Cách điều chế kali nitrat từ chất thay thế muối và chườm lạnh

Kali nitrat là một loại muối có nhiều công dụng, đặc biệt là dùng cho các thí nghiệm tại nhà. Nó là một trong những thành phần chính của bột đen, và cũng thường được sử dụng trong các loại pháo hoa khác nhau để tạo ra ngọn lửa màu tím nhạt hoặc màu hoa cà.

Do thực tế là nó là một thành phần trong thuốc súng và các chất nổ khác, kali nitrat rất khó kiếm ở một số quốc gia. Trên thực tế, ở một số quốc gia, việc bán nó cho công chúng bị cấm. Vì lý do này, trong bài viết này, chúng tôi chỉ ra cách thu được chất này từ các nguyên liệu tự chế dễ kiếm. Đồng thời, chúng tôi sẽ tận dụng cơ hội để làm nổi bật một số khái niệm hóa học quan trọng liên quan đến phản ứng hóa học, độ hòa tan và phép cân bằng hóa học.

Phản ứng hóa học gì xảy ra?

Phản ứng xảy ra trong thí nghiệm này là phản ứng chuyển vị kép hoặc phản ứng phân hủy kép giữa amoni nitrat và kali clorua để tạo ra kali nitrat và amoni clorua. Phương trình hóa học được trình bày dưới đây:

Trong phản ứng này, kali thay thế amoni, trong khi amoni thay thế kali. Các sản phẩm phản ứng ban đầu đều ở trạng thái nước, nghĩa là hòa tan trong nước. Tuy nhiên, khi làm lạnh dung dịch, độ tan của kali nitrat giảm đột ngột nên nó kết tủa, trong khi các chất khác vẫn ở trong dung dịch.

Ở 0°C, độ hòa tan của kali nitrat là 13,3 g trên 100 g nước, trong khi độ hòa tan của amoni clorua là 29,4 g trên 100 g nước. Vì lý do này, kali nitrat bắt đầu kết tủa trước amoni clorua, và chất đầu tiên có thể thu được với độ tinh khiết chấp nhận được khi dung dịch được làm lạnh. Tuy nhiên, một số amoni clorua có thể kết tủa cùng với kali nitrat ở nhiệt độ thấp, do đó, quy trình tinh chế phải được thực hiện trên kali nitrat để cải thiện chất lượng của nó và làm cho nó hữu ích cho các thí nghiệm khác nhau.

Thuốc thử và vật liệu cần thiết

thuốc thử

Thí nghiệm hiện tại yêu cầu các thuốc thử ban đầu sau:

• 150 g muối thay thế hoặc muối không chứa natri. Đây là loại muối thường được chỉ định cho những bệnh nhân tăng huyết áp không thể tiêu thụ natri trong chế độ ăn uống. Nó thực sự là kali clorua (KCl).
• 2 lần chườm lạnh. Hầu hết chứa amoni nitrat (NH ₄ NO ₃ ), một số khác chứa canxi amoni nitrat (CAN). Cần lưu ý rằng nó chứa hợp chất nào trong số hai hợp chất vì số lượng thay đổi tùy theo trường hợp.
• Nước tinh khiết. Có thể sử dụng nước đã lọc, nhưng để có kết quả tốt nhất, tốt hơn là sử dụng nước pin (đó là nước khử ion hoặc nước siêu tinh khiết).

vật liệu và dụng cụ

• Kéo.
• Hộp nhựa khoảng. Dung tích 1L.
• Lò vi sóng.
• Găng tay bếp giữ nhiệt.
• 4 lọ thủy tinh 500 mL hoặc 1 L (rất sạch).
• 2 thìa lớn.
• Cân nhà bếp, tốt nhất là cân bánh ngọt kỹ thuật số có độ chính xác 0,1g.
• Từ 2 đến 4 phin cà phê.
• 2 giải đấu hoặc dây cao su.

quy trình thí nghiệm

Phần 1: Tổng hợp kali nitrat

Để tổng hợp kali nitrat, phải tuân theo các bước sau:

1. Sử dụng kéo, cắt các túi lạnh và trích xuất nội dung của chúng bằng cách thêm nó vào hộp nhựa.
2. Đặt một trong các lọ thủy tinh lên cân và trừ bì (đặt lại về 0).
3. Cân 108 g amoni nitrat (hoặc 290 g nếu là CAN) cho vào bình.
4. Trong bình thứ hai cân 200 g nước tinh khiết. Để thực hiện việc này, đặt chai rỗng lên cân, cân bì (đặt lại về 0), sau đó thêm nước từ từ đến 200 g. Số lượng này không cần phải chính xác, bạn có thể giảm một vài gam và nó sẽ không ảnh hưởng đáng kể đến kết quả.
5. Trộn amoni nitrat nặng vào nước bằng cách khuấy liên tục bằng thìa. Vật chứa sẽ nguội đi đáng kể do phản ứng hòa tan thu nhiệt mạnh.
6. Đun nóng nhẹ dung dịch này trong lò vi sóng. Dung dịch có thể bị vẩn đục và có thể có cặn bột mịn ở đáy chai. Đây là chất chống đóng bánh thường được làm từ silica và là chất trơ, nhưng chúng ta phải lọc bỏ chất này.
7. Đặt một hoặc hai bộ lọc cà phê vào bình thứ ba được buộc bằng dây cao su và lọc dung dịch amoni nitrat nóng. Sau khi quá trình lọc kết thúc, hãy loại bỏ các bộ lọc và chất rắn chứa trong đó (có thể vứt bỏ mà không gặp vấn đề gì).
8. Trong bình thứ tư, cân 100 g kali clorua (chất thay thế muối) theo quy trình tương tự như trước (đặt trên cân, bì, sau đó cân).
9. Chuyển 100 g KCl mới cân vào bình chứa dung dịch đã lọc và khuấy mạnh.
10. Cho dung dịch vào lò vi sóng đến hoặc ngay dưới nhiệt độ sôi.
11. Trong khi đun, làm sạch bình đầu tiên và lắp một bộ lọc cà phê vào miệng bằng dây chun.
12. Sau khi nóng, sử dụng găng tay lò nướng để tránh bị bỏng, hãy lọc dung dịch nóng để loại bỏ càng nhiều độ đục càng tốt và mọi tinh thể KCl chưa hòa tan.
13. Để dung dịch nguội cho đến khi âm ấm, sau đó cho vào ngăn đá và để yên cho đến khi gần như đóng băng (điểm đóng băng của dung dịch này thấp hơn nhiều so với nước tinh khiết nên sẽ không bị đóng băng trong tủ lạnh gia đình).
14. Khi làm mát, rất nhiều tinh thể kali nitrat màu trắng, giống như kim sẽ hình thành. Bước tiếp theo là lọc sản phẩm, lần này giữ lại chất rắn và loại bỏ dung dịch.
15. Để tinh thể khô trên giấy thấm hoặc trên khay ngoài không khí. Sau khi khô, cân sản phẩm.

Phần 2: Tinh chế kali nitrat

Tại thời điểm này, chúng ta đã có kali nitrat. Tuy nhiên, amoni clorua bị ô nhiễm nặng, đặc biệt là với sản phẩm phản ứng thứ hai.

Nếu mọi việc suôn sẻ và không có tổn thất đáng kể nào trong quá trình thí nghiệm, chúng ta sẽ có khoảng 120 g kali nitrat không tinh khiết, trong đó có khoảng 13 g là tạp chất. Chất này có thể hòa tan hoàn toàn trong 100 g nước sôi, vì độ hòa tan của hợp chất này ở 100 °C là 118,3 g/100 g H 2 _O. Sau khi hòa tan, có thể tiến hành kết tinh lại để thu được sản phẩm tinh khiết.

Để kết tinh lại, chúng tôi sẽ cần 2 lọ rất sạch (không quan trọng là chúng không khô) và hai bộ lọc cà phê bổ sung.

Thủ tục là tiếp theo:

1. 100 g nước được cân vào bình và đun sôi trong lò vi sóng.
2. Trong khi đó toàn bộ kali nitrat tạp chất mới tổng hợp được chuyển sang bình thứ nhất. Nếu muốn, bạn có thể cân chất rắn để xác định hiệu suất kết tinh lại, nhưng không cần thiết.
3. Thêm nước nóng vào kali nitrat rắn và khuấy cho đến khi hòa tan. Điều quan trọng là dung dịch không được làm lạnh, cũng như bình đầu tiên mà nước được đun nóng. Nếu cần, hãy làm nóng lại mọi thứ ngay trước khi lọc.
4. Đặt bộ lọc cà phê vào hộp rỗng được cố định bằng dây cao su và nhanh chóng lọc dung dịch nóng. Nên thu được một dung dịch hoàn toàn không màu và trong suốt, không bị đục.
5. Để dung dịch kali nitrat nguội càng chậm càng tốt. Làm nguội càng chậm thì quá trình kết tinh lại càng tốt, tạo ra các tinh thể lớn hơn và tinh khiết hơn. Để làm cho quá trình diễn ra chậm hơn nữa, có thể đặt bình vào chậu nước có nước sôi và lấy ra khỏi bếp. Lượng nước lớn hơn sẽ làm chậm quá trình làm mát.
6. Sau vài giờ, đặt chai vào tủ lạnh để giảm nhiệt độ hơn nữa và do đó thu được một lượng tinh thể lớn hơn.
7. Cuối cùng, sử dụng một bộ lọc cà phê khác, lọc dung dịch lạnh và thu hồi chất rắn kết tinh. Có thể để nó trên khay có phủ giấy thấm trong vài giờ để cho khô tự nhiên, và khi sờ vào thấy khô, có thể đặt khay vào lò nướng ở nhiệt độ khoảng 50-60°C trong một hoặc hai giờ nữa để hoàn thành quá trình sấy khô.
8. Cuối cùng, chúng tôi cân sản phẩm cuối cùng của mình và đóng chai vào lọ thủy tinh có nắp đậy kín.

Sau quá trình kết tinh lại này, phần lớn amoni clorua và bất kỳ tạp chất nào khác phải được loại bỏ. Chất rắn trước khi kết tinh lại chứa khoảng 13 g amoni clorua là tạp chất. Vì chất rắn hòa tan trong 100 g nước và độ hòa tan của amoni clorua ở 0°C là 29 g trên 100 g nước nên 13 gam tạp chất đó sẽ vẫn bị hòa tan trong khi kali nitrat kết tinh.

Nhờ những điều trên, có thể thu được kali nitrat rất tinh khiết và chất lượng cao cho bất kỳ thí nghiệm nào mong muốn được thực hiện.

Người giới thiệu

Amoni clorua . (2020, ngày 8 tháng 8). Khoa học điên cuồng Wiki. http://www.sciencemadness.org/smwiki/index.php/Ammonium_chloride

Hóa Châu Âu. (nd). kali_clorua . Đèn nhỏ. https://www.chemeurope.com/en/encyclopedia/Potassium_chloride.html

Tiến sĩ Liti. (2010, ngày 4 tháng 1). Cách thực hiện: Làm kali nitrat tại nhà . Tự hỏi làm thế nào để. https://science.wonderhowto.com/how-to/make-potassium-nitrate-home-293015/

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ hòa tan – Độ hòa tan – Bản sửa đổi hóa học GCSE (Khoa học đơn lẻ) – WJEC . (nd). Bitesize của BBC. https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/z4s48mn/revision/2

Gomez Garcia, MN, Dobrosz-Gomez, I., & Ojeda Toro, JC (2020). Độ hòa tan của Kali Nitrat trong dung môi hỗn hợp (Nước + Ethanol) ở các nhiệt độ và nồng độ axit clohydric khác nhau. Nghiên cứu Thực nghiệm và Lập mô hình Sử dụng Mô hình UNIQUAC Mở rộng. Tạp chí Dữ liệu Hóa học & Kỹ thuật , 65 (2), 567–576. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jced.9b00753

Thư viện Y khoa Quốc gia. (nd). Độ hòa tan amoni nitrat . NIH-NLM. https://webwiser.nlm.nih.gov/substance?substanceId=453&identifier=Ammonium%20Nitrate&identifierType=name&menuItemId=39&catId=44

Nhà hóa học người Canada. (2016, ngày 26 tháng 7). Cách làm Kali nitrat (nguyên liệu gia dụng) [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=NPdeSNyguQ0