Термическое разложение нитрата калия
При термическом разложении нитратов щелочных металлов выделяется кислород, и образуются нитриты. Нагреем нитрат калия в пробирке. При плавлении начинается разложение соли, а значит и выделение кислорода.
Не прерывая нагревания, бросим в расплавленную соль раскаленный уголек. Раскаленный уголек не гаснет на поверхности нитрата – кислород поддерживает горение угля. Когда уголек сгорит, отставим горелку, разместим под пробиркой поднос с речным песком и бросим в пробирку несколько кусочков серы.
Поднос с речным песком необходим для пожарной безопасности.
Сера ярко вспыхивает в выделяющемся кислороде. Горение серы в кислороде происходит с выделением большого количества теплоты, пробирка плавится.
Мы убедились в том, что при термическом разложении нитратов щелочных металлов выделяется кислород.
Оборудование: пробирка, штатив, чашка с песком, пинцет, горелка.
Техника безопасности. Соблюдать правила работы с нагревательными приборами. Опыт проводить под тягой. Под пробиркой обязательно поставить сосуд с речным песком.
Постановка опыта и текст – к.п.н. Павел Беспалов.
Введение
Происхождение названия
Сначала поговорим о ее названии. Селитра – это любая соль, которая имеет кислотный остаток NO3, взятый из азотной кислоты, т.е. является нитратом. Химическая формула обсуждаемой сейчас селитры – KNO3, значит, к ее названию необходимо добавить прилагательное "калиевая". Но существуют и другие варианты его написания. В разных источниках ее могут обозвать калийной/индийской селитрой, азотнокислым калием, нитратом калия и т.п. Все эти названия будут правильными.
Свойства
Данная селитра при нормальных условиях является бесцветными кристаллами, но измельченной она напоминает белый порошок. Также она имеет ионную структуру и гексагональную или ромбическую кристаллическую решетку. Калиевая селитра слегка гигроскопична, склонна несильно слеживаться в течении некоторого времени. Также она нелетуча и не имеет запаха. Хорошо растворяется в воде, в средней степени – в жидком аммиаке, глицерине, гидразине, не растворяется в чистых эфире и этаноле (может плохо в них растворяться только при условии, что последние разбавлены водой). Из калиевой селитры при ее медленной кристаллизации могут вырастать игольчатые и очень длинные кристаллы. При температуре 400-520 оС происходит ее разложение, при котором образуются нитрит калия и кислород.
Получение
В Средних веках и Новом времени (т.е. в тот период, когда порох находился в частом употреблении) калиевую селитру добывали из селитряниц – куч, состоящих из известняковых материалов, навоза и других перегнивающих компонентов, у которых были прослойки из хвороста или соломы. Они были накрыты дерном, удерживающим образующиеся газы. Аммиак, который образовывался из-за гниения навоза, накапливался в прослойках, нитрифицировался и становился сначала азотистой, а потом азотной кислотой. Последняя при взаимодействии с известняком образовывала нитрат кальция, далее происходило его выщелачивание водой. Когда к этой смеси добавляли древесную золу, карбонат кальция, находящийся в первой, оседал. И в результате получался раствор калиевой селитры. Взаимодействие поташа и кальциевой селитры – это древнейший способ получения калиевой селитры, который является популярным до сих пор. Хотя поташ можно заменить и сульфатом калия. Калиевую селитру можно получить в лаборатории при таких реакциях:
- Хлорид калия и нитрат натрия.
- Нитрат аммония и хлорид калия.
- Гидроксид калия и азотная кислота.
- Калий и азотная кислота.
- Соответствующий щелочной оксид калия (К2О) и соответствующая кислота (азотная).
- Гидроксид калия и оксид азота (5).
- Нитрат аммония и гидроксид калия.
- Карбонат калия и азотная кислота.
Нахождение в природе
В природе калиевая селитра известна как минерал нитрокалит. Места самых крупных его залежей – Чили и Ост-Индия (вот почему калиевую селитру часто называют индийской). Натуральный нитрат калия – это азотобактерии, связанные с аммиаком, который выделяется при разложении азотистых веществ. Этой связи способствуют влага и тепло, поэтому крупнейшие месторождения калиевой селитры находятся в жарких странах. Также в очень малых количествах она присутствует в животных и растениях.
В основном ее используют как ценное удобрение для растений (фото). Также она является очень важным ингредиентом в составе дымного пороха ("дымовухи", дымовой шашки). Приносит пользу эта селитра и в оптическом стекловарении, обесцвечивая и осветляя технические хрустальные стекла и придавая прочности изделиям из стекла. В пищевой промышленности эта селитра известна как консервант Е252.
Заключение
Калиевая селитра (формула KNO3) может использоваться не только в химии, но и во многих других отраслях промышленности. Она может быть как полезной, так и очень вредной для человека.
| Нитрат калия | |
|---|---|
 |
|
 |
|
| Общие | |
| Систематическое наименование |
Нитрат калия |
| Сокращения | в народе КС, НК |
| Традиционные названия | Ка́лиевая селитра, кали́йная селитра, индийская селитра, Соль Петра (Salt of Peter, petersalt) [1] |
| Хим. формула | KNO3 |
| Рац. формула | KNO3 |
| Физические свойства | |
| Состояние | твёрдое |
| Молярная масса | 101,1032 г/моль |
| Плотность | 2,109 (16 °C) |
| Твёрдость | 2 |
| Термические свойства | |
| Т. плав. | 334 °C |
| Т. кип. | с разложением °C |
| Т. разл. | 400 °C |
| Тройная точка | отсутствует |
| Мол. теплоёмк. | 95,06 Дж/(моль·К) |
| Энтальпия образования | -494,00 кДж/моль |
| Энтальпия плавления | 9,80 кДж/моль |
| Энтальпия сублимации | 181,00 кДж/моль |
| Химические свойства | |
| Растворимость в воде | 13,3 (0 °C) 36 (25 °C) 247 (100 °C) |
| Классификация | |
| Рег. номер CAS | 7757-79-1 |
| PubChem | 24434 |
| Рег. номер EINECS | 231-818-8 |
| SMILES | |
| Кодекс Алиментариус | E252 |
| RTECS | TT3700000 |
| ChEBI | 63043 |
| Номер ООН | 1486 |
| ChemSpider | 22843 |
| Безопасность | |
| ЛД50 | 3750 мг/кг |
| Токсичность | малотоксичен |
| NFPA 704 |
|
| Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного. | |
Нитра́т ка́лия, азотноки́слый ка́лий (ка́лиевая сели́тра, кали́йная селитра, инди́йская селитра и др.) — неорганическое соединение, калиевая соль азотной кислоты с формулой K N O 3. В кристаллическом состоянии — бесцветное вещество, нелетучее, слегка гигроскопичное, без запаха. Нитрат калия хорошо растворим в воде. Практически не токсичен для живых организмов.
Встречается в природе в виде минерала нитрокалита, в Ост-Индии находится одно из крупнейших месторождений, отсюда второе название — индийская селитра. В очень малых количествах содержится в растениях и животных [2] .
Форма кристаллов игольчатая, сами кристаллы очень длинные. Легко поддаётся очистке перекристаллизацией с минимальными потерями.
Основное применение находит в пиротехнике (до XX века особенно широко, как компонент основного в то время взрывчатого вещества — дымного (чёрного) пороха) и как калий-азотное удобрение (очень удобное соединение двух обычно плохо сочетающихся при усваивании растениями элементов).
Содержание
Физические свойства [ править | править код ]
Нитрат калия в нормальных условиях представляет собой бесцветные кристаллы (в измельчённом состоянии белый порошок) с ионной структурой и ромбической или гексагональной кристаллической решёткой. Слегка гигроскопичен, склонен несильно слеживаться со временем. Не имеет запаха, нелетуч.
Хорошо растворим в воде, в средней степени в глицерине, жидком аммиаке, гидразине, нерастворим в чистом этаноле и эфире (в разбавленных водой растворяется плохо). Таблица растворимости в некоторых растворителях, в граммах KNO3 на 100 г H2O [3] :
| Растворитель / Температура, °С |
10 | 20 | 25 | 30 | 40 | 60 | 80 | 100 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Вода | 13,9 | 21,2 | 31,6 | 37,9 | 46,0 | 61,3 | 106,2 | 166,6 | 245,0 |
| Жидкий аммиак | 10,52 | 10,4 | |||||||
| Гидразин | 14 |
При медленной кристаллизации вырастают очень длинные игольчатые кристаллы. Нитрат калия хорошо поддаётся очистке перекристаллизацией, причём с небольшими потерями, благодаря сильному повышению растворимости с ростом температуры.
Химические свойства [ править | править код ]
- Разлагается при 400—520 °C с образованием нитрита калияKNO2 и кислородаO2[4] (выделение последнего увеличивает пожароопасность нитрата калия):
2 K N O 3 ⟶ 2 K N O 2 + O 2 ↑ <displaystyle <mathsf <2KNO_<3>longrightarrow 2KNO_<2>+O_<2>uparrow >>>
- Является сильным окислителем, реагирует с горючими материалами и восстановителями, при измельчении активно и нередко со взрывом. Смеси нитрата калия с некоторыми органическими материалами склонны к самовоспламенению.
- Восстанавливается водородом в момент выделения (в реакции соляная кислота разбавленная) [4] :
Z n + 2 H C l ⟶ Z n C l 2 + 2 H 0 , <displaystyle <mathsf <2>+2H^<0>>>,>
- Расплав нитрата калия может быть использован для получения металлического калия электролизом, однако из-за высоких окислительных способностей нитрата калия в расплавленном состоянии предпочтительнее гидроксид калия.
Получение [ править | править код ]
В Средние Века и Новое Время (когда активно использовали порох) для получения нитрата калия служили селитря́ницы — кучи из смеси навоза (и других перегнивающих компонентов) с известняком, строительным мусором и прочим известняковым материалом с прослойками из соломы или хвороста, накрытые дёрном для удерживания образующихся газов. При гниении навоза образовывался аммиак, который накапливаясь в прослойках из соломы, подвергался нитрификации и превращался вначале в азотистую, а затем в азотную кислоту. Последняя, взаимодействуя с известняком, давала Ca(NO3)2, который выщелачивался водой. Добавка древесной золы (состоящей в основном из поташа) приводила к осаждению CaCO3 и получению раствора нитрата калия; нередко золу добавляли сразу в кучу вместо известняка, тогда калиевая селитра получалась сразу.
C a ( N O 3 ) 2 + K 2 C O 3 ⟶ 2 K N O 3 + C a C O 3 ↓ <displaystyle <mathsf
<3>)_<2>+K_<2>CO_<3>longrightarrow 2 KNO_<3>+CaCO_<3>downarrow >>>
Реакция поташа с кальциевой селитрой (нитратом кальция) является самой древней из используемых человеком для получения нитрата калия и популярна до сих пор. Вместо поташа, впрочем, сейчас в лабораториях чаще всего используют сульфат калия, реакция очень похожа:
C a ( N O 3 ) 2 + K 2 S O 4 ⟶ 2 K N O 3 + C a S O 4 ↓ . <displaystyle <mathsf
<3>)_<2>+K_<2>SO_<4>longrightarrow 2 KNO_<3>+CaSO_<4>downarrow >>.>
Первый способ применялся вплоть до 1854 г., когда немецкий химик К. Нёльнер изобрёл производство нитрата калия, основанное на реакции более доступных и дешевых хлорида калия и нитрата натрия, доступного в виде чилийской селитры:
K C l + N a N O 3 ⟶ K N O 3 + N a C l <displaystyle <mathsf
<3>longrightarrow KNO_<3>+NaCl>>>
Существует несколько других способов получения нитрата калия. Это взаимодействие нитрата аммония и хлорида калия с образованием нитрата калия и хлорида аммония, последний легко отделяется:
K C l + N H 4 N O 3 ⟶ K N O 3 + N H 4 C l <displaystyle <mathsf <4>NO_<3>longrightarrow KNO_<3>+NH_<4>Cl>>>
— наиболее применимая после реакции нитрата кальция с карбонатом или сульфатом калия.
K O H + H N O 3 ⟶ K N O 3 + H 2 O <displaystyle <mathsf
<3>longrightarrow KNO_<3>+H_<2>O>>>
2 K O H + N 2 O 5 ⟶ 2 K N O 3 + H 2 O , <displaystyle <mathsf <2 KOH+N_<2>O_<5>longrightarrow 2 KNO_<3>+H_<2>O>>,>
<2>CO_<3>+2 HNO_<3>longrightarrow 2 KNO_<3>+H_<2>O+CO_<2>uparrow >>.>
Природные источники и месторождения [ править | править код ]
В природе нитрат калия распространён в виде минерала нитрокалита. Крупнейшее его месторождение находится в Индии. Природный нитрат калия образуется в результате разложения азотсодержащих веществ с последующим связыванием медленно выделяющегося аммиака нитробактериями, чему способствует влага и тепло, поэтому наиболее крупные залежи находятся в странах с жарким климатом [5] .
В очень малых количествах содержится в растениях и животных [2] , является промежуточным продуктом при переработке ими почвенных сульфата и карбоната калия.
Применение [ править | править код ]
Основное применение на сегодняшний день нитрат калия находит в качестве ценного удобрения, так как совмещает в себе два элемента, частично блокирующих усвоение друг друга растениями, когда находятся в составе отдельных соединений.
Применяется при изготовлении дымного пороха и некоторых других горючих смесей (например, карамельного ракетного топлива), которые почти полностью сейчас используются в производстве пиротехнических изделий.
Применяется также в электровакуумной промышленности и оптическом стекловарении для обесцвечивания и осветления технических хрустальных стёкол и придания прочности изделиям из стекла [6] .
Расплав иногда используется в химических лабораториях и у любителей химии для получения металлического калия электролизом, наряду с гидроксидом калия.
Используется в качестве сильного окислителя в металлургии, в частности, при переработке никелевых руд.
В пищевой промышленности нитрат калия применяется в качестве консерванта E252 [7] . Сам по себе он не имеет существенного антибактериального действия, но его оказывает образующийся в результате восстановления нитрит калия в мясных продуктах, в которых нитрат калия наиболее широко используется в качестве консерванта [8] .