Синтез натрий гексанитрокобальт (III)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова»

Химико-фармацевтический факультет

Кафедра «Общей, неорганической и аналитической химии »

Контрольная работа

По дисциплине: Неорганическая химия

Тема: Синтез натрий гексанитрокобальт (III)

Чебоксары 2013

Оглавление

Введение

1. Литературная часть

1.1 Общие сведения

1.2 Химическая связь и строение иона [Co(NO2)6]3- с позиции валентных связей

1.3 Физические и химические свойства данного вещества (электролитическая диссоциация, устойчивость и способы разрушения комплексного соединения, участие в обменных реакциях)

1.4 Методы получения и очистки

2. Экспериментальная часть

Выводы

Список использованной литературы

Введение

Гексанитрокобальтат (III) натрия -- неорганическое соединение, комплексное соединение металла кобальта с формулой Na₃[Co(NO₂)₆], жёлтые кристаллы, растворимые в холодной воде.

1. Литературная часть

1.1 Общие сведения

Соединения высшего порядка - так называл знаменитый шведский химик И.Я. Берцелиус (1779-1848) сложные многокомпонентные химические соединения, строение которых очень долго оставалось загадкой для ученых. Данный термин широко использовал А. Вернер и многие другие ученые прошлого и начала настоящего века. Термин «комплексные соединения» введен в химическую литературу выдающимся химиком В. Оствальдом.

Комплексные соединения химики обнаруживали, прежде всего, среди неорганических веществ. Поэтому химия этих соединений долго считалась разделом неорганической химии. В середине прошедшего столетия она оформилась в самостоятельную отрасль химической науки. В последующие десятилетия комплексные соединения стали играть интегрирующую роль для отдельных отраслей химии. Во второй половине прошлого столетия выяснилось, что комплексные соединения являются объектами изучения различных отраслей химии: аналитической, металлорганической, биологической, гомогенного катализа. На базе общего интереса специалисты этих отраслей химии стали налаживать тесные контакты, организовывать общие конференции.

Время рождения координационной химии как науки связывают со случайным получением в 1798 году Тассером соединения кобальта, состав которого можно записать СоСl₃ 6NH₃.Однако человеку были известны соединения высшего порядка и до открытия Тассера. Вероятно, первым подобным соединением, синтезированным в лаборатории, является берлинская лазурь Fe₄[Fe(CN)₆]₃. Она случайно получена художником Дисбахом в 1704 году и использована как красящий пигмент.

В становление и развитие химии комплексных соединений большой вклад внесли шведские и датские химики Берцелиус, Бломстранд, Клеве, Иергенсен и другие. В конце 19 века центром по изучению комплексных соединений стал Цюрих, где работал создатель координационной теории Альфред Вернер. После кончины Вернера важные исследования по химии координационных соединений выполнены в Германии его учеником Паулем Пфейффером. В начале 20 века наибольший прогресс в этой области химии достигнут в нашей стране благодаря Льву Александровичу Чугаеву, который создал уникальную советскую школу химиков - комплексников. После Второй мировой войны в связи с необходимостью создания производств редких металлов в мире резко возрос интерес к химии комплексных соединений.

1.2 Химическая связь и строение иона [Co(NO₂)₆]^3- с позиции валентных связей

химический ион кобальт окисление

Для комплексов с координационным числом 6 характерно октаэдрическое расположение лигандов, что отвечает sp³d²- или d²sp³- гибридизации атомных орбиталей комплексообразователя.

Октаэдрическим строением обладают ионы [PtCl₆]^2-, [Fe(CN)₆]^3-[Al(H₂O)₂(OH)₄]^-, [SnCl₆]^2-, [Co(NO₂)₆]^3- и многие другие. Октаэдрическое строение комплексов с координационным числом 6 является наиболее энергетически выгодным.

Таблица 1. Степени окисления и пространственная конфигурация комплексов (структурных единиц) элементов подгруппы кобальта.

К элементам VIII группы семейства железа относятся железо, кобальт и никель. Эти элементы проявляют сходные свойства, отраженные в таблице 2.

Таблица 2. Краткая характеристика элементов VIII группы.

Рассматриваемые элементы образуют химические связи за счет орбиталей внешнего и предвнешнего электронных слоев (табл. 1).

Число неспаренных электронов на 3d- подуровне соответственно равно трем.

Ион Co³⁺ имеет электронную формулу: 3d⁶4s⁰:

Во внутренней сфере между комплексообразователем и лигандами формируются полярные ковалентные связи. Частицы внешней сферы удерживаются около комплекса за счет электростатического ионного взаимодействия, т.е. характер связи - преимущественно ионный.

Для объяснения химической связи в комплексных соединениях используют: метод валентных связей (ВС), теорию кристаллического поля.

Рассмотрим метод ВС. Химическую связь в комплексе, т.е. между комплексообразователем и лигандами обычно объясняют с позиций донорно-акцепторного механизма. При этом, как правило, лиганды предоставляют неподеленные электронные пары, а комплексообразователи - свободные орбитали.

Для комплексных соединений, так же как и для органических веществ, характерна изомерия. Изучение изомерии комплексов позволило установить их пространственное строение. Нитрит - ион как лиганд может координироваться через атом азота, образуя нитро-комплексы, или через атом кислорода, образуя нитрито-комплексы. Такая изомерия известна для комплексов многих переходных металлов (Co³⁺, Rh³⁺, Ir³⁺, Pt⁴⁺).

Например, в реакциях образования комплексов Co³⁺ с нитрит-ионами вначале получаются нитрито-комплексы, имеющие розовую окраску которые со временем переходят в устойчивые желто-коричневые нитро-комплексы. Следует отметить, что являясь лигандом сильного поля, нитрит-ион стабилизирует в комплексах высокие степени окисления 3d-металлов. Например, Co³⁺ в Nа₃[Со(NО₂)₆].

Так для иона [Co(NO₂)₆]^3- структура комплекса - октаэдрическая.

По характеру распределения электронов по орбиталям Co³⁺ ион [Co(NO₂)₆]^3- является низкоспиновым ионом (имеются неспаренные электроны). Комплекс Na₃[Co(NO₂)₆] диамагнитный, низкоспиновый, внутриорбитальный, октаэдрический.

1.3 Физические и химические свойства данного вещества (электролитическая диссоциация, устойчивость и способы разрушения комплексного соединения, участие в обменных реакциях)

Na₃[Co(NO₂)₆] - тонкий порошок желтого цвета, в безводном состоянии не выделен. При слабом нагревании разлагается. Хорошо растворяется в холодной воде. Водные растворы соли неустойчивы. Не реагирует с гидратом аммиака. Разлагается в кипящей воде, сильных кислотах и концентрированных щелочах. Устойчив на воздухе. Нерастворим в спирте и эфире. Устойчивое соединение. Плотность 2, 64 г/ см³.

Химические свойства Na₃[Co(NO₂)₆]:

1) Разложение Na₃[Co(NO₂)₆] при температуре200-250 С:

4 Na₃[Co(NO₂)₆]* 0,5H₂O=12NaNO₂+CoO+4NO+8NO₂+2H₂O

2) Взаимодействие с холодной водой:

Na₃[Co(NO₂)₆]+12H₂O_(хол)=3[Na(H₂O)₄]⁺+ [Co(NO₂)₆]^3-

3) Взаимодействие с горячей водой:

3Na₃[Co(NO₂)₆]+ 2H₂O_(кип)=9NaNO₂+3CoNO₃(OH) +5NO +HNO₃

4) Реакции с разбавленными кислотами:

3Na₃[Co(NO₂)₆]+2HNO_3(разб)=9NaNO₂+3Сo(NO₃)₂+5NO+H₂O

5) Характерны реакции с концентрированными щелочами:

Na₃[Co(NO₂)₆]+2NaOH_(конц)=Co(OH)₂ +4 NaNO₂+NaNO₃+NO

6) Взаимодействие с солями K⁺,Cs⁺,Tl⁺,Ag⁺,NH₄⁺:

Na₃[Co(NO₂)₆]+3MeNO₃=Me₃[Co(NO₂)₆] +3 NaNO₃

1.4 Методы получения и очистки

1 способ. Комплексы Co³⁺ обычно получают окислением соединений Co²⁺ в присутствии соответствующего лиганда.

Co(NO₃)₂ + 7 NaNO₂ + 2 CH₃COOH= Na₃[Co(NO₂)₆] + 2 NaNO₃ + 2 Na(CH₃COO) + NO + H₂O

В стакане емкостью 100 мл при осторожном нагревании растворяют 7 г. NaNO₂ в 7 мл. H₂O. В раствор вносят 2,5 г. кристаллического Co(NO₃)₂6H₂O и из капельной воронки приливают 2,5 мл. 50% CH₃COOH. Смесь в стакане перемешивают встряхиванием. После внедрения кислоты раствор перемешивают еще 10 минут. Если навеска была загрязнена KNO₂, то при окислении раствора осаждается K₂Na[Co(NO₂)₆], в этом случае раствор по окончании окисления следует отфильтровывать. К полученному раствору приливают при перемешивании 17 мл. C₂H₅OH. Раствор с выпавшим осадком оставляют на 1 час для окончательной кристаллизации. Осадок отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают небольшим количеством спирта, сушат на воздухе на листе фильтровальной бумаги, перемешивая стеклянной палочкой, и взвешивают. Рассчитывают выход продукта [3].

2 способ. Растворяют 150 г. NaNO₂ в 150 мл. H₂O при нагревании и к остывшему до 40-50 C раствору добавляют 50 г. нитрата кобальта. Затем при непрерывном помешивании приливают небольшими порциями 50 мл. 50% CH₃COOH (тяга!) и через смесь пропускают в течение получаса сильный ток воздуха, чтобы окислить двухвалентный Co:

4Co(NO₃)₂+24NaNO₂+12CH₃COOH+О₂=4Na₃[Co(NO₂)₆]+

+ 12Na(CH₃COO) +8HNO₃+2H₂O

Если исходный нитрит натрия был загрязнен калиевой солью, то при окислении из раствора осаждается гексанитрокобальтата (III) калия желтого цвета. Отстоявшийся раствор сливают через фильтр, желтый осадок отбрасывают.

Затем к фильтрату прибавляют при непрерывном перемешивании 350 мл. 96% спирта (или кристаллизуют над хлоридом кальция). При этом выпадает желтый осадок гексанитрокобальт (III) натрия Na₃[Co(NO₂)₆] H₂O.

Его отфильтровывают, промывают 2-3 раза небольшими порциями спирта, затем эфиром и высушивают на воздухе.

Для дальнейшей очистки сырой продукт перекристаллизовывают. Для этого его растворяют в полуторном количестве воды и осаждают спиртом [4].

3 способ. Внесите в коническую колбу емкостью 500 мл. 15 г. нитрита натрия, 5г. гексагидрата нитрата кобальта и 15 мл. воды. Растворите кристаллы реагентов в воде при нагревании. Охладите реакционную смесь до 10-50 С и добавьте небольшими порциями 5 мл. 50% водного раствора уксусной кислоты. Наблюдайте бурную реакцию с выделением газа. По окончании реакции колбу закройте пробкой с двумя трубками и присоедините ее к водоструйному насосу. При включении насоса через раствор будет проходить воздух, удаляющий из реакционной смеси оксиды азота. Через 20 минут отключите колбу от насоса.

Раствор продукта отфильтруйте через складчатый фильтр для отделения примеси малорастворимого гексанитрокобальтата (III) калия.

К фильтрату добавьте по каплям 10 мл этанола, при этом будет наблюдаться выпадение кристаллов желтого цвета. Продукт отделите от раствора вакуумным фильтрованием, промойте на фильтре этанолом и высушите на воздухе [5].

4 способ. 10 г. CoCl₂ 6H₂O или соответствующее количество Co(NO₃)₂ 6H₂O растворяют в 10 мл воды. В другом стакане растворяют 30 г. NaNO₂ в 100 мл воды. Соли растворяют при умеренном нагревании. Растворы охлаждают, сливают вместе, осторожно перемешивают и приливают 10 мл. 50% уксусной кислоты. Образуется раствор гексанитрокобальтиата натрия

CoCl₂ + 7 NaNO₂ + 2 CH₃COOH= Na₃[Co(NO₂)₆] + 2 NaCl + 2 Na(CH₃COO) + 2NO + H₂O

Смеси дают постоять, затем раствор сливают с осадка и фильтруют. Раствор представляет собой готовый реактив - раствор соли Na₃[Co(NO₂)₆]. Чтобы проверить его свойства, несколькими каплями раствора действуют на соль калия: должен выпадать желтый осадок соли K₂Na[Co(NO₂)₆] [6].

5 способ. К 10 г. ацетата кобальта прибавляют 20 г. NaNO₂, растворенного в 40-50 мл. воды, и подкисляют уксусной кислотой. Полученному раствору дают постоять 1,5-2 часа и фильтруют его. В результате получается раствор Na₃[Co(NO₂)₆] [6].

6 способ.30 г. NaNO₂ растворяют в 30 мл воды при 40-50 С. К этому раствору прибавляют 10 г. Co(NO₃)₂ 6H₂O, затем малыми порциями приливают 10 мл. 50%-ной уксусной кислоты. В полученную смесь пропускают в течение 20 минут струю воздуха для удаления оксида азота.

Раствору дают постоять в течение 1-2 часов. Образуется осадок, состоящий из K₂Na[Co(NO₂)₆] и небольшого количества Na₃[Co(NO₂)₆](NaNO₂ содержит примесь КNO₂). Осадок отфильтровывают. Основная масса соли Na₃[Co(NO₂)₆] остается в растворе. К раствору прибавляют 25 мл. спирта. При этом осаждается Na₃[Co(NO₂)₆].

Соль отфильтровывают, промывают 10 мл спирта и 5 мл. эфира и сушат на воздухе. Если соль дает мутный раствор, то полученный препарат загрязнен. Для очистки его растворяют в полуторном количестве воды и отфильтровывают нерастворившуюся часть. В прозрачный раствор вливают тонкой струей спирт, который немного подкислен уксусной кислотой. Выпавший осадок Na₃[Co(NO₂)₆] отфильтровывают, еще раз промывают спиртом и эфиром и сушат при 60-70 С.

Na₃[Co(NO₂)₆] - пигмент для художественных красок и красок для росписи на стекле и фарфоре.

Комплексные соединения в организмах обычно координируются ионами переходных металлов, например Mn, Co, Fe. Содержание этих металлов в организмах очень мало, и уже из этого можно сделать предположение, что значение комплексов (доказанное прямым опытом - это почти всегда так) должно быть связано с катализом, т.к. именно активные катализаторы могут способствовать быстрым изменениям состава вещества, действуя в малых концентрациях. Также, комплексы переходных металлов могут играть роль переносчиков групп атомов и целых молекул, закреплять молекулы в определенном положении, поворачивать их, поляризовать и т.п. Металлы-комплексообразователи относятся к группе «жизненно важных», т.е. присутствуют во всех здоровых тканях человека и диапазон их концентраций практически постоянен в каждой ткани.

Используют комплексные соединения для осаждения малорастворимых осадков. Ряд комплексных солей, образованных катионами тяжелых металлов и анионами комплексных кислот, малорастворимые в воде. Например, многие катионы тяжелых металлов образуют с гексацианокобальтатом (III) ярко окрашенные, малорастворимые соли, например: Ni₃[Со(СN)₆]₂- зеленый, Со₃[Се(СN)₆]₂- розовато-красный Na₃[Co(NO₂)₆] - желтый и др.

Многие комплексные ионы отличаются высокой устойчивостью. Кроме того, большое число комплексных соединений имеет характерную окраску. Эти свойства комплексных соединений широко используют в качественном и количественном анализе. Например, ряд катионов обнаруживают путем образования комплексных соединений. Так, открывают ионы: К⁺(К_з[Со(NO₂)₆] - желтый осадок), Fе³⁺ (Fe₄[Fe(CN)6]₃ - синий), Fе²⁺ (Fe₂[Fе(СN)₆] - синий), Сu²⁺([Сu(NНз)₄](ОН)₂--синий и Cu₂[Fe(CN)₆] - красный) и другие.

2. Экспериментальная часть

Таблица 3. Термодинамические константы веществ

Синтез натрийгексанитрокобальта(III).

10 г CoCl₂*6 Н₂O или соответствующее количество Co(NO₃)₂* 6H₂O растворили в 10 мл воды . В другом стакане растворили 30 г NaNO₂ в 100 мл воды. Соли растворили при умеренном нагревании. Растворы охладили, слили вместе, осторожно перемешали и прилили 10 мл 50% CH₃COOH. Образуется раствор гексанитрокобальтиата натрия:

CoCl₂+7 NaNO₂+3CH₃COOH = Na₃[ Co(NO₂)₆] + NO +2CH₃COONa+ 2 NaCl+ +H₂O

Смеси дали постоять, затем раствор слили с осадка и отфильтровали. Раствор представляет собой готовый реактив- раствор соли Na₃[Co(NO₂)₆]. Чтобы проверить его свойства, несколькими каплями раствора подействовали на соль калия: выпал желтый осадок соли K₂ Na [Co(NO₂)₆]. Гексанитрокобальтиат натрия Na₃[Co(NO₂)₆]* 1/2 H₂O - тонкий желтый порошок, устойчив на воздухе, хорошо растворим в воде, нерастворим в спирте и эфире. Водный раствор сравнительно устойчив. Раствор Na₃[Co(NO₂)₆] является хорошим реактивом на ион K⁺. При кипячении его со щелочью выделяется Co(OH)₃.

Расчеты:

m(CoCl₂ * 6H₂O)=10г CoCl₂+7 NaNO₂+3CH₃COOH=

V(H₂O)=10мл = Na₃[ Co(NO₂)₆] + NO +2CH₃COONa+

m(NaNO₂)=30г +2 NaCl+ +H₂O

V(H₂O)=100мл

V(CH₃COOH)=10мл

W(CH₃COOH)=50%

1) найдем количества вещества:

n(NaNO₂)=m(NaNO₂)/Mr(NaNO₂)=30г/69 г/моль=0,435 моль

n(CoCl₂*6 Н₂O)=m(CoCl₂*6 Н₂O)/Mr(CoCl₂*6 Н₂O)=10г/238 г/моль=0,04моль

m(CH₃COOH)=V*w*p=10мл*1,049г/мл*0,5=5,245

n(CH₃COOH)=5,245г/60 г/моль=0,087 моль

n(Na₃[ Co(NO₂)₆])=0,04 моль(т.к это вещество в недостатке).

2) найдем массу вещества:

m(Na₃[ Co(NO₂)₆])=Mr(Na₃[ Co(NO₂)₆])*n=404 г/моль *0,04 моль=16,16г

3) выход массы практического составил 10,5 г.

4) найдем выход продукта:

m = x100%=(10,5г/16,16г)*100%=64,98%

Ответ: 64,98%

Выводы

1. Провели литературный обзор по синтезу натрий гексанитрокобальта (III).

2. Ознакомились с применением и получением натрий гексанитрокобальта (III).

3. Провели синтез натрий гексанитрокобальта (III) и определили выход продукта, который составил 64,98%.

Список использованной литературы

1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. Учебник для ВУЗов. - М.: Высшая школа, 1982. - 594 с.

2. Лидин Р.А.,В.А. Молочко Л.Л. Андреева. Химические свойства неорганических веществ. Учебник для ВУЗов. - М.: КолосС, 2006. - 526 с.

3. Воробьев А.Ф.,С.И. Дракин. Практикум по неорганической химии. - М.: Химия,1984. - 207 с.

Размещено на Allbest.ru