Образование и горение паров калия

В третьем номере журнала за 2011 год была статья, посвященная получению металлического калия в домашних условиях (из едкого кали и алюминия) [ссылка]. Калий имеет гораздо более низкую температуру кипения (759°C), чем алюминий (2467°С), поэтому при нагревании реакционной смеси калий испаряется, а все остальные вещества (кроме водорода) остаются в реакционном сосуде.

Мы решили проверить, подходит ли для "домашнего" получения металлического калия поташ (карбонат калия). Поташ менее активен, чем едкое кали, поэтому в качестве восстановителя мы использовали не алюминий, а магний. Целью эксперимента было не получение калия, а исследование самой возможности его образования в реакции между поташом и магнием, поэтому реакцию проводили в обыкновенной стеклянной пробирке, закрытой ватным тампоном. Прозрачное стекло позволяло наблюдать за происходящим, однако такая схема опыта не давала возможности собирать образовавшийся калий.

В первом эксперименте было использовано 1.02 г магниевого порошка и 5.8 г сухого карбоната калия, во втором - 1.3 г магния и 7.4 г поташа [1]. Компоненты тщательно перемешивали и засыпали в пробирку, которую закрывали ватным тампоном. Пробирку закрепили в штативе и стали нагревать: сначала осторожно в пламени горелки Теклю, потом с помощью китайской горелки, которая дает более узкое и горячее пламя.

Смесь раскалилась до желтого цвета, что свидетельствует о начале реакции, неожиданно в нижней части пробирки образовалось отверстие, через которое ударил фонтан розового пламени - это выходили и сгорали пары калия, в результате горения образовывался белый едкий дым. Горение паров продолжалось некоторое время и после прекращения нагревания.

После того, как пробирка остыла, мы ее аккуратно разбили легким постукиванием по стеклу плоскогубцами. В результате несколько частичек калия загорелось. Мы решили высыпать содержимое пробирки в кристаллизатор с водой. При контакте смеси с водой выделился газ, но вспышек не было. Сразу же стала очевидна ошибка: в кристаллизаторе было слишком много воды и частички калия утонули, увлекаемые на дно твердым содержимым пробирки и осколками стекла.

Во втором эксперименте смеси было больше, и уложена она была не так плотно (в первом эксперименте при нагревании газы выталкивали смесь из пробирки, словно поршень - чтобы этого не происходило, пришлось сделать в смеси канавку вдоль оси пробирки). Когда началась реакция, в стекле снова образовалась дырка, через которую вырвались горящие розовым пары калия.

Когда горение паров прекратилось, оказалось, что верхняя часть смеси не прореагировала - ее нагрели повторно. В этот раз розовое пламя и белый дым образовывались уже внутри пробирки. После остывания пробирку аккуратно разбили - это также сопровождалось искрами: вспыхивали небольшие частички калия. Смесь из пробирки высыпали в воду - на этот раз ее глубина не превышала 5 мм. В результате раздалось шипение, наблюдалось выделение газа и произошло несколько желтых вспышек (очевидно на окраску повлиял натрий, который содержался в стекле пробирки).

Таким образом, реакцию порошка магния и поташа вполне можно использовать для получения калия в домашних условиях, однако для этого необходимо воспользоваться стальным реактором.

________________________________
¹ В обоих случаях молярное соотношение магний : карбонат калия составляло 1 к 1. Видимо, более целесообразно было взять на 1 моль поташа 3 моля магния (чтобы связать весь кислород в K₂CO₃).

Смотреть Видео (83 Мб, .avi )
Смотреть Видео (82 Мб, .avi )

Комментарий читателя

Металлические калий и магний слабо смешиваются как в твердом, так и в жидком состоянии. Растворимость калия в жидком магнии немногим менее 1% масс. Немногим лучше растворим в жидком магнии металлический натрий - не более 3% масс. (см. справочник Лякишев Н.П. (ред.) Диаграммы состояния двойных металлических систем.) Тем не менее, оба щелочных металла могут частично прореагировать с углеродом, образующимся при восстановлении карбоната избытком магния, с образованием соединений внедрения.

При мольном отношении Mg : K₂CO₃(Na₂CO₃) близком к 2:1 основной процесс восстановления карбонатов, вероятно, может протекать по схеме:

2Mg + K(Na)₂CO₃ = 2K(Na) + 2MgO + CO

Такой процесс может обеспечить наибольший выход щелочного металла по магнию. Однако выделение большого количества газообразных продуктов, хотя и способствует более полному отделению щелочного металла, также увеличит опасность выброса реакционной смеси из сосуда (с последствиями в виде закупоривания выходного отверстия и взрыва реактора).

Следует также помнить, что при повышенных температурах калий реагирует с монооксидом углерода с образованием соединения K₆C₆O₆, способного реагировать со взрывом с водой и кислородом воздуха. В отличие от калия, натрий не образует взрывоопасных соединений с монооксидом углерода.

Не мог не заметить на фотографиях нарушений техники безопасности. Маловероятно, что понимающий опасность опытный экспериментатор пострадал бы при таком проведении эксперимента. Но юным химикам школьного уровня небрежность может стоить дорого.

Работать с реакционной смесью после восстановления следует в защитных перчатках. Разумеется, при проведении опыта обязательны герметичные защитные очки или маска, а возможно и защита органов дыхания.

<Реакция магния с содой - образование натрия ч.2> <Опыты со щелочными металлами ч.1> <Опыты со щелочными металлами ч.2> <Пирофорный свинец из тартрата свинца ч.1> <Пирофорный свинец из ацетата свинца ч.2> <Литература. В чем опасность хлористого азота? ч.1> <Получение хлористого азота ч.2>
<Перекись ацетона (№3 2011)> <Черный порох (№4 2011)> <Кумулятивный эффект (№5 2011)> <Нитроглицерин (№6 2011)> <Огонь от капли воды (№1 2012)> <Огонь на ладони (№1 2012)>
<Щелочные металлы - обсуждение> [Отправить сообщение об ошибке]