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질산칼륨은 특히 가정 실험에 많이 사용되는 소금입니다. 흑색 화약의 주성분 중 하나이며 연보라색 또는 연보라색 불꽃을 생성하기 위해 다양한 종류의 불꽃에 자주 사용됩니다.
질산칼륨은 화약 및 기타 폭발물의 성분이라는 바로 그 사실 때문에 일부 국가에서는 질산칼륨을 얻기가 어렵습니다. 실제로 일부 국가에서는 일반 대중에 대한 판매가 금지되어 있습니다. 이러한 이유로 이 기사에서는 쉽게 구할 수 있는 집에서 만든 재료로 이 물질을 얻는 방법을 보여줍니다. 동시에 화학 반응, 용해도 및 화학량론과 관련된 몇 가지 중요한 화학 개념을 강조할 기회를 가질 것입니다.
어떤 화학 반응이 일어나는가?
이 실험에서 일어나는 반응은 질산암모늄과 염화칼륨 사이의 이중 치환 또는 이중 분해 반응으로 질산칼륨과 염화암모늄을 생성한다. 화학 반응식은 다음과 같습니다.
이 반응에서 칼륨은 암모늄을 대체하고 암모늄은 칼륨을 대체합니다. 반응 생성물은 처음에 모두 수성 상태, 즉 물에 용해되어 있습니다. 그러나 용액을 식히면 질산칼륨의 용해도가 급격히 감소하여 침전되고 나머지는 용액에 남게 된다.
0°C에서 질산칼륨의 용해도는 물 100g당 13.3g인 반면 염화암모늄의 용해도는 물 100g당 29.4g입니다. 이러한 이유로 질산칼륨은 염화암모늄보다 먼저 침전되기 시작하며, 질산칼륨은 용액을 식힐 때 허용 가능한 순도로 얻을 수 있습니다. 그러나 일부 염화암모늄은 저온에서 질산칼륨과 함께 침전될 수 있으므로 질산칼륨의 품질을 향상시키고 다양한 실험에 유용하게 사용하려면 질산칼륨을 정제하는 과정이 필요합니다.
필요한 시약 및 재료
시약
현재 실험에는 다음 시작 시약이 필요합니다.
- 소금 대체물 또는 나트륨이 없는 소금 150g. 이것은 식단에서 나트륨을 섭취할 수 없는 고혈압 환자에게 일반적으로 처방되는 소금입니다. 바로 염화칼륨(KCl)이다.
- 냉찜질 2회. 대부분은 질산암모늄(NH 4 NO 3 )을 포함하고 다른 것들은 질산암모늄칼슘(CAN)을 포함합니다. 양은 경우에 따라 다르기 때문에 두 가지 화합물 중 어떤 것이 포함되어 있는지 주의해야 합니다.
- 순수한 물. 정수된 물을 사용할 수 있지만 최상의 결과를 위해서는 배터리 물(탈이온수 또는 초순수)을 사용하는 것이 좋습니다.
재료 및 도구
- 가위.
- 약 플라스틱 용기. 1L 용량.
- 전자 레인지.
- 열 주방 장갑.
- 500mL 또는 1L 유리병 4개(매우 깨끗함).
- 2 큰 숟가락.
- 주방 저울, 바람직하게는 0.1g의 감사가 있는 디지털 페이스트리 저울.
- 2~4개의 커피 필터.
- 2 리그 또는 고무 밴드.
실험적 절차
파트 1: 질산칼륨의 합성
질산칼륨을 합성하려면 다음 단계를 따라야 합니다.
- 가위를 사용하여 콜드팩을 자르고 플라스틱 용기에 넣어 내용물을 추출합니다.
- 유리병 중 하나를 저울에 놓고 용기를 측정합니다(0으로 재설정).
- 질산암모늄 108g(또는 CAN인 경우 290g)을 병에 넣습니다.
- 두 번째 플라스크에 순수한 물 200g의 무게를 잰다. 이렇게 하려면 빈 병을 저울에 놓고 용기를 측정한 다음(0으로 재설정) 천천히 물을 200g까지 추가합니다. 이 양은 정확할 필요는 없습니다. 몇 그램으로 갈 수 있으며 결과에 눈에 띄게 영향을 미치지 않습니다.
- 무거운 질산암모늄을 물에 숟가락으로 계속 저어 섞습니다. 용해 반응은 강력한 흡열 반응이기 때문에 용기는 상당히 냉각됩니다.
- 이 용액을 전자레인지에서 약간 가열합니다. 용액이 뿌옇게 보이고 병 바닥에 미세한 분말 잔여물이 있을 수 있습니다. 이것은 일반적으로 실리카로 만든 고결 방지제이며 불활성 물질이지만 여과해야 합니다.
- 고무줄이 부착된 세 번째 병에 커피 필터 하나 또는 두 개를 넣고 뜨거운 질산암모늄 용액을 걸러냅니다. 필터링이 완료되면 필터와 포함된 고체를 폐기하십시오(문제 없이 버릴 수 있음).
- 네 번째 병에서 이전과 동일한 절차에 따라 염화칼륨(소금 대체물) 100g의 무게를 잰다(저울에 놓고 용기를 잰 다음 무게를 잰다).
- 갓 무게를 잰 KCl 100g을 여과된 용액이 들어 있는 플라스크에 옮기고 격렬하게 저어줍니다.
- 용액을 끓는점 또는 끓는점 바로 아래에서 전자레인지에 돌립니다.
- 가열하는 동안 첫 번째 병을 세척하고 고무 밴드로 입에 커피 필터를 끼웁니다.
- 뜨거워지면 화상을 방지하기 위해 오븐 장갑을 사용하여 뜨거운 용액을 여과하여 가능한 한 많은 탁도와 용해되지 않은 KCl 결정을 제거합니다.
- 용액을 미지근할 때까지 식힌 다음 냉동실에 넣고 거의 얼 때까지 그대로 둡니다(이 용액의 어는점은 순수한 물보다 훨씬 낮기 때문에 가정용 냉장고에서는 얼지 않습니다).
- 식히면 질산칼륨의 바늘 모양의 흰색 결정이 많이 형성되어야 합니다. 다음 단계는 제품을 여과하는 것입니다. 이번에는 고체를 유지하고 용액을 버립니다.
- 크리스탈을 흡수성 종이나 쟁반에 놓고 공중에서 말리십시오. 건조되면 제품의 무게를 잰다.
파트 2: 질산칼륨의 정제
이 시점에서 우리는 이미 질산칼륨을 가지고 있습니다. 그러나 염화암모늄은 특히 두 번째 반응 생성물로 심하게 오염됩니다.
모든 것이 순조롭게 진행되고 실험 중에 상당한 손실이 없었다면 약 120g의 불순한 질산칼륨이 있어야 하며 그 중 약 13g은 불순물입니다. 이것은 100 °C에서 이 화합물의 용해도가 118.3 g/100 g H 2 O 이기 때문에 100 g의 끓는 물에 완전히 용해될 수 있어야 합니다. 일단 용해되면 재결정화를 수행하여 순수한 제품을 얻을 수 있습니다 .
재결정화를 위해서는 2개의 매우 깨끗한 병(건조하지 않은 것은 중요하지 않음)과 2개의 추가 커피 필터가 필요합니다.
절차는 다음과 같습니다.
- 100g의 물을 플라스크에 넣고 전자레인지에서 끓입니다.
- 한편, 새로 합성된 불순한 질산칼륨은 모두 첫 번째 플라스크로 옮겨진다. 원하는 경우 재결정화 수율을 결정하기 위해 고체의 무게를 잴 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없습니다.
- 뜨거운 물을 고체 질산칼륨에 넣고 녹을 때까지 저어줍니다. 용액이 냉각되지 않고 물이 가열된 첫 번째 플라스크도 냉각되지 않는 것이 중요합니다. 필요한 경우 여과 직전에 모든 것을 다시 가열하십시오.
- 고무줄로 고정된 빈 용기에 커피 필터를 넣고 빠르게 뜨거운 용액을 걸러냅니다. 탁도가 없는 완전히 무색 투명한 용액을 얻어야 한다.
- 질산칼륨 용액을 가능한 한 천천히 식히십시오. 냉각 속도가 느릴수록 재결정화 과정이 더 잘 진행되어 더 크고 순수한 결정이 생성됩니다. 프로세스를 더 느리게 만들려면 항아리를 끓는 물이 담긴 수조에 넣고 버너에서 꺼낼 수 있습니다. 물의 양이 많을수록 냉각 속도가 느려집니다.
- 몇 시간 후 병을 냉장고에 넣어 온도를 더욱 낮추면 더 많은 양의 결정을 얻을 수 있습니다.
- 마지막으로 다른 커피 필터를 사용하여 차가운 용액을 여과하고 결정질 고체를 회수합니다. 흡수성 종이로 덮인 쟁반에 몇 시간 동안 두어 자연 건조되도록 할 수 있으며, 만져볼 수 있을 정도로 건조되면 쟁반을 약 50-60°C의 오븐에 1~2시간 더 두어 건조 과정을 완료하십시오.
- 마지막으로 최종 제품의 무게를 측정하고 밀폐된 유리병에 병에 담습니다.
이러한 재결정화 후에 대부분의 염화암모늄 및 기타 불순물이 제거되어야 합니다. 재결정 전의 고체에는 불순물로서 약 13g의 염화암모늄이 함유되어 있었다. 고체가 물 100g에 용해되고 0°C에서 염화암모늄의 용해도가 물 100g당 29g이므로 질산칼륨이 결정화되는 동안 13g의 불순물이 용해된 상태로 남게 됩니다.
위의 덕분에 수행하고자 하는 모든 실험에서 매우 순수하고 고품질의 질산칼륨을 얻을 수 있습니다.
참조
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