Статии за: Химия

Калиев нитрат (Potassium nitrate)

Чистият калиев нитрат е сравнително дефицитна стока у нас, макар на Запад и в Европа същия да се продава свободно под формата на изкуствена тор или (колкото и странно да звучи) препарат за премахване на стари пънове (aka. “Stump Remover”). За кратък период от време, калиев нитрат (КН) можеше да се намери в родната търговска мрежа под наименованието „Мулти – К“, който към днешна дата е почти неоткриваем в магазините за селско стопански материали или може да се закупи само в разфасовки от 25 килограма. По спомени, последният притежаваше сравнително добра чистота за изкуствена тор, но лично аз винаги съм го прекристализирал, с цел да постигна максимално добри резултати.

Чист калиев нитрат може да се закупи също така от магазините за химически реактиви, особено ако тюрбана не е част от ежедневното ви облекло и нямате навика да подвиквате „Аллах Акбар“. Шегата настрана, но в тон с приетите почти навсякъде в ЕС „антитерористични“ закони, на всеки който закупи изкуствена тор вече се гледа като на потенциален терорист или в най-добрия случай като на човек с антисоциални помисли. Причината за това е, че КН е ключов компонент в състава на т.нар. черен или димен барут, който в продължение на векове се е използвал като основно метателно средство в различните по тип огнестрелни оръжия.

Напук на разпространеното мнение обаче, изготвянето му в домашни условия е трудоемък и отнемащ значително време процес. За да си направим качествен и годен за употреба димен барут се нуждаем от сравнително чист калиев нитрат и сяра + въглен от дървесина с подходяща за целта структура. И това е само началото…. Посочените по-горе компоненти се нуждаят от минимум три часа смилане в топкова мелница, свързване с вода и декстрин, пресоване, гранулиране чрез разбиване, пресяване за отделяне на различните фракции и разбира се, финално изсушаване, последвано от полиране с графит. Едва тогава може да се говори за димен барут в класическия смисъл на думата, но в кошмарите на средностатистическия американец или европеец, подобна дейност е по силите на всеки един инфилтриран в обществото им талибанин.

Изготвения в настоящата статия калиев нитрат може да се използва за най-разнообразни цели. От земеделие и кулинария, до пиротехника и примитивно занаятчийство. Тук той бе синтезиран в ролята на окислител за изготвянето на прахан от дървесна гъба.

Реакцията протича по посоченото по-долу уравнение.

NH4NO3 (aq) + KCl (aq) → NH4Cl (aq) + KNO3 (aq)

Необходими материали:

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

1. Амониев нитрат или т.нар. амониева селитра. Може да се открие в почти всяка една селскостопанска аптека и някои цветарски магазини. Купува се чист амониев нитрат, а не стабилизиран или смеси на неговата база с фосфор или калций. Чистия се познава най-лесно по маркировката, която за този без примеси е 35 – 0 – 0. Използвания тук е прекристализиран, но премахването на примесите може да се извърши и по време на филтрацията в настоящия синтез.

2. Калиев хлорид. Последния може да се открие отново в селскостопанските аптеки, но поради по-ограниченото си приложение е сравнително трудно откриваем. Показания тук е с техническа чистота и може да се използва директно, но продаваните в мрежата разновидности се нуждаят от допълнително пречистване под формата на прекристализация. Кафеникавия, гранулиран калиев хлорид обикновено съдържа примеси от натриев хлорид и калиев карбонат.

3. Помощни материали. Стъклени буркани, термометър, филтри за кафе, щипки, подходяща бъркалка и електронна везна.

Свойства на използваните материали и изходните продукти.

Амониев нитрат – NH4NO3 – Моларна маса – 80.052 гр/мол. Разтворимост във вода – 118 гр/100 мл (0 °C), 150 гр/100 мл (20 °C). Разтворим в ацетон и частично разтворим в метанол.

Калиев хлорид – KCl – Моларна маса – 74.5513 гр/мол. Разтворимост във вода – 281 гр/л (0°C), 344 гр/л (20°C). Разтворим в глицерин и слабо разтворим в алкохол.

Калиев нитрат – KNO3 – Моларна маса – 101.1032 гр/мол. Разтворимост във вода – 133 гр/л (0 °C), 316 гр/л (20 °C). Слабо разтворим в алкохол и глицерин.

Амониев хлорид – NH4Cl – Моларна маса – 53.491 гр/мол. Разтворимост във вода – 297 гр/л (0 °C), 372 гр/л (20 °C). Разтворим в алкохол и ацетон.

КН може да се синтезира по най-разнообразни начини (включително от оборска тор & други естествени матерали), но в настоящата статия ще се спрем само на най-лесния и достъпен в домашни условия метод, а именно този на базата на амониев нитрат и калиев хлорид.

Добре е да се има предвид, че метода с калиев хлорид не е особено подходящ, ако търсим КН с висока чистота, но за разлика от синтезите с калиева основа и карбонат, тук не се отделя амоняк и процеса може да се осъществи спокойно дори в затворени помещения. С цел да получим максимално чист КН извършваме две прекристализации и спазваме следното елементарно правило.

Ако калиевия нитрат ще се добавя в кулинарни изделия (сушени колбаси и др.) се използва излишък от калиев хлорид, а ако е нужен за пиротехнически цели се използва излишък от амониев нитрат. По този начин се гарантира липсата на нежелани примеси, които могат да доведат до отравяния или пиротехнически композиции с незадоволителни характеристики.

Тъй като синтезирания тук КН ще се използва под формата на окислител се използва излишък от нитрат, което ще рече 88 гр. амониев нитрат (10 % излишък + компенсация за наличната обикновено в него влага) за 74 гр. калиев хлорид и около 250 мл. вода. Количеството вода също е в излишък, с цел да се улесни разтварянето на двете соли и да се получи колкото се може по-чист продукт при кристализацията.

Процедурата е следната. В стъкления буркан се наливат около 250 мл. гореща вода, в която първо се разтваря нитрата, след което съда се поставя в малка тенджера на водна баня и с добро разбъркване се добавя и калиевия хлорид.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

След пълното им разтваряне, течността се прецежда с помощта на фуния и филтърна хартия директно в съда за кристализация. Както може да се види от снимката по-долу, значително количество примеси има дори при относително чисти реактиви.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Оставяме разтвора на калиев нитрат и амониев хлорид да се охлади до стайна температура, след което го прехвърляме в хладилник или ледена вана. Добре е да се има предвид, че показаните тук вана и термометър бяха използвани единствено с цел за да се онагледи процеса на кристализация и реално не са необходим елемент от синтеза. Нещо повече. Бавната кристализация (и то в широк съд) е за предпочитане, тъй като дава далеч по-едри кристали, а от там и по-чист краен продукт.

В моя случай, кристалите КН започнаха да „растат“ почти веднага след поставянето на разтвора в ледената вана, а процеса на кристализация приключи след падането на температурите под 5 градуса. Като за първи документиран опит, условията не бяха от най-оптималните, което се отрази и върху финалните добиви.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Получените кристали се отдекантират от наситения разтвор и промиват с малки количества ледено студена вода, с цел да се отмият остатъците от амониев хлорид и нитрат. Важно е водата да се налива внимателно, а съда и кристалите да не се агитират по време на промивката, тъй като това може и ще доведе до разтваряне на част от калиевия нитрат. От едно, до две отдекантирвания са напълно достатъчни за да получим продукт с приемлива за нуждите ни чистота.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Кристалите калиев нитрат сушим на слънце под тензух или във фурна при 150 – 200 градуса. Недостатък на последния метод е повторното разтваряне на нитрата в наличната вода, което води до сбита, изключително трудна за разбиване и стриване маса от кристали.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Крайните добиви, предвид бързото охлаждане и факта, че разклащах съда по време на промивката се оказаха около 54 грама калиев нитрат, част от който още на следващия ден бе използван за направата на прахан от дървесна гъба.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Меден окис (Copper oxide)

Медният окис (CuO) е сравнително скъп реактив, затова при нужда от малки количества е добре да знаем как да го синтезираме сами в домашни условия. Необходимите за целта материали са лесно откриваеми в търговската мрежа, а самият процес (както ще се убедите) е повече от елементарен.

В зависимост от наличните на пазара компоненти съществуват няколко варианта за синтез, като тук естествено ще се спрем само на най-лесния и бюджетен метод за изпълнение. В промишлени условия, чистия меден окис се получава при разлагането на меден нитрат, хидроксид или карбонат, което ще послужи за база и на описаната тук процедура, която използва меден хидроксид получен при взаимодействието на меден сулфат с натриева или калиева основа. Реакцията протича по посочените по-долу уравнения.

CuSO4*5H2O + 2NaOH = Cu(OH)2 + Na2SO4 + 5H20
250 + 80 = 98 + 322 + 90

CuSO4*5H2O + 2KOH = Cu(OH)2 + K2SO4 + 5H2O
250 + 112 = 98 + 174 + 90

Cu(OH)2 = CuO + H2O
98 = 80 + 18

Свойства на използваните материали и изходните продукти.

Меден сулфат пентахидрат – CuSO4.5H2O – Моларна маса 249.70 гр/мол. Разтворимост във вода – 316 гр/л (0 °C), 2033 гр/л (100 °C). Разтворим в метанол 10.4 гр/л (18 °C).

Натриева основа – NaOH – Моларна маса 39.9971 гр/мол. Разтворимост във вода – 111 гр /100 мл. (20 °C). Разтворима в метанол 23.8 гр/100 мл.

Калиева основа – KOH – Моларна маса 56.1056гр/мол. Разтворимост във вода – 97 гр/100 мл.(0 °C), 121 гр/100 мл. (25 °C), 178 гр/100 мл. (100 °C). Разтворима в метанол, етанол и глицерин.

Меден хидроксид – Cu(OH)2 – Моларна маса 97.561 гр/мол. Разтворимост във вода – почти нератворим. При темература над 80 градуса се разлага до меден окис.

Натриев сулфат хексахидрат – Na2SO4.10 H2O – Моларна маса 322.20 гр/мол. Разтворимост във вода – 19.5 гр/100 мл. (0 °C), 44 гр/100 мл. (20 °C). Неразтворим в алкохол.

Калиев сулфат – K2SO4 – Моларна маса 174.259 гр/мол. Разтворимост във вода – 111 гр/л (20 °C), 120 гр/л (25 °C), 240 гр/л (100 °C). Неразтворим в алкохол.

Меден окис – CuO – Моларна маса 79.545 гр/мол. Неразтворим във вода и алкохол.

Както може да се види от посочените по-горе уравнения, при неутрализацията на медния сулфат с основа се получава меден хидроксид и съответно калиев или натриев сулфат, а полученият хидроксид още по време на реакцията (частично, ако работим с гореща основа) или при последвалото нагряване се разпада до меден окис.

Разлика в използването на натриева или калиева основа няма, но е добре да се знае, че калиевата е предпочитана от пиротехниците, тъй като получения продукт не е „замърсен“ с натриеви йони, които развалят цветовете на изготвените с него състави. Предвид по-ниската цена и по-лесната откриваемост на пазара, в настоящия синтез ще се използва именно натриева основа.

Необходими материали:

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

1.Меден сулфат или т.нар. „Син камък“. Може да се открие в селскостопанските аптеки и някои цветарски магазини. Купува се чист меден сулфат, а не т.нар. „Бордолезова смес“, която се състои от меден сулфат и калциев хидроксид.

2.Натриева основа. От скоро време отново може да се открие в мрежата под наименованието „Сода за сапун“. Да не се бърка с натриевия карбонат или т.нар. „Сода за бъчви“.

3.Помощни материали. Везна, огнеупорна тавичка, стъклен буркан за разтварянето на основата, 10 л. туба от минерална вода и подходяща дървена/пластмасова бъркалка.

Първо разтваряме натриевата основа за да има време да се охлади преди смесването и с разтвора на медния сулфат. Тази стъпка не е задължителна, но работата с гореща основа е далеч по-опасна и води до образуване на меден окис още при самото смесване. Да се има предвид, че реакцията е силно екзотермична, затова е желателно да се ползват здрави и устойчиви на топлина съдове. В конкретния случай използваме 80 гр. натриева основа, която прибавяме на порции с добро разбъркване към около 150 – 200 мл. вода. За бъркалка с успех може да се използва сламка за пиене, които освен, че не реагира с основата, след употреба просто се изхвърля. Задължително трябва да имаме някакви предпазни средства за очите по време на разтварянето, тъй като изгарянията с основа са далеч по-опасни за роговицата от тези с киселина и в повечето случаи са необратими. При липса на професионални, работа вършат дори обикновени слънчеви очила.

За разтвора от меден сулфат използваме 250 гр. син камък и 800 мл. топла вода. Разбъркваме до пълното му разтваряне директно в реакционния съд. В случая, тавичка от огнеупорно стъкло.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Целта е да се сведат до минимум използваните съдове и преливане на готови разтвори & продукти. Разтвора на натриева основа прибавяме наведнъж и с енергично разбъркване, при което почти незабавно се образува гъста, пихтиеста маса от меден хидроксид в разтвор на натриев сулфат.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Ако разтвора на основата е бил горещ и работим с по-малки обеми, меден окис може да се образува и падне на дъното на съда още по време на неутрализацията. Тъй като не работех с особено концентрирани разтвори и основата ми беше напълно охладена, при мен следите от окис бяха незначителни, което се вижда и от направените фотографии.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

След няколко минутно разбъркване съда се поставя директно във фурната при 200 – 250 градуса до завирането на суспензията. Медния хидроксид се разлага при 80 градуса, затова около 30 минути варене са повече от достатъчни за пълното му разпадане. На финала трябва да получим черна, лесно падаща на дъното утайка от меден окис и концентриран разтвор на натриев сулфат.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Примесите от натриев сулфат премахваме чрез неколкократно промиване на получената утайка с помощта на разрязаната туба от минерална вода и маркуч от медицински системи.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Системата със сифонирането е най-удачна, тъй като при отдекантирането обикновено има (макар и минимални) загуби на продукт. Около 3 литра гореща вода са повече от достатъчни, но е добре да се работи с излишък.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

В случая, медния окис е доста плътен и бързо се утаява на дъното на съда, което дава възможност за пречистването му в рамките на няколко часа. След последното сифониране, гъстата утайка се прецежда през няколко филтъра за кафе, за да се гарантира премахването и на последните остатъци от вода и сулфат.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Връщаме в тавичката от огнеупорно стъкло и сушим на фурна до получаване на напълно суха и лесно трошлива маса, която се разпада до консистенцията на пудра при пресоване с лъжица или стриване в хаван.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Крайният добив се оказа около 86 гр., което е с 6 гр. повече от теоретичните 80. Резултатите отдавам, както на не до там добро изсушаване, така и на евентуалните примеси от Cu2O, на които се дължи и леко кафеникавия цвят на получения меден окис.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Изготвения по описаната процедура меден окис може да се използва за направата както на различни по тип „сухи“ батерии, така и на разнообразни по състав термитни и сигнално – осветителни композиции.