а масовість проб забезпечує поступовий рух експериментальної науки.

Основні методи виділення речовин класифікують по характеру фази системи:

І -розчин-тверда речовина:

методи перекристалізації,

іонного обміну

хімічні методи;

II -конденсована фаза (розчин або тверде тіло) - пара:

методи десціляції і сублемації;

III розчин - розчин

(екстракційні методи).

Ми розглянемо тільки ті методи, які часто використовуються в синтезі неорганічних речовин.

Випарювання - це процес виділення розчиненої речовини з розчину шляхом випаровування розчинника. При випарюванні велику роль відіграє площа поверхні розчину, яку ще називають “дзеркалом”. Дійсно, якщо один і той об'єм розчину помістити у хімічний стакан і на велику площину скла, то у останньому випадку рідина випариться набагато швидше, ніж у першому.

Іноді на поверхні розчину утворюється плівка кристалів, яка здержує процес випаровування. Тоді цю плівку руйнують.

Для випаровування в лабораторних умовах використовують скляний або фарфоровий посуд різного розміру і форми. Якщо необхідно випарити велику кількість розчину, то його наливають у фарфорову чашу так, щоб до краю чашки залишилось не менше 2-3 см. Коли об'єм розчину, який необхідно випарити, невеликий, то його наливають в посуд так, щоб рідина займала не більше 2/3 об'єму посуду.

кристалогідрат кристалізація неорганічний синтез

3. Для розділення рідин розчинних між собою, отримання чистої (без домішок) води використовують метод дистиляції (або перегонки)

Дістілляция- перегонка, розділення речовин, що містяться в рідких сумішах, по температурах кипіння з подальшим охолоджуванням пари. У природі вода в чистому вигляді не зустрічається. Океанічна, морська, річкова, колодязна і джерельна вода - це різновиди розчинів солей у воді.

Нагріватимемо над полум'ям спиртівки водопровідну воду в пробірці, закритою корком з газовідвідною трубкою. Кінець трубки опустимо в чисту суху пробірку, поміщену в стакан з льодом. На дні і стінках пробірки, що знаходиться в стакані з льодом, з'являться краплі очищеної води.

Для випарювання в лабораторних умовах використовують різні спеціальні прилади.

Наприклад, якщо розчин містить об'ємистий осад або масу малих кристалів, і необхідно випарити для утворення більш великих кристалів, користуються приладом Шиффа (мал.1), який складається з лійки (1) з ніжками, насадки (2), яка надіта на лійку і має декілька отворів. Ця лійка ставиться на дно фарфорової чашки так, щоб її дно повністю було занурене в розчин. При нагріванні пухирці пару і повітря підіймаються до гори по лійці, захоплюючи частинки осаду. В результаті здійснюється циркуляція осаду і припиняється розбризкування рідини.

Іноді використовують прилад Панкрата (мал.2) особливо в тих випадках, коли розчин дуже піниться при нагріванні і необхідно запобігти перегріву рідини. Апарат складається із U - подібної трубки (1), яку занурюють у водяну баню (2). Кінці трубки сполучають із паровідділювачем (3). Рідина безперервно випарюється з коліна А, і рухається по трубці, за рахунок чого кипіння відбувається тільки на поверхні рідини.

В більшості випадків випарювання проводять в сушильних шафах при відповідній температурі. В них можна випарювати водні розчини або підсушувати вологі осади, які містять велику кількість води.

Іноді шляхом випарювання підвищують концентрацію розчину. Для цього попередньо обчислюють кількість рідини, яку необхідно випарити. Наприклад, із 1 літру 10%-ного розчину КСІ потрібно одержати 30%-ний розчин.(Р10%КСІ=1,05; Р30%КСІ=1,195). Для цього користуються спеціальними формулами:

1. Маса солі у розчині, г; m_солі =, де m_p1-маса розчину,Ср₁- процентна концентрація розчину.

2.Маса розчину після випарювання:

;

3.Об'єм розчину після випарювання:

,

де p - густина.

4.Маса розчину після випарювання:

;

Маса солі, яка міститься у 10%-ному розчині:

г

Така ж маса солі буде міститись в 30%-му розчині. Тобто 105 г солі будуть відповідати 30%. Тоді маса 30%-ного розчину

буде дорівнювати:

100 г - 30 г

х г - 105 г х = г

Його об'єм буде:

295 мл.

Об'єм рідини, яку необхідно випарити: V=1000-295=705 мл.

Рушійна сила процесу випаровування - різниця температур між розчинником та розчином.

Вказана різниця температур називаеться (концентраційною, температурною) депресією, визначається хімічною природою розчинника та розчину і часто досягає великих значень, зростаючи із збільшенням концентрацииі зовнішнього тиску. Напр., у разі випаровування води при 760 мм рт. ст. 50%-ный водний р-р NAOH кипить при 142,2°С ( = 42,2°С), 75%-ный р-р NaOH-при 192°С (= = 92,0).

Для проведення випарювання в промисловості застосовують випарювальні апарати, які працюють під атмосферним і надмірним (до 0,6 Мпа) тиском, або під розрідженням (до 0,008 Мпа). При роботі під надмірним тиском підвищується т-ра кипіння р-ну, тому можливості даного способу обмежені властивостями розчину та теплоносія.

Залежно від способу нагрівання концентрованого розчину випарювальні апарати можуть бути

поверхневі (теплота передається від теплоносія до розчину через стінку)

контактні, в яких теплоносій сполучається безпосередньо з розчином.

Поверхневі апарати. Наїб. поширені апарати з трубчастими гріючими камерами. У таких апаратах розчин знаходиться в трубному просторі, а речовина, яка гріє - у між трубному просторі.

Достойність: багатократне використання теплоти вторинного пара, високий ступінь чистоти цільового продукту, можливість створення апаратів великої одиничної потужності, легкість видалення інкрустуючих відкладень з поверхні кип'ятильних труб.

Поверхневі апарати розділяють на:

- багатократною циркуляцією розчину (природною і примусовою)

- одноразовою циркуляцією ( однопрохідні, або плівкові).

Рух р-ра в апаратах з природною циркуляцією ( рис. 1,а, б, в) здійснюється завдяки різниці щільності парожидкостной суміші в зоні кипения і розчину поза нею ( рис. 1,б) або унаслідок захоплення жидкостиспливаючими бульбашками пара (апарати з кипением р-ра в трубах камери). Ці апарати застосовують для малов'язких розчинів.

У апаратах з винесеною зоною кипения ( рис. 1,а, б) над гріючою камерою встановлена додатково підйомна труба (труба скипіння), яка забезпечує високу швидкість природної циркуляції. Ці апарати призначені для розчинів погано розчинних речовин (NaCl, Na2CO3, CaCO3 і ін.).

Для насичених розчинів добре розчинних солей (напр., NaNO2, NaNO3, NH4NO3, Кс1), застосовують выпарные аппараты, в кип'ятильних трубах якихрозчин не тільки нагрівається, але і кипить ( рис. 1, в). Різновид розглянутих апаратів - выпарные аппараты з двухходовой гріючою камерою (рис 1, г, д).

Рис. 1. Поверхневі апарати а, б, в-з природною циркуляцією; г, д-с двухходовой греющей камерой; е-с примусовою циркуляцією; ж, з, и - плівкові; 1-гріюча камера; 2-сепаратор; 3-брызгоуловитель; 4-труба вскипания; 5-циркуляційна труба; 6-ротор; 7-осевой насос

Плівкові апарати застосовують для сильно пінистих і термочутливих продуктів, напр. у виробництві дріжджів, ферментів, антибіотиків, фруктових соків, кави. Одна з умов нормальної роботи выпарного аппарата - безперервне відведення конденсату первинного пара. Накопичення конденсату в гріючій камері приводить до втрати частини активною повети нагріву і, отже, до зниження продуктивності апарату. Для видалення конденсату без пропуску що не сконденсувався (пролітного) паразастосовують т. наз. конденсатоотводчики. наиб. поширені пристрої поплавців, дія к-рых заснована на відмінності щільності пара і конденсату. Під час вступу пара конденсат витісняється з поплавця, відкритого зверху або знизу; останній спливає і за допомогою штока закриває пропускний отвір.

Контактні випарювальні апарати. Використовують для випарювання хімічно агресивних розчинів, особливо при високих т-рах, напр. H2SO4, Сас12, Na2SO4*10H2O. Вони можуть бути з т. званим погружным горінням (мал. 2) - цилиндрич. ємкості з вуглецевої сталі, футерованные кислототривкою плиткою або гумовані.

Рис. 2. Випарювальний апарат з потужним горінням 1 -горелка; 2-корпус.

Загалом, існує більше 80 різновидів випарних апаратів з паровим обігрівом. У малотоннажних виробництвах зазвичай застосовують вертикальні і горизонтальні циліндрові випарні апарати з обігрівом змійовиками або нагрівальними сорочками; у великотоннажних виробництвах -- апарати з внутрішніми і виносними нагрівальними камерами (рис. 1), плівкові апарати (мал. 2). Останні застосовують при необхідності запобігти осадженню солей на поверхні нагріву, а також при упарюванні в'язких розчинів.

У однокорпусних апаратах витрату гріючої пари складає 1,2--1,25 кг на випаровування 1 кг води. Значно економніше багатокорпусні випарні установки, з яких найбільш поширені прямоточные (мал. 3); у них слабкий розчин і гріюча пара, рухомі в одному напрямі, послідовно поступають у випарні апарати.

Виділення речовин з розчину кристалізацією і висолюванням. Особливості виділення з розчину речовин, утворюючих різні кристалогідрати. Для виділення речовин з розчину використовують процес кристалізації.

Кристалізація - процес виділення розчиненої речовини у кристалічному вигляді за допомогою охолодження гарячого насиченого розчину. При цьому чим нижча температура охолодження, тим більша кількість кристалів випаде в осад. А розчин, який після цього можна відфільтрувати від осаду, буде насиченим при даній температурі, з якого можна додатково виділити деяку кількість розчиненої речовини при подальшому охолодженні, або при упарюванні.

Кристалізацію починають з розчинення речовини, яку необхідно перекристалізувати, в розчиннику. Розчинник нагрівають до кипіння для одержання максимально насиченого при даній температурі розчину. Якщо розчин містить деякі механічні домішки, його відфільтровують.

Кристалізацією отримують речовину в кристалах середнього розміру. Якщо отримуються великі кристали, часто вони містять включення маточного розчину і деякі домішки. І навпаки, малі кристали - вільні від домішок, утворюють густу масу, між частинками якої дуже міцно втримується маточний розчин, який відділити від них дуже важко. Тому при послідуючому висушуванні кристали будуть забрудненні домішками. Через це рекомендується проводити охолодження повільно, що дає можливість одержати великі кристали. Взагалі, встановити кристалічну структуру малих кристалів дуже важко, що лишає хімію можливості використовувати один з важливих критеріїв чистоти речовини. Якщо при кристалізації утворились дуже малі кристали, їх знову розчиняють при нагріванні. Осад, що випав виділяють шляхом фільтрування під вакуумом, від маточного розчину, віджимають і промивають невеликою кількістю розчинника. Маточний розчин знову впарюють до половини і знову кристалізують при охолодженні. Відфільтровану речовину, яка знаходиться на фільтрувальному папері, накривають другим фільтрувальним папером і сушать на повітрі. В деяких випадках сушку проводять в ексикаторах, але тільки тоді, коли речовина не втрачає кристалізаційної води.

Виділення речовин з водного розчину з відповідною кількістю кристалізаційної води, необхідно вести в тих інтервалах температур, при яких даний кристал стійкіший.

Наприклад, якщо кристалогідрати речовини МеХ₂ 8Н₂О стійкі при температурі нижче 20°С, МеХ₂ 6Н₂О - при температурі нижче 40°С, МеХ₂ 2Н₂О - при температурі нижче 70°С, то при охолодженні гарячого насиченого розчину до 15°С - в осад випадуть всі кристалогідрати. Для добування кристалогідратів МеХ₂ 6Н₂О, необхідно приготувати насичений розчин при температурі нижче 70°С і охолодити його до температури вище 40°С (43-45°С). Для одержання кристалів МеХ₂ 2Н₂О, кристалізацію необхідно проводити при температурі 35-38°С. Тому, якщо речовина утворює декілька кристалогідратів, випарювання речовини до початку кристалізації з послідуючим охолодженням, взагалі дає суміш кристалогідратів.

Іноді необхідно добути речовину у вигляді великих кристалів з чітко сформованими ребрами. В цьому випадку кристалізацію добре розчинних речовин проводити не важко, а для погано розчинних речовин необхідно використовувати спеціальні методи. Один з них є метод безперервної подачі насиченого розчину при сильному помішуванні розчину (рис. 3). При цьому на скляній паличці, яка є продовженням осі електромотору, занурюється затравка. Це дає можливість швидкому нарощуванню великих кристалів.

Другий метод нарощування кристалів - це нарощування в потоці рис. 4. При цьому утворюється потік рідини при обертанні мішалки, яка рухається зі швидкістю 2-2,5 м/сек. Цей метод використовується для кристалізації погано розчинних речовин або речовин, що утворюють малі кристали. Гарячий насичений розчин виливають у посудину і включають мішалку. При цьому охолодження розчину здійснюється за рахунок дійсної тепловіддачі. В цьому приладі можна швидко вирощувати великі кристали, використовуючи затравку. В ліве коліно на дно посуду кладуть деяку кількість речовини, потім наливають насичений її розчин. Затравку занурюють в праве коліно. Низ лівого коліна нагрівають, а потім включають мішалку, але швидкість обертання роблять невеликою. В цьому випадку буде утворюватися різниця в температурах рідини в лівому і правому колінах і до затравки безперервно буде підходити насичений розчин.

Рис. 3. Прилад для швидкого нарощування монокристалів: 1-мотор; 2-затравка; 3-насичений розчин солі; 4-термометр

Рис.4. Прилад для нарощування монокристалів в потоці рідини: 1-мішалка; 2-насичений розчин солі; 3-кристали; 4-термометер.

Апарати для кристалізації можуть бути різних видів:

-в яких кристалізація здійснюється на охолоджувальних поверхнях

В цих апаратах пересичення створюється безпосередньо на теплообмінній поверхні. У решті частин кристалізатора рівень пересичення нижчий. Це призводить до інкрустації охолоджуваної поверхні і обмеження продуктивності установки. Для періодичної роботи це прийнятно, оскільки при заливці розчину інкрустація розчиняється. У безперервному режимі така кристалізація ведеться лише тоді, коли низький робочий тиск створює вакуумну кристалізацію.У таких випадках застосовуються апарати з дуже великою теплообмінною поверхнею.

- в яких здійснюється вакуумна кристалізація

Вакуумная кристалізація - переважний метод безперервної кристалізації. Охолоджування відбувається в результаті адіабатичного розширення розчинника, тобто проблема інкрустації не виникає. Вакуумна кристалізація неекономічна тільки в тих випадках, коли повинна проводитися при дуже низьких температурах.

-в яких здійснюється ВИПАРНА КРИСТАЛІЗАЦІЯ Выпарная кристалізація, як і вакуумна, проходить при зниженому тиску. Але на відміну від вакуумної кристалізації, цей процес не залежить від концентрації і температури початкового розчину. Система працює з підведенням теплоти, тому концентрацію маточника можна регулювати. Як і при вакуумній кристалізації, в цих апаратах не виникає проблеми інкрустації, якщо не допускати кипіння на гріючій поверхні.

Кристалізація в умовах хімічної реакції (хімічного осадження)

Пересичення можна створити за рахунок проведення хімічних реакцій.

Речовина, що утворюється в результаті, виділяється у вигляді кристалічної фази з розчину. Такий хімічний метод кристалізації використовується в аналітичній практиці, а також у ряді технологічних схем.

Так, наприклад, при очищенні природних і стічних вод найчастіше проводять кристалізацію карбонатів, сульфатів і гідроокисів металів, що володіють незначною розчинністю. Використання при очищенні кристалізації поганорозчинних речовин обумовлено головним чином однією причиною - повнотою осадження.

В якості прикладів можна відмітити одержання кристалічного сульфату амонія при нейтралізації розчинів сульфатної кислоти аміаком. У виробництві кальцинованої соди проміжний продукт (бікарбонат натрію NaHCO3) також отримують унаслідок хімічної реакції, що протікає при абсорбції аміачно-соляним розчином двоокису вуглецю. Іншими способами отримання кристалічних продуктів в результаті хімічних реакцій є:

- кристалізація хлористого амонія при нейтралізації газоподібним аміаком водних розчинів NH4C1, насичених хлористим воднем;

- осадження дрібнокристалічного сульфату барію при обробці розчинів солей барію (наприклад, BaCl2) сірчаною кислотою або сірчанокислими солями (наприклад, Na2SO4);

- кристалізація нітрату барію при зливанні насичених розчинів хлористого барію і азотнокислого амонія.

Висолювання - це процес виділення речовини із розчину за допомогою кухонної солі. При цьому в розчин додають сіль до утворення насиченого розчину. Для висолювання використовують добре очищену, а не технічну сіль. Так, як остання може містити деякі домішки, які будуть негативно впливати на процес виділення. При додаванні кухонної солі до водного розчину - густина його зростає до 1,2. І таким чином, між компонентами розчину досягається більша різниця у їх густинах. Саме це сприяє кращому виділенню компонентів розчину. Необхідно відзначити, що рідина із густиною більше 1 і менше 1,2 буде спливати на поверхню насиченого розчину солі і тонуть в чисті й воді.

Висолювання використовують при розділенні стійких емульсій, якщо густина рідини, яку необхідно виділити, знаходиться в межах 0,8-1,2 г/см³.

Характерними прикладами процесів висолювання є:

- кристалізація залізного купоросу з травильних розчинів при додаванні в них концентрованої сірчаної кислоти,

- - висолювання NACI з соляних розчинів за рахунок введення в них хлористого магнію або хлористого кальцію;

- - отримання безводого сульфату натрію додаванням до його розчинів NACI.

Список використаної літератури

1. Ключников Н.Г. Неорганический синтез.-М.: Просвещение, 1988,-206с

2. Карякин Ю.В., Ангелов І.І. Чисті хімічні речовини.-М.: Хімія, 1974,412с

3. Глибина Ф.Б.,Ключников Н.Г.Хімія комплексних сполук.-М.: Просвещение,1982

4. Ахметов Н.С. Загальна та неорганічна хімія.-М.: Вища. Шк., 1988,512с

5. Романова Н.В. Загальна та неорганічна хімія.-К.:Вища.Шк., 1998,231с

6. Руководство по неорганическому синтезу: В 6 т. Под р. Г. Бракера.-М.: Мир,1985,199с

7. Якимов М.А. Основи неорганічного синтезу.-Л.: Изд. ЛГУ, 1978,278с

8. Каданер Л.І. Фізична і колоїдна хімія.-К.: Вища шк.,-1983, 405 с

9. Захаров Л.Н. Техніка безпеки в хімічних лабораторіях.-Л.: Хімія,1987,321.с

Размещено на Allbest.ru