Come preparare il nitrato di potassio da sostituto del sale e impacchi freddi

Il nitrato di potassio è un sale che ha molti usi, soprattutto per esperimenti domestici. È uno dei componenti principali della polvere nera, ed è anche frequentemente utilizzato in vari tipi di articoli pirotecnici per produrre fiamme viola chiaro o lilla.

A causa del fatto stesso che è un ingrediente della polvere da sparo e di altri esplosivi, il nitrato di potassio è difficile da ottenere in alcuni paesi. In alcuni paesi, infatti, ne è vietata la vendita al pubblico. Per questo in questo articolo mostriamo come ottenere questa sostanza da materiali casalinghi di facile reperibilità. Allo stesso tempo, coglieremo l’occasione per evidenziare alcuni importanti concetti chimici relativi alle reazioni chimiche, alla solubilità e alla stechiometria.

Quale reazione chimica avviene?

La reazione che si verifica in questo esperimento è una reazione di doppio spostamento o doppia decomposizione tra nitrato di ammonio e cloruro di potassio per dare nitrato di potassio e cloruro di ammonio. L’equazione chimica è presentata di seguito:

In questa reazione, il potassio sposta l’ammonio, mentre l’ammonio sposta il potassio. I prodotti di reazione sono tutti inizialmente allo stato acquoso, cioè disciolti in acqua. Tuttavia, quando la soluzione viene raffreddata, la solubilità del nitrato di potassio diminuisce bruscamente, quindi precipita, mentre gli altri rimangono in soluzione.

A 0°C la solubilità del nitrato di potassio è di 13,3 g per 100 g di acqua, mentre quella del cloruro di ammonio è di 29,4 g per 100 g di acqua. Per questo motivo, il nitrato di potassio inizia a precipitare prima del cloruro di ammonio, e il primo può essere ottenuto con una purezza accettabile quando la soluzione viene raffreddata. Tuttavia, del cloruro di ammonio può finire per precipitare insieme al nitrato di potassio a basse temperature, quindi è necessario eseguire un processo di purificazione del nitrato di potassio per migliorarne la qualità e renderlo utile per vari esperimenti.

Reagenti e materiali necessari

reagenti

Il presente esperimento richiede i seguenti reagenti di partenza:

• 150 g di sostituto del sale o sale senza sodio. Questo è un sale generalmente prescritto ai pazienti ipertesi che non possono consumare sodio nella dieta. In realtà è cloruro di potassio (KCl).
• 2 impacchi freddi. La maggior parte contiene nitrato di ammonio (NH ₄ NO ₃ ), altri contengono nitrato di ammonio di calcio (CAN). Occorre prendere nota di quale dei due composti contiene poiché le quantità variano a seconda dei casi.
• Acqua pura. È possibile utilizzare acqua filtrata, ma per ottenere i migliori risultati è preferibile utilizzare acqua di batteria (è acqua deionizzata o ultrapura).

materiali e strumenti

• Forbici.
• Contenitore in plastica da ca. Capacità 1 litro.
• Forno a microonde.
• Guanti da cucina termici.
• 4 barattoli di vetro da 500 ml o 1 litro (molto puliti).
• 2 cucchiai grandi.
• Bilancia da cucina, preferibilmente una bilancia da pasticceria digitale che abbia un apprezzamento di 0,1 g.
• Da 2 a 4 filtri caffè.
• 2 leghe o elastici.

procedura sperimentale

Parte 1: Sintesi del nitrato di potassio

Per sintetizzare il nitrato di potassio, è necessario seguire i seguenti passaggi:

1. Usando le forbici, taglia gli impacchi freddi ed estrai il loro contenuto aggiungendolo a un contenitore di plastica.
2. Posizionare uno dei barattoli di vetro sulla bilancia e tarare (azzerare).
3. Pesare nella bottiglia 108 g di nitrato di ammonio (o 290 g se è CAN).
4. In un secondo pallone pesare 200 g di acqua pura. Per fare ciò, posizionare la bottiglia vuota sulla bilancia, tarare (azzerare), quindi aggiungere lentamente acqua fino a 200 g. Non è necessario che questa quantità sia esatta, puoi andare da un paio di grammi e non influirà in modo apprezzabile sul risultato.
5. Mescolare il nitrato di ammonio pesante nell’acqua mescolando continuamente con un cucchiaio. Il contenitore si raffredderà notevolmente perché la reazione di dissoluzione è fortemente endotermica.
6. Riscaldare leggermente questa soluzione nel forno a microonde. La soluzione apparirà probabilmente torbida e potrebbe esserci un fine residuo polveroso sul fondo della bottiglia. Questo è un agente antiagglomerante solitamente a base di silice ed è una sostanza inerte, ma dobbiamo filtrarlo.
7. Metti uno o due filtri per caffè nel terzo barattolo attaccato con l’elastico e filtra la soluzione calda di nitrato di ammonio. Terminata la filtrazione, scartare i filtri e il solido in essi contenuto (può essere gettato via senza problemi).
8. Nella quarta bottiglia, pesare 100 g di cloruro di potassio (sostituto del sale) seguendo la stessa procedura di prima (mettere sulla bilancia, tarare, quindi pesare).
9. Trasferire i 100 g di KCl appena pesati nel pallone contenente la soluzione filtrata e agitare energicamente.
10. Microonde la soluzione fino o appena sotto l’ebollizione.
11. Durante il riscaldamento, pulire il primo barattolo e inserire un filtro per caffè in bocca con l’elastico.
12. Una volta calda, usando guanti da forno per evitare di scottarti, filtra la soluzione calda per rimuovere quanta più torbidità possibile ed eventuali cristalli di KCl non disciolti.
13. Lascia raffreddare la soluzione fino a renderla tiepida, quindi mettila nel congelatore e lasciala riposare fino a quando non si congela (il punto di congelamento di questa soluzione è molto più basso di quello dell’acqua pura, quindi non si congelerà in un frigorifero domestico).
14. Durante il raffreddamento, dovrebbe essersi formata una buona quantità di cristalli bianchi aghiformi di nitrato di potassio. Il passaggio successivo consiste nel filtrare il prodotto, questa volta mantenendo il solido e scartando la soluzione.
15. Lasciare asciugare i cristalli su carta assorbente o su un vassoio all’aria. Una volta asciutto, pesare il prodotto.

Parte 2: purificazione del nitrato di potassio

A questo punto abbiamo già il nitrato di potassio. Tuttavia, il cloruro di ammonio è fortemente contaminato, specialmente con il secondo prodotto di reazione.

Se tutto è andato bene e non ci sono state perdite significative durante l’esperimento, dovremmo avere circa 120 g di nitrato di potassio impuro di cui circa 13 g sono impurità. Questo dovrebbe potersi sciogliere completamente in 100 g di acqua bollente, poiché la sua solubilità di questo composto a 100 °C è di 118,3 g/100 g H 2 _O. Una volta disciolto, si può procedere alla ricristallizzazione per ottenere il prodotto puro.

Per la ricristallizzazione avremo bisogno di 2 barattoli ben puliti (non importa che non siano asciutti) e di due ulteriori filtri per il caffè.

La procedura è la seguente:

1. 100 g di acqua vengono pesati in un pallone e portati a ebollizione nel microonde.
2. Nel frattempo, tutto il nitrato di potassio impuro appena sintetizzato viene trasferito nel primo pallone. Volendo si può pesare il solido per determinare la resa di ricristallizzazione, ma non è necessario.
3. Aggiungere l’acqua calda al nitrato di potassio solido e mescolare fino a quando non si scioglie. È importante che la soluzione non venga raffreddata, né lo è il primo pallone in cui è stata riscaldata l’acqua. Se necessario, riscaldare nuovamente il tutto appena prima di filtrare.
4. Posizionare il filtro del caffè nel contenitore vuoto fissato con l’elastico e filtrare rapidamente la soluzione calda. Si deve ottenere una soluzione completamente incolore e trasparente, priva di torbidità.
5. Lasciare raffreddare la soluzione di nitrato di potassio il più lentamente possibile. Più lentamente si raffredda, migliore sarà il processo di ricristallizzazione, che si tradurrà in cristalli più grandi e più puri. Per rendere il processo ancora più lento, il barattolo può essere posto a bagnomaria con acqua bollente e tolto dal fornello. La maggiore quantità di acqua rallenterà il raffreddamento.
6. Dopo un paio d’ore mettete la bottiglia in frigorifero per abbassare ancora di più la temperatura e ottenere così una maggiore quantità di cristalli.
7. Infine, utilizzando un altro filtro da caffè, filtrare la soluzione fredda e recuperare il solido cristallino. Si può lasciare qualche ora su un vassoio ricoperto di carta assorbente per farlo asciugare all’aria, e una volta asciutto al tatto si può mettere in forno a circa 50-60°C per un’altra ora o due per completare il processo di asciugatura.
8. Infine, pesiamo il nostro prodotto finale e lo imbottigliamo in un barattolo di vetro con chiusura ermetica.

Dopo questa ricristallizzazione, la stragrande maggioranza del cloruro di ammonio e qualsiasi altra impurità dovrebbe essere stata rimossa. Il solido prima della ricristallizzazione conteneva circa 13 g di cloruro di ammonio come impurità. Poiché il solido disciolto in 100 g di acqua e la solubilità del cloruro di ammonio a 0°C è di 29 g per 100 g di acqua, quei 13 grammi di impurità rimarranno disciolti mentre il nitrato di potassio cristallizza.

Grazie a quanto sopra, è possibile ottenere un nitrato di potassio purissimo e di alta qualità per qualsiasi esperimento si desideri effettuare.

Riferimenti

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Il chimico canadese. (2016, 26 luglio). Come fare il nitrato di potassio (materiali per la casa) [Video]. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=NPdeSNyguQ0