Reaction of nitric acid and potassium hydroxide (concentrated solutions). Реакция азотной кислоты и гидроксида калия (концентрированные растворы)

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Reaction of nitric acid and potassium hydroxide (concentrated solutions) - pt.1 / Реакция азотной кислоты и гидроксида калия (концентрированные растворы)

Concentrated solution of potassium hydroxide reacts very active with concentrated nitric acid. The white precipitate of potassium nitrate is formed. Obtained potassium nitrate would be used in future experiments.

Caution! Splashes of potassium hydroxide is very dangerous for your eyes!

Во время эксперимента по частичному растворению гидроксида железа (III) в концентрированном растворе гидроксида калия я мимо воли провел взаимодействие концентрированных растворов едкого кали и азотной кислоты - результат получился интересным и неожиданным.

(см. Does iron (III) hydroxide dissolve in potassium hydroxide? Растворяется ли гидроксид железа (III) в гидроксиде калия? [ссылка]).

Разумеется, концентрированные растворы сильных кислот и щелочей взаимодействуют бурно - поэтому смешивать их ОЧЕНЬ не рекомендуют из соображений техники безопасности, но в первые же секунды реакции произошло образование осадка, чего я явно не ожидал. У меня лично не было сомнений, что осадок, - нитрат калия, который хорошо растворим в воде, но, по-видимому, плохо растворим в концентрированных растворах гидроксида калия. Чтобы убедиться, так это или нет, решил повторить эксперимент с индивидуальными веществами.

Перед тем, как давать описание, подчеркну, что смешивание концентрированных сильных кислот и щелочей часто ведет к нагреву, вскипанию и разбрызгиванию растворов - особенно, если растворы изначально были горячими. Стакан/колба и т.п. сосуд может треснуть или перевернуться.

Это не означает, что такие эксперименты нельзя проводить, но означает, что нужно учитывать последствия своих действий и обезопасить себя и окружающих от этих последствий. А именно: защитная маска, защитные очки, защитные экраны, резиновые/полимерные перчатки; тряпка под рукой - чтобы все вытереть, одежда, которую не жалко (если попадет кислота) или кислотостойкий халат/фартук, отсутствие поблизости ценных вещей, которые может испортить кислота или щелочь. Реакционный сосуд неплохо поместить в поддон - на случай, если содержимое выплеснется.

Опаснее всего - попадание брызг щелочи в глаза: это грозит пожизненной слепотой. Даже концентрированные кислоты в своем большинстве не так опасны для глаз, как щелочь: подумайте, что вы потом не сможете посмотреть отснятое видео - никогда, если только не будете осторожны.

Не смешивайте большие количества веществ - сильных кислот и щелочей (разве что, если вы находитесь во дворе и придумали приспособление, как провести смешивание дистанционно, находясь при этом подальше), такие опыты - не совсем взрывы, но меры предосторожности должны быть примерно, как при демонстрации небольшого взрыва.

Я делал все на кухне, лицо защитил маской из оргстекла - не снимал ее до конца, хотя было и душно. Количества веществ использовал умеренные, кислоту добавлял небольшими порциями, сначала вообще по капле.

Итак, взял 20 г едкого кали, поместил в высокий стакан на 300 мл, добавил 15 мл дистиллированной воды. Дал постоять, периодически перемешивая. Растворение оказалось неполным: осталось немного белых мелкодисперсных частиц: возможно, это гидроксид калия, возможно, - карбонат калия (примесь), но больше воды добавлять не стал.

По каплям стал добавлять концентрированную азотную кислоту (продажная кислота с концентрацией 65-70%) в щелочь. Первую каплю вообще пустил по стенкам стакана, - несмотря на это в месте контакта жидкостей раствор сразу же вскипел, пошел пар, полетели брызги и раздалось шипение. Сразу же сверху стал образовываться белый осадок. Следующие капли: шипение, брызги и увеличение количества белого осадка. В стакане клубился белый пар. Приостановил добавлять кислоту - осадок собрался на дне. Продолжил добавлять азотную кислоту - уже быстрее. Реакция все еще шла бурно, попадание капель вызывало шипение.

Образовывалось много брызг, большинство из которых задерживали высокие стенки стакана. Первоначально я планировал накрыть стакан перевернутой воронкой (носиком вверх), чтобы брызги не вылетали через горлышко стакана и добавлять кислоту пипеткой, вставленной сквозь носик, но оказалось, что в этом не было потребности. Немного капель вылетело и попало на руку, но к попаданию кислоты/щелочи на кисть я уже привык. На подставке возле стакана образовалось много белых частичек - это разбрызгавшиеся капли реакционной смеси, которые испарились.

Кислоту я добавлял, но перемешивать на первых порах забыл, в результате смесь разделилась на два слоя, что было видно визуально (жидкие слои имели разную плотность). Добавление очередных порций кислоты стали вызывать все меньший эффект (вскипание, разбрызгивание), белый осадок уже не выпадал. Перемешал содержимое стакана стеклянной палочкой - образовался бесцветный, прозрачный раствор. Ускорил добавление кислоты (теперь - 1 мл за раз).

Попробовал универсальной индикаторной бумажкой - синяя (среда все еще сильнощелочная). Добавляю кислоту дальше, теперь вместо вскипания раствора (это было действительно локальное кипение воды - за счет тепла реакции) наблюдалось выделение углекислого газа: примесь карбоната калия начала реагировать с кислотой - признак того, что едкий кали израсходовался. От следующих порций кислоты раствор приобрел частичную коричневую окраску (примесь в реактивах). Снова попробовал индикаторной бумагой - красная (сильнокислая среда).

Как доказать, что в растворе - нитрат калия? В школьных учебниках писали, что качественная реакция на нитраты следующая: осторожно высушить раствор и сухой остаток поместить на раскаленный уголь (можно - тлеющий уголек после неполного сгорания дерева) - произойдет вспышка.

Я решил сделать интереснее, а именно провести опыт "Огонь рисует по бумаге". Для этого на бумаге наносят надпись, сушат бумагу, а затем поджигают край надписи - так, чтобы бумага тлела без пламени. Огонь должен прорисовать надпись.

Пока я взял стеклянную палочку и стал рисовать на бумаге надпись "KNO₃", оказалось, что на дне раствора выпали кристаллы нитрата калия, их становилось все больше и больше, в конце они заняли 2/3 объема раствора. Некоторые кристаллы представляли из себя крупные блестящие иглы.

Вспомнил, что мой коллега рассказывал про школьные годы. Нитрата калия у него не было (тогда его не продавали в магазинах), зато ему подарили гидроксид калия и азотную кислоту - за то, что они с другом помогли разгружать реактивы знакомому из университета. Коллега получил нитрат калия - добавляя твердое едкое кали в концентрированную азотную кислоту - немного другой вариант эксперимента. Просто решил "побаловаться". Так вот: реакция шла очень бурно - со вскипанием (и это понятно), но иногда гранулы едкого кали обволакивало оболочкой из нитрата калия, и реакция замедлялась (очевидно к этому моменту концентрация азотной кислоты упала и в растворе накопилось много нитрата калия).

Надеюсь, повторить эксперимент по взаимодействию концентрированных кислот и щелочей в этой и других вариациях. Опыт "Огонь рисует по бумаге" я уже провел и опишу в ближайшее время.

Reaction of concentrated nitric acid and solid potassium hydroxide - pt.2 / Реакция концентрированной азотной кислоты и твердого гидроксида калия

The reaction of concentrated nitric acid with solid potassium hydroxide (granules) is very fast. The white precipitate of potassium nitrate is formed.

Caution! Potassium hydroxide is very dangerous for your eyes!

В данном эксперименте я поменял порядок добавления реагентов: к концентрированной азотной кислоте добавил гранулы едкого кали. В прошлом опыте (см. первую часть статьи) было наоборот. Как известно, химия - не математика: закон аддитивности у нас часто не действует - результат может зависеть от перестановки мест слагаемых. А может и не зависеть - для разных систем и разных условий все может быть по разному.

В химии 2 + 3 не обязательно равно 3 + 2.

Например, рассмотрим несколько идеализированный случай. У нас есть:

1 моль нафталина C₁₀H₈ и 1 моль брома Br₂.

При взаимодействии данных веществ атом брома замещает атом водорода в молекуле нафталина, образуя бромпроизводные. В одной молекуле нафталина есть десять атомов водорода. Атомы брома могут заместить только один атом водорода или сразу несколько (два атома водорода, три атома водорода и т.д.)

C₁₀H₈ + Br₂ => C₁₀H₇Br + HBr

C₁₀H₈ + 2Br₂ => C₁₀H₆Br₂ + 2HBr

C₁₀H₈ + 3Br₂ => C₁₀H₅Br₃ + 3HBr и т.д.

Рассмотрим два случая, когда мы будем добавлять небольшими порциями при перемешивании:

* нафталин во все количество брома;

** бром во все количество нафталина.

В результате в обоих случаях мы получим разные смеси продуктов реакции (бромнафталинов - бромпроизводных нафталина). В первом случае процесс сначала будет идти в избытке брома и каждая молекула нафталина вступит во взаимодействие с одной или сразу с несколькими молекулами брома, образуются смесь моно-, ди-, три- и т.д. бромпроизводных нафталина. Потом бром закончится и новым порциям нафталина будет уже не с чем реагировать. Причем дибромпроизводные, трибромпроизводные и т.д. уже не отдадут свои "лишние" атомы брома непрореагировавшим молекулам нафталина.

А, если мы будем добавлять бром в нафталин, то процесс будет идти в избытке нафталина, в результате будет образовываться преимущественно монобромпрооизводное - бромнафталин, а дибромнафталин будет на уровне примеси.

В химии может быть и так, что 2 + 3 = 3 + 2, но промежуточные результаты будут разные.

Например, у нас есть 3 моля гидроксида натрия и 1 моль хлорида алюминия в виде водных растворов. Рассмотрим два случая.

Если добавлять гидроксид натрия к хлориду алюминия, то будет образовываться гидроксид алюминия - на этом реакция остановится. Чтобы реакция пошла дальше, и образовался алюминат натрия, нужно добавить дополнительное количество щелочи (суммарно - 4 моль + небольшой избыток).

AlCl₃ + 3NaOH => Al(OH)₃ + 3NaCl

Al(OH)₃ + NaOH =>3Na[Al(OH)₄].

А, если хлорид алюминия добавлять в гидроксид натрия, то сначала образуется раствор алюмината натрия (если осадок гидроксида алюминия и появится, он сразу растворится в щелочи при перемешивании):

AlCl₃ + 4NaOH => Na[Al(OH)₄],

а при дальнейшем прибавлении хлорида алюминия раствор алюмината натрия даст осадок гидроксид алюминия.

3Na[Al(OH)₄] + AlCl₃ = 2Al(OH)₃ + 3NaCl.

Конечные продукты одинаковые, промежуточные продукты - разные (в первом случае сразу образуется Al(OH)₃; во втором - сначала Na[Al(OH)₄], потом - Al(OH)₃).

В случае реакции азотной кислоты и гидроксида калия продукты реакции будут всегда одинаковыми - нитрат калия и вода, они не зависят от порядка добавления веществ, но характер процессов, которые сопровождают химическую реакцию, - очень зависит.

В стакан на 300 мл налил 10 мл концентрированной азотной кислоты, осторожно стал добавлять гранулы гидроксида калия. Стакан взял с высокими стенками, т.к. не вызывало сомнений, что будет очень бурная реакция с разбрызгиванием кислоты и щелочи. Лицо защитил маской из оргстекла.

Первая гранула упала в кислоту - сильное шипение, брызги, белый пар. Гранула моментально исчезла. Я ожидал именно такого хода реакции, но все равно умудрился уронить следующие гранулы едкого кали мимо стакана. Несколько секунд - и раствор стал прозрачным и бесцветным. Следующие гранулы гидроксида калия реагировали не менее бурно: шипение, вскипание, белый пар, разбрызгивание реакционной смеси.

Постепенно при добавлении очередной гранулы или нескольких гранул реакция стала менее активной. Гранулы уже не исчезали почти сразу, а успевали опуститься на дно, где постепенно с шипением и выделением газа таяли. Теперь содержимое стакана пришлось перемешивать стеклянной палочкой, стало заметно, что раствор мутный - из него начал выпадать нитрат калия (в виде игл). По-видимому, на поверхности гранул едкого кали теперь образуется пассивирующая корка нитрата калия, которая замедляет реакцию.

От следующей гранулы едкого кали началась активная кристаллизация нитрата калия из раствора. Выпал белый осадок. Брызги раствора на стенках стакана также кристаллизовались, образовав подобие ледяных узоров.

Проверил рН раствора с помощью универсальной индикаторной бумаги - среда все еще сильнокислая. Продолжил добавлять щелочь, перемешивал - получилась жидкая каша. Несколько раз пробовал рН среды индикаторной бумагой - сильнокислая. После очередной порции гранул бумага посинела (сильнощелочная среда).

Реакция закончена, но теперь в растворе есть примесь едкого кали, это хуже, чем примесь азотной кислоты, поскольку последняя испаряется при сушке продукта, а гидроксид калия - нет. Поэтому добавил немного азотной кислоты, перемешал, и убедился, что среда снова сильнокислая.

Взвесил стакан с твердым едким кали до и после дозирования щелочи - ушло 8.5 г гидроксида калия.

В следующем эксперименте делал все аналогично, только налил в стакан 20 мл концентрированной азотной кислоты, а гранулы едкого кали добавлял быстрее и с меньшими промежутками. Сначала - бурная реакция, гранулы с шипением исчезали. Образовывалось много брызг и белого пара. Раствор после перемешивания - прозрачный, бесцветный. Увеличил порции едкого кали и частоту их добавления - содержимое стакана бурлило.

Хотя концентрация кислоты падала, длительное время скорость растворения все новых порций гранул не уменьшалась - наблюдалась бурная реакция. Причиной этого является разогрев раствора, который не только ускоряет реакцию, но и увеличивает растворимость нитрата калия (не давая образовываться твердой корке нитрата калия на поверхности гранул едкого кали). И действительно, осадок нитрата калия долгое время не образовывался.

Почему в прошлый раз раствор нагрелся слабее и нитрат калия выпал осадок в ходе реакции еще ДО нейтрализации кислоты?

Вспомнил задачу по физике про печь и полена. Вы топите печь и имеете, например, 30 абсолютно одинаковых поленьев. В одном варианте вы загружаете все поленья сразу, во втором - сжигаете поленья по очереди: помещаете в печь одно полено, когда оно почти догорит, - добавляете второе, когда и оно почти догорит, добавляете третье и т.д. до конца.

Вопрос: в каком случае печь нагреется больше?

Если разница не очевидна, ее нужно увеличить. Представим: у вас есть не 30 поленьев, а спички такой же суммарной массы. Вы можете сжечь в печи все спички сразу или отправлять в печь по одной спичке. Очевидно, что в первом случае будет максимальный нагрев печи, а во втором горение затянется и тепло успеет рассеяться в окружающую среду.

Так и с нашим стаканом: чем быстрее добавлять щелочь в кислоту, тем меньше будет продолжительность реакции, и тем меньше будут потери тепла во время реакции. В результате раствор нагреется сильнее (и нитрат калия не выпадет в осадок из-за пересыщения раствора).

Но все равно настал момент, когда очередная порция гранул успела опуститься на дно и только потом начала бурно реагировать. Реакция начала замедляться. Точнее, реакция все еще была бурной, но в начале после добавления гранул возник индукционный период.

Потом добавление гранул перестало вызывать бурную реакцию и выделение газа - они просто постепенно растворялись при перемешивании. Раствор был прозрачным, желтоватым и немного мутным. Догадался, что кислота уже нейтрализована - оставил раствор охлаждаться, чтобы из него начал кристаллизоваться нитрат калия.

Процесс этот очень напоминал снегопад: сначала раствор возле поверхности охлаждался - там образовывалась кристаллическая корка из нитрата калия, которая выпадала вниз в виде "снега", затем образовывалась новая корка, которая снова разрушалась, давая снег из кристаллов нитрата калия и т.д.

Думаю, что для наблюдения данного эффекта не обязательно проводить реакцию азотной кислоты и едкого кали. Достаточно взять нитрат калия, растворить его в стакане в горячей дистиллированной воде до насыщения (при нагреве на плитке), снять стакан с плиты, подложить под дно что-то плохо проводящее тепло и дать открытому стакану медленно остыть на воздухе. Охлаждение будет преимущественно сверху (через поверхность раствора), поэтому именно тут должна образоваться кристаллическая корка, из которой пойдет "снег". Разумеется, слой раствора в стакане должен быть по возможности высоким, чтобы "снег" падал дольше.

Перемешал - раствор превратился в белую суспензию. Попробовал рН индикаторной бумагой - синяя (раствор сильнощелочной). Гидроксид калия в избытке - снова добавил (при перемешивании) немного азотной кислоты, пока индикаторная бумага не стала красной. Что для меня стало неожиданностью: за счет теплоты нейтрализации весь осадок нитрата калия опять растворился.

Потом снова началась кристаллизация нитрата калия. В этот раз не стал наблюдать "снегопад", а просто перемешал содержимое стакана стеклянной палочкой. Потом - охладил стакан с струе воды из-под крана - содержимое превратилось в густую белую кашу.