Синтез соли или координационного соединения

9 заданий

Расчёт загрузки и выхода

Прежде чем начинать синтез, нужно записать уравнение реакции и рассчитать количества реагентов. Эти расчёты позволяют определить, сколько продукта можно получить и какое количество каждого вещества следует взять.

Сначала выбирают ограничивающий реагент — вещество, по количеству которого рассчитывают продукт. Обычно в этой роли используют наиболее ценный реагент. Рассчитанную по нему массу продукта называют теоретическим выходом.
Дешёвые реагенты берут в избытке (5–20 %), чтобы ограничивающий реагент прореагировал полностью. При этом избыток не должен загрязнять продукт.
После выделения и взвешивания продукта находят практический выход: \(\eta = m_\text{практ}/m_\text{теор}\cdot100\) %. Он меньше теоретического из-за растворимости продукта в маточном растворе и промывной жидкости, потерь при переносе вещества и побочных реакций.

edit_noteСинтез соли Мора

Сначала железо превращают в сульфат железа(II): \(\ce{Fe + H2SO4 -> FeSO4 + H2 ^}\). Затем получают кристаллогидрат соли Мора: \(\ce{FeSO4 + (NH4)2SO4 + 6H2O -> (NH4)2Fe(SO4)2*6H2O}\). Если для синтеза взяли 2,79 г железа, теоретический выход составляет \(2{,}79/55{,}85\cdot392{,}14 = 19{,}6\) г соли. При получении 15,2 г практический выход составляет 77,6 %.

По такому же принципу рассчитывают загрузку для других синтезов. Уравнения реакций показывают не только соотношение реагентов, но и последовательность превращений.

scienceКлассические синтезы практикума

\(\ce{2Al + 2KOH + 6H2O -> 2K[Al(OH)4] + 3H2 ^}\); \(\ce{K[Al(OH)4] + 2H2SO4 + 8H2O -> KAl(SO4)2*12H2O}\) — сначала алюминий из фольги растворяют в щёлочи, затем получают алюмокалиевые квасцы.
\(\ce{CuSO4*5H2O + 4NH3 -> [Cu(NH3)4]SO4*H2O + 4H2O}\) — образовавшееся координационное соединение осаждают спиртом.
\(\ce{FeCl3 + 3K2C2O4 + 3H2O -> K3[Fe(C2O4)3]*3H2O + 3KCl}\) — в результате реакции получают зелёные светочувствительные кристаллы.

Кристаллизация и выделение

После реакции продукт обычно находится в растворе вместе с примесями. Для его выделения и очистки применяют кристаллизацию: при подходящих условиях продукт образует кристаллы, а растворимые примеси остаются в жидкости — маточном растворе. Поэтому важен порядок операций.

Горячий раствор фильтруют, чтобы удалить нерастворимые примеси, например нерастворившийся металл или гидроксиды.
Затем раствор упаривают до начала кристаллизации. Об этом свидетельствуют появление плёнки на поверхности или кристаллов на палочке.
Концентрированный раствор медленно охлаждают. При медленном охлаждении обычно вырастают более крупные и чистые кристаллы, поскольку примеси остаются в маточном растворе. При быстром охлаждении образуются мелкие кристаллы, которые легче захватывают маточный раствор.
Если продукт хорошо растворим в воде, его можно осадить добавлением спирта (\(\ce{[Cu(NH3)4]SO4}\)) или охладить раствор льдом.
Кристаллы отделяют на воронке Бюхнера, промывают малым количеством холодной воды или спирта и сушат на воздухе. При нагревании кристаллогидраты могут потерять кристаллизационную воду.

boltПерекристаллизация загрязнённого продукта

Если выделенный продукт содержит примеси, его растворяют в минимальном количестве горячей воды и кристаллизуют повторно. Чистота при этом возрастает, но выход уменьшается, поскольку часть вещества остаётся в растворе. Поэтому при выборе условий синтеза приходится учитывать и чистоту, и выход.

auto_awesomeВыращивание крупных кристаллов

Чтобы вырастить крупный кристалл квасцов, в насыщенный раствор помещают затравку — маленький кристалл на нитке. Раствор должен очень медленно испаряться или остывать. Выращенные в школьной лаборатории кристаллы хромокалиевых и алюмокалиевых квасцов имеют форму октаэдров и могут достигать размера ореха.

Состав и чистота продукта

Выделение кристаллов ещё не доказывает, что получено нужное вещество. Продукт проверяют по внешним признакам, составу и устойчивости.

Внешний вид позволяет сравнить цвет и форму кристаллов с ожидаемыми: квасцы образуют октаэдры, а соль Мора — светло-зелёные моноклинные кристаллы.
Качественные реакции помогают обнаружить примеси. Например, в соли Мора проверяют отсутствие \(\ce{Fe^3+}\) с помощью KSCN, а в квасцах — отсутствие железа.
Количественный анализ позволяет определить содержание металла, аниона и лиганда; для анализа металла применяют титрование или гравиметрию. Содержание воды находят по потере массы при нагревании — методом термогравиметрии (урок 225).
Устойчивость также служит признаком, который учитывают при хранении продукта: соль Мора не желтеет на воздухе неделями, тогда как \(\ce{K3[Fe(C2O4)3]}\) восстанавливается на свету.

Причину светочувствительности ферриоксалата поясняет следующая реакция.

scienceФотохимия ферриоксалата

\(\ce{2[Fe(C2O4)3]^3- ->[свет] 2[Fe(C2O4)2]^2- + C2O4^2- + 2CO2 ^}\) — под действием света железо(III) восстанавливается до железа(II), а часть оксалат-ионов окисляется. Эту реакцию используют для измерения интенсивности света: такой способ измерения называют химической актинометрией. В XIX веке синие изображения получали методом цианотипии; в его основе также лежит фотохимическое восстановление железа(III), после которого происходит реакция с гексацианоферратом.

boltПроверка содержания воды

Кристаллогидрат теряет воду ступенчато. Измеренную потерю массы сравнивают с рассчитанной по формуле: меньшая потеря может указывать на частичное выветривание продукта, а большая — на то, что кристаллы остались влажными.

push_pinГлавное

Синтез начинают с уравнения реакции: по нему рассчитывают загрузку, выбирают ограничивающий реагент и определяют теоретический выход, а дешёвый реагент при необходимости берут в разумном избытке. После растворения и реакции горячий раствор фильтруют, упаривают до начала кристаллизации и медленно охлаждают, чтобы получить крупные чистые кристаллы. Их отделяют на воронке Бюхнера, промывают холодной водой или спиртом и сушат на воздухе. По массе выделенного продукта рассчитывают практический выход: \(\eta = m_\text{практ}/m_\text{теор}\). Чистоту проверяют по цвету и форме кристаллов, отсутствию примесных ионов и результатам анализа металла, лиганда и воды, в том числе методом термогравиметрии. Классические продукты такого практикума — соль Мора, алюмокалиевые квасцы, \(\ce{[Cu(NH3)4]SO4*H2O}\) и \(\ce{K3[Fe(C2O4)3]*3H2O}\).

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.