Перхлорат калия разложение. Пиротехническая химия: Краткий курс пиротехники - Фрейман А.А

4KClO3 = 3KClO4 + KCl + Q,(1.6)

где Q – тепло, выделяющееся при разложении .

В присутствии примесей, играющих роль катализаторов разложения (например, некоторые окислы металлов, песок, стекло и др.), или веществ, способных легко окисляться (горючих), хлорат калия разлагается очень энергично; реакция идет с выделением большого количества кислорода по уравнению :

2KClO3 = 2KCl + 3O2 + Q.(1.7)

Реакция разложения хлората калия экзотермична.

В присутствии примесей хлорат калия разлагается настолько энергично, что иногда вызывает взрыв. Смесь бертолетовой соли с горючими веществами легко воспламеняется от действия небольшого количества концентрированной серной кислоты. Это явление объясняется тем, что при действии серной кислоты на бертолетову соль выделяется свободная хлорноватая кислота, которая разлагается с образованием двуокиси хлора. Последняя, как указано выше, обладает свойством зажигать горючие вещества .

Реакцию образования ClO2 можно представить уравнениями :

2KClO3 + H2SO4 = K2SO4 + 2HClO3,(1.8)

3HClO3 = 2ClO2 + HClO4 + H2O.(1.9)

Эта реакция используется в пиротехнике для воспламенения некоторых составов.

Хлорат калия в чистом виде негигроскопичен. Однако примеси, в частности, хлористого кальция, вызывают некоторую его гигроскопичность.

Хлорат калия применяется в пиротехнике в качестве окислителя, главным образом, в цветнопламенных составах. Составы с бертолетовой солью очень чувствительны к механическим воздействиям. Поэтому работа с такими составами требует осторожности, чистоты и аккуратности .

Хлорноватокислый барий Ва(СlО3)2·Н2О (молекулярный вес 322,29) получается из природного минерала витерита действием на него хлора при нагревании (может быть также получен электролизом из насыщенного при 75°С раствора хлористого бария BaCl2) .

Хлорат бария растворяется в воде, нерастворим в спирте, кристаллизуется в прозрачные призматические кристаллы, при температуре 300 – 310°C разлагается, в сухом виде при нагревании до более высокой температуры взрывает .

Реакция разложения хлората бария проходит аналогично разложению хлората калия по уравнению :

Ba(ClO3)2 = BaCl2 + 3O2 + Q.(1.10)

В смеси с горючими хлорат бария дает энергичную вспышку; составы с хлоратом бария чувствительны к механическим воздействиям .

Пламя, образуемое составами с хлоратом бария, имеет ярко-зеленую окраску. Следовательно, хлорат бария в составах является одновременно окислителем и носителем цветности.

Хлорат бария применяется, главным образом, для составов зеленого огня. При работе с ним следует применять те же меры предосторожности, что и при работах с хлоратом калия .

1.2.1.2 Перхлораты

Перхлораты – соли хлорной кислоты HClO4. Хлорная кислота в свободном состоянии чрезвычайно нестойка: на воздухе дымит, легко взрывает в присутствии горючих веществ, воспламеняет бумагу, дерево. Водный раствор ее безопасен .

Соли хлорной кислоты – перхлораты – более стойки, чем хлораты. Это объясняется тем, что реакция разложения перхлоратов происходит с поглощением тепла. В пиротехнике применяется перхлорат калия .

Перхлорат калия (или хлорнокислый калий) KClO4 (молекулярный вес 138,56) представляет собой белый кристаллический порошок, слабо растворяющийся в воде и негигроскопичный. При температуре 420°С начинает разлагаться по уравнению :

4KClO4 = 2KClO3 + 2KCl + 5O2.(1.11)

При более энергичном нагревании или в смеси с горючими веществами разложение перхлората калия идет с образованием хлористого калия и кислорода по уравнению :

KClO4 = KCl + 2O2 - Q,(1.12)

где Q – количество тепла, требуемое для разложения перхлората, равно 7,8 кг-кал. .

Составы с перхлоратом менее чувствительны к механическим воздействиям, чем составы с хлоратами .

Перхлорат калия применяется в качестве окислителя; он дает более спокойное горение, чем хлорат калия. Работа с ним требует тех же мер предосторожности, что и с хлоратами. Перхлоратные составы обладают чувствительностью к трению и удару, хотя и в меньшей степени, чем хлоратные. Высокая стоимость перхлората калия ограничивает его применение .

1.2.1.3 Нитраты

Нитраты представляют собой соли азотной кислоты. Азотная кислота – очень важный для техники продукт; она применяется во многих отраслях химической промышленности. Действием азотной кислоты на некоторые органические продукты получаются нитропроизводные, служащие для приготовления взрывчатых веществ, красителей и др. .

Все нитраты являются хорошими окислителями; они легко отдают свой кислород, выделяя азот, различные его окислы, или аммиак (в зависимости от условий реакции). Нитраты более стойки в химическом отношении, чем хлораты, но также образуют с горючими веществами легко воспламеняющиеся смеси .

В пиротехнике большей частью применяются нитраты калия, бария, стронция, реже – натрия.

Разложение нитратов происходит с поглощением тепла .

Нитрат калия или калиевая селитра KNO3 (молекулярный вес 101,1) образуется в почве при гниении органических соединений .

Технический нитрат калия можно получить реакцией обменного разложения нитрата натрия и хлористого калия или из синтетической азотной кислоты .

Нитрат калия – белый порошок или бесцветные кристаллы ромбической системы; легко растворим в воде. Температура плавления 337°С, температура разложения 400°С .

Нитрат калия разлагается с выделением части содержащегося в нем кислорода по уравнению :

4KNO3 = 2K2O + 2N2 + 5O2.(1.13)

Таким образом, нитрат калия содержит 39,6% активного кислорода, а общего кислорода 47,5%. Выделяющийся кислород используется на окисление горючих в составах. Обычно нитрат калия содержит примеси нитрата натрия, хлористых калия и натрия, которые в сильной степени повышают его гигроскопичность. Поэтому в нитрате калия, применяемом в пиротехнике, чистого продукта должно быть не меньше 99,0% .

Калиевая селитра применяется в качестве окислителя во многих пиротехнических составах. Вследствие сравнительно большей стойкости нитратов составы с ними обладают меньшей чувствительностью к механическим воздействиям, чем хлоратные, и дают возможность при соответствующих мерах предосторожности легче механизировать производственные процессы, чем в случае применения хлоратов .

Нитрат натрия, или натриевая селитра NaNO3 (молекулярный вес 85) образуется в природе так же, как и калиевая селитра. Природные месторождения находятся в Чили и Перу, отчего нитрат натрия часто называют чилийской селитрой. В России добывается на Кавказе .

Нитрат натрия – бесцветные кубические кристаллы; после измельчения они имеют вид белого порошка .

Натриевая селитра значительно дешевле, чем калиевая, однако нитрат натрия хорошо растворим в воде и очень гигроскопичен, поэтому им нельзя заменить нитрат калия при производстве пороха .

Нитрат натрия разлагается аналогично нитрату калия по уравнению :

4NaNO3 = 2Na2O +5О2+2N2.(1.14)

11 > .. >> Следующая
Хлорноватая кислота с различными металлами образует соли. В пиротехнике применяются, главным образом, хлорноватокислый калий и хлорноватокислый барий; реже применяется хлорноватокислый натрий, отличающийся сравнительно большой гигроскопичностью.
Все хлораты разлагаются, выделяя тепло и свободный кислород.
Хлорноватокислый калий (бертолетова соль) КСЮ3, молекулярный вес 122,56; впервые был получен ученым Бертоле, по имени которого и называется.
Хлорат калия получается хлорированием извести с последующим обменным разложением хлорноватокислого кальция с солями калия по уравнениям:
6Са(ОН)2 + 6С1, -» Са(СЮ3)2 + 5СаС12 + 6Н20;
Ca(C10,)a + 2КС1 -> СаС1, + 2КС10Я.
Полученный таким образом хлорноватокислый калий в случае надобности может быть очищен перекристаллизацией из горячей воды.
Хлорат калия с трудом растворяется в воде при низких температурах; при охлаждении горячего концентрированного раствора хлорат калия выкристаллизовывается. По внешнему виду он представляет собой мелкие белые ромбические кристаллы. Температура плавления 357,1°, температура разло?кения 364°. При этой темпе-
27
ратуре хлорат калия разлагается сравнительно медленно; часть кислорода, которая выделяется при разложении КСЮ3, окисляет оставшийся неразложившимся КС103 в соединение КСЮ4 (хлорно-кислый калий) по уравнению:
4КС108 -> ЗКС104 + KCl + Q,
где Q -тепло, выделяющееся при разложении.
В присутствии примесей, играющих роль катализаторов разложения (например, некоторые окислы металлов, песок, стекло и др.), или веществ, способных легко окисляться (горючих), хлорат калия разлагается очень энергично; реакция идет с выделением большого количества кислорода по уравнению:
2KC10s->2KCl + 30a + ?.
Реакция разложения хлората калия экзотермична.
В присутствии примесей хлорат калия разлагается настолько энергично, что иногда вызывает взрыв. Смесь бертолетовой соли с горючими веществами легко воспламеняется от действия небольшого количества концентрированной" серной кислоты. Это явление объясняется тем, что при действии серной кислоты на бертолетову соль выделяется свободная хлорноватая кислота, которая разлагается с образованием двуокиси хлора. Последняя, как указано выше, обладает свойством зажигать горючие вещества.
Реакцию образования СЮ2 можно представить уравнениями:
2КС108 + H2S04 -> K2S04 + 2НС10-; ЗНОЮ, -> 2С102 + НСЮ4 + Н20.
Эта реакция используется в пиротехнике для воспламенения некоторых составов.
Хлорат калия в чистом виде негигроскопичен. Однако примеси, в частности, хлористого кальция, вызывают некоторую его гигроскопичность.
Хлорат калия применяется в пиротехнике в качестве окислителя, главным образом, в цветнопламенных составах. Составы с бертолетовой солью очень чувствительны к механическим воздействиям. Поэтому работа с такими составами требует осторожности, чистоты и аккуратности.
Хлор нова то кислый барий Ва(СЮ3)2Н20, молекулярный вес 322,29; получается из природного минерала витерита действием на него хлора при нагревании (может быть также получен электролизом из насыщенного при 75° раствора хлористого бария).
Хлорат бария растворяется в воде; в спирте нерастворим, кристаллизуется в прозрачные призматические кристаллы, при температуре 300-310° разлагается; в сухом виде при нагревании до более высокой температуры взрывает.
Реакция разложения хлората бария проходит аналогично разложению хлората калия по уравнению:
Ва(СЮ3)2 -> ВаС12 + 302 + Q.
28
В смеси с горючими хлорат бария дает энергичную вспышку; составы с хлоратом бария чувствительны к механическим воздействиям.
Пламя, образуемое составами с хлоратом бария, имеет ярко-зеленую окраску. Следовательно, хлорат бария в составах является одновременно окислителем и носителем цветности, почему он может быть назван цветнопламенньш окислителем.
Хлорат бария применяется, главным образом, для составов зеленого огня. При работе с ним следует применять те же меры предосторожности, что и при работах с хлоратом калия.
Перхлораты
Перхлораты -соли хлорной кислоты НС104. Хлорная кислота в свободном состоянии чрезвычайно нестойка: на воздухе дымит, легко взрывает в присутствии горючих веществ, воспламеняет бумагу, дерево. Водный раствор ее безопасен.
Соли хлорной кислоты -перхлораты -более стойки, чем хлораты. Это объясняется тем, что реакция разложения перхлоратов происходит с поглощением тепла. В пиротехнике применяется перхлорат калия.
Перхлорат калия (или хлорнокислый калий) КСЮ4, молекулярный вес 138,56; представляет собой белый кристаллический порошок, слабо растворяющийся в воде и негигроскопичный. При температуре 420° начинает разлагаться по уравнению:
4КС10. -> 2КСЮ3 + 2КС1 + 502-
При более энергичном нагревании или в смеси с горючими веществами разложение перхлората калия идет с образованием хлористого калия и кислорода по уравнению:
КС104 -> КС1 + 202 -где <2 -количество тепла, требуемое для разложения перхлората, равно 7,8 кг-кал.
Составы с перхлоратом менее чувствительны к механическим воздействиям, чем составы с хлоратами.
Перхлорат калия применяется в качестве окислителя; он дает более спокойное горение, чем хлорат калия. Работа с ним требует тех же мер предосторожности, что и с хлоратами. Перхлоратные составы обладают чувствительностью к трению и удару, хотя и в меньшей степени, чем хлоратные. Высокая стоимость перхлората калия ограничивает его применение.

Калиевую соль хлорноватой кислоты (одна из четырех кислородсодержащих кислот, образованных хлором: хлорноватистая - HClO, хлористая - HClO 2 , хлорноватая - HClO 3 , хлорная - HClO 4) принято называть хлорат калия, его формула - KClO 3 . Эта соль по внешнему виду представляет собой кристаллы (бесцветные), которые слабо растворяются в воде (при 20 С в 100 см3 воды растворяется всего 7,3 г соли), но с повышением температуры растворимость растет. Другое ее известное название - бертолетова соль. Молекулярная масса вещества составляет 122,55 атомных единиц массы, плотность - 2,32 г/см3. Соль плавится при 356 С, разлагается примерно при 400 С.

Открытие бертолетовой соли

Впервые (в 1786 году) хлорат калия получил французский химик Клод Бертолле. Он пропускал хлор через концентрированный горячий раствор гидроокиси калия. Уравнение реакции, по которому была получена соль, выглядит следующим образом: 3Cl 2 + 6KOH 5KCl + KClO 3 + 3H 2 O. В результате этой реакции хлорат калия выпадает в виде белого осадка. Так как он слабо растворяется в холодной воде, то легко отделяется от остальных солей при охлаждении раствора. С момента своего открытия бертолетова соль являлся наиболее распространенным и полезным продуктом из всех хлоратов. В настоящее время KClO 3 выпускается в промышленных масштабах.

Химические свойства

Бертолетова соль - сильный окислитель. При взаимодействии ее с концентрированной соляной кислотой (HCl) выделяется свободный хлор. Этот процесс описывается уравнением химической реакции: 6HCl + KClO 3 3Cl + KCl + 3 H 2 O. Как и все хлораты, это вещество сильно ядовито. В расплавленном виде KClO3 энергично поддерживает горение. В смеси с легко окисляющимися веществами (восстановителями), такими как сера, фосфор, сахар и другие органические вещества хлорат калия взрывается от удара или трения. Чувствительность к этим воздействиям усиливается в присутствии солей аммония и броматов. При осторожном (нагревание до 60 С) окислении калия хлората с кислотой щавелевой получают двуокись хлора, процесс протекает по уравнению реакции: 2KClO 3 + H 2 C 2 O 4 K 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O + 2ClO 2 . Окись хлора находит применение при отбеливании и стерилизации различных материалов (бумажной массы, муки и прочее), а также может быть использована для обесфеноливания сточных вод химических заводов.

Применение калия хлората

Из всех хлоратов бертолетова соль находит самое широкое применение. Она используется в производстве красителей, спичек (делают горючее вещество спичечной головки, сырьем является увлажненный хлорат калия по ТУ 6-18-24-84), фейерверков, дезинфицирующих средств, диоксида хлора. Из-за высокой опасности составов с хлоратом калия они практически не применяются в производстве взрывчатых веществ для промышленных и военных целей. Очень редко хлорат калия применяется в качестве инициирующего взрывчатого вещества. Иногда используется в пиротехнике, в результате получают цветнопламенные составы. Раньше соль применяли в медицине: слабые растворы этого вещества (KClO 3) некоторое время применялись как антисептик для наружного полоскания горла. Соль в начале 20 века использовали для получения кислорода в лабораторных условиях, но из-за опасности экспериментов они были прекращены.

Получение калия хлората

Одним из следующих способов: хлорированием гидроокиси калия, в результате обменной реакции хлоратов с другими солями, электрохимическим окислением в водных растворах хлоридов металлов - может быть получена бертолетова соль. Получение ее в промышленных масштабах чаще осуществляют по реакции диспропорционирования гипохлоритов (солей хлорноватистой кислоты). Технологически процесс оформляют по-разному. Чаще в его основе лежит реакция между хлоратом кальция и хлоридом калия: Ca(ClO3) 2 + 2KCl 2KClO 3 + CaCl 2 . Затем образовавшаяся бертолетова соль из маточного раствора выделяется методом кристаллизации. Также хлорат калия получают по модифицированному методу Бертолле при электролизе хлорида калия: образующийся при электролизе хлор взаимодействует с калия гидроксидом, образовавшийся гипохлорит калия KClO диспропорционирует затем на калия хлорат KClO 3 и исходный калия хлорид KCl.

Разложение хлората калия

При температуре примерно 400 С происходит разложение бертолетовой соли. В результате выделяется кислород и перхлорат калия: 4KClO3 KCl + 3KClO 4 . Следующая стадия разложения протекает при температуре от 550 до 620 С: KClO4 2O 2 + KCl. На катализаторах (ими могут быть оксид меди CuO, оксид железа (III) Fe 2 O 3 или оксид марганца (IV) MnO 2) разложение протекает при более низкой температуре (от 150 до 300 С) и в одну стадию: 2KClO 3 2KCl + 3O 2 .

Меры безопасности

Бертолетова соль является неустойчивым взрывоопасным химическим веществом, которое может взорваться при перемешивании, хранении (например, рядом с восстановителями на одной полке в лаборатории или в одном складском помещении), измельчении или других операциях. В результате взрыва может наступить увечье или даже последовать летальный исход. Поэтому при получении, использовании, хранении или транспортировке хлората калия должны соблюдаться требования ФЗ 116. Объекты, на которых организованы эти процессы, относятся к опасным производственным объектам.

P.S. Вы спросите, а зачем оно вам нужно, ведь этот реагент в школе не применяется. Отвечаю: для общего развития, чтобы не окуклиться внутри школьной программы окончательно.

Приложение.

"...Приучая к цирку, Карандаш посвящал нас во всякие клоунские хитрости. Один из первых "секретов", которые он раскрыл,- изготовление хлопушек. Еще занимаясь в студии, я видел, как во время исполнения некоторых клоунад на манеже со страшным треском и дымом эффектно взрывались хлопушки. Спросив у одного из старых клоунов, как их делают, услышал уклончивое: "Сами делаем, есть такой состав".
Карандаш тоже сам готовил хлопушки. Сначала я наблюдал со стороны, как он священнодействует, а потом начал ему помогать: нарезал бумагу длинными полосками, готовил тоненькие веревочки с узелками, разогревал столярный клей и, узнав наконец, как готовится взрывчатая смесь, получил разрешение самостоятельно сделать пару хлопушек.
Маленькие, аккуратные, с виду напоминающие конфетки с двумя петельками на концах, они развешивались для просушки. Через несколько часов, высохнув, хлопушки готовы для работы. Стоило такую "конфетку" дернуть за петельку раздавался взрыв с огнем и дымом. Взрыв, оглушительный по звуку. Хлопушка штука опасная. У одного воздушного гимнаста хлопушкой оторвало палец на руке, видел я и клоунов с лицами, покрытыми синенькими точками,-тоже результат неосторожного обращения с хлопушкой.
В Ленинграде, обнаружив, что запасы бертолетовой соли на исходе ("бертолетка" входит в состав взрывчатой смеси), Карандаш попросил меня раздобыть ее.
Зная, что "бертолетка"-взрывчатое вещество, я сразу представил себе, какие трудности и неимоверные хлопоты ожидают меня.
- Михаил Николаевич, а где ж искать "бертолетку"? - наивно спросил я Карандаша.
- Ну, Никулин, проявите находчивость,-сказал он так же, как не раз говорил мне в армии старший военфельдшер Бакуров.
Но все вышло необычайно просто. Когда я спросил старшего униформиста, пожилого человека, отлично знающего цирк, где клоуны обычно достают "бертолетку", он сказал:
- Иди в Ботанический сад к сторожу. Там "бертолеткой" от каких-то мошек посыпают дорожки.
Я поехал на Петроградскую сторону. Нашел в Ботаническом саду сторожа и попросил его помочь мне. Сторож открыл сарай, и я увидел там бочку, наполненную огромными кусками бертолетовой соли. Завернув в газету кусок примерно с килограмм, я принес его в цирк. Карандаш ахнул:
- Сколько заплатили?
- Ничего,- ответил я.
- Ну и чудненько, спасибо, крошка ("крошка"- еще одно любимое слово Карандаша). Теперь нам хватит лет на пять!
Я радовался. Карандашу угодил и себе про запас отложил граммов двести".

Cтраница 1

Разложение хлората калия ускоряют катализаторы: МпСЬ, РезОз, Сг2Оз, СиО, кварцевый песок и некоторые другие. В их присутствии разложение хлората калия происходит легче, кислород выделяется равномерно.  

Для разложения хлората калия используют кругяодвнную реакционную келбу, снабженную впаянной, капельное воронкой и отводной трубкой. Газовая смесь поступает в промывную склянку с 10 % - иым раствором бикарбоната натрия для очистки от хлора н затем через колонку с хлоридом кальция и трубку с пятиокнсью фосфора поступает в конденсатор, охлаждаемый смесью из твердой углекислоты и ацетона. Для откачивания нескоидеиси-рованных газов используют вакуумные насос, присоединяемый к конденсатору.  

Для разложения хлората калия используют круглодонную реакционную Колбу, снабженную впаянной капельной воронкой и отводной трубкой. Газовая смесь поступает в промывную склянку с 10 % - иым раствором бикар - / 5оната натрия для очистки от хлора я затем через колонку с хлоридом каль-цй я и трубку с пятиокисью фосфора поступает в конденсатор, охлаждаемый смесью из твердой углекислоты и ацетона. Для откачивания яескоидеиси-рованиых газов используют вакуумный насос, присоединяемый к конденсатору.  

Реакция разложения хлората калия экзотермична.  

Таким катализатором для разложения хлората калия является двуокись марганца - черное вещество, имеющее формулу МпОг. Если предварительно к хлорату калия прибавить небольшое количество двуокиси марганца и хорошо их смешать, то при нагревании задолго до плавления соли начнется бурное выделение кислорода.  

Для получения кислорода удобно воспользоваться реакцией разложения хлората калия при нагревании в присутствии пиролюзита или двуокиси марганца. С целью более равномерного и спокойного выделения кислорода к хлорату калия рекомендуется прибавить хлористый натрий в качестве разбавителя.  

Теперь вам должно быть под силу записать уравнение реакции разложения хлората калия при нагревании. Хлорат калия разлагается при этом на хлорид калия и кислород.  

Если для опытов нужно относительно большое количество кислорода, то разложение хлората калия ведут не в пробирке, а в реторте. Следует показать учащимся практические приемы работы с ретортой.  

Учащимся объясняют, что небольшие количества кислорода в лабораторных условиях получают путем разложения хлората калия (бертолетовой соли) в закрытой пробирке с газоотводной трубкой или в реторте.  

При термическом разложении карбоната кальция образуются оксид кальция и оксид углерода (IV), а при разложении хлората калия - хлорид калия и кислород.  

Такие примеси, как Mn02, Mn30 Fe203, CuO, песок и даже толченое стекло значительно понижают температуру разложения хлората калия.  

Разложение хлората калия ускоряют катализаторы МпО2, Fe2O3, Cr2O3, CuO, кварцевый песок и др. В их присутствии разложение хлората калия происходит легче, кислород выделяется равномерно.  

Из сравнения свойств составов с окислителями - КС1О3, RC1O4 и KNO3 - следует, что наибольшей чувствительностью обладают хлор атные составы, так как процесс разложения хлората калия протекает уже при сравнительно низкой температуре - 350 С и в отличие от процессов - разложения других окислителей сопровождается выделением ощутимого количества тепла.  

Катализатором называется такое вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само при этом химически не изменяется. Катализатором, ускоряющим разложение хлората калия и перекиси водорода, является двуокись марганца. После окончания реакции легко обнаружить, что двуокись марганца не изменилась, поэтому в химическом уравнении мы ее не записываем. Каталитическая активность вещества специфична.