Hvordan tilberede kaliumnitrat fra salterstatning og kalde kompresser

Kaliumnitrat er et salt som har mange bruksområder, spesielt for hjemmeeksperimenter. Det er en av hovedkomponentene i svart pulver, og brukes også ofte i ulike typer pyroteknikk for å produsere lyse lilla eller lilla flammer.

På grunn av det faktum at det er en ingrediens i krutt og andre eksplosiver, er kaliumnitrat vanskelig å få tak i i enkelte land. Faktisk er salg til allmennheten i noen land forbudt. Av denne grunn viser vi i denne artikkelen hvordan du får tak i dette stoffet fra hjemmelagde materialer som er enkle å få tak i. Samtidig vil vi benytte anledningen til å trekke frem noen viktige kjemiske begreper knyttet til kjemiske reaksjoner, løselighet og støkiometri.

Hvilken kjemisk reaksjon skjer?

Reaksjonen som skjer i dette forsøket er en dobbel fortrengnings- eller dobbel dekomponeringsreaksjon mellom ammoniumnitrat og kaliumklorid for å gi kaliumnitrat og ammoniumklorid. Den kjemiske ligningen er presentert nedenfor:

I denne reaksjonen fortrenger kalium ammonium, mens ammonium fortrenger kalium. Reaksjonsproduktene er alle innledningsvis i vandig tilstand, det vil si oppløst i vann. Ved avkjøling av løsningen avtar imidlertid løseligheten av kaliumnitrat brått, slik at den utfelles, mens de andre forblir i løsning.

Ved 0°C er løseligheten av kaliumnitrat 13,3 g per 100 g vann, mens den for ammoniumklorid er 29,4 g per 100 g vann. Av denne grunn begynner kaliumnitrat å felle ut før ammoniumklorid, og førstnevnte kan oppnås med akseptabel renhet når løsningen avkjøles. Imidlertid kan noe ammoniumklorid ende opp sammen med kaliumnitrat ved lave temperaturer, så det må utføres en renseprosess på kaliumnitrat for å forbedre kvaliteten og gjøre det nyttig for ulike eksperimenter.

Reagenser og materialer som trengs

reagenser

Det nåværende eksperimentet krever følgende startreagenser:

• 150 g salterstatning eller natriumfritt salt. Dette er et salt som vanligvis er foreskrevet til hypertensive pasienter som ikke kan innta natrium i kosten. Det er faktisk kaliumklorid (KCl).
• 2 kalde kompresser. De fleste inneholder ammoniumnitrat (NH ₄ NO ₃ ), andre inneholder kalsiumammoniumnitrat (CAN). Vær oppmerksom på hvilken av de to forbindelsene den inneholder siden mengdene varierer avhengig av tilfellet.
• Rent vann. Filtrert vann kan brukes, men for best resultat er det å foretrekke å bruke batterivann (det er avionisert eller ultrarent vann).

materialer og instrumenter

• Saks.
• Plastbeholder på ca. 1L kapasitet.
• Mikrobølgeovn.
• Termiske kjøkkenhansker.
• 4 glasskrukker på 500 mL eller 1 L (veldig rene).
• 2 store skjeer.
• Kjøkkenvekt, gjerne en digital konditorvekt som har en verdi på 0,1g.
• Fra 2 til 4 kaffefiltre.
• 2 ligaer eller gummibånd.

Eksperimentell prosedyre

Del 1: Syntese av kaliumnitrat

For å syntetisere kaliumnitrat må følgende trinn følges:

1. Bruk en saks, klipp de kalde pakkene og trekk ut innholdet ved å legge det til en plastbeholder.
2. Sett en av glasskrukkene på vekten og tarer (tilbakestill til null).
3. Vei inn i flasken 108 g ammoniumnitrat (eller 290 g hvis det er CAN).
4. I en andre kolbe vei 200 g rent vann. For å gjøre dette, plasser den tomme flasken på vekten, tarer (tilbakestill til null), og tilsett deretter vann til 200 g sakte. Denne mengden trenger ikke å være nøyaktig, du kan gå med et par gram og det vil ikke påvirke resultatet nevneverdig.
5. Bland det tunge ammoniumnitratet i vannet ved å røre konstant med en skje. Beholderen vil avkjøles betydelig fordi oppløsningsreaksjonen er sterkt endoterm.
6. Varm opp denne løsningen litt i mikrobølgeovnen. Løsningen vil sannsynligvis virke uklar og det kan være en fin pulveraktig rest i bunnen av flasken. Dette er et antiklumpemiddel som vanligvis er laget av silika og er et inert stoff, men vi må filtrere det bort.
7. Plasser ett eller to kaffefiltre i den tredje glasset festet med gummibåndet og filtrer den varme ammoniumnitratløsningen. Når filtreringen er fullført, kast filtrene og det faste stoffet de inneholder (det kan kastes uten problemer).
8. I den fjerde flasken veies 100 g kaliumklorid (salterstatning) etter samme prosedyre som før (plasser på vekt, tarer og vei).
9. Overfør 100 g nyveid KCl til kolben som inneholder den filtrerte løsningen og rør kraftig.
10. Mikrobølgeovn løsningen til eller rett under koking.
11. Under oppvarming, rengjør den første krukken og sett et kaffefilter i munnen med gummibåndet.
12. Når den er varm, bruk ovnsvotter for å unngå å brenne deg, filtrer den varme løsningen for å fjerne så mye uklarhet som mulig og eventuelle uoppløste KCl-krystaller.
13. La løsningen avkjøles til den er lunken, legg den deretter i fryseren og la den stå til den nesten fryser (frysepunktet for denne løsningen er mye lavere enn for rent vann, så den fryser ikke i et kjøleskap hjemme).
14. Ved avkjøling skal det ha dannet seg en god del hvite, nållignende krystaller av kaliumnitrat. Det neste trinnet er å filtrere produktet, denne gangen beholde det faste og kaste løsningen.
15. La krystallene tørke på absorberende papir eller på et brett i luften. Når det er tørt, vei produktet.

Del 2: Rensing av kaliumnitrat

På dette tidspunktet har vi allerede kaliumnitrat. Imidlertid er ammoniumkloridet sterkt forurenset, spesielt med det andre reaksjonsproduktet.

Hvis alt gikk bra og det ikke var betydelige tap under forsøket, bør vi ha ca 120 g uren kaliumnitrat hvorav ca 13 g er urenheter. Dette bør kunne løses helt opp i 100 g kokende vann, siden dens løselighet av denne forbindelsen ved 100 °C er 118,3 g/100 g H 2 _O. Når den er oppløst, kan omkrystallisering utføres for å oppnå det rene produktet.

For omkrystalliseringen trenger vi 2 veldig rene krukker (det spiller ingen rolle at de ikke er tørre) og to ekstra kaffefiltre.

Prosedyren er den neste:

1. 100 g vann veies opp i en kolbe og varmes til koking i mikrobølgeovnen.
2. I mellomtiden blir alt det nylig syntetiserte urene kaliumnitrat overført til den første kolben. Hvis du ønsker det, kan du veie faststoffet for å bestemme rekrystalliseringsutbyttet, men det er ikke nødvendig.
3. Tilsett det varme vannet til det faste kaliumnitratet og rør til det er oppløst. Det er viktig at løsningen ikke blir avkjølt, og det er heller ikke den første kolben som vannet ble varmet opp i. Varm eventuelt opp alt igjen rett før filtrering.
4. Plasser kaffefilteret i den tomme beholderen som er festet med gummibåndet og filtrer raskt den varme løsningen. En helt fargeløs og gjennomsiktig løsning, fri for uklarhet, bør oppnås.
5. La kaliumnitratløsningen avkjøles så sakte som mulig. Jo langsommere det avkjøles, desto bedre blir rekrystalliseringsprosessen, noe som resulterer i større og renere krystaller. For å gjøre prosessen enda langsommere, kan glasset settes i et vannbad med kokende vann og fjernes fra brenneren. Den større vannmengden vil bremse nedkjølingen.
6. Etter et par timer, sett flasken i kjøleskapet for å redusere temperaturen enda mer og dermed få en større mengde krystaller.
7. Til slutt, bruk et annet kaffefilter, filtrer den kalde løsningen og gjenvinn det krystallinske faststoffet. Den kan stå på et brett dekket med absorberende papir i noen timer for å la den lufttørke, og når den er tørr å ta på, kan brettet settes i en ovn på rundt 50-60°C i ytterligere en time eller to til fullføre tørkeprosessen.
8. Til slutt veier vi det ferdige produktet og flasker det i en glasskrukke med lufttett forsegling.

Etter denne omkrystalliseringen skulle det store flertallet av ammoniumkloridet og eventuelle andre urenheter ha blitt fjernet. Det faste stoffet før omkrystallisering inneholdt ca. 13 g ammoniumklorid som urenheter. Siden faststoffet oppløst i 100 g vann og løseligheten til ammoniumklorid ved 0°C er 29 g per 100 g vann, vil disse 13 gram urenheter forbli oppløst mens kaliumnitratet krystalliserer.

Takket være ovenstående kan et meget rent og høykvalitets kaliumnitrat oppnås for ethvert forsøk som ønskes utført.

Referanser

Ammoniumklorid . (2020, 8. august). Vitenskapsgalskap Wiki. http://www.sciencemadness.org/smwiki/index.php/Ammonium_chloride

ChemEurope. (nd). kaliumklorid . Små lys. https://www.chemeurope.com/en/encyclopedia/Potassium_chloride.html

Dr Litium. (2010, 4. januar). Slik gjør du: Lag kaliumnitrat hjemme . Lurer på hvordan. https://science.wonderhowto.com/how-to/make-potassium-nitrate-home-293015/

Effekten av temperatur på løselighet – Løselighet – GCSE Chemistry (Single Science) Revisjon – WJEC . (nd). BBC Bitesize. https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/z4s48mn/revision/2

Gomez Garcia, MN, Dobrosz-Gomez, I., & Ojeda Toro, JC (2020). Kaliumnitratløselighet i (vann + etanol) blandede løsningsmidler ved forskjellige temperaturer og saltsyrekonsentrasjoner. Eksperimentell studie og modellering ved bruk av den utvidede UNIQUAC-modellen. Journal of Chemical & Engineering Data , 65 (2), 567–576. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jced.9b00753

Nasjonalbiblioteket for medisin. (nd). Ammoniumnitratløseligheter . NIH-NLM. https://webwiser.nlm.nih.gov/substance?substanceId=453&identifier=Ammonium%20Nitrate&identifierType=name&menuItemId=39&catId=44

Den kanadiske kjemikeren. (2016, 26. juli). Hvordan lage kaliumnitrat (husholdningsmaterialer) [Video]. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=NPdeSNyguQ0