 |
Нитрат висмута (III) пентагидрат
|
|
|
|
Выкристаллизовывается из раствора, получающегося в результате взаимодействия висмута с азотной кислотой. Он растворяется в небольшом количестве воды, подкисленной азотной кислотой. Получается при растворении металлического висмута или оксида висмута (III) в азотной кислоте. Bi растворяют в 25 мл концентрированной азотной кислоты (приблизительно 65% - ной) и осторожно нагревают полученный зеленовато-желтый раствор до тех пор, пока окраска не перейдет в светло-желтую. Спустя несколько часов, а иногда и тотчас же, из охлажденного раствора выпадают бесцветные кристаллы в виде палочек, которые затем дважды перекристаллизовывают из азотной кислоты. Кристаллы Вi(NO3)3·5Н2О быстро отжимают между листами фильтровальной бумаги и сушат на глиняных тарелках в течение нескольких часов на воздухе. При разбавлении раствора водой происходит гидролиз и выпадают основные соли, состав которых зависит от условий.
Методики синтеза висмута
Методика №1
Металлический висмут легко получается при восстановлении окиси висмута водородом:
Bi2O3 + 3H2 → 2Bi + 3H2O
Bi2O3 помещают слоем толщиной от 5 до 8 мм в горизонтальную стеклянную трубку диаметром от 15 до 20 мм. Трубку соединяют с прибором для получения чистого водорода. Вытеснив водородом воздух из трубки, нагревают ее от 240 ˚С до 270 ˚С и пропускают достаточно сильную струю водорода. При этом желтоватая Bi2O3 восстанавливается до металлического висмута в виде черного порошка. Трубку охлаждают в токе водорода. Расплавляя порошок и выливая плав в воду, можно получить металл в виде гранул.
Методика №2
В хим. стакан помещают гранулы цинка и добавляем Bi(NO3)3∙5H2O предварительно растворенный в воде и подкисленный азотной кислотой.
|
|
|
Содержимое стакана выливаем в подготовленную заранее воронку Бюхнера, тем самым отделив висмут от соли.
2Bi(NO3)3∙5H2O + 3Zn → Zn(NO3)2 + 2Bi↓ +10H2O
Методика №3
Для получения висмута используют висмутовый блеск (Bi2S3), после обжига которого образуется окисел, восстанавливаемый с помощью угля при температуре от 800 ˚С до 900 ˚С.
2Bi2O3 + 9O2 → 2Bi2O3 + 6SO2↑2O3 + 3C → 2Bi + 3CO↑
После добавления углерода нельзя допускать избыточное содержание кислорода, т.к. образовавшийся висмут начинает взаимодействовать с ним (от 500 ˚С до 1000˚С), что приводит к обратному процессу - образование оксида висмута (III).
Экспериментальная часть
Исходя из условий безопасности, мы отказались от методики №1. Из-за отсутствия реагентов совместили две методики №2 и №3, заключающие в себе получение Bi2O3 из гидроксида висмута (III), где исходным веществом был Bi(NO3)3∙5H2O, и дальнейшее получение металлического висмута прокаливанием его оксида с углем.
Расчеты
Необходимо получить m(Bi) = 10 г.
2Bi(NO3)3∙5H2O +3Zn → 3Zn(NO3)2 +2Bi + 10H2O
(Bi) = 209 г./моль
n(Bi)=m/M = 10 г. / 209 г./моль = 0,048 моль
) Найдем массу цинка
M(Zn)= 65 г./моль
n (ZN)= 0,048 
2/3= 0,072 моль
m(Zn)= n·M = 65 г./моль · 0,072 моль = 4,68 г.
) Рассчитаем массу водного нитрата висмута
M (2Bi(NO3)3∙5H2O)= 485 г./моль (2Bi(NO3)3∙5H2O)= 0,048 моль · 2/2=0,048 моль
m (2Bi(NO3)3∙5H2O)= 485 г./моль · 0,048 г./моль=23,28 г.
Ответ: m(Zn)= 4,68 г.; m (2Bi(NO3)3∙5H2O)= 23,28 г.
Практическая часть
Вещества и реактивы: химический стакан, цинк, нитрат висмута, фильтровальная бумага, воронка Бюхнера, колба, фарфоровая чашка, чашка Петри, шпатель, активированный уголь, тигель, тигельные щипцы, щелочь.
) В химический стакан опустили 4,58 г. Zn (с избытком) и добавили 18,96 г. Bi(NO3)3∙5H2O. Вещество растворили в 50 мл воды, подкисленной 5 мл азотной кислоты.
Содержимое стакана вылили в подготовленную заранее воронку Бюхнера, тем самым отделив цинк от соли.
|
|
|
2Bi(NO3)3∙5H2O + 3Zn → Zn(NO3)2 + 2Bi↓ +10H2O
Но в процессе реакции висмут вытесняет цинк из нитрата:
3Zn(NO3)2 + 2Bi → 2Bi(NO3)3 + 3Zn↓
На фильтре остался цинк, т.к. висмут мгновенно вытесняет его.
) К полученному раствору добавили щелочь в избытке и отделили гидроксид висмута с помощью воронки Бюхнера.
Bi(NO3)3 + 3NaOH → Bi(OH)3↓+ 3NaNO3
Наблюдали выпадения в осадок гидроксида висмута белого цвета.
3) Высушили вещество в сушильном шкафу при 100 
С.
Bi(OH)3 → BiO(OH) +H2O
Полученное вещество также белого цвета, но потеряло прежний блеск.
) Высушенное вещество поместили в тигель и оставили в муфельной печи, прогрели при температуре от 500 
С до 600 
С.
BiO(OH) → Bi2O3 + H2O
Наблюдали окрашивание вещества в желтый цвет.
) После того как образовался оксид висмута (III), добавили в тигель к нему 4 таблетки активированного угля по 250 мг.
2O3 + 3C → 2Bi + 3CO↑
В тигле образовались капли расплавленного металла, загрязненного избытком угля, которые мгновенно застыли на воздухе при охлаждении.
) Чистый висмут взвесили на аналитических весах. Провели качественные реакции.
Идентификация
1) Иодид калия KI образует с ионами висмута (III) в кислой среде соединения состава BiI3 - осадок черного цвета, растворимый в избытке KI:
BiCl3 + 3KI → BiI3 + KCl
BiI3 + KI → KBiI4
При сильном разбавлении раствора, содержащего ион BiI4-, получается оранжевый осадок в избытке BiOI:
KBiI4 + H2O → BiOI + KI + 2HI
Выполнение реакции:
К 3-5 каплям раствора, содержащего ионы висмута (III), добавили по каплям раствор KI. Наблюдали образование осадка черного цвета. При растворение в избытке KI раствор окрасился в оранжевый цвет.
2) Дитизон в интервале pH от 3 до 10 образует с ионами висмута (III) внутрикомплексное соединение. Дитизонаты висмута хорошо растворяются в CCl4, CHCl3, растворы окрашены в оранжевый цвет. Предел обнаружения висмута - 0,5 мкг.
Выполнение реакции:
К 1-2 каплям исследуемого раствора прилили от 2 до 3 капель раствора KCN, разбавили дистиллированной водой, довели pH раствора до 9 раствором аммиака и экстрагировали 0,02%-ным раствором дитизона в CCl4. Дитизон из насыщенного зеленого окрасился в оранжевый цвет.
|
|
|
Проверка на чистоту
Проверка на содержание ионов цинка
1. Реакция с дитизоном. Дитизон (дифенилтиокарбазон) в щелочной среде (рН > 10) образует с ионами Zn2+ внутрикомплексное соединение, окрашенное в малиново-красный цвет. В отсутствии ионов цинка имеет место оранжевое окрашивание, свойственное свободному дитизону в щелочной среде.
Водные растворы солей цинка бесцветны. В ходе реакции идентификации на ионы висмута (III) с дитизоном исследуемый раствор окрасился в оранжевый цвет, что свидетельствует об отсутствии ионов цинка в полученном веществе.
Проверка на содержание ионов нитратной группы
Bi(NO3)3 при нагревании до 700°С разлагается с образованием оксида висмута (III), выделением диоксида азота и молекулярного кислорода.
4Bi(NO3)3 → 2Bi2O3 + 12NО2↑ + 3О2↑
Наблюдали образование желтого вещества и выделение газа бурого цвета.
Заключение
В результате было получено 7,58 г. металлического висмута. Его выход составил 76%. Для подтверждения, что данное вещество действительно является висмутом, провели идентификацию, а также сделали проверку на чистоту и убедились, что полученный металл не загрязнен примесями.
|
|
|
