Размещено на http://www.allbest.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Кемеровский государственный университет»

Институт фундаментальных наук

Кафедра фундаментальной и прикладной химии

Отчёт о выполнении проекта

Триоксалатоферрат (III) калия

Выполнил: студент группы Х-202

Цыганенко К.И.

Руководитель проекта:

Кемерово 2021



• Оглавление
• Введение
• Глава 1. Теоретическая часть
• 1.1 Калий
• 1.2 История открытия калия
• 1.3 Железо
• 1.4 История открытия железа
• 1.5 Щавелевая кислота и её соли
• 1.6 История открытия щавелевой кислоты
• 1.7 Триоксалатоферрат (III) калия
• Глава 2. Экспериментальная часть
• 2.1 Методики синтеза
• 2.2 Техника безопасности
• 2.3 Расчёты исходных веществ
• 2.4 Оборудование, посуда и реактивы для синтеза
• Глава 3. Результаты эксперимента и их обсуждение
• 3.1. Выполнение синтеза
• 3.2. Качественные реакции
• 3.2. Расчёт выхода продукта
• 3.3. Расчёт изобарно-изотермический потенциала
• Выводы
• Список литературы



Введение

Целью данного проекта является синтез триоксалатоферрата (III) калия, изучение его химических свойств и проведение качественного анализа на ионы.

Задачи проекта:

- проработка литературы по теме;

- выбор способа синтеза;

- расчёт исходных реагентов и определение условий проведения синтеза;

- выбор приборов и оборудования для синтеза;

- проведение качественных реакций;

- проверить химические свойства данного соединения;

- расчёт выхода.



Глава 1. Теоретическая часть

1.1 Калий

Калий (K) (лат. Kalium) - химический элемент с атомным номером 19 в периодической системе, мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета. Плотность калия составляет 0,856 г/см³, температура плавления t_пл=63,65 ?C, температура кипения t_кип=773,85 ?C. Калий очень лёгок и легкоплавок. Относительно хорошо растворяется в ртути, образуя амальгамы. Будучи внесённым в пламя горелки, калий (а также его соединения) окрашивает пламя в характерный розово-фиолетовый цвет. При взаимодействии калия с кислородом воздуха образуется не оксид, а пероксид и супероксид. В природе калий встречается только в соединениях с другими элементами, например, в морской воде, а также во многих минералах и др. Распространённость калия в земной коре составляет 2,4 %-та (7-й по содержанию в земной коре элемент) [1].

1.2 История открытия калия

Калий (англ. Potassium, франц. Potassium, нем. Kalium) открыл в 1807 г. Дэви, производивший электролиз твердого, слегка увлажненного едкого кали. Дэви именовал новый металл потассием (Potassium), но это название не прижилось. Крестным отцом металла оказался Гильберт, известный издатель журнала "Annalen der Physik", предложивший название "калий" (происходит от арабского термина алкали, т.е. щелочные вещества); оно было принято в Германии, а потом и в России [2].



1.3 Железо

Железо (Fe) (Ferrum) - химический элемент четвёртого периода, побочной подгруппы, VIII группы периодической системы элементов Менделеева, серебристо-серый пластичный металл. Плотность железа равна 7,874 г/смі, температура плавления 1538,85 °C, температура кипения 2861 °C. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе. В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего - в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре - 4,65 %-тов. Считается, что железо составляет большую часть земного ядра. При высоких температурах или при высокой влажности на воздухе железо самопроизвольно разрушается. В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего в составе железоникелевых метеоритов [3].

1.4 История открытия железа

Было время, когда железо на земле ценилось значительно дороже золота. Так, например, соотношение стоимостей меди, серебра, золота и железа у древних хеттов (Малая Азия, Средиземноморье) равнялось 1: 160: 1280: 6400. Сначала железо получали сыродутным способом. Сначала так называемым сыродутным способом. Сыродутные печи устраивали прямо на земле, на склонах оврагов и канав; они имели вид трубы, которую заполняли углем и железной рудой.

Но, в это же время, некоторым людям были известны способы изготовления булатного железа (дамасской стали). Однако рецепт его изготовления в древности держался в секрете. Секрет изготовления булатного железа был раскрыт и объяснен в девятнадцатом веке русскими металлургами П.П. Аносовым и Д.К. Черновым. Для изготовления бралось чистое кричное железо и помещалось в открытом тигле в горн с древесным углем [4].

1.5 Щавелевая кислота и её соли

Щавелевая кислота, также этандиовая кислота - органическое соединение, двухосновная предельная карбоновая кислота, с формулой HOOC-COOH, простейшая двухосновная кислота, первый член гомологического ряда двухосновных предельных карбоновых кислот. Плотность равна 1,36 г/смі, температура плавления 189,5 °C, температура кипения 100,7°C, температура разложения 100-130°C. Принадлежит к сильным органическим кислотам. Обладает всеми химическими свойствами, характерными для карбоновых кислот. Соли и сложные эфиры щавелевой кислоты называются оксалатами. В природе содержится в щавеле, ревене, карамболе и некоторых других растениях в свободном виде и в виде оксалатов калия и кальция [5].

Получение щавелевой кислоты

В промышленности щавелевую кислоту получают окислением углеводов, спиртов и гликолей смесью HNO₃ и H₂SO₄ в присутствии V₂O₅, либо окислением этилена и ацетилена HNO3 в присутствии PdCl2 или Pd(NO₃)₂, а также окислением пропилена жидким NO₂. Перспективен способ получения щавелевой кислоты из CO через формиат натрия:

NaOH + CO > HCOONa >_-H2 NaOOC-COONa > ^H+ HOOC-COOH [5].

Применение щавелевой кислоты

В лабораториях щавелевую кислоту иногда применяют для получения хлороводорода и йодоводорода:



H₂C₂O₄ + Cl₂ > 2HCl^ + 2CO₂^

C₂H₂O₄ + I₂ > 2HI + 2CO₂^

Также щавелевая кислота используется для лабораторного синтеза диоксида хлора:

2KClO₃ + H₂C₂O₄ > K₂CO₃ + 2ClO₂^ + CO₂^ + H₂O

Щавелевая кислота и оксалаты находят применение в текстильной и кожевенной промышленности как протрава. Они служат компонентами анодных ванн для осаждения металлических покрытий -- алюминия, титана и олова. Щавелевая кислота и оксалаты являются реагентами, используемыми в аналитической и органической химии. Они входят в составы для удаления ржавчины и оксидных плёнок на металле; применяются для осаждения редкоземельных элементов. Щавелевая кислота является хорошим стимулятором работы мышц и нервов [5].

Опасность щавелевой кислоты

Щавелевая кислота и её соли токсичны. Некоторые соли щавелевой кислоты, -- оксалаты, в частности, оксалат кальция и оксалат магния очень плохо растворимы в воде и оседают в почечных лоханках в виде конкрементов различного размера (песок, камни), иногда причудливой формы (коралловые камни) [5].

1.6 История открытия щавелевой кислоты

Впервые щавелевую кислоту синтезировали, совместив азотную кислоту и сахар. Сначала её назвали сахарной кислотой, а затем переименовали в щавелевую, обнаружив её содержание в растениях. Могло быть и третье имя, ведь в чистом виде щавелевая кислота содержится лишь в грибах тутовиках. В 1824 году щавелевая кислота синтезирована немецким химиком Фридрихом Вёлером из дициана [5].

1.7 Триоксалатоферрат (III) калия

Триоксалатоферрат III калия -- неорганическое соединение, комплексная соль железа, калия и щавелевой кислоты с формулой K₃[Fe(C₂O₄)₃]*3H₂O, растворяется в воде, образует кристаллогидраты -- зелёные кристаллы. Температура плавления 100 °C, температура разложения 230°C, плотность 2,133 г/смі, молярная масса 491 г/моль [6].

Химические свойства

Разлагается под действием света:

2K₃[Fe(C₂O₄)₃] >hн 2K₂[Fe(C₂O₄)₂] + K₂C₂O₄ + 2CO₂^

Реагирует с красной кровяной солью на свету:

2K₃[Fe(C₂O₄)₃] + 2K₃[Fe(CN)₆] >hн 2KFe[Fe(CN)₆]v + 5K₂C₂O₄ + 2CO₂^

Данный способ использовался в методе цианотипии [6].



Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Методики синтеза

Методика №1 [7]:

В кипящий раствор 35 г кристаллического сульфата железа (II) в 100 мл воды добавляют небольшими порциями 10-15 мл концентрированной азотной кислоты. Во время окисления выделяются оксиды азота, поэтому работу нужно проводить под тягой.

FeSO₄ + 4HNO₃ = Fe(NO₃)₃ + H₂SO₄ + NO₂ + H₂O

Полноту окисления проверяют в отдельной пробе раствором красной кровяной соли.

3FeSO₄ + 2K₃[Fe(CN)₆] = Fe₃[Fe(CN)₆]₂ + 3K₂SO₄

Затем полученный раствор разбавляют до 2 литров, приливают к нему избыток раствора аммиака (до появления слабого запаха) и выпавший гидроксид железа (III) отмывают 5-6 раз декантацией.

Fe(NO₃)₃ + 3NH₃ + 3H₂O = Fe(OH)₃ + 3NH₄NO₃

После этого осадок гидроксида железа (III) отфильтровывают через большой бумажный складчатый фильтр и промывают несколько раз небольшим количеством горячей воды до исчезновения сульфат-иона в промывных водах. Влажный гидроксид железа (III) вносят по частям в нагретый до 35-40°C раствор 44 г кислого оксалата калия в 100 мл воды до тех пор, пока гидрогель не перестанет растворяться.



Fe(OH)₃ + K₂C₂O₄ + H₂C₂O₄ = K₃[Fe(C₂O₄)₃] + H₂O

Растворение гидрогеля и все последующие операции следует вести в сосудах из тёмного стекла или выкрашенных чёрной краской, а лучше при красном освещении или в затемнённом помещении, так как триоксалатоферрат (III) калия чувствителен к свету. Раствор образовавшегося триоксалатоферрата (III) калия фильтруют и фильтрат упаривают до начала кристаллизации. Выпадающие при охлаждении зелёные кристаллы отсасывают, промывают водой и этанолом, высушивают в эксикаторе. Хранить триоксалат K3[Fe(C2O4)3]*3H2O следует в тёмных склянках.

Методика №2 [8]:

Поместить в химический стакан 6,0 г моногидрата оксалата калия, добавить 20 мл дистиллированной воды и нагреть до растворения (не кипятить!). Во втором стакане растворить 3,0 г гексагидрат хлорида железа (III) в минимальном количестве холодной воды (~6-10 мл). Добавить раствор хлорида железа в теплый раствор оксалата калия и перемешать.

Fe(OH)₃ + K₂C₂O₄ + H₂C₂O₄ = K₃[Fe(C₂O₄)₃] + H₂O

Охладить полученный раствор в бане со льдом для кристаллизации (Защитить раствор от яркого света!). Выпавшие кристаллы отделить на воронке Бюхнера, промыть на фильтре 10 мл ацетона и для осушения в течение нескольких минут пропустить воздух через фильтр. Перекристаллизовать полученное вещество. Для этого препарат нужно поместить в стакан, добавить дистиллированной воды и нагреть до полного растворения. При наличии нерастворимых примесей раствор профильтровать на воронке для горячего фильтрования.

Фильтрат охладить в бане со льдом, выпавшие кристаллы отфильтровать на воронке Бюхнера, дважды промыть ледяной дистиллированной водой (5 мл). Вещество перенести в фарфоровую чашку и просушить в сушильном шкафу при 50°С в течение 30 мин.

2.2 Техника безопасности

1. Находиться в лаборатории можно только в рабочем халате, также при себе иметь респиратор и защитные очки.

2. Химические реактивы нужно брать шпателем, ложечкой или пинцетом, а не руками!

3. Выделяющиеся при реакции газы и пары не нюхать и не вдыхать.

4. Все опыты, связанные с применением или образованием ядовитых веществ, разрешается проводить только в вытяжном шкафу.

5. Первая доврачебная помощь:

а. При порезах стеклом следует удалить остатки стекла, рану дезинфицировать спиртовым раствором йода и наложить стерильную повязку. При сильных порезах наложить жгут и направить пострадавшего к врачу.

б. При попадании концентрированных кислот на кожу рук следует хорошо промыть поврежденный участок струёй воды, затем наложить примочку из 2 %-ного раствора соды и направить пострадавшего к врачу [9].

2.3 Расчёты исходных веществ

Рассчитаем количество исходных веществ для синтеза 10 г K₃[Fe(C₂O₄)₃]*3H₂O.

3K₂C₂O₄*H₂O + FeCl₃*6H₂O = K₃[Fe(C₂O₄)₃]*3H₂O + 3KCl + 6H₂O

Найдём массы K₂C₂O₄*H₂O и FeCl₃*6H₂O:



n(K₃[Fe(C₂O₄)₃]*3H₂O ) =m/M = 10/491 = 0,02 моль

m(FeCl₃*6H₂O)=1/2*n(K₃[Fe(C₂O₄)₃]*3H₂O)*M(FeCl₃*6H₂O) = 1/2*0,02*270,5 = 2,705 г

V(H₂O) = (2,705*100)/92 = 2,94 мл (Растворимость FeCl₃*6H₂O составляет 92/100 г воды при 25 °С [10]).

m(K₂C₂O₄*H₂O) =1/2*n(K₃[Fe(C₂O₄)₃*3H₂O)*M(K₃[Fe(C₂O₄)₃]) = 1/2*0,02*184 = 1,84 г

V(H₂O) = (1,84*100)/87 = 2,115 мл (Растворимость K₂C₂O₄*H₂O составляет 87/100 г воды при 25 °С [11]).

2.4 Оборудование, посуда и реактивы для синтеза

Для получения 10 г K3[Fe(C2O4)3]*3H2O необходимо:

2,705 г FeCl₃*6H₂O; 1,84 г K₂C₂O₄*H₂O;

Для проведения качественного анализа на ионы:

Красную кровяную соль, тиоцианат аммония, гексанитрокобальтат (III) натрия.

Для промывания: ледяная дистиллированная вода.

Посуда, приборы, материалы: мерный цилиндр на 10 мл, весы, химические стаканы на 100 мл, пробирки, фильтрованная бумага, воронка Бюхнера, стеклянная палочка, ложечка, плита, баня со льдом, воронка для горячего фильтрования.



Глава 3. Результаты эксперимента и их обсуждение

3.1 Выполнение синтеза

В химический стакан поместили 1,84 г моногидрата оксалата калия, добавили 2,115 мл дистиллированной воды и нагрели до растворения (не кипятить!). Во втором стакане растворили 2,705 г гексагидрата хлорида железа (III) в 2,94 мл холодной воды. Добавили раствор хлорида железа в тёплый раствор оксалата калия и перемешали. Охладили полученный раствор в бане со льдом для кристаллизации (защитить раствор от яркого света!). Выпавшие кристаллы отделили на воронке Бюхнера, промыли на фильтре ацетоном и для осушения в течение нескольких минут пропустили воздух через фильтр. Перекристаллизовали полученное вещество. Для этого препарат поместили в стакан, добавили дистиллированной воды и нагрели до полного растворения. Раствор профильтровали на воронке для горячего фильтрования, чтобы отчистить от нерастворимых примесей. Фильтрат охладили в бане со льдом, выпавшие кристаллы отфильтровали на воронке Бюхнера, дважды промыли ледяной дистиллированной водой. Вещество перенесли в фарфоровую чашку и просушили в сушильном шкафу при 50°С в течение 30 мин.

3.2 Качественные реакции

4K₃[Fe(C₂O₄)₃] + 3K₄[Fe(CN)₆] = Fe₄[Fe(CN)₆]₃ + 12K₂C₂O₄

В результате проведённой реакции, выпадает ярко-синий осадок берлинской лазури Fe₄[Fe(CN)₆]₃, нами показано наличие ионов Fe³⁺ в растворе.



K₃[Fe(C₂O₄)₃] + NH₄SCN = (NH₄)₃[Fe(C₂O₄)₃] + 3KSCN

В результате реакции, раствор не окрашивается в кроваво-красный, т. к. не образуется Fe(SCN)₃, следовательно, ион Fе³⁺ находится во внутренней сфере.

2K₃[Fe(C₂O₄)₃] + 3Na₃[Co(NO₂)₆] = 3K₂Na[Co(NO₂)₆] + 2Na₃[Fe(C₂O₄)₃]

В результате проведения реакции, выпадает жёлтый осадок K₂Na[Co(NO₂)₆] последовательно, ионы K⁺ находятся во внешней сфере [9].

3.2 Расчёт выхода продукта

=

3.3 Расчёт изобарно-изотермический потенциала

3K₂C₂O₄*H₂O + FeCl₃*6H₂O = K₃[Fe(C₂O₄)₃]*3H₂O + 3KCl + 6H₂O

3K⁺ + [Fe(C₂O₄)₃]^3- + 3H₂O = K₃[Fe(C₂O₄)₃]*3H₂O

[Fe(C₂O₄)₃]^3- = Fe³⁺ + 3C₂O₄^2-

?G = - RTlnK_уст

K_нест([Fe(C₂O₄)₃]^3-) = 6,3*10^-21 [11].

K_уст ([Fe(C₂O₄)₃]^3-) = 1/K_нест = 1/(6,3*10^-21) = 1,587*10²¹

?G ([Fe(C₂O₄)₃]^3-) = - (8,31*25*ln(1,587*10²¹)) = -10138,2 кДж/моль

???° = ?(??????°)прод.? ?(??????°)исх

Стандартные энергии Гиббса образования Д Gєобр. при 298,15 К для:

H₂O (ж) = -237,25 кДж/моль

K⁺ (р-р; бесконечн.H2O) = -282,52 кДж/моль

K₃[Fe(C₂O₄)₃]*3H₂O = -5500 кДж/моль [11].

???° = - 5500 - (3*(- 282,52) + (- 10138,2) + 3*(- 237,25)) = 6038,51

???>0, следовательно, реакция не может протекать самопроизвольно, в прямом направлении, однако обратная реакция может.



Выводы

1. Изучена литература по данной теме.

2. Выбрана методика получения триоксалатоферрата (III) калия .

3. Произведен расчет необходимого количества исходных веществ.

4. Выполнен синтез.

5. Проведён качественный анализ данного комплекса, тем самым был доказан состав синтезированного вещества.

калий железо триоксалатоферрат изотермический



Список литературы

1. https://chem.ru/kalij.html - Калий - доступ свободный (дата обращения: 09.04.2020)

2. http://www.chem.msu.su/rus/history/element/K.html - История открытия калия - доступ свободный (дата обращения: 09.04.2020)

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Железо - Железо - доступ свободный (дата обращения: 09.04.2020)

4. Гусева Е.В. Удивительная девятка (d-элементы VIII группы) [Электронный ресурс]: учебное пособие /Гусева Е.В., Бусыгина Т.Е., Половняк В.К. - Электрон. дан. - Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2012. -- с. 3,4 -- Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/58346 (дата обращения: 09.04.2020)

5. https://chem.ru/schavelevaja-kislota.html - Щавелевая кислота и её соли - свободный доступ (дата обращения: 09.04.2020).

6. https://chem.ru/trioksalatoferrat-iii-kalija.html - Триоксалатоферрат (III) калия - свободный доступ (дата обращения: 10.04.2020).

7. http://www.chemical-analysis.ru/neorganicheskii-sintez/neorganicheskii-sintez-0205.html - Методика синтеза триоксалатоферрата (III) калия - свободный доступ (дата обращения: 10.04.2020

8. Зломанов В. П. Практикум по неорганической химии 2 семестр [Электронный ресурс]: учебное пособие/Зломанов В. П., Панин Р. В., Один И. Н. - Электрон. дан. - Бакинский филиал МГУ имени М.В. Ломоносова, 2010 - с. 56. - Режим доступа: https://istina.msu.ru/ (дата обращения: 10.04.2020

9. Сирик, С.М. Неорганическая химия: лабораторный практикум. Ч. 2. [Электронный ресурс] : учеб. пособие / С.М. Сирик, Т.Ю. Кожухова, В.П. Морозов. -- Электрон. дан. -- Кемерово : КемГУ, 2014. -- 130, 95, 97 с. -- Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/58346 (дата обращения: 31.03.2020).

10. https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/246629 - Растворимость FeCl₃*6H₂O - свободный доступ (дата обращения: 11.04.2020).

11. Волков А. И. Большой химический справочник [Электронный ресурс] : учеб. пособие / А. И. Волков, И. М. Жарский - Электрон. дан. - Минск. Современная школа, 2005. - 400, 534 , 328-332 с. - Режим доступа: http://en.bookfi.net/book/627009 (дата обращения: 11.04.2020)

Размещено на Allbest.ru

...