kk不含磷酸吧
中考前最后一个寒假(希望不要成为我人生中最后一个寒假),也是准备爽一把。正好期末考的不错,有心情“自我实现”一下。
涉及危化,做好防护!!!
实验试剂:某进口高纯氮肥(KNO3),KK(目测由不挥发酸混合,不含水,应该是磷酸硫酸混合),小苏打,氢氧化钠。
实验器材:试管,烧杯,全玻蒸馏装置,电加热台。
反应原理:先用硝酸盐和浓硫酸反应,蒸馏出发烟硝酸,再制备NC。
前言:「为什么KK能代替98%浓硫酸去和硝酸盐反应蒸出硝酸?」
*以下内容均为个人揣度,缺乏实验验证,各位看看就好*
已知KK主要成分是硫酸,磷酸(?),都是难挥发酸。沸点普遍高于100℃,纯磷酸甚至高于200℃,鉴于KK表现出的脱水性(纸张碳化),推测其中不含水。
首先看向硫酸,磷酸(只考虑第一步电离)和硝酸的pKa (注:pKa=-lg Ka)
硫酸:pKa = -2.00,硝酸:pKa = -1.76,磷酸:pKa,1 = 2.15
故酸性:硫酸>硝酸>>磷酸
再看向这个反应(把它看成可逆):H2SO4(浓) + KNO3 →KHSO4 + HNO3↑
从电离常数看,硫酸比硝酸强。这貌似是强酸制弱酸?那么问题来了,为什么在体系中混有大量三元弱酸磷酸的情况下,HNO3的产率却可以突破70%呢?应该是高沸点酸制低沸点酸。
从平衡角度想,为什么稀硫酸无法和硝酸盐制硝酸?个人认为是反应产生的HNO3溶于水较少进入气相,生成物浓度居高不下。勉强用漏洞百出(其实该原理不太能用在这里,因为此反应有相变)的勒夏特列(逆反原理)解释,就是随着反应进行,产生的HNO3溶于水,浓度升高,而为了抵消生成物浓度升高,反应就必须向左。而浓硫酸就没有这个问题,因为HNO3可以顺利进入气相,反应物及时排走,这个反应的平衡常数K可以很大,反应较完全。回头看KK,没有水,HNO3可以顺利蒸出。磷酸虽然Ka小,但它沸点高。硫酸磷酸沸点高,尽管混合后沸点有所降低,但一定高于硝酸沸点。故HNO3不断升天而硫酸磷酸待在原地。使用Q-K关系解释(Q是浓度商),因为生成物HNO3(g)进入气相,浓度小,而反应物硫酸磷酸(如果磷酸参加反应的话)浓度居高不下。导致Q<K,反应正向进行。故个人认为该反应属于高沸点酸制低沸点酸。
第一步:制备发烟硝酸
H2SO4(浓) + KNO3 →KHSO4 + HNO3↑
Tb(HNO3) :87℃
(加热符号打不出来)
①将KNO3重结晶后炒干
②称量100gKNO3,100gKK
③将KNO3加入蒸馏烧瓶,组装仪器后通冷凝水(下进上出),倒入KK,温度计插入套管,开始加热。加热时控制盘面温度不超过300℃,当温度计示数逼近硝酸沸点(87℃)时开始收集馏分。1h后温度计示数开始上升时,停止收集,关火结束反应。
反应时可观察到烧瓶中液体沸腾,有红棕色气体冒出。用铝箔遮住冷凝管前,馏出物为黄色(HNO3分解产生NO2使硝酸变黄)。第二次制备时干脆用铝箔覆盖全装置,取得较好效果。
④测量产物体积30ml,质量45.4g,密度1.51g/ml,对照硝酸的密度——浓度表格可得浓度为99%,是不折不扣的发烟硝酸。在空气中猛烈发烟。产率71.4%,装入磨口棕色试剂瓶中备用。
反应后瓶底硫酸氢钾(可能还有磷酸二氢钾)的结晶挺难清理的
第二步:制备NC
此为酯化反应,通式:
R—OH + HONO2 → RONO2 + H2O
对于纤维素:
①准备冰浴池,试管插入池中。
②试管中依次加入10ml发烟硝酸,35mlKK(用以去除反应产生的水),千万不要顺序弄反,要不然强酸喷溅二氧化氮弥漫可就不好玩了!!!
③待到试管内温度达到0℃左右时,加入一团脱脂棉塞到距试管底1cm位置,大小为刚刚能达到试管内径为宜。宁少不多,确保硝化完全。
④20分钟后倒出混酸,冰水洗涤制得的NC直至洗液呈中性。用滤纸吸干NC(本人不打算长期储存,当场点燃NC,故不做安定处理)
反应装置全貌:
质量好的NC燃速快无残留,没有酸雾。取小块制得的NC样品点燃,符合上述特征,实验成功。
附:剪了个视频,因为B站没过审放在这里,各位看看就好,里面还有不同浓度硝酸和铜的反应。
至此完成
这么多混酸只加一坨棉花,未免有点浪费,棉花加到刚刚浸没为好。另外NC的混酸里用kk,也不怕未知杂质?
我用kk跟发烟硝酸3:1混合,加棉花至完全填满,固体上方有3~4mm深液体,反应半小时,可以制出性能良好的硝化纤维
对了,稀硝酸可以买cⅰp清洗剂,一桶25kg,可以用到天荒地老,浓度也不低,大约在40~60%之间
这里看到作者用烟硝硝化,我倒有个想法,将硝酸钾-kk硝化体系推广开来。至于这个体系能否使用呢,暂不明确,我少见有人这么干,b站上有一个人是k法etn,成功了。我自己也试过,硝化DEG,但实验失败,难以观察到分层现象,无法分离。我还硝化了脱脂棉,但不知道是温度原因还是什么,即使冰水浴了,脱脂棉竟然解离溶解在硝化体系中。另外,关于硝酸盐-浓硫酸体系,我也找到了明确的论文理论支持,似乎是可行的。如若这种方法可行,以某进口肥料和管道疏通剂的价格来看,脂肪族硝化的成本将会被打下来,隔壁火箭燃料可能也会有所受益
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