Получение, выращивание и изучение кристаллов экзотических квасцов

Размещено на http://www.allbest.ru/

СУНЦ МГУ имени М.В. Ломоносова

Курсовая работа

Получение, выращивание и изучение кристаллов экзотических квасцов

Рыбиной А.А.

Москва 2015

Введение

Актуальность работы

На сегодняшний день квасцы имеют очень широкое применение [6]. Их используют в промышленности, например, для очистки воды, для дубления кожи, для окрашивания различных тканей и пряжи. Они также используются в огнетушителях, к тому же растворы, содержащие квасцы, могут быть использованы для увеличения устойчивости тканей к огню. Квасцы применяют в фотопромышленности для фотоэмульсий на желатиновой основе. В медицине квасцы применяют как вяжущее, прижигающее и кровоостанавливающее средство ("квасцовый карандаш"). Антибактериальные свойства квасцов позволяют использовать их для производства так называемых дезодорантов-кристаллов. В кулинарии также нашлось применение квасцам: их используют при производстве разрыхлителей для выпечки хлебобулочных изделий.

Квасцы представляют интерес для исследования правильной формы кристаллов, которая является проявлением внутренней симметрии кристаллической решётки. Кристаллы квасцов могут быть различных цветов в зависимости от их состава, соответственно, предметом исследования может стать влияние состава квасцов на цвет кристалла.

Цель работы растворимость температура калий сульфат

Получить и вырастить кристалл экзотических квасцов (например, с катионами М⁺ = NH₄⁺, Na⁺; M³⁺ = Fe³⁺, Y³⁺, La³⁺ и др.).

Задачи

1. Получить квасцы.

2. Оптимизировать методику получения квасцов применительно к конкретным квасцам.

3. Вырастить кристалл квасцов.

4. Изучить строение и свойства кристалла.

1. Структура и состав квасцов

Квасцы -- двойные соли, кристаллогидраты сульфатов трёх- и одновалентных металлов.

Вследствие слабо выраженного основного характера трехвалентных катионов квасцы обладают кислой реакцией и кислым вкусом (kwas -- по-польски -- кислота).

Квасцы отвечают структурному типу M⁺M³⁺(SO₄)₂^2-·12H₂O и производятся от трёхвалентных катионов, радиусы которых лежат в пределах 0,57 Е (Al³⁺) -- 0,92 Е (In³⁺). Сюда относятся Al³⁺, Ga³⁺, In³⁺, Ti³⁺, V³⁺, Cr³⁺, Mn³⁺, Fe³⁺, Co³⁺, Rh³⁺, Ir³⁺ (Таблица 1).

Таблица 1. Ионные радиусы М³⁺ [1]

Al3+	Ga3+	In3+	Ti3+	V3+	Cr3+	Mn3+	Fe3+	Co3+	Rh3+	Ir3+
0,57	0,62	0,92	0,69	0,67	0,64	0,7	0.67	0,64	0,75	0,65

В качестве одновалентных катионов в состав квасцов могут входить Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺, Tl⁺, NH₄⁺ (Таблица 2).

Таблица 2. Ионные радиусы М⁺ [1]

Na+	K+	Rb+	Cs+	Tl+	NH4+
0,98	1,33	1,49	1,65	1,36	1,43

В периодической системе образующие квасцы элементы располагаются довольно закономерно:

1. Внутри одного вертикального ряда периодической системы радиусы ионов с одинаковым зарядом увеличиваются с возрастанием атомного номера, поскольку растёт число электронных оболочек, а значит, и размер атома.

2. Для одного и того же элемента ионный радиус возрастает с увеличением отрицательного заряда и уменьшается с увеличением положительного заряда.

3. У элементов одного периода атомные и ионные радиусы уменьшаются. А поскольку в периодах 6 и 7 по 32 элемента, так как в них входят лантаноиды и актиноиды соответственно, то следующие за лантаноидами и актиноидами s- и p-элементы могут иногда иметь даже меньшие радиусы, чем предыдущий элемент в вертикальном ряду, например Zr (1,6 Е) и Hf (1,59 Е).

Под эффективным радиусом иона понимается радиус сферы его действия, причём ион считается несжимаемым шаром. Эффективный радиус иона зависит от атомного номера элемента и заряда иона. От радиусов ионов зависит устойчивость кристаллической решётки квасцов.

Наибольшей устойчивостью обычно отличаются цезиевые квасцы, наименьшей -- натриевые. Последние для большинства перечисленных выше солеобразователей вообще не могут быть получены, они образуются лишь с Al³⁺ (Na⁺Al³⁺(SO₄)₂·12H₂O). Иногда наименьшей устойчивостью, по-видимому, обладают производные Tl⁺, K⁺ и NH₄⁺. Например, квасцы Ti³⁺ известны только для Rb⁺ и Cs⁺ [1].

Растворимость квасцов при обычных условиях в большинстве случаев сравнительно невелика. Поэтому они могут быть легко получены из отдельных составляющих солей. По ряду Na⁺--Cs⁺ растворимость квасцов быстро уменьшается, так как устойчивость квасцов возрастает, а влияние химической природы М³⁺ сказывается на растворимости квасцов сравнительно слабо, как это показывают приводимые ниже в качестве примеров данные (Таблица 3).

Таблица 3. Растворимость некоторых квасцов в моль/л H₂O при 25°С [3]

	Na+	K+	Rb+	Cs+	NH4+	Tl+
М+Al3+(SO4)2·12H2O	1,78	0,28	0,053	0,014	0,39	0,18
	Al3+	Ga3+	In3+	V3+	Cr3+	Fe3+
Cs+М3+(SO4)2·12H2O	0,014	0,043	0,17	0,021	0,015	0,045

При повышении температуры растворимость квасцов очень сильно увеличивается (Рис. 1).

Рис. 1. Зависимость растворимости квасцов калия, рубидия и цезия от температуры [8]

Зависимость устойчивости квасцов от радиусов М³⁺ и М⁺ можно хорошо проследить на сульфатах Ga³⁺ (0,62 Е), In³⁺ (0,92 Е) и Tl³⁺ (1,05 Е). Для первого из этих элементов квасцы могут быть получены по всему ряду одновалентных катионов: K⁺ (1,33 Е), NH₄⁺ (1,43 Е), Rb⁺ (1,49 Е), Cs⁺ (1,65 Е). Напротив, Tl³⁺ квасцов вообще не образует и для него известны лишь кристаллогидраты состава М⁺Tl³⁺(SO₄)₂·4H₂O. У занимающего промежуточное положение In³⁺ квасцы являются устойчивой формой лишь для Cs⁺. В качестве метастабильной фазы они могут быть получены для Rb⁺ и NH₄⁺, а с K⁺ не образуются [1].

Таким образом, устойчивость квасцов при однотипной структуре внешней электронной оболочки М³⁺ возрастает по мере уменьшения (конечно, лишь до известного передела) его радиуса и увеличения радиуса М⁺.

Повышение температуры благоприятствует возникновению более бедных водой кристаллогидратов. Напротив, при пониженных температурах удаётся выделить даже такие неустойчивые, из-за маленького радиуса иона Li⁺ (0,68 Е), квасцы, как литиево-алюминиевые квасцы [1].

Расположение частиц (атомов, ионов, молекул) становится упорядоченным, когда вещество переходит из аморфной фазы (газ, жидкость) в кристаллическую, соответствующую минимуму свободной энергии при данных условиях. Частицы в кристаллах образуют правильные, упорядоченные, симметричные решётки. Элементарная ячейка -- это симметричная фигура, вершинами которой являются наиболее близко расположенные частицы вещества, и при её многократном повторении образуется решётка, заполняющая всё пространство без промежутков. Кристаллы, у которых одинакова симметрия элементарных ячеек объединяют в группы (сингонии). Квасцы относятся к кубической сингонии, в которой элементарной ячейкой является куб [2]. Класс симметрии квасцов обозначается m3m. Симметрия внешней формы кристалла отражает его пространственную структуру. Монокристаллы квасцов обычно принимают форму правильного октаэдра, который отвечает всем элементам симметрии кубической сингонии.

Известны также селенатные квасцы состава M⁺M³⁺(SeO₄)₂^2-·12H₂O, в которых сульфат-ион заменён ионом селената.

Наиболее известные квасцы:

· Алюмоаммонийные квасцы -- AlNH₄(SO₄)₂ · 12H₂O.

· Алюмокалиевые квасцы -- KAl(SO₄)₂ · 12H₂O.

· Алюмонатриевые квасцы -- NaAl(SO₄)₂ · 12H₂O.

· Алюморубидиевые квасцы -- RbAl(SO₄)₂ · 12H₂O.

· Алюмоцезиевые квасцы -- CsAl(SO₄)₂ · 12H₂O.

· Железоаммонийные квасцы -- NH₄Fe(SO₄)₂ · 12H₂О

· Железокалиевые квасцы -- KFe(SO₄)₂ · 12H₂O

· Хромокалиевые квасцы -- KCr(SO₄)₂ · 12H₂O.

2. Получение кристаллов квасцов

Существует много хорошо разработанных методов выращивания кристаллов [3], [4], [7]. Простейший метод состоит в испарении раствора при постоянной, например, комнатной, температуре. Для этого берут некоторое количество кристаллического вещества и растворяют его при сильном нагревании в воде, в таком её количестве, чтобы по охлаждении получился насыщенный раствор. В раствор, пока он ещё не охладился до комнатной температуры, помещают небольшой готовый кристалл такой величины, чтобы он не успел раствориться при дальнейшем охлаждении раствора до комнатной температуры. Поместив сосуд с раствором в закрытый сосуд, содержащий какое-либо поглощающее влагу вещество (серную кислоту, фосфорный ангидрид и т.д.), оставляют прибор в покое на длительное время. При испарении раствора будет возникать пересыщение, за счёт которого и будет происходить рост кристалла.



Рис. 2. Прибор для выращивания кристаллов из раствора испарением (эксикатор). Нижняя ёмкость для серной кислоты

Можно получать большие кристаллы также и путём медленного охлаждения раствора. Для этого необходимо иметь термостат, т.е. прибор, который может автоматически поддерживать определённую температуру и с помощью которого можно также постепенно снижать её по определённому графику. Опыт ведётся таким образом, что сначала приготовляется раствор, насыщенный при начальной температуре термостата. В раствор помещается затравка в виде готового кристалла или его части. Можно подвесить затравки на тонких ниточках (к нити их можно приклеить прочным водостойким клеем). Кристаллизационный сосуд закрывается крышкой, чтобы предотвратить попадание в него зародышей, в качестве которых выступают частицы пыли, из воздуха, после чего включаются приспособления для постепенного охлаждения термостата.

Можно выращивать кристаллы также из заранее приготовленного пересыщенного раствора при постоянной температуре. Для этого приготавливается при сильном нагревании такой раствор, чтобы после охлаждения до заданной температуры он имел заранее вычисленное пересыщение. В раствор помещается затравка, и сосуд, содержащий раствор, закрывается крышкой. Затравка представляет собой небольшой кристалл того же вещества, что и раствор. Этим методом можно получить большие кристаллы лишь при употреблении значительных количеств раствора.

Квасцы являются изоморфными веществами, т.е. они кристаллизуются одинаково, несмотря на разный состав. Это свойство квасцов позволяет получить смешанные кристаллы. Для этого нужно приготовить насыщенные растворы квасцов двух видов и некоторое время выращивать кристаллы по одному из описанных выше методов -- каждый вид в своём сосуде, затем поменять кристаллы местами так, чтобы кристалл одного вида квасцов находился в насыщенном растворе квасцов другого вида.

Кристаллы квасцов, выращенные до нужных размеров, следует покрыть лаком, чтобы они не оплавились от влаги воздуха и не потеряли форму.

Растворы для выращивания кристаллов готовят на дистиллированной воде.

3. Методики получения квасцов

Алюмокалиевые квасцы K₂SO₄ · Al₂(SО₄)₃ · 24Н₂О обычно получают при взаимодействии избытка алюминия с теплым раствором гидроксида калия до прекращения выделения водорода. После декантации и нейтрализации раствора разбавленной серной кислотой его оставляют для кристаллизации [10].

Хромокалиевые квасцы K₂SO₄ · Cr₂(SО₄)₃ · 24Н₂О обычно получают при взаимодействии раствора двухромовокислого калия с концентрированной серной кислотой. После охлаждения раствора в воде со льдом с него по каплям добавляют спирт. Раствор упаривают и оставляют кристаллизоваться. [11]

Мы в работе используем более простую методику - прямое получение квасцов сокристаллизацией сульфатов при сливании растворов.

Экспериментальная часть

1. Получение железокалиевых квасцов -- KFe(SO₄)₂ · 12H₂O

K₂SO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + 24H₂O = 2KFe(SO₄)₂ · 12H₂O

Таблица 4. Растворимость сульфатов калия и железа (III)

Вещество	Количество воды (мл)	Условия (температура в ° С)	Количество вещества
			в г	в моль
K2SO4	20	20	2,22	0,01276
Fe2(SO4)3	20	20	16,30	0,04075

Так как растворимость сульфата калия в моль/л меньше растворимости сульфата железа (III), дальнейшие расчёты производятся относительно количества сульфата калия. При 80^оС растворимость сульфата калия равна 21,4 г / 100 г воды [8]. Сульфат железа взят в эквимолярном количестве.

Таблица 5. Взятые количества сульфатов калия и железа (III)

Вещество	Количество воды (мл)	Условия (температура в ° С)	Количество вещества
			в г	в моль
K2SO4	20	80	4,28	0,02460
Fe2(SO4)3	20	80	9,84	0,02460

В качестве источника сульфата железа используется кристаллогидрат Fe₂(SO₄)₃ · 9H₂O массой: 400·0,02460 + 162·0,02460 = 13,8252 г.

М(Fe₂(SO₄)₃)=400; М(9·H₂O)=162 г/моль.

В результате растворения этого количества кристаллогидрата сульфата железа образуется 4 мл воды, поэтому кристаллогидрат растворен в 16 мл воды, чтобы объём раствора составил 20 мл. Сульфат калия растворен в 20 мл воды.

Растворы сульфата калия и сульфата железа (III) были приготовлены в разных колбах. Раствор Fe₂(SO₄)₃ подкислен концентрированной серной кислотой, чтобы предотвратить гидролиз иона Fe³⁺, протекающий по уравнению:

Fe³⁺ + H₂O FeOH²⁺ + H⁺.

При добавлении ионов Н⁺ равновесие гидролиза смещается в сторону Fe³⁺.

Растворы нагревали до полного растворения солей, затем слили растворы в одну колбу и оставили остывать при комнатной температуре.

Наличие катионов Fe³⁺ проверялось качественной реакцией взаимодействия с роданид-анионом SCN-, при этом образуется роданид железа (III) Fe(SCN)₃, окрашивающий раствор в темно-красный цвет (эффект «крови»):

Fe³⁺ + 3SCN^? = Fe(SCN)₃

2. Получение железоцезиевых квасцов -- CsFe(SO₄)₂ · 12H₂O

Cs₂SO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + 24H₂O = 2CsFe(SO₄)₂ · 12H₂O

Перед началом получения железоцезиевых квасцов необходимо получить сульфат цезия из иодата цезия:

2CsIO₃ + H₂SO₄ = Cs₂SO₄ + 2HIO₃

На 15,15 г (2·0,02460 моль) иодата цезия берётся эквивалентное количество концентрированной серной кислоты (1,31 мл). Кислота была взята с небольшим избытком. Для проведения реакции иодат цезия был растворен в 70 мл воды, после чего в раствор прилита концентрированная серная кислота. Реакция проводилась при нагревании. Так как иодат цезия обладает невысокой растворимостью в воде, прилили ещё 130 мл воды, таким образом, объём раствора составил 200 мл.

Таблица 7. Взятые количества кристаллогидрата сульфата железа (III) и иодата цезия

Вещество	Количество воды (мл)	Условия (температура в ° С)	Количество вещества
			в г	в моль
CsIO3	200	80	15,15	0,04920
Fe2(SO4)3 · 9H2O	20	80	13,83	0,02460

Кристаллогидрат сульфата железа (III) растворили в 16 мл воды, раствор подкислили (подробнее о приготовлении раствора сульфата железа (III) написано в пункте 1 «Получение железокалиевых квасцов -- KFe(SO₄)₂ · 12H₂O»).

Растворы сульфата цезия и сульфата железа (III) нагревали при постоянном помешивании до полного растворения солей, затем оба раствора слили в одну колбу. После сливания двух растворов сразу выпал осадок светло-зелёного цвета, который был отфильтрован и оставлен для дальнейшего изучения. Отфильтрованный раствор был оставлен кристаллизоваться.

3. Получение эрбийкалиевых квасцов -- KEr(SO₄)₂ · 12H₂O

K₂SO₄ + Er₂(SO₄)₃ + 24H₂O = 2KEr(SO₄)₂ · 12H₂O

Перед началом получения эрбийкалиевых квасцов необходимо было получить сульфат эрбия из оксида эрбия:

Er₂O₃ + 3H₂SO₄ = Er₂(SO₄)₃ + 3H₂O.

На 4,91 г (0,01285 моль) оксида эрбия, согласно уравнению реакции, взято 3,78 г (3·0,01285 моль) концентрированной серной кислоты, что составляет 2 мл. Для проведения реакции в колбу с оксидом эрбия приливается 10 мл воды, чтобы образующийся сульфат эрбия растворялся (оксид эрбия нерастворим в воде). Затем в колбу медленно приливается концентрированная серная кислота. По уравнению реакции, количество полученного сульфата эрбия Er₂(SO₄)₃ составляет 8 г. Для полного растворения сульфата эрбия в раствор приливали 280 мл воды, чтобы объём составил 300 мл, затем раствор оставили охлаждаться в холодильнике. Данные по растворимости сульфата эрбия в литературе отсутствовали.

Таблица 6. Растворимость некоторых сульфатов редкоземельных металлов в воде [9]

Pr2(SO4)3	Nd2(SO4)3	Yb2(SO4)3
Массовая доля	Температура в ° С	Массовая доля	Температура в ° С	Массовая доля	Температура в ° С
16,5	0	11,5	0	30,65	0
13,5	10	8,8	10	25,70	15,5
11,2	20	6,6	20	16,03	35
10,0	25	5,8	25	10,31	55
9,0	30	5,0	30	9,42	60
7,2	40	3,9	40	6,73	70
6,0	50	3,2	50	6,47	80
4,8	60	2,7	60	5,51	90
4,0	70	2,4	70	4,46	100
3,4	80	2,0	85
1,1	90	1,2	87
0,9	100	1,15	95
		1,2	100

Y2(SO4)3	La2(SO4)3
Массовая доля	Температура в ° С	Массовая доля	Температура в ° С
7,35	3,6	2,91	0
6,96	15,8	2,53	14
6,71	25	1,86	30
5,09	50	1,47	50
3,12	75	0,95	75
1,99	95	0,68	100

Таблица 7. Растворимость некоторых сульфатов лантаноидов в воде при комнатной температуре [9]

Таблица 8. Характеристики исходных растворов сульфатов калия и эрбия

Вещество	Количество воды (мл)	Условия (температура в ° С)	Количество вещества
			в г	в моль
K2SO4	100	10	10	0,05747
Er2(SO4)3	300	10	8	0,01285

Дальнейшие расчеты проводились относительно количества сульфата эрбия по причине его меньшей растворимости. Для получения эрбийкалиевых квасцов использована половина имеющегося раствора (4 г) сульфата эрбия.

Таблица 9. Взятые количества сульфатов калия и эрбия

Вещество	Количество воды (мл)	Условия (температура в ° С)	Количество вещества
			в г	в моль
K2SO4	11	10	1,12	0,00643
Er2(SO4)3	150	10	4	0,00643

1,12 г сульфата калия растворили в 11 мл воды при комнатной температуре, затем влили получившийся раствор в холодный раствор сульфата эрбия и оставили кристаллизоваться.

3. Получение иттрийкалиевых квасцов -- KY(SO₄)₂ · 12H₂O

K₂SO₄ + Y₂(SO₄)₃ + 24H₂O = 2KY(SO₄)₂ · 12H₂O

Перед началом получения квасцов необходимо было получить сульфат иттрия из кристаллогидрата нитрата иттрия:

2Y(NO₃)₃ + 3H₂SO₄ = Y₂(SO₄)₃ + 6HNO₃.

В качестве источника нитрата иттрия был использован кристаллогидрат нитрата иттрия (Y(NO₃)₃ · 6H₂O) массой 6,32 г (0,0165 моль). По уравнению реакции количество серной кислоты составило 0,02475 моль, что соответствует 1,375 мл серной кислоты концентрации 18 моль/л. Для проведения реакции кристаллогидрат нитрата иттрия растворяется в воде при нагревании, затем к раствору добавляется серная кислота. Из уравнения реакции количество полученного сульфата иттрия составляет 0,00825 моль, необходимо взять такое же количество сульфата калия. 1,44 г сульфата калия растворяется в 10 мл воды при нагревании.

После сливания растворов сульфата калия и сульфата иттрия сразу же выпал осадок. После рентгенофазового анализа выяснилось, что в осадок выпал сульфат иттрия. Раствор профильтровался и был оставлен для кристаллизации.

4. Рентгенофазовый анализ

Полученные в работе образцы исследовали при помощи рентгенофазового анализа (РФА), основанного на явлении дифракции рентгеновских лучей в кристалле. Съемка рентгенограмм при комнатной температуре проводилась с использованием камеры Гинье Huber G670 (CuKб1 - излучение, л = 1.54056 ?). Для проведения фазового анализа применялся программный пакет STOE WinXpow с использованием базы данных JCPDS PC-PDF2. Рентгенофазовый анализ проводился на химфаке МГУ А.В. Морозовым.

Обсуждение результатов

Железокалиевые квасцы -- KFe(SO₄)₂ · 12H₂O

Через неделю после сливания растворов сульфата калия и сульфата железа выпали кристаллы светло-желтого цвета (рис. 7).

Рис. 7. KFe(SO₄)₂ · 12H₂O - железокалиевые квасцы

Они были отфильтрованы, высушены при комнатной температуре на воздухе и подвергнуты рентгенофазовому анализу, который подтвердил, что основным компонентом кристаллов являются железокалиевые квасцы, но имеется примесь кислого сульфата железа (рентгенограмма 1). Было решено очистить продукт перекристаллизацией (рис. 8), проведено растворение продукта с добавлением сульфата калия, раствор был оставлен для кристаллизации.

Рентгенограмма 1. KFe(SO₄)₂ · 12H₂O - железокалиевые квасцы с примесью кислой соли железа

Рис. 8. Перекристаллизация железокалиевых квасцов KFe(SO₄)₂ · 12H₂O

Железоцезиевые квасцы -- CsFe(SO₄)₂ · 12H₂O

В осадке, выпавшем сразу же после сливания растворов сульфата железа и сульфата цезия, после высушивания обнаружились две фракции, светло-зелёного и зелёного цвета, которые были разделены и перетёрты в ступке (рис. 9).

Рис. 9. Осадок, выпавший после сливания растворов сульфатов цезия и железа

Далее эти вещества подверглись рентгенофазовому анализу, в ходе которого было установлено, что данные вещества не являются квасцами (рентгенограммы 2 и 3). В светло-зелёной фракции был обнаружен иодат железа Fe(IO₃)₃.

Рентгенограмма 2. Зелёная фракция осадка, выпавшего после сливания растворов сульфатов цезия и железа

Рентгенограмма 3. Светло-зелёная фракция осадка, выпавшего после сливания растворов сульфатов цезия и железа

Также для установления качественного состава полученного осадка было проведено прокаливание (рис. 10). В процессе интенсивного нагревания исследуемого образца наблюдалось выделение фиолетового газа, идентифицированного как иод I₂, который мог выделяться при разложении непрореагировавшего иодата цезия или иодата железа. Был сделан вывод, что исследуемое вещество не является квасцами.



Рис. 10. Прокаливание осадка, выпавшего после сливания растворов сульфатов цезия и железа

В растворе, оставленном для кристаллизации, через неделю выпали кристаллы, которые были отфильтрованы и просушены (рис. 11).



Рис. 11. Железоцезиевые квасцы CsFe(SO₄)₂ · 12H₂O

Часть кристаллов была отобрана для рентгенофазового анализа (рис. 12), остальная часть подверглась перекристаллизации.

Рис. 12. Кристаллы железоцезиевых квасцов CsFe(SO₄)₂ · 12H₂O

В результате рентгенофазового анализа (рентгенограмма 4) было установлено, что кристаллы являются чистыми железоцезиевыми квасцами с микроскопической примесью Fe(OH)₃.

Рентгенограмма 4. CsFe(SO₄)₂ · 12H₂O железоцезиевые квасцы

В отфильтрованный раствор была помещена затравка, в качестве которой выбрали небольшой кристалл, прикреплённый на нитку.

Рис. 13. Рост кристалла железоцезиевых квасцов CsFe(SO₄)₂ · 12H₂O

Октаэдрическая форма кристалла подтверждает тот факт, что полученное вещество действительно является квасцами [2].

Эрбийкалиевые квасцы -- KEr(SO₄)₂ · 12H₂O

Через месяц вода из раствора полностью испарилась, и на дне колбы остался осадок розового цвета (рис. 14), который собрали и проанализировали.

Рис. 14. Предположительно эрбийкалиевые квасцы CsEr(SO₄)₂ · 12H₂O

С помощью рентгенофазового анализа не удалось установить состав полученного вещества, так это вещество отсутствовало в базе данных.

На рентгенограмме 5 представлено сопоставление графиков исследуемого образца (зелёным цветом), предположительно KEr(SO₄)₂, и дигидрата KLu(SO₄)₂ (красным цветом).



Рентгенограмма 5. Предположительно KEr(SO₄)₂ · 12H₂O (зелёным) и KLu(SO₄)₂ · 2H₂O (красным цветом).

На рентгенограмме 6 представлено сопоставление графиков исследуемого образца (зелёным цветом), предположительно KEr(SO₄)₂, и кислого сульфата церия (III) (красным).

Рентгенограмма 6. Предположительно KEr(SO₄)₂ · 12H₂O (зелёным) и кислый сульфат церия (III) (красным цветом).

Рентгенограмма проявляет некоторое сходство в расположении линий (со сдвигом, обусловленным разницей в радиусах атомов) с данными для упомянутых веществ, и возможно предположить присутствие в нашем образце аналогичных фаз KEr(SO₄)₂ · 2H₂O и гидрата кислого сульфата эрбия. Однако однозначно утверждать это нельзя, и вопрос нуждается в дополнительном исследовании (выращивании кристалла и определении структуры).

Проводилось прокаливание этого образца (рис. 15).

Рис. 15. Прокаливание предположительно эрбийкалиевых квасцов

Исходная масса образца составляла 0,8 г, после прокаливания осталось 0,63 г, таким образом, потери по массе составили 21,25%. На основе этих данных было сделано предположение, что исследуемое вещество имеет формулу: KEr(SO₄)₂ · 6H₂O, которая не соответствует формуле квасцов.

Прокаленное вещество было также подвергнуто рентгенофазовому анализу (рентгенограмма 7), который показал, что основная фаза похожа на K₆Er₄(SO₄)₉, есть (возможно) примесь K₂S₂O₅. Это может говорить о том, что у нас был избыток калия по сравнению с эрбием. Если исходить из состава безводного вещества K₆Er₄(SO₄)₉, то исходному гидрату можно приписать формулу K₆Er₄(SO₄)₉ · 21Н₂О.

Рентгенограмма 7. Предположительно KEr(SO₄)₂ · 12H₂O (зелёным), K₆Er₄(SO₄)₉ · 2H₂O (сиреневым), K₂S₂O₅ (красным цветом) и K₂SO₄ (синим)

Иттрийкалиевые квасцы -- KY(SO₄)₂ · 12H₂O

В растворе выпали кристаллы, которые были подвергнуты рентгенофазовому анализу (рентгенограмма 8), который показал, что образец похож на квасцы, но, возможно, есть примесь K₆Y₄(SO₄)₉.

Образец хорошо закристаллизован и может иметь текстуру (определенный рельеф), которая осложняет интерпретацию рентгеновских данных. Поэтому для окончательного доказательства состава образца решено вырастить монокристалл.



Рентгенограмма 8. KY(SO₄)₂ · 12H₂O иттрийкалиевые квасцы

Выводы

1. Предложена и успешно опробована более простая методика получения железокалиевых квасцов по сравнению с имеющейся в литературе.

2. Предложенная методика модицифирована для получения некоторых других квасцов (железоцезиевых, иттрийкалиевых) с учетом имеющихся реагентов (не сульфатов).

3. Выращен монокристалл железоцезиевых квасцов размером 7·7 мм.

4. При попытке применить разработанную методику для получения эрбийкалиевых квасцов обнаружена неизвестная фаза, отсутствующая в рентгеновской базе данных. По различным оценкам, состав фазы может соответствовать смеси KEr(SO₄)₂ · 2H₂O и ErH(SO₄)₂ · 2H₂O, гидрату KEr(SO₄)₂ · 6H₂O или K₆Er₄(SO₄)₉ · 21Н₂О.

Список литературы

1. Б.В. Некрасов. 1973. Основы общей химии. Том 2. С. 520-521

2. М.П. Шаскольская. 1984. Кристаллография. С. 11-20, 56-58, 130-136

3. А.В. Шубников. 1947. Образование кристаллов. С 18-21, 32

4. Мир минералов. [Электронный ресурс]. URL: http://mineralys.ru/kak-vyirastit-kristall/#kvastci (дата обращения: 25.11.2014).

5. Большая Медицинская Энциклопедия. [Электронный ресурс]. URL: http://bigmeden.ru/article/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D1%81%D1%86%D1%8B (дата обращения: 27.11.2014).

6. Wikipedia: The Free Encyclopedia. [Электронный ресурс]. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Alum (дата обращения: 30.11.2014).

7. О. Ольгин. Опыты без взрывов. 2012. С. 22

8. Ю.Ю. Лурье. Справочник по аналитической химии. М., Химия, 1989.

9. Справочник химика. - М., Л.: 1965, т.3

10. Э.Н. Рэмсден. 1989. Начала современной химии. С. 413

11. С.А. Балезин. 1975. Основы физической и коллоидной химии. С. 289

Размещено на Allbest.ru

...