Синтез карбоната кобальта и его идентификация и физико-химические свойства

Министерство образования и  науки РФ 
ГОУ ВПО Саратовский государственный университет  
имени Н.Г. Чернышевского

 

Кафедра общей и неорганической химии

 

 

Синтез карбоната  кобальта и его идентификация и физико-химические свойства

 

Курсовая работа

 

Студента 1 курса дневного отделения Института Химии 
Таджиева Тимура Юсуфовича

 

 

 

Научный руководитель: 
кандидат хим. наук, доцент                        _____________ Д.Г. Черкасов

Зав. кафедрой: 
член-корр. РАЕН 
доктор хим. наук, профессор                      ___________С.П. Муштакова

 

 

 

Саратов 2011

      Оглавление

Введение…………………………………………………………………3

1. Литературный обзор……………………………………………….4

1.1. Строение карбоната кобальта.………………………....…......4

1.2. Физические свойства………………………………………….…4

1.3. Химические свойства…………………………………………….5

1.4. Применение карбоната кобальта………………………….…..9

1.5. Минералы кобальта ..…………………………………………….9

2. Экспериментальная часть…………………………………………10

2.1. Синтез карбоната кобальта ..…………………………………...10

2.2. Разложение карбоната кобальта……………………………....13

Вывод…….. ..…………………………….………………………………16

Список литературы………………………………………………….....17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Название химического  элемента кобальт происходит от немецкого Kobold  — домовой, гном. При обжиге содержащих мышьяк кобальтовых минералов выделяется летучий ядовитый оксид мышьяка. Руда, содержащая эти минералы, получила у горняков имя горного духа Кобольда. Древние норвежцы приписывали отравления плавильщиков при переплавке серебра проделкам этого злого духа.

В 1735 году шведский минералог Георг Бранд сумел выделить из этого минерала неизвестный ранее металл, который и назвал кобальтом. Он выяснил также, что соединения именно этого элемента окрашивают стекло в синий цвет – этим  свойством пользовались ещё в древних Ассирии и Вавилоне.

Кобальт находится в природе в виде минералов. В чистом виде на Земле кобальт не существует. В этой работе и пойдёт речь об одном из минералов кобальта – сферокобальтите (CoCO₃).

 

1.1. Строение карбоната кобальта

 

Ионная структура карбоната кобальта имеет плоское строение (в пространстве). Центральный углеродный атом имеет  
sp²- гибридизацию. В гидрокарбонат- и карбонат-анионах происходит делокализация π-связи. Длина связи C—O в карбонат-ионе составляет 129 пм (пикометр).

Стандартная энтальпия образования ΔH (298 К, кДж/моль): -722,6

Стандартная энергия Гиббса образования ΔG (298 К, кДж/моль): -651

1.2. Физические свойства

Карбонат кобальта CoCO₃ в агрегатном состоянии представляет из себя кристаллический порошок розового цвета. Кристаллы имеют ромбоэдрическую гексагональную решётку. Не ядовит, без запаха, слегка солоноват  на вкус. Плотность при н.у. 4,13 г/см³, практически не растворим в воде и органических растворителях. Растворимость карбоната кобальта в воде при минимальном давлении углекислого газа CO₂ (0,0005 атм.) равна 0,011 г на 100 г воды при 15^оС. Карбонат кобальта может быть получен длительным нагревание в запаянной трубке раствора хлористого кобальта с карбонатом натрия при 140-150^оС.

Безводный карбонат кобальта представляет собой светло-розовый кристаллический  порошок. Карбонат кобальта легко даёт в растворах основные соли в виде аморфных осадков переменного состава, варьирующего в зависимости от условий образования в следующих пределах:

2CoCO₃*3CoO*4H₂O ---------- лилового цвета

CoCO₃*2CoO*2H₂O ------------ выделяется из разбавленных растворов

CoCO₃*3CoO*3H₂O ------------ образуется в концентрированных растворах

CoCO₃*CoO*5H₂O -------------- получается при осаждении бикарбонатом

 

 

1.3. Химические свойства

Начнём рассмотрение химических свойств  с отношения карбоната кобальта к кислотам. Карбонат кобальта, как в кристаллическом виде, так и в растворе реагирует с соляной кислотой (с концентрированной и разбавленной), и азотной любой концентрации, а также с другими кислотами. Конкретно рассмотрим на примере соляной и азотной кислот:

 

1. CoCO_3(кр) + 2HCl _{(концентрированная)} = СoCl₂ + CO₂ + H₂O 

2. CoCO_3(кр)+ 2HCl _{(разбавленная)}  = [Co(H₂O)₂Cl₄]Cl₂ + CO₂ + H₂O

3. CoCO_3(р-р) + 2HCl _{(концентрированная)} = [Сo(H₂O)₄Cl₂]Cl₂ + CO₂ + H₂O

4. CoCO_3(р-р)+ 2HCl _{(разбавленная)} = [Сo(H₂O)₆]Cl₂ + CO₂ + H₂O

 

В первом случае в ходе реакции, раствор приобретёт тёмно-синюю окраску – это объясняется тем, что в растворе очень мало воды, чтобы образовать комплекс.

Во втором случае раствор приобретёт синюю насыщенную окраску, т.к. кобальт начинает образовывать комплекс с водой, которой в разбавленной кислоте достаточно.

В третьем случае раствор приобретает голубовато-бледную (сине-бледную) окраску, это объясняется тем, что в растворе этой реакции много воды и кобальт образует более интенсивно комплекс с водой.

А в четвёртом случае раствор  приобретает розоватую (розовато-бледную) окраску. Это объясняется тем что, как и в растворе карбоната, так и в разбавленной кислоте очень много воды, кобальт свободно образует гексааква- комплекс.

А с азотной кислотой, карбонат кобальта реагирует с кислотой любой  концентрации. И во всех случаях  протекают простые обменные реакции:

 

CoCO₃+ 2HNO_3(60%) = Co(NO₃)₂ + CO₂ + H₂O

CoCO₃+ 2HNO_3(30%) = Co(NO₃)₂ + CO₂ + H₂O

CoCO₃+ 2HNO_3(5%) = Co(NO₃)₂ + CO₂ + H₂O

 

В избытке щелочи, так же растворяется. И реагирует с раствором аммиака:

CoCO₃ + 4NaOH_{(избыток)} = Na₂[Сo(OH)₄] + Na₂CO₃

Данный комплекс (тетрагидроксокобальтит  натрия) имеет розовую окраску, а  при нагреве переходит в синюю.

CoCO₃ + NH₃+H₂O ↔ [Co(NH₃)₄]OH + CO₂↑

 

 

Качественные реакции  на ион Co²⁺ .

 

Кобальт можно определить в его  растворе следующим методом:

На раствор соли кобальта (II) воздействовать нитритом калия , в заранее подкисленном растворе соли уксусной кислотой. При этом наблюдается выпадение тёмно-жёлтого осадка и цвет раствора так же становиться тёмно-жёлтым.

1.Сначала получаем растворимую соль кобальта, затем работаем с ней.

 

CoCO₃ + 2HCl = СoCl₂ + CO₂↑ + H₂O 

 

2.Затем проводим качественную реакцию:

 

CoCl₂ + 2CH₃COOH + 7KNO₂ = K₃[Co(NO₂)₆] + 2CH₃COOK + 2KCl + NO↑ + H₂O

 

Также можно провести более качественную реакцию добавив в предыдущую реакцию нитрат натрия в том же соотношение, как и нитрит калия:

 

CoCl₂ + 2CH₃COOH + 7KNO₂ + NaNO₃ =  
K₂Na[Co(NO₂)₆] + 2CH₃COOK + 2KCl + KNO₃ + NO↑ + H₂O

 

С помощью этой реакции малые  количества кобальта определяются не только качественно, но и полуколичественно: весовым, объёмным или калориметрическим  путём. С помощью этой реакции рекомендуется определять относительное содержание кобальта в никелевых рудах и препаратах, собирая жёлтый осадок кобальтовой соли после центрифугирования в оттянутый капилляр, на основе общего объёма осадка.

Аналогичная реакция протекает  с нитритом натрия в присутствии  нитрата таллия (Tl(NO₃)₃), при этом образуется красный осадок  Tl₃[Co(NO₂)₆]. Кроме того, нитрат таллия можно заменить нитратом цезия (CsNO₃), который даёт жёлтый осадок (Cs₂Na[Co(NO₂)₆]). Эта реакция позволяет обнаружить кобальт при его содержании в растворе в количестве 0,02 N, причём никель и железо не мешают его открытию.

 

CoCl₂ + 2CH₃COOH + 13NaNO₂ + 3Tl(NO₃)₃ =  
Tl₃[Co(NO₂)₆] + 2CH₃COONa + 2NaCl + 9NaNO₃ + 6NO₂↑ + NO↑ + H₂O

 

CoCl₂ + 2CH₃COOH + 7NaNO₂ + 2CsNO₃ =  
Cs₂Na[Co(NO₂)₆] + 2CH₃COONa + 2NaCl + 2NaNO₃ + NO↑ + H₂O

 

Для качественной индикации в присутствии  стократного избытка никеля, пригодна реакция с дициандиамидином: с аммиаком и едким натром (NaOH) никель даёт жёлтый осадок, а кобальт сообщает раствору фиолетовую окраску. Тем самым можно понять есть ли кобальт в растворе или нет.

Также одной из качественных реакций на кобальт является образование триоксалаткобальтиата натрия. Это изумрудно-зелённого цвета комплекс, получаемый окислением двухвалентного кобальта оксидом свинца (IV) в слабокислом растворе оксалата натрия.

 

4CoSO₄ + 8CH₃COOH + 14Na₂C₂O₄ + 2 PbO₂ = 
4Na₃[Co(C₂O₄)₃] + 2PbC₂O₄ + 8CH₃COONa + 4Na₂SO₄ + 4H₂O

Карбонат кобальта начинает разлагаться  в интервале от 427-477^оС, учитывая тот момент, что кристаллическая решётка и структура карбоната кобальта должна бы сформирована!  При этом образуется CoO и CO₂. При температуре 681^оС CoO кислородом воздуха начинает окисляться до Co₃O₄.

Но если разложение самого карбоната  кобальта проходит в закрытом сосуде или инертной атмосфере, выделяемый углекислый газ при первой реакции разложения, становиться инертной атмосферой и поэтому оксид кобальта (II) не окислиться и при 1000^оС.

В воде диссоциирует на Co²⁺ CO₃^2- , но после диссоциации мгновенно образует комплекс с водой [Co(H₂O)₆]CO₃.

 

 

 

1.4. Применение карбоната кобальта

Карбонат кобальта широко в промышленности не применяется. Но его добавки используют для прикормки скота, в качестве микроэлемента, нужному организму.

Так же карбонат кобальта используют для придания цвета стеклу, а также  как компонент шихты для цветной  керамики. Используют в красках, для  придания им цвета в гамме от красно-розового до сине-фиолетового.

В химических лабораториях карбонат кобальта можно использовать в качестве заменителя мрамора и мела, для  получения углекислого газа в аппарате Киппа:

 

CoCO_3(кр) + 2HCl = СoCl₂ + CO₂↑ + H₂O

 

1.5. Минералы кобальта (в частности сферокобальтит)

Основными минералами кобальта в природе  являются не более 10 минералов. Тот  самый карбонат кобальта содержится в двух основных минералах кобальта: кобальтовый шпат и сферокобальтит.

 

Одними из самых распространённых являются кобальтомышьяковые руды и с соединениями серы.

Смальтит – шпейсовый  кобальт  - CoAs₂, в данном минерале часть кобальта может быть замещена на никель и/или железо.

Смальтин – CoAs₃, в этом минерале содержание кобальта 28-30%.

Кобальтин – кобальтовый блеск  – CoAsS содержит до 35-38% кобальта, а также содержит примеси NiAsS и FeAsS.

Линнеит – Co₃S₄ – содержание кобальта обычно в этом минерале не велико, не более 17%.

Карролит – CuCo₂S₄ – содержание кобальта не превышает 38%.

Гетерогенит – CoO*3Co₂O₃ * CuO * 7H₂O – в основном встречается в залежах минералов меди.

Аслобан – Co₂O₃*CoO*nMnO₂ * mFe₂O₃ * xH₂O – содержание кобальта на общую массу минерала составляет около 24%.

Эритрин – кобальтовые цветы  – Co₃(AsO₄)₂*8H₂O, массовая доля кобальта на общую массу равна 21-27%.

Наконец – Кобальтовый шпат –  CoCO₃*FeCO₃*MgCO₃

И сферокобальтит – тот самый  карбонат кобальта, массовая содержание кобальта равно примерно 45-48%.

 

2. Экспериментальная часть

2.1. Синтез карбоната кобальта

 

Существует несколько способов получения карбоната кобальта (II), вот некоторые из них:

 

Первый. Наиболее доступный способ получения карбоната кобальта (II) выглядит так: 
CoCl₂+Na₂CO₃=CoCO₃↓ + 2NaCl

Эта реакция идёт в растворах. Карбонат кобальта выпадает в осадок.

Второй.

2NaHCO₃+CoSO₄= CoCO₃↓+Na₂SO₄+H₂O + CO₂↑

Эта реакция идёт под давлением  углекислого газа.

Третий.

[Co(NH₃)₄]CO₃ ↔ CoCO₃↓+NH₃↑

Эта реакция протекает под давлением  углекислого газа.

Четвёртый.

Co(NO₃)₂ + 2NaHCO₃ = CoCO₃↓ + 2NaNO₃  + CO₂↑ +H₂O

В данном случае реакция проходит быстро и выход составляет 68-72%.

Из представленных способов наибольшим выходом обладает 4 способ получения  карбоната кобальта.

Методика Синтеза карбоната  кобальта.

Для синтеза используют насыщенные при 0 ^оС растворы соли кобальта (II) и гидрокарбоната. Последний раствор должен быть насыщен углекислым газом. Соль кобальта и гидрокарбоната берут в молярном отношении 1:1,2.

К раствору соли кобальта (II) при постоянном перемешивании приливают раствор гидрокарбоната, колбу закрывают пробкой с вставленным в неё клапаном Бунзена и продолжают перемешивание реакционной смеси ещё 15-20 минут.

Как определить полноту осаждения  из раствора ионов Co²⁺?

При осаждении карбоната кобальта во времени, можно посмотреть на раствор  и понять какова полнота осаждения. Если раствор более или менее  бесцветный (т.е. прозрачный), следовательно, полнота осаждения максимально высока, если у раствора остался оттенок двухвалентной соли кобальта, значит полнота осаждения маленькая (т.е. прореагировала не вся соль кобальта).

Выпавший осадок отделяют от маточного  раствора, промывают водой до нейтральной  реакции, затем этиловым спиртом, сушат  при 35-40 ^оС, взвешивают и помещают в сухую пробирку с пробкой. Вычисляют выход продукта в процентах.

Исследование свойств полученного  вещества.

Отметьте цвет вещества. Испытай  его отношение к действию воды, растворов соляной и азотной  кислот, небольших количеств и  избытка растворов щелочи и аммиака. Определите, что происходит с веществом при нагревании.

 

Синтез карбоната кобальта.

Берём коническую колбу на 600 мл.