Синтез алюмокалиевых квасцов

Введение

Квасцы — двойные соли, кристаллогидраты сульфатов трёх- и одновалентных металлов общей формулы                  M+2SO4•M3+2(SO4)3 •24H2O(часто записывается как M+M3+(SO4)2•12H2O), где — один из щелочных металлов (литий, натрий, калий, рубидий или цезий), а  — один из трехвалентных металлов (обычно алюминий, хром или железо(III)). Ион аммония () может также выступать в роли. Раньше этот термин относился только к алюмокалиевым квасцам. Их получали из природных минералов, из которых наиболее пригодным для этого был алунит. Природный алунит обычно находили в виде бесцветных кристаллов, которые римляне называли словом alumen (родительный падеж от aluminis). От этого слова произошло и современное название элемента алюминия. Полученные из алунита квасцы имели сладковато-кислый вяжущий вкус, откуда идёт их название в славянских языках; например, кислота по-польски – kwas; отсюда и русское слово «закваска» - вещество, вызывающее кислое брожение. Квасцы могут быть получены смешением горячих эквимолярных водных растворов сульфатов соответствующих металлов, при охлаждении таких растворов из них кристаллизуются квасцы . Известно несколько десятков различных квасцов. Способность к образованию квасцов, их устойчивость возрастают по мере увеличения радиуса  и уменьшения радиуса  (при сходной внешней электронной оболочке). При этом более сильное влияние на свойства квасцов оказывает природа. У квасцов, содержащих один и тот же катион , в ряду ионов Na+, К+, NH+4, Rb+, Cs+ растворимость в воде падает, а температура плавления и их термическая устойчивость увеличиваются. Квасцы легко выделяются из водных растворов в виде больших октаэдрических кристаллов с кубической решеткой. Известны три структурные разновидности квасцов - α, β и γ, отличающиеся друг от друга ориентацией тетраэдров по отношению к и некоторыми другими признаками. Эти различия обусловлены размером однозарядного катиона. β-Квасцы содержат относительно большие катионы (, ), α-катионы меньшего размера (, ), единственный представитель γ-квасцы . В кристаллических структурах всех квасцов катионы   и координируют по 6 молекул воды. В β-квасцах в координационную сферу  входят также 6 атомов кислорода анионов . α- и β-квасцы образуют твердые растворы между собой, γ-квасцы твердых растворов с другими квасцами не дают.

Алюмокалиевые квасцы - кристаллогидрат сульфата алюминия-калия применяют в виде 0,5-1,0%-го водного раствора для полосканий, промываний и т.п. 
Вяжущее, кровоостанавливающее и противовоспалительное действие таких растворов связано с дубильными свойствами квасцов − взаимодействием катионов калия K+ и алюминия Al3+ с белками живых клеток.  
Именно поэтому алюмокалиевые квасцы стали одним из основных компонентов кровоостанавливающих карандашей.

Целью моей курсовой работы явилось получение и идентификация алюмокалиевых квасцов.

 

 

 

 

 

 

 

1. Получение

• Совместная кристаллизация сульфатов калия и алюминия:

• Обжиг минерала алунита K2SO4•Al2(SO4)3•Al(OH)3 с последующим выщелачиванием и перекристаллизацией.

 

2. Физические свойства

Сульфат алюминия-калия — белые гигроскопичные кристаллы, хорошо растворимые в воде. Из водных растворов выделяется виде кристаллогидрата KAl(SO4)2•12H2O — бесцветных кристаллов кубической сингонии, температура плавления 92°С (в собственной кристаллизационной воде). На воздухе почти не выветривается, но легко теряют кристаллизационную воду при нагревании до 120°С, превращаясь в белый порошок жженых квасцов (KAl(SO4)2), малорастворимый в воде. При повышении температуры растворимость в большинстве случаев увеличивается очень сильно, как это видно из приводимых ниже данных для алюмокалиевых квасцов (KAl(SO4)2 на 100 г воды) (табл. 1):

 

 

 

Таблица 1.

Температура, °С	0	15	30	60	100
Растворимость	3,0	5,0	8,4	24,8	154

 

В разбавленных растворах они почти полностью диссоциированны на отдельные составляющие ионы. Водный раствор алюмокалиевых квасцов имеет кислую реакцию среды в результате гидролиза по катиону .

 

При обычных условиях алюмокалиевые квасцы вполне устойчивы. При нагревании теряют кристаллизационную воду, превращаясь в так называемые жженные квасцы.

 

1.3. Химические свойства

• Разлагается при сильном нагревании:

• Кристаллогидрат при нагревании плавится в кристаллизационной воде, а затем дегидратируется в несколько стадий с образованием конечного продукта — безводного, или «жжёного», сульфата алюминия-калия по схеме:

  

• Водные растворы имеют кислую реакцию из-за обратимого гидролиза по катиону алюминия:

                      

• Реагирует с щелочами с различным результатами, в зависимости от концентрации щелочи и температуры:

 

1.4. Применение

Широкое применение алюмокалиевые квасцы нашли в косметической, легкой и швейной промышленности. Элемент применяют в качестве природного дезодоранта, небольшой раствор способен замедлить рост бактерий и прочее. Квасцы используют в качестве протравы при крашении шерстяных или хлопчатобумажных тканей. Также квасцы применяют как дубящее средство в кожевенной промышленности при процессах кварцевания. Кроме того, данное химическое вещество активно используют в медицине как кровоостанавливающее средство, и применяют для лечения герпеса, а также прочих воспалительных процессов.

Свойства квасцов идеально подходят для: 
-Устранения раздражения кожи после бритья у мужчин; 
-Чудесное средство после депиляции у женщин; 
-Устранения зуда и отечности от укусов мошек и комаров; 
-Способствуют заживлению и дезинфекции мелких ран и порезов; 
-Препятствуют распространению прыщей. 

 

 

2. Экспериментальная часть

2.1. Синтез алюмокалиевых квасцов

  Для синтеза алюмокалиевых квасцов были взяты следующие реактивы:

1. Восемнадцати водный сернокислый алюминий (техн.)
2. Сернокислый калий (техн.)
3. Дистиллированная вода

       - перламутровые иглы, хорошо растворим в воде: при 0 растворяется 86,8 г соли. Вещество нерастворимо в спирте, устойчиво на воздухе.

        - бесцветные или белые кристаллы, растворимость в воде меньше, чем у .

Методика эксперимента

Растворили 20г (техн.) в 40-50мл воды. Отдельно готовят раствор 6г в 50-60мл воды. Растворы сливают, упаривают на водяной бане до начала кристаллизации и быстро охлаждают при перемешивании. Выпавшие кристаллы отсасывают на воронке Бюхнера, растворяют в минимальном количестве воды и охлаждают. Кристаллы хорошей огранки получаются при медленном охлаждении из раствора при комнатной температуре. Их отделяют декантацией и высушивают на фильтровальной бумаге. 

Процесс протекает по уравнению реакции:

 

 

Рассчитаем выход продукта :

υ(Al2(SO4)3*18H2O)=m/M(Al2(SO4)3*18H2O)=20/666=0.030моль

υ(K2SO4)=m/M(K2SO4)=6/174=0.034моль

υпр= (υ(Al2(SO4)3*18H2O)- υ(K2SO4))*2=0,008моль

υтеор= m/M(KAl(SO4)2*12H2O)=24.7/474=0.052моль

η= υпр/ υтеор*100%=0,008/0,052*100%=15,38%

Масса сухой соли составила 24,7г, что соответствует выходу  15,38% от теоретически возможного. Взвешивание образцов веществ проводили на аналитических весах.

 

2.2. Идентификация

После того, как синтезируемое вещество, а именно алюмокалиевые квасцы, было получено, понадобилось идентифицировать соединение, т.е доказать качественный состав. Для этого было использовано два метода: термогравиметрический и рентгенофазовый анализы.

2.2.1. Термогравиметрический анализ

Термогравиметрический анализ (ТГ) — метод термического анализа, при котором регистрируется изменение массы образца в зависимости от температуры. Этот метод анализа заключается в наблюдении массы исследуемой навески вещества при изменении её температуры. Результатом анализа являются ТГ-кривые — зависимости массы навески (или изменения массы навески) от температуры или времени. Возможно два способа проведения данного анализа: изотермический – при постоянной температуре и динамический - при изменении температуры во времени. Термоанализатор состоит из высокоточных весов с тиглями (как правило, платиновыми), которые размещаются в камере небольшой электропечи. В непосредственной близости от образца, например, под донышком тигля, находится контрольная термопара, с высокой точностью измеряющая температуру. Камера печи может заполняться инертным газом для предотвращения окисления или иных нежелательных реакций. Для управления измеряющей аппаратурой и снятия показаний используется компьютер.

 В процессе анализа  температура поднимается с постоянной  скоростью, и записывается изменение  массы в зависимости от температуры. Верхний предел температуры ограничен  только возможностями прибора, и  может достигать 1500 °C и более. При  этом, благодаря хорошей теплоизоляции  печи температура на её внешней  поверхности невысока и не  вызывает ожога. В методе ТГ-анализа высокое разрешение достигается за счёт наличия петли обратной связи между весом образца и его температурой. Нагрев замедляется по мере изменения веса образца, и, таким образом, температуру, при которой изменяется вес можно установить с большой точностью. Анализ проходит на дериватографе ОД-102, со скоростью нагрева 0,17 град/с, в кварцевых тиглях, в атмосфере аргона. Постоянное сопротивление цепи ДТА -1/10 и ДТГ-1/10. На дериватографе абсолютная погрешность определения температуры составила ±5град.

Для анализа была взята проба образца массой 200 мг. Результатом анализа являются графики зависимости массы пробы образца от температуры и температуры от времени и ДТГ. Первый эндотермический пик на ДТГ соответствует плавлению  пробы вещества, что соответствует температуре примерно 100. Второй и третий пики связаны с потерей массы, обратим внимаение на наличии именно двух пиков,что говорит о потере массы в два этапа.после определенной температуры( от 200-1000) убыль массы не происходит. Судя по графику можно сделать вывод, что первоначально убыль массы составило 82мг, т.е на 200 мг соли приходилось 82мг кристаллизационной воды, что составило (82:200-0,41 или 41%) 41% от массы исходного вещества. Вторая потеря массы составила 92мг от первоначальной навески или 10мг от оставшейся, сто составило (10: (200-82)=0,085 или 8,5%) 8,5%. Подобным образом при нагревании ведут себя кристаллогидраты, а т.к синтез проводился в водной среде, то можно предположить, ч то мы имеем дело с кристаллогидратом, и уменьшение массы произошло в результате потери кристаллизационной воды. Тогда в результате первого изменения массы ( для удобства примем массу в граммах):

82г:18г/моль=4,56 моль – количество  вещества воды, потерянное при  термическом разложении.

(200г-82г):258г/моль=0,457 мол.

Из пропорции:

0,457:4,56     1:10

Очевидно, что при этом выделяется 10моль воды на каждый моль соли. Дальнейшее изменение массы опять связано с кристаллизационной водой. В итоге:

92г:18г/моль=5,11моль – выделилось  воды.

(200-92)г:258г/моль=0,4186моль

По пропорции:

0,4186:5,11       1:12

По термогравиметрической прямой можно найти убыль массы образца равной 46%.

На основании термогравиметрического анализа можно сказать, что полученное вещество представляет собой кристаллогидрат, состава: KAl(SO4)2*12H2O. При нагревании теряет кристаллизационную воду в два этапа: сначала переходит в гидрат, после безводную соль. Полученные данные отвечают справочным.

 

 

 

2.2.2. Рентгенофазовый анализ

Рентгенофазовый анализ основан на дифракции рентгеновских лучей  на кристаллах. Для осуществления дифракции необходим одинаковый порядок периода дифракционной решетки и длины волны излучения. Для рентгеновских лучей дифракционной решетки  может служить кристалл, с упорядоченным расположением атомов. Для описания кристаллической структуры выбирают для нее элементарную ячейку – параллелепипед с ребрами a,b,c. Направление вдоль ребер принимают за оси координат Ox, Oy, Oz, а углы между ребрами за координатные. Величины a,b,с и координатные углы называют параметрами кристаллической структуры. Соотношения параметров позволяет классифицировать все кристаллы по сингониям, которую можно рассматривать как совокупность плоскостей, на которых находятся атомы. Такие плоскости называются атомными сетками, каждая из которых принадлежит семейству сеток. Расстояние между сетками называется межплоскостным расстоянием.

В результате когерентного рассеивания электронами рентгеновские лучи распространяются во все стороны. Интерференция рассеиваемых атомами кристалла приводят к повышенной интенсивности их в направлениях, по которым разность хода равна целому числу хода волн, излучения находятся в пределах расстояний между плоскостями решетки кристалла, то искажение на плоскостях решетки лучи покажут разность хода, которая благодаря интерференции приводит к усилению или затуханию излучения. Уравнение дифракции Вульфа-Брэгга имеет вид: , где d – межплоскостное расстояние, - дифракционный угол искажения, n – целое число, порядок отражения, L – длина волны излучения.

Для рентгенофазового анализа применяют материал, состоящий из беспорядочного ориентированных мелких кристалликов. При прохождении узкого направленного рентгеновского излучения может образоваться дифракционное отражение. Если поставить нормально первичному пучку регистрирующий экран, то дифракционные отражения расположатся на окружности. Образец вещества располагается в плоскости, изначально параллельной рентгеновскому пучку. При повороте образца и счетчика каждое семейство сеток может попадать в отражающее положение столько раз, сколько это возможно при значении d.