代用塩と冷湿布から硝酸カリウムを調製する方法

Tabla de Contenidos

硝酸カリウムは、特に家庭での実験に多くの用途がある塩です。黒色火薬の主成分の 1 つであり、さまざまな種類の花火で薄紫色または薄紫色の炎を生成するために頻繁に使用されます。

硝酸カリウムは、火薬やその他の爆薬の成分であるため、国によっては入手が困難です。実際、一部の国では、一般大衆への販売が禁止されています。このため、この記事では、入手しやすい自家製の材料からこの物質を入手する方法を示します。同時に、化学反応、溶解度、および化学量論に関連するいくつかの重要な化学概念を強調する機会を利用します。

どんな化学反応が起こる？

この実験で起こる反応は、硝酸アンモニウムと塩化カリウムとの間の二重置換または二重分解反応であり、硝酸カリウムと塩化アンモニウムが得られます。化学式を以下に示します。

この反応では、カリウムがアンモニウムを置換し、アンモニウムがカリウムを置換します。反応生成物はすべて最初は水性状態、すなわち水に溶解している。ただし、溶液を冷却すると、硝酸カリウムの溶解度が急激に低下するため、硝酸カリウムは沈殿しますが、他のものは溶液中に残ります。

0℃では、硝酸カリウムの溶解度は水 100 g あたり 13.3 g ですが、塩化アンモニウムの溶解度は水 100 g あたり 29.4 g です。このため、硝酸カリウムは塩化アンモニウムの前に沈殿し始め、前者は溶液を冷却すると許容できる純度で得ることができます。ただし、一部の塩化アンモニウムは、低温で硝酸カリウムと一緒に沈殿する可能性があるため、硝酸カリウムを精製して品質を向上させ、さまざまな実験に使用できるようにする必要があります。

必要な試薬と材料

試薬

現在の実験では、次の開始試薬が必要です。

150 g の塩代用塩またはナトリウムを含まない塩。これは、食事でナトリウムを摂取できない高血圧患者に一般的に処方される塩です. それは実際には塩化カリウム（KCl）です。
冷湿布2回。ほとんどは硝酸アンモニウム (NH ₄ NO ₃ ) を含み、その他のものは硝酸アンモニウムカルシウム (CAN) を含んでいます。場合によって含有量が異なるので、どちらの化合物が含まれているかに注意が必要です。
純水。ろ過された水を使用することもできますが、最良の結果を得るには、バッテリー水 (脱イオン水または超純水) を使用することをお勧めします。

材料と器具

はさみ。
約300mlのプラスチック容器。容量1L。
電子レンジ。
サーマルキッチングローブ.
500 mL または 1 L のガラス瓶 4 個 (非常にきれい)。
大さじ2杯。
キッチンスケール、できれば0.1g単位のデジタルペストリースケール。
2～4枚のコーヒーフィルター。
2 リーグまたは輪ゴム。

実験手順

パート 1: 硝酸カリウムの合成

硝酸カリウムを合成するには、次の手順に従う必要があります。

ハサミを使って保冷剤を切り取り、プラスチック容器に加えて内容物を取り出します。
天びんにガラス瓶の 1 つを置き、風袋引きします (ゼロにリセットします)。
ボトルに 108 g の硝酸アンモニウム (CAN の場合は 290 g) を量り入れます。
2 つ目のフラスコに 200 g の純水を秤量します。これを行うには、空のボトルを天びんに置き、風袋引き (ゼロにリセット) し、水をゆっくりと 200 g まで加えます。この量は正確である必要はありません。数グラムでもかまいませんが、結果に大きな影響はありません。
スプーンで絶えずかき混ぜながら、重い硝酸アンモニウムを水に混ぜます。溶解反応は吸熱性が強いため、容器はかなり冷えます。
この溶液を電子レンジで少し加熱します。溶液は濁って見える可能性が高く、ボトルの底に細かい粉末状の残留物がある場合があります. これは通常シリカから作られる固結防止剤で、不活性物質ですが、ろ過する必要があります。
輪ゴムで取り付けられた 3 番目の瓶に 1 つまたは 2 つのコーヒーフィルターを置き、熱い硝酸アンモニウム溶液をろ過します。ろ過が終了したら、フィルターとフィルターに含まれる固形物を廃棄します (問題なく廃棄できます)。
4 本目の瓶には、前と同じ手順に従って塩化カリウム (塩代替物) 100 g を量ります (天びんにのせ、風袋を量り、次に量ります)。
秤量したばかりの KCl 100 g を、ろ過された溶液の入ったフラスコに移し、激しくかき混ぜます。
溶液を沸騰直前まで電子レンジで加熱します。
加熱中、最初のジャーをきれいにし、コーヒーフィルターを輪ゴムで口にはめます。
熱くなったら、やけどをしないようにオーブンミトンを使用して、熱い溶液をろ過して、できるだけ多くの濁りと未溶解の KCl 結晶を取り除きます。
ぬるま湯になるまで冷ましてから、冷凍庫に入れて凍りそうになるまで放置します（この溶液の凝固点は純水よりかなり低いので、家庭用冷蔵庫では凍りません）。
冷却すると、大量の硝酸カリウムの白い針状の結晶が形成されるはずです。次のステップは、生成物をろ過することです。今回は固体を保持し、溶液を廃棄します。
吸収紙または空気中のトレイ上で結晶を乾かします。乾燥したら、製品の重量を量ります。

パート 2: 硝酸カリウムの精製

この時点で、すでに硝酸カリウムがあります。しかしながら、塩化アンモニウムは、特に第２の反応生成物でひどく汚染されている。

すべてがうまくいき、実験中に大きな損失がなかった場合、約 13 g が不純物である約 120 g の不純な硝酸カリウムが得られるはずです。_{100 °C でのこの化合物の溶解度は 118.3 g/100 g H 2 O}であるため、これは 100 g の熱湯に完全に溶解できるはずです。溶解したら、再結晶を行って純粋な生成物を得ることができます。

再結晶には、2 つの非常にきれいな瓶 (乾燥していなくてもかまいません) と 2 つの追加のコーヒーフィルターが必要です。

手順は次のとおりです。

100gの水を秤量してフラスコに入れ、電子レンジで沸騰するまで加熱します。
一方、新しく合成された不純な硝酸カリウムはすべて最初のフラスコに移されます。必要に応じて、固体を秤量して再結晶収率を決定できますが、必須ではありません。
固体の硝酸カリウムに熱湯を加え、溶解するまでかき混ぜます。溶液が冷却されていないことが重要であり、水が加熱された最初のフラスコもそうではありません。必要に応じて、ろ過する直前にすべてを再度加熱します。
ゴムバンドで固定された空の容器にコーヒーフィルターを置き、熱い溶液をすばやくろ過します。濁りのない、完全に無色透明な溶液が得られるはずです。
硝酸カリウム溶液をできるだけゆっくり冷ます。冷却が遅いほど、再結晶プロセスが良好になり、より大きく純粋な結晶が得られます。プロセスをさらに遅くするには、瓶を沸騰したお湯の入ったウォーターバスに入れ、バーナーから取り出します。水の量が多いほど、冷却が遅くなります。
数時間後、ボトルを冷蔵庫に入れて温度をさらに下げると、より多くの結晶が得られます.
最後に、別のコーヒーフィルターを使用して、冷たい溶液をろ過し、結晶性固体を回収します。吸収紙を敷いたトレーの上に数時間置いて自然乾燥させます。手触りが乾いたら、トレーを約 50 ～ 60 °C のオーブンにさらに 1 ～ 2 時間入れて乾燥させます。乾燥プロセスを完了します。
最後に、最終製品の重量を量り、気密シール付きのガラス瓶に瓶詰めします。

この再結晶の後、塩化アンモニウムとその他の不純物の大部分が除去されているはずです。再結晶前の固体には不純物として塩化アンモニウムが約１３ｇ含まれていた。100 g の水に溶解した固体と 0°C での塩化アンモニウムの溶解度は 100 g の水に対して 29 g であるため、硝酸カリウムが結晶化する間、これらの 13 g の不純物は溶解したままになります。

上記のおかげで、非常に純粋で高品質の硝酸カリウムを、実施したいあらゆる実験のために得ることができます。

参考文献

塩化アンモニウム。（2020年8月8日）。サイエンスマッドネスウィキ。http://www.sciencemadness.org/smwiki/index.php/塩化アンモニウム

ケムヨーロッパ。（nd）。塩化カリウム。小さなライト。https://www.chemeurope.com/en/encyclopedia/Potassium_chloride.html

リチウム博士。(2010 年 1 月 4 日)。方法：自宅で硝酸カリウムを作る. WonderHowTo。https://science.wonderhowto.com/how-to/make-potassium-nitrate-home-293015/

溶解度に対する温度の影響 – 溶解度 – GCSE Chemistry (Single Science) Revision – WJEC . （nd）。BBCバイトサイズ。https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/z4s48mn/revision/2

Gomez Garcia, MN, Dobrosz-Gomez, I., & Ojeda Toro, JC (2020). 異なる温度および塩酸濃度での (水 + エタノール) 混合溶媒中の硝酸カリウムの溶解度。拡張 UNIQUAC モデルを使用した実験的研究とモデリング。Journal of Chemical & Engineering Data、65 (2)、567–576。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jced.9b00753

国立医学図書館。（nd）。硝酸アンモニウムの溶解度。NIH-NLM。https://webwiser.nlm.nih.gov/substance?substanceId=453&identifier=Ammonium%20Nitrate&identifierType=name&menuItemId=39&catId=44

カナダの化学者。(2016 年 7 月 26 日)。硝酸カリウムの作り方（家庭用品）【動画】。ユーチューブ。https://www.youtube.com/watch?v=NPdeSNyguQ0

-広告-