Wie bereitet man Kaliumnitrat aus Salzersatz und kalten Umschlägen zu?

Kaliumnitrat ist ein Salz, das viele Verwendungsmöglichkeiten hat, insbesondere für Heimexperimente. Es ist einer der Hauptbestandteile von Schwarzpulver und wird auch häufig in verschiedenen Arten von Pyrotechnik verwendet, um hellviolette oder lila Flammen zu erzeugen.

Aufgrund der Tatsache, dass es ein Bestandteil von Schießpulver und anderen Sprengstoffen ist, ist Kaliumnitrat in einigen Ländern schwer erhältlich. In einigen Ländern ist der Verkauf an die breite Öffentlichkeit sogar verboten. Aus diesem Grund zeigen wir in diesem Artikel, wie man diesen Stoff aus leicht zu beschaffenden hausgemachten Materialien gewinnt. Gleichzeitig nutzen wir die Gelegenheit, einige wichtige chemische Konzepte im Zusammenhang mit chemischen Reaktionen, Löslichkeit und Stöchiometrie hervorzuheben.

Welche chemische Reaktion tritt auf?

Die Reaktion, die in diesem Experiment auftritt, ist eine doppelte Verdrängungs- oder doppelte Zersetzungsreaktion zwischen Ammoniumnitrat und Kaliumchlorid, um Kaliumnitrat und Ammoniumchlorid zu ergeben. Die chemische Gleichung ist unten dargestellt:

Bei dieser Reaktion verdrängt Kalium Ammonium, während Ammonium Kalium verdrängt. Die Reaktionsprodukte liegen alle zunächst im wässrigen Zustand vor, dh in Wasser gelöst. Beim Abkühlen der Lösung nimmt die Löslichkeit von Kaliumnitrat jedoch abrupt ab, so dass es ausfällt, während die anderen in Lösung bleiben.

Bei 0°C beträgt die Löslichkeit von Kaliumnitrat 13,3 g pro 100 g Wasser, während die von Ammoniumchlorid 29,4 g pro 100 g Wasser beträgt. Aus diesem Grund beginnt Kaliumnitrat vor Ammoniumchlorid auszufallen, und ersteres kann beim Abkühlen der Lösung in akzeptabler Reinheit erhalten werden. Bei niedrigen Temperaturen kann jedoch etwas Ammoniumchlorid zusammen mit Kaliumnitrat ausfallen, daher muss Kaliumnitrat einem Reinigungsprozess unterzogen werden, um seine Qualität zu verbessern und es für verschiedene Experimente nutzbar zu machen.

Benötigte Reagenzien und Materialien

Reagenzien

Für den vorliegenden Versuch werden folgende Ausgangsreagenzien benötigt:

• 150 g Salzersatz oder natriumfreies Salz. Dies ist ein Salz, das im Allgemeinen hypertensiven Patienten verschrieben wird, die kein Natrium in der Nahrung aufnehmen können. Es ist eigentlich Kaliumchlorid (KCl).
• 2 kalte Kompressen. Die meisten enthalten Ammoniumnitrat (NH ₄ NO ₃ ), andere enthalten Calciumammoniumnitrat (CAN). Es ist darauf zu achten, welche der beiden Verbindungen darin enthalten sind, da die Mengen von Fall zu Fall variieren.
• Reines Wasser. Gefiltertes Wasser kann verwendet werden, aber für beste Ergebnisse ist es vorzuziehen, Batteriewasser zu verwenden (es ist deionisiertes oder ultrareines Wasser).

Materialien und Instrumente

• Schere.
• Kunststoffbehälter von ca. 1 Liter Fassungsvermögen.
• Mikrowelle.
• Thermische Küchenhandschuhe.
• 4 Gläser mit 500 ml oder 1 L (sehr sauber).
• 2 große Löffel.
• Küchenwaage, am besten eine digitale Gebäckwaage, die eine Aufwertung von 0,1g hat.
• Von 2 bis 4 Kaffeefilter.
• 2 Ligen oder Gummibänder.

Versuchsdurchführung

Teil 1: Synthese von Kaliumnitrat

Um Kaliumnitrat zu synthetisieren, müssen die folgenden Schritte befolgt werden:

1. Schneiden Sie die Kühlakkus mit einer Schere auf und extrahieren Sie deren Inhalt, indem Sie ihn in einen Plastikbehälter geben.
2. Eines der Glasgefäße auf die Waage stellen und tarieren (auf Null zurücksetzen).
3. Wiegen Sie 108 g Ammoniumnitrat (oder 290 g, wenn es CAN ist) in die Flasche ein.
4. In einen zweiten Kolben 200 g reines Wasser einwiegen. Dazu die leere Flasche auf die Waage stellen, tarieren (auf Null zurücksetzen) und dann langsam Wasser auf 200 g auffüllen. Diese Menge muss nicht genau sein, Sie können ein paar Gramm nehmen und es wird das Ergebnis nicht merklich beeinflussen.
5. Mischen Sie das schwere Ammoniumnitrat unter ständigem Rühren mit einem Löffel in das Wasser. Der Behälter kühlt stark ab, da die Auflösungsreaktion stark endotherm ist.
6. Erhitzen Sie diese Lösung leicht in der Mikrowelle. Die Lösung wird wahrscheinlich trüb erscheinen und am Boden der Flasche kann ein feiner pulvriger Rückstand zurückbleiben. Dies ist ein Trennmittel, das normalerweise aus Kieselsäure hergestellt wird und eine inerte Substanz ist, aber wir müssen es herausfiltern.
7. Legen Sie einen oder zwei Kaffeefilter in das dritte Glas, das mit dem Gummiband befestigt ist, und filtern Sie die heiße Ammoniumnitratlösung. Wenn die Filterung beendet ist, entsorgen Sie die Filter und den darin enthaltenen Feststoff (dieser kann problemlos entsorgt werden).
8. Wiegen Sie in der vierten Flasche 100 g Kaliumchlorid (Salzersatz) nach dem gleichen Verfahren wie zuvor (auf Waage stellen, tarieren, dann wiegen).
9. 100 g frisch abgewogenes KCl in den Kolben mit der filtrierten Lösung überführen und kräftig rühren.
10. Erhitze die Lösung in der Mikrowelle bis zum Sieden oder knapp darunter.
11. Reinigen Sie während des Erhitzens das erste Glas und setzen Sie einen Kaffeefilter mit dem Gummiband in den Mund.
12. Sobald sie heiß ist, verwenden Sie Ofenhandschuhe, um Verbrennungen zu vermeiden, und filtern Sie die heiße Lösung, um so viel Trübung wie möglich und ungelöste KCl-Kristalle zu entfernen.
13. Lassen Sie die Lösung abkühlen, bis sie lauwarm ist, stellen Sie sie dann in den Gefrierschrank und lassen Sie sie stehen, bis sie fast gefriert (der Gefrierpunkt dieser Lösung ist viel niedriger als der von reinem Wasser, sodass sie in einem Haushaltskühlschrank nicht gefriert).
14. Beim Abkühlen sollten sich viele weiße, nadelartige Kaliumnitratkristalle gebildet haben. Der nächste Schritt besteht darin, das Produkt zu filtern, wobei diesmal der Feststoff zurückgehalten und die Lösung verworfen wird.
15. Lassen Sie die Kristalle auf saugfähigem Papier oder auf einem Tablett an der Luft trocknen. Wiegen Sie das Produkt nach dem Trocknen.

Teil 2: Reinigung von Kaliumnitrat

An diesem Punkt haben wir bereits Kaliumnitrat. Allerdings ist das Ammoniumchlorid stark verunreinigt, insbesondere mit dem zweiten Reaktionsprodukt.

Wenn alles gut gelaufen ist und es während des Experiments zu keinen signifikanten Verlusten gekommen ist, sollten wir etwa 120 g verunreinigtes Kaliumnitrat haben, wovon etwa 13 g Verunreinigungen sind. Dieses sollte sich vollständig in 100 g siedendem Wasser lösen können, da seine Löslichkeit dieser Verbindung bei 100 °C 118,3 g/100 g H 2 _O beträgt . Nach dem Auflösen kann eine Umkristallisation durchgeführt werden, um das reine Produkt zu erhalten.

Für die Umkristallisation benötigen wir 2 sehr saubere Gläser (es spielt keine Rolle, dass sie nicht trocken sind) und zwei zusätzliche Kaffeefilter.

Das Verfahren ist das nächste:

1. 100 g Wasser werden in einen Kolben eingewogen und in der Mikrowelle zum Sieden erhitzt.
2. In der Zwischenzeit wird das gesamte neu synthetisierte unreine Kaliumnitrat in den ersten Kolben überführt. Wenn Sie möchten, können Sie den Feststoff zur Bestimmung der Umkristallisationsausbeute wiegen, dies ist jedoch nicht erforderlich.
3. Fügen Sie das heiße Wasser zum festen Kaliumnitrat hinzu und rühren Sie, bis es sich aufgelöst hat. Wichtig ist, dass weder die Lösung gekühlt wird, noch der erste Kolben, in dem das Wasser erhitzt wurde. Erhitzen Sie ggf. kurz vor dem Filtern alles noch einmal.
4. Legen Sie den Kaffeefilter in den leeren Behälter, der mit dem Gummiband gesichert ist, und filtern Sie die heiße Lösung schnell. Es sollte eine vollständig farblose und transparente Lösung ohne Trübung erhalten werden.
5. Lassen Sie die Kaliumnitratlösung so langsam wie möglich abkühlen. Je langsamer es abkühlt, desto besser ist der Rekristallisationsprozess, was zu größeren und reineren Kristallen führt. Um den Prozess noch langsamer zu machen, kann das Glas in ein Wasserbad mit kochendem Wasser gestellt und vom Brenner genommen werden. Die größere Wassermenge verlangsamt die Abkühlung.
6. Stellen Sie die Flasche nach ein paar Stunden in den Kühlschrank, um die Temperatur noch weiter zu senken und so eine größere Menge an Kristallen zu erhalten.
7. Schließlich wird die kalte Lösung unter Verwendung eines anderen Kaffeefilters filtriert und der kristalline Feststoff zurückgewonnen. Es kann einige Stunden auf einem mit saugfähigem Papier bedeckten Tablett liegen gelassen werden, um es an der Luft trocknen zu lassen, und wenn es sich trocken anfühlt, kann das Tablett bei etwa 50-60 °C für ein oder zwei weitere Stunden in einen Ofen gestellt werden den Trocknungsprozess abschließen.
8. Schließlich wiegen wir unser Endprodukt und füllen es in ein luftdicht verschlossenes Glas ab.

Nach dieser Umkristallisation sollte die überwiegende Mehrheit des Ammoniumchlorids und aller anderen Verunreinigungen entfernt worden sein. Der Feststoff enthielt vor der Umkristallisation etwa 13 g Ammoniumchlorid als Verunreinigungen. Da der Feststoff in 100 g Wasser gelöst ist und die Löslichkeit von Ammoniumchlorid bei 0°C 29 g pro 100 g Wasser beträgt, bleiben diese 13 g Verunreinigung gelöst, während das Kaliumnitrat kristallisiert.

Dank dem Obigen kann ein sehr reines und qualitativ hochwertiges Kaliumnitrat für jedes Experiment, das durchgeführt werden soll, erhalten werden.

Verweise

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