Получение тетрахлороцинката аммония и изучение его свойств

КУРСОВАЯ РАБОТА Получение тетрахлороцинката аммония и изучение его свойств

Оглавление Введение

1. Строение и физико-химические свойства тетрахлороцинката аммония.

1.1 Ацидокомплексы

1.2 Практическое применение тетрахлороцинката аммония.

2. Экспериментальная часть

2.1 Способы получения тетрахлороцинката аммония.

2.2 Исходные вещества, приготовление растворов, оборудование

3. Результаты и их обсуждение.

3.1 Расчет теоретического выхода

3.2 Идентификация.

Вывод Список используемых источников

Комплексные соединения-соединения, в узлах кристаллов которых находятся комплексы, способные к самостоятельному существованию в растворе.

Хлоримд цимнка (хлористый цинк, дихлорид цинка, паяльная кислота) — химическое соединение цинка с хлором, имеющее формулу ZnCl2. Представляет собой белые гигроскопичные кристаллы.

Хлорид аммония (хлористый аммоний, техническое название — нашатымрь) NH4Cl — соль аммония, белый кристаллический слегка гигроскопичный порошок без запаха.

Целью курсовой работы является синтез и изучение строения и физико-химических свойств тетрахлороцинката аммония.

Задачи:

— изучить строение и физико-химических свойств тетрахлороцинката аммония;

— изучить способы получения тетрахлороцинката аммония;

— экспериментально получить тетрахлороцинкат аммония.

1. Строение и физико-химические свойства тетрахлороцинката аммония

Комплексные (координационные) соединения чрезвычайно широко распространены в живой и неживой природе, применяются в промышленности, сельском хозяйстве, науке, медицине. Так, хлорофилл — это комплексное соединение магния с порфиринами, гемоглобин содержит комплекс железа (II) с порфириновыми циклами. Многочисленные минералы, как правило, представляют собой координационные соединения металлов. Значительное число лекарственных препаратов содержит комплексы металлов в качестве фармакологически активных веществ, например инсулин (комплекс цинка), витамин B12 (комплекс кобальта), платинол (комплекс платины) и т. д. В широком смысле слова почти все соединения металлов можно считать комплексными соединениями. Основателем координационной теории комплексных соединений является швейцарский химик Альфред Вернер (1866 — 1919); за работы в этой области ему в 1913 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Комплексные соединения образуют как металлы, так и неметаллы. Комплексное соединение (сокращенно — комплекс) состоит из центрального атома металла-комплексообразователя M, с которым связаны лиганды L (старое название — адденды). Атом M и лиганды L образуют внутреннюю сферу комплекса (или внутреннюю координационную сферу). Внутренняя координационная сфера обычно при написании формулы соединения заключается в квадратные скобки. Лигандами могут быть нейтральные молекулы (обычно основного характера), отрицательно заряженные анионы (ацидогруппы). Простые положительно заряженные катионы в роли лигандов не выступают. Если внутренняя сфера комплекса несет отрицательный или положительный заряд, то для компенсации этого заряда (поскольку все индивидуальные соединения электронейтральны) необходимы ионы, образующие внешнюю сферу. Во внешней сфере могут находиться не только ионы, но и нейтральные молекулы, очень часто — молекулы воды.

1.1 Ацидокомплексы

Тетрахлорцинкат аммония ((NH4)2[ZnCl4]) относится к ацидокомплексам и представляет собой блестящие ромбические пластинчатые кристаллы с температурой плавления 150 °C.

Ацидокомплексы — комплексные соединения, в которых лигандами служат только анионы кислот (так называемые ацидогруппы), например (NH4)3[ZrF7], K3[A1(C2О4)3], K3[Fe (CN)6]. Чаще всего относятся к комплексам-электролитам анионного типа. В водных растворах полностью диссоциируют на катионы и комплексные анионы. Для ацидокомплексов характерны внутрисферное замещение одних ацидогрупп другими, а также нейтральными лигандами или молекулами растворителя, гидролиз (сольволиз), изомеризация, обмен внешнесферных катионов и др. реакции. Получают их взаимодействием солей металлов в растворе, обменными реакциями. Используют их для синтеза комплексных соединений, при выделении и очистке переходных металлов и их соединение, в электрохимических процессах.

В ацидокомплексах лигандами служат анионы кислот, органических и неорганических:

F-, Cl-, Br-, I-, CN-, NO2 -, SO42-, C2O42-, CH3COOи др.

Эту группу комплексных соединений можно подразделить на две части: комплексы с кислородсодержащими лигандами и комплексы с бескислородными (преимущественно галогенидными или псевдогалогенидными) лигандами. Например, к ацидокомплексам с кислородсодержащими лигандами относятся дитиосульфатоаргентат (I)-ион, который получается по обменной реакции:

Ag+ + 2 SO3S2- = [Ag (SO3S)2]3;

и гексанитрокобальтат (III)-ион, который осаждается в виде мелких желтых кристаллов калиевой соли при смешивании растворов, содержащих хлорид кобальта (II), нитрит калия и уксусную кислоту:

CoCl2 +7KNO2 +2CH3COOH = K3[Co (NO2)6]Ї + NO + 2 KCl + 2 CH3COOK + H2O

В этой окислительно-восстановительной реакции происходит изменение степени окисления кобальта от +II до +III. Эта реакция используется для определения примеси калия в солях натрия.

Примерами ацидокомплексов с бескислородными лигандами могут служить гексахлороплатинат (IV) калия K2[PtCl6] и гексацианоферрат (II) калия K4[Fe (CN)6]. Платина химически растворяется в смеси концентрированных азотной и соляной кислот (так называемой «царской водке») с образованием гексахлороплатината (IV) водорода H2[PtCl6]:

3 Pt + 4 HNO3 + 18 HCl = 3 H2[PtCl6] + 4 NO + 8 H2O

Гексахлороплатинат (IV) водорода был первым реагентом, с применения которого началась аналитическая химия калия, рубидия и цезия, поскольку гексахлороплатинаты (IV) этих элементов K2[PtCl6], Rb2[PtCl6] и Cs2[PtCl6] малорастворимы в воде.

Гексацианоферрат (II) калия образуется по реакции:

6 KCN + FeSO4 = K4[Fe (CN)6] + K2SO4

Из водного раствора гексацианоферрат (II) калия выделяется в виде желтых кристаллов состава K4[Fe (CN)6]. 3 H2O. Это соединение широко используется в аналитической практике для определения присутствия в образцах катионов железа (III):

[Fe (H2O)6]3+ + K+ + [Fe (CN)6]4- = KFe[Fe (CN)6]Ї + 6 H2O

Продуктом этой реакции является малорастворимый гексацианоферрат (II) железа (III)-калия KFe[Fe (CN)6] ярко-синего цвета.

Для разрушения ацидокомплексов можно использовать реакции обмена лигандов, которые в случае образования более прочных комплексов идут практически до конца. Например, введение фторидсодержащего реагента в ярко-красный раствор тиоцианатного комплекса железа (III) состава [Fe (NCS)6]3- обесцвечивает его:

[Fe (NCS)6]3-+ 4 F- + 2 H2O = [Fe (H2O)2F4]- + 6 NCS;

Другой способ разрушения ацидокомплекса — связывание комплексообразователя в виде трудно растворимого осадка. Так, тетраиодомеркурат (II)-ион [HgI4]2- разрушается под действием сульфид-ионов S2-:

[HgI4]2- + S2- = HgSЇ + 4 I-; ПР (HgS) = 1,4. 10−45.

1.2 Практическое применение тетрахлороцинката аммония

тетрахлороцинкат аммоний химический приготовление

Тетрахлороцинкат аммония применяются в гальваностегии и при пайке, входит в состав флюсов.

Пайка — технологическая операция, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных материалов путём введения между этими деталями расплавленного материала (припоя), имеющего более низкую температуру плавления, чем материал (материалы) соединяемых деталей.

Спаиваемые элементы деталей, а также припой и флюс вводятся в соприкосновение и подвергаются нагреву с температурой выше температуры плавления припоя, но ниже температуры плавления спаиваемых деталей. В результате припой переходит в жидкое состояние и смачивает поверхности деталей. После этого нагрев прекращается, и припой переходит в твёрдую фазу, образуя соединение. Прочность соединения во многом зависит от зазора между соединяемыми деталями (от 0,03 до 2 мм), чистоты поверхности и равномерности нагрева элементов. Для удаления оксидной плёнки и защиты от влияния атмосферы, а также для понижения поверхностного натяжения и улучшения растекания припоя применяют флюсы.

Пайка бывает низкотемпературная (до 450 °C) и высокотемпературная. Соответственно — припои бывают легкоплавкие и тугоплавкие. Для низкотемпературной пайки используют, в основном, электрический нагрев, для высокотемпературной — в основном, нагрев горелкой. Пайка является высокопроизводительным процессом, обеспечивает надёжное электрическое соединение, позволяет соединять разнородные материалы (в различной комбинации металлы и неметаллы), отсутствие значительных температурных короблений (по сравнению со сваркой). Паяные соединения допускают многократное разъединение и соединение соединяемых деталей (в отличие от сварки). К недостаткам можно отнести относительно невысокую механическую прочность.

Исходя из физико-химической природы процесса, пайку можно определить следующим образом. Процесс соединения металлов в твёрдом состоянии путём введения в зазор припоя, взаимодействующего с основным металлом и образующего жидкую металлическую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паяного шва. На границе между припоем и основным металлом образуются переходные слои, состоящие из продуктов их взаимодействия — твердых растворов и интерметаллидов. Они обеспечивают адгезию между припоем и основным металлом, однако слишком толстые слои интерметаллидов проявляют хрупкость и приводят к разрушению пайки. Пайка подразделяется на капиллярную, диффузионную, контактно-реакционную, реакционно-флюсовую и пайку-сварку. В свою очередь, капиллярная подразделяется на горизонтальную и вертикальную. Диффузионная — на атомно-диффузионную и реакционно-диффузионную. Контактно — реакционная — с образованием эвтектики и с образованием твёрдого раствора. Реакционно — флюсовая — без припоя и с припоем. Пайка-сварка — без оплавления и с оплавлением. Анализируя сущность физико-химических процессов, протекающих на границе основной металл — расплав припоя (при формировании соединения в существующих видах пайки), можно видеть, что различия между капиллярной пайкой, диффузионной пайкой и пайкой-сваркой не носят принципиального характера. Капиллярность является общим признаком пайки. Отличительным признаком диффузионной пайки является длительная выдержка при температуре пайки и изотермическая кристаллизация металла шва в процессе пайки. Других характерных признаков этот метод не имеет, основное назначение его — повысить температуру распая шва и прочность паяного соединения. Диффузионная пайка может быть развитием любого вида пайки, в том числе капиллярной, реакционно-флюсовой или контактно-реакционной. В последнем случае диффузионная пайка возможна, если второй металл взаимодействующей пары вводится в виде прослойки между соединяемыми металлами. При реакционно-флюсовой пайке происходит совмещение процессов вытеснения из флюса металла, служащего припоем, и его взаимодействия с основным металлом. Наконец, пайка-сварка отличается от других методов пайки количеством вводимого припоя и характером формирования шва, делающим этот метод пайки похожим на сварку плавлением. При соединении разнородных металлов при пайке-сварке возможно оплавление кромки одной из деталей, изготовленной из более легкоплавкого металла.

Сварочный флюс — материал, используемый при сварке для защиты зоны сварки от атмосферного воздуха, обеспечения устойчивости горения дуги, формирования поверхности сварного шва и получения заданных свойств наплавленного материала. Например, при газовой и кузнечной сварке металлов широко используют такие компоненты, как бура, борная кислота, хлориды и фториды. Они образуют жидкий защитный слой, в котором растворяются оксиды, образующиеся на свариваемых поверхностях.

Гальваностегия — электролитическое осаждение тонкого слоя металла на поверхности какого-либо металлического предмета, детали. В зависимости от требований, предъявляемых к эксплуатационным характеристикам деталей, различают покрытия:

· защитные (для защиты покрываемого металла от коррозии);

· защитно-декоративные (для защиты покрываемого металла от коррозии и придания его поверхности декоративного вида);

· декоративные (для придания поверхности покрываемого металла декоративного вида);

· специальные (для придания поверхности покрываемого металла определённых свойств);

Одни и те же покрытия в зависимости от области их применения могут относиться к защитным, защитно-декоративным или специальным. Получаемые покрытия — осадки — должны быть плотными, а по структуре — мелкозернистыми. Чтобы достигнуть мелкозернистого строения осадков, необходимо выбрать соответствующие состав электролита, температурный режим и плотность тока. Выбор способа покрытия зависит от назначения и условий работы изделия.

2. Экспериментальная часть

2.1 Способы получения тетрахлороцинката аммония

Существуют несколько способов получения тетрахлороцинката аммония.

1. Первый метод основан на изначальном получении хлорида цинка и дальнейшем взаимодействии его с хлоридом аммония, до растворения осадка. Полученный раствор тетрахлороцинката аммония упаривают в фарфоровой чашке на водяной бане, до выделения кристаллов. Далее раствору дают охладиться, что вызывает дальнейшую кристаллизацию. Затем кристаллы отфильтровывают на воронке Бюхнера и сушат в сушильном шкафу при температуре 100 °C

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2

ZnCl2 + 2NH4Cl = (NH4)2[ZnCl4]

2. Второй метод основан на растворении кристаллических хлорида цинка и хлорида аммония в воде при перемешивании и умеренном нагревании. Затем полученную смесь охлаждают. Выпавшие кристаллы отделяют от маточного раствора вакуумным фильтрованием на воронке с пористой стеклянной пластинкой.

ZnCl2 + 2NH4Cl = (NH4)2[ZnCl4]

Для получения экспериментальным путем тетрахлороцинката аммония, мы использовали методику растворения кристаллических хлорида аммония и хлорида цинка. В химический термостойкий стакан с водой объёмом 30 мл мы помещали 70 г хлорида цинка и 30 г хлорида аммония, затем мы растворяли кристаллы при перемешивании и умеренном нагревании. Далее охлаждали полученный раствор до выделения кристаллов. Полученные кристаллы отделяли от маточного раствора вакуумным фильтрованием на воронке с пористой стеклянной пластинкой.

2.2 Исходные вещества, приготовление растворов, оборудование

Ковалентное соединение ZnCl2 представляет собой расплавляющиеся на воздухе белые кубические кристаллы, плотностью 2,91 г/см3, с температурой плавления 270 °C (расплав желтого цвета) и температурой кипения 732 °C. Хлорид цинка легко растворяется в воде, эфире и спирте; благодаря гидролизу его водный раствор имеет кислую реакцию.

Хлорид аммония (NH4Cl), бесцветные слабо гигроскопичные кристаллы. Ниже 184,3°С устойчива модификация с кубической решеткой, температура возгорания 337,6°С (с разложением);Н°обр-314,2 кДж/моль, G° обр — 203,1 кДж/моль; S298 94,62 Дж/(моль*К); давление разложения (кПа): 6,5934 (250°С); 101,232 (338°С) (NH4C1 при этой т-ре полностью распадается на NH3 и НС1); растворяется в воде (37,2 г в 100 г при 20° С, 74,3 г — при 100°С) и жидком NH3; температура кипения насыщенного раствора 116 °C. Водные растворы имеют кислую реакцию. Хлорид аммония — побочный продукт содового производства; его выделяют упариванием маточного раствора, остающегося после отделения твердого NaHCO3, или высаливанием с помощью NaCl. Получают также взаимодействием NH3 и НСl, пропускаемых через водный р-р NH4Cl. Применяют хлорид аммония при изготовлении сухих батарей, гальванических элементов, при пайке и лужении стальных изделий с флюсом (ZnCl2), как дымообразующее средство, лекарственное средство при отеках сердечного происхождения и для усиления действия некоторых диуретиков, в качестве азотного удобрения (ограниченно из-за присутствия ионов Clи относительно низкого содержания азота).

Для синтеза (NH4)2[ZnCl4] необходимы следующие реактивы:

1. Хлорид цинка массой 70 г.

2. Хлорид аммония массой 30 г.

3. Вода объёмом 30 мл.

Для проведения эксперимента необходима следующая лабораторное оборудование:

1. Мерный цилиндр емкостью 10 мл.

2. Весы

3. Химический термостойкий стакан ёмкостью 250 мл.

4. Спиртовка

5. Воронка с пористой стеклянной пластинкой

6. Кристаллизатор с водой для охлаждения раствора

3. Результаты и их обсуждение

3.1 Расчет теоретического выхода

Задача. Исходя из уравнения реакции, рассчитать массу тетрахлороцинката аммония, полученного при растворении кристаллического хлорида аммония массой 70 г. и кристаллического хлорида цинка массой 30 г.

Решение:

ZnCl2 + 2NH4Cl = (NH4)2[ZnCl4]

1. Определяем количество вещества каждого из исходных веществ и выясняем какое из них находится в избытке.

n (ZnCl2) = m (ZnCl2)/M (ZnCl2) = 70 г / 136 г/ моль = 0,51 моль;

n (NH4Cl) = m (NH4Cl)/M (NH4Cl) = 30 г / 53,5 г/ моль = 0,56 моль.

При делении на стехиометрические коэффициенты:

n (ZnCl2) = n (ZnCl2)/1 = 0,51 моль;

n (NH4Cl) = n (NH4Cl)/2 = 0,28 моль.

Выясняется, что хлорид цинка в избытке, значит, на него расчёт вести нельзя.

2. Определяем количество вещества и массу полученного тетрахлороцинката аммония.

n ((NH4)2[ZnCl4]) = n (NH4Cl)/2 = 0,28 моль;

M ((NH4)2[ZnCl4]) = M ((NH4)+)*2 + M ((Zn)2+) + M ((Cl)-)*4 = 18*2 + 65 + 35,5*4 = 243 г/ моль;

m ((NH4)2[ZnCl4]) = n ((NH4)2[ZnCl4])*M ((NH4)2[ZnCl4]) = 0,28 моль * 243 г/ моль = 68,04 г.

3.2 Идентификация

С полученным раствором проводят реакции: с Na2S (проба на Zn2+), с раствором щелочи при нагревании (реакция на NH4+), с AgNO3 (проба на Cl-).

Zn2+ + Na2S = ZnSv (осадок белого цвета)

NH4+ + NaOH = NH3^ (газ с резким запахом) + H2O + Na+

AgNo3 + Cl- = AgClv (осадок белого цвета, творожистый)

Вывод

1. Проведен анализ научной и учебной литературы по физическим и химическим свойствам, способам получения тетрахлороцинката аммония и веществ, исходных для его синтеза.

2.Получили тетрахлорцинкат аммония в лабораторных условиях из хлорида аммония и хлорида цинка.

3.Экспериментально изучили химические свойства тетрахлороцинката аммония.

Список используемых источников

1. Практикум по неорганической химии под ред. А. Ф. Воробьёва и С. И. Дракина. — М.: Химия, 2010.-248с.

2. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия— М.: Академия, 2009. 743 с.

3. http://alhimik.ru/kunst/synt08.html

4. http://ru.wikipedia.org/wiki

5. http://www.alhimik.ru/compl_soed

6. И. Л. Кнунянц, Химическая энциклопедия.

7. Р. Рипан, И. Читяну «Химия элементов» — М., 2009. — 1,2 том.

8. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/259.html