Хімія - Золота колекція рефератів - 2018
ХЛОРИД НАТРІЮ
Хлорид натрію NaCl — безбарвна кристалічна речовина без запаху, солона на смак. Добре розчиняється у воді, тугоплавка (tпл. = 808°С). У природі зустрічається в основному у вигляді кристалічних відкладень мінералу галіту NaCl, а також у вигляді розчинів. Саме з розчинів випарюванням рідини одержували раніше NaCl. Звідси походить тривіальна назва цієї сполуки — кухонна сіль.
Природна кухонна сіль може бути чистою або містити домішки. Чистий галіт не має кольору, має скляний блиск. Якщо ж він забруднений калійними солями, то набуде блакитного, синього або фіолетового забарвлення. Нагрівання до 200 °С рятує галіт від забарвлення. Крім того, у галіті можуть зустрічатися домішки піску, солей лужних і лужиземельних металів.
Для чистого галіту нехарактерним є поглинання вологи з повітря (гігроскопічність). Однак домішки хлориду магнію значно збільшують гігроскопічність кухонної солі.
Завдяки порівняно великій поширеності в природі, легкості одержання та яскраво вираженому солоному смаку, кухонна сіль здавна широко застосовувалася як добавка до їжі. У багатьох державах сіль відігравала роль грошей, а її видобування завжди було вигідним промислом.
Сіль є цінною сполукою для хімічної промисловості. У багатьох виробництвах її використовують як вихідну або допоміжну сировину. Так, NaCl є основною сировиною в процесах промислового одержання соди, соляної кислоти, хлору, гідроксиду натрію, хлорного вапна й тощо; як допоміжний реагент NaCl застосовується в органічному синтезі, виробництві пластмас і т. д.
Розрізняють кілька сортів харчової кухонної солі. Вони відрізняються способом обробки. Сіль може бути меленою, немеленою (грудкова, зернова й подрібнена), йодованою, дрібнокристалічною.
Основні способи одержання кухонної солі полягають у механічному видобуванні її з надр землі — більше половини NaCl перебуває в шарах і штоках, розташованих на різній глибині. Іншими важливими джерелами кухонної солі є океанська й морська вода, озерні розсоли, солончаки, розчини в соляних джерелах і грунтових водах, сублімат солі на кратерах вулканів і в тріщинах лавових потоків.
В Україні знаходиться одне з найпотужніших родовищ кухонної солі східної частини континенту — Артемівсько-Слов’янське. Глибина шарів цього родовища досягає 200 м.
За методом одержання кухонна сіль буває:
— кам’яна;
— самосадна — отримана з соляних озер;
— садочна — отримана з морів;
— виварна — отримана виварюванням із природних і штучних розсолів.
На частку кам’яної солі припадає близько третини всієї солі, яка видобувається у світі. Особливістю залягання кам’яної солі є те, що вона супроводжується потужними товщами інших порід. У результаті цього кам’яна сіль може містити різні домішки, залежно від природи сусідніх покладів.
За формою розрізняють такі типи покладів кам’яної солі: пластові, пластово-лінзоподібні, лінзоподібні, куполоподібні, штоко- й гніздоподібні.
Самосадна сіль становить майже половину світової солі. Під самосадною мають на увазі сіль, отриману виділенням NaCl з вод соляних озер. Соляними (або солоними) називають озера, в яких концентрація розчинених речовин перевищує 3,5 %. Залежно від хімічного складу води, соляні озера поділяють на три основні типи: карбонатні, хлоридні й сульфатні. Приналежність води соляного озера до одного з типів визначається перевагою в ній того або іншого аніона кислоти, що встановлюється методами хімічного аналізу.
Самосадну сіль добувають із вод безсульфатних озер хлоридного типу, а також із сульфатних озер. Ця сіль осаджується мимовільно. За часом осадження сіль поділяється па старосадку й новосадку. За своїми властивостями старосадка значно перевершує новосадку. Сіль високої якості одержують також із гранатки — шару пухкої, розсипчастої солі, кристали якої рясно забруднені мулом. Після ретельного очищення гранатка перетворюється на сіль із чудовими харчовими якостями.
Очищення самосадної солі проводять найчастіше промиванням. Це роблять або в спеціальних установках лоїзомерах або в буграх, що складаються на берегах озер. В останньому випадку наявні великі втрати солі, що робить цей метод рентабельним тільки у випадку переробки великої кількості солі.
Садочну сіль отримують із води тих солевмісних водойм, де умови або концентрація солі не дозволяють домагатися мимовільного осадження NaCl. Одержання садочної солі — недешевий процес. Його висока вартість пов’язана з тим, що для одержання солі необхідне створення штучних басейнів. У зв’язку із цим кажуть, що садочну сіль одержують басейновим способом.
Розглянемо басейновий спосіб одержання садочної солі. Спочатку воду солевмісної водойми накачують у гіпсо-відстійники — підготовчі басейни, де вода відстоюється
під механічних домішок і солей, що кристалізуються (гіпсу, карбонату кальцію, карбонату заліза). У підготовчі басейни вода накачується невеликим шаром (20-40 см), що дозволяє їй швидко випаровуватися. Це призводить до насичення соляного розчину.
У підготовчому басейні вода знаходиться в спекотну пору року. З настанням холодів її перекачують у запасні басейни, де зберігають до наступної весни, намагаючись захистити від потрапляння атмосферних опадів, щоб уникнути розведення сольового розчину.
На початку літа наступного року розчини із запасних басейнів перекачують в осадні басейни. Завдяки високій концентрації солі в цих розчинах висадження солі відбувається практично відразу.
Розчин в осадні басейни накачується шаром не більше 15 см і в процесі випаровування вологи поповнюється із запасних басейнів. Збір солі з осадних басейнів проводять на початку осені. Ламання солі здійснюють ручним способом — простими або дірчастими лопатами, а розсіл, який залишився, накачують назад у водойму.
Вибрану з басейну сіль збирають у бугри на березі або на дні басейну й залишають па якийсь час, щоб кристалізаційний розчин міг стекти. Якщо кристалізаційний розчин містить надлишкову кількість карбонату кальцію, то осадні басейни можуть вкриватися зверху кіркою СаСО3. Це не тільки утруднює ламання солі, але й заважає швидкому випаровуванню води й концентруванню розчину. Тому перш ніж запускати таку воду в осадний басейн, необхідно очистити її від Са(НСО3)2.
Додаткових властивостей кухонній солі, отриманій бассейновим способом, можна надати, випаровуючи насухо матковий розчин NaCl і змішуючи утворений твердий залишок із чистою кухонною сіллю NaCl. У такий спосіб здійснюють мінералізацію кухонної солі, насичуючи її мінералами й мікроелементами, необхідними організму людини. Щоб зменшити поглинання води отриманим продуктом, у нього додають фосфат натрію Na3PO4 або карбонат натрію Na2CO3.
Виварну сіль одержують, випарюючи насухо сольові розчини (розсоли), отримані природними (з надр землі) або штучними способами. Сіль, отримана таким чином, характеризується малою кількістю домішок і високою чистотою.
Далеко не всі природні розсоли придатні для одержання виварної солі. Наприклад, розсоли поверхневих озер для цих цілей застосовуватися не можуть. У них міститься значна кількість CaSO4, очищення від якого ускладнить процес одержання кухонної солі. А ось домішка великої кількості MgCI2 якості кінцевого продукту не заважатиме, оскільки від цієї солі легко позбутися промиванням.
Йодована сіль останнім часом є дедалі популярнішим продуктом. Установлено, що її вживання дозволяє запобігати захворюванню щитовидної залози — зобної ендемії, що розвивається через нестачу йоду в питній воді. Йодована сіль насичена йодом через включення до її складу йодиду калію КІ.
Умови зберігання йодованої солі повинні бути такими, щоб запобігати розкладанню йодиду калію. Це може відбутися в присутності вологи або під дією окиснювачів. Окиснювання приводить до розкладання йодиду калію з утворенням леткого йоду. Для запобігання розкладанню КІ у сіль додають йодорганічні сполуки. Також високих результатів можна домогтися, додаючи в кухонну сіль стабілізатори — фосфати й карбонати кальцію або магнію. Експериментально доведено, що щонайкраще стабілізувати йодид можна за допомогою тіосульфату натрію. Ця сполука відновлює елементарний йод до І-. Додавання тіосульфату натрію в кількості 1 % від загальної кількості кухонної солі дозволяє зберігати її без розкладання КІ протягом року.
Йодовану сіль одержують двома способами — мокрим і сухим. Мокрий спосіб полягає в тому, що кухонну сіль обприскують розчином КІ з додаванням тіосульфату натрію. Мокре йодування проводять перед розмеленням солі. При цьому треба в такий спосіб підбирати концентрацію йодувального розчину, щоб вологість солі збільшилася не більше ніж на 1 %. Розмелення дозволяє домогтися рівномірного розподілу КІ в усьому обсязі солі.
Сухий спосіб йодування полягає в тому, що суху здрібнену кухонну сіль змішують із йодованою, у якій вміст КІ у багато разів перевищує норму (1 г КІ на 100 г NaCl),
Протягом тривалого часу сухий спосіб вважався кращим, оскільки суха йодована сіль набагато стійкіша за вологу. Однак процес мокрого йодування є більш простим, і з розробкою доступних методів стабілізації КІ перевагу почали віддавати саме мокрому йодуванню.
Крім описаних методів, кухонну сіль одержують виморожуванням і висалюванням. Виморожування — виділення солі з концентрованих розчинів кристалізацією при охолодженні розчину. Причому чим нижча температура процесу, тим інтенсивніше протікає кристалізація солі.
З насичених розчинів при охолодженні до -21,2 °С виділяється кристалогідрат NaCl • 2Н2О. Якщо його витягти з розчину й підняти температуру до +0,2 °С, то відбувається його розкладання й виділяється чиста сіль.
Виморожування — процес, що відбувається в деяких природних водоймах під впливом умов навколишнього середовища. Кухонну сіль, яка виділилася таким чином, можна добувати як самосадну. А от штучне виморожування — довгий і трудомісткий процес, що вимагає великих площ басейнів. Цей спосіб використовують при одержанні кухонної солі для потреб харчової промисловості.
Висалювання — виділення NaCl з розчину шляхом зниження її розчинності збільшенням концентрації інших солей у розчині. Цей метод має безліч переваг: він не потребує складного технологічного оформлення, витрат електроенергії й палива, очищення сировини й продукту тощо. Уважається, що в близькому майбутньому висалювання стане одним з основних способів одержання кухонної солі високої якості.
Синильна (ціаністоводнева) кислота HCN — летка безбарвна рідина, шо характеризується слабким, легко пізнаваним замахом. У вільному стані синильна кислота — нестійка сполука, що кипить при досить низьких температурах (tкип. = 26 °С). Водяний розчин HCN — слабка кислота.
Синильна кислота, як і більшість її солей, дуже отруйна. Вона належить до числа найнебезпечніших і найбільш швидкодійних отрут. Отруєння синильною кислотою призводить до майже миттєвого паралічу центральної нервової системи. При цьому не грає ролі, яким шляхом вона потрапила в організм: через органи дихання, шлунково-кишковий тракт або кров. Можливим є також проникнення HCN через шкірні покриви при високому вмісті синильної кислоти в повітрі.
Застосовується синильна кислота і її солі переважно для витягання золота з руд, боротьби зі шкідниками цитрусових дерев і бджіл, у гальванотехніці, для цементації сталі. Також ця сполука надзвичайно важлива в синтетичній органічній хімії. Вона широко використовується як вихідний реагент у реакціях одержання багатьох кінцевих і проміжних продуктів органічної хімії (акрилонітрил, ефіри акрилової й метакрилової кислот, ацетонціангідрид та ін.). Сполуки, отримані за допомогою синильної кислоти, використовуються у виробництві штучного каучуку, пластмас, полімерних матеріалів, синтетичних волокон.
Синильна кислота - дуже слабка, і навіть найслабші кислоти — вугільна або воднева — витісняють її з солей. На повітрі солі синильної кислоти розкладаються під дією вуглекислого газу й вологи повітря:
2NaCI + Н2О + СО2 → Na2СО3+ 2HCN
Важливою реакцією синильної кислоти є її взаємодія з альдегідами й кетонами з утворенням оксинітрилів:
Ця реакція є дуже важливою для органічного синтезу — омиленням отриманих оксинітрилів можна одержати відповідні карбонові кислоти:
Реакція оксинітрилів з аміаком і подальше омилення призводить до одержання амінокислот:
Одержувати синильну кислоту почали досить давно — на початку XVIII ст. Тоді для цього використовували прожарювання азотовмісних відходів тварин (роги, шкіра, кров і т. д.) з К2СО3 і залізними стружками. Цей спосіб використовувався також для одержання ціаністої сполуки — жовтої кров’яної солі К4Fе(СN)6.
Іншим масштабним способом одержання HCN був піроліз метиламінів. Метиламіни одержували сухою перегонкою меляси (відходу цукрового виробництва, що містить азотисті сполуки). Далі метиламіни піддавалися піролізу відповідно до таких рівнянь:
Ці способи одержання HCN проіснували до початку XX ст. Після того як почався розвиток вуглехімії, синильну кислоту і її сполуки стало доцільнішим одержувати виділенням їх з газоподібних продуктів коксування кам'яного вугілля. Можна сказати, що спочатку це був вимушений захід — наявність синильної кислоти й піаністах сполук у світильному й коксовому газі приводить до корозії сталевих трубопроводів і апаратів. Крім того, неочищені від HCN гази вкрай отруйні. А згодом, з розвитком хімічної промисловості, синильну кислоту почали використовувати в органічному синтезі.
Виділення синильної кислоти й інших піаністах сполук із коксових газів відбувається в такий спосіб. Спочатку газ зрошують водяним розчином залізного купоросу (FeSO4). Це призводить до утворення нерозчинних у воді фероціанідів — «ціановий намул». Потім осад відокремлюють і направляють на подальшу переробку. З нього роблять жовту кров’яну сіль, берлінську лазур і т. д.
Дуже вигідним протягом певного часу в минулому було одержання ціанідів способом Кастнера. Цей спосіб включає кілька етапів:
— одержання аміду натрію взаємодією металевого натрію й аміаку:
— нагрівання аміду натрію з вугіллям:
— одержання ціаніду натрію:
Від цього способу дуже швидко відмовилися, оскільки він вимагав великої витрати дорогого металевого натрію й величезної обережності в поводженні з великими кількостями цієї речовини.
Набагато зручнішим, ніж всі описані вище методи, є одержання ціанідів сплавкою ціанаміду кальцію з вугіллям і хлоридом натрію:
Отриманий розплав ціаніду кальцію охолоджують водою.
Додавання хлориду натрію (кухонної солі) дозволяє збільшити вихід ціанідів за рахунок утворення ціаніду натрію:
СаСН2 + 2NaCl → 2NaCN + СаСl2
У сплаві, отриманому з додаванням NaCl, міститься більше 40 % ціанідів натрію й кальцію.
Синильну кислоту одержують, обробляючи ціаніди сірчаною кислотою:
2NaCN + H2SO4→ 2HCN + NaSO4
Ca(CN)2 + H2SO4 → 2HCN + CaSO4
При розробці промислових способів одержання синильної кислоти було випробувано багато сопсобів. Деякі з винайдених реакцій так і не набули бажаного масштабу використання. До таких належить, наприклад, термічний вплив аміаку на деревне вугілля (1791):
Набагато перспективнішою виявилася реакція одержання синильної кислоти з аміаку й оксиду карбону(ІІ):
Можливим є також інший вид цієї реакції:
(2)
Реакція (1) протікає при температурі 450-700 °С. Розігріту суміш СО і NH3 пропускають над одним з обраних каталізаторів (АІ2O3, ТhO2, Fe2O3 або ZnO2). Недоліком цього методу є можливе омилення синильної кислоти виділюваною газоподібною водою, в результаті чого кінцева
кількість синильної кислоти значно зменшується. Для того щоб уникнути цього, в реакцію вводять надлишок оксиду карбону(ІІ), що взаємодіє з водою:
2СО + Н2O → СO2 + Н2
З урахуванням цього реакція (1) набуває такого вигляду:
Реакція (2) проводиться в паровій фазі при 350 °С, каталізатором цієї реакції є фосфат алюмінію АІРО4. Найкращих результатів цієї реакції можна домогтися, якщо вводити надлишок аміаку.
Що ж до одержання синильної кислоти розкладанням формаміду, то абсолютно не має значення, яким саме методом отриманий формамід.
Це може бути як реакція (2), так і будь-яка інша. Наприклад, дією аміаку на метилформіат (метиловий ефір мурашиної кислоти):
Великою популярністю до сьогодні користується одержання синильної кислоти методом Андруссова — з аміаку, повітря й газоподібного вуглеводню. Сумарне рівняння цієї реакції має такий вигляд:
2СН4 + 2NH3 + 3О2 → 2HCN + 6Н2О
Паралельно з цією в реакторі протікають також інші, побічні реакції. До них належать:
— взаємодія метану з водою:
СН4 + Н2О → СО + 3Н2
— неповне окиснювання метану:
2СН3 + О, → 2СО + 4Н2
— розпад аміаку:
4NH3 + 3О2 → 2N2 + 6Н2О
Існує ще кілька процесів, у результаті яких можна одержати піаністу кислоту. Наведемо кілька рівнянь, що описують ці реакції:
2СН4 + N2 → 2HCN + 3Н2 (3)
СН4 + NH3 → HCN + 3Н2 (4)
С2Н2 + N2 → 2HCN (5)
С2Н2 + 2NH3 → 2HCN +3Н (6)
Реакція (3) вимагає створення високої температури — реакційну суміш пропускають через електричну дугу.
Реакція (4) також вимагає високої температури (1200-1500 °С). Процеси (5) і (6) використовують для практичного одержання великих кількостей синильної кислоти, оскільки як вихідний реагент економічно доцільніше використовувати метан, а не ацетилен. Одночасно підтримка високих температур у процесах (3) і (4) представляє досить складне завдання.
Як уже було сказано раніше, застосування синильної кислоти й ціанідів досить різноманітне. Так, наприклад, ціаніди лужних і лужноземельних металів потрібні для добування золота з руд. При цьому використовується здатність цих сполук утворювати комплекси, розчинні у воді:
4Au + 8KCN + 2H2О + О2→ 4K [Au (CN )2] + 4КОН
Здрібнену руду обробляють водяним розчином ціаніду калію. При цьому золото розчиняється, а пуста порода залишається. З розчину золото витісняють за допомогою цинку:
2K [Au(CN)2] + Zn → K2 [Zn (CN)4] + 2Au
Із синтезів за участю синильної кислоти найважливішим є синтез акрилонітрилу, етиленціангідрину й ацетонціангідрину.
Акрилонітрил (нітрил акрилової кислоти) Н2С=СН—CN — сполука, широко використовувана для одержання синтетичних полімерів, наприклад, бутадієн- нітрильних каучуків і волокон: дайнел, віньйон, орлон та ін. Крім того, з акрилонітрилу одержують цінні пластифікатори.
Одержання акрилонітрилу здійснюється відповідно до такої схеми:
Як каталізатору цьому процесі використовується хлорид міді. Процес ускладнюється протіканням ряду побічних реакцій. Вони є небажаними, оскільки витрачають вихідні реагенти й зменшують вихід цільового продукту. Розглянемо їх.
— Утворення ціангідрину з ацетилену й синильної кислоти
— Димеризація ацетилену:
— Конденсація вінілацетилену з ацетиленом:
— Взаємодія вінілацетилену з синильною кислотою:
Етиленціангідрин (нітрил гідракрилової кислоти) —
— рухлива легкокипляча рідина ясно-коричневого забарвлення. Прекрасно змішується з водою й спиртом. При розкладанні етиленціангідрину утворюється синильна кислота, тому він дуже отрутний і вимагає обережності в поводженні.
Одержання етиленціангідрину проводять шляхом взаємодії синильної кислоти з оксидом етилену:
Також можливим є одержання етиленціангідрину з етиленхлоридгідрину й ціаніду натрію:
Як каталізатори цього процесу найефективніше використовуються аміни аліфатичних або ароматичних вуглеводнів.
Етиленціангідрин використовується в основному як напівпродукт для одержання акрилової кислоти та її сполук. Безпосереднє використання етиленціангідрину неможливе внаслідок його високої токсичності.
Однією з важливих реакцій етиленціангідрину є його дегідратація, в результаті якої одержують акрилонітрил:
Ацетонціангідрин — один з найважливіших продуктів синильної кислоти, одержуваний у результаті її взаємодії з ацетоном: