Получение калий йодата и изучение некоторых его свойств

Управление образования

Администрации Советского района г. Минска

Мельгуй Александра Сергеевна, СШ 64, 9"А"

ул. Кольцова, д.22, кв.98, т. 262-93-64

Левченко Сергей Владимирович, СШ 64, 9"Г"

ул. Осипенко, д.39, кв. 47, т. 233-57-92

Получение калий йодата и изучение некоторых его свойств

Секция химии

Научный руководитель:

Шабуня Вера Павловна,

учитель химии СШ 64

Минск, 2004/2005

ВВЕДЕНИЕ

Наше исследование проводилось в рамках школьного химико-биологического проекта «Что вы знаете про йод?».

Проект реализуется в течение этого учебного года силами учащихся девятых и десятых классов средней школы № 64. Проект представляет собой серию акций, призванных привлечь внимание сверстников к проблеме йодного дефицита и способам его профилактики.

Данная работа посвящена проблеме правильного использования йодированной соли.

Актуальность темы. По данным СМИ [2] йододефицитные состояния выявлены у более 80 % белорусских детей и подростков.

Мы провели анкетирование в 9-х и 10-х классах нашей школы и установили, что 34 % опрошенных регулярно принимают йодсодержащие препараты и употребляют в питании йодированную соль. Пятая часть опрошенных (примерно 21 %) надеются устранить недостаток йода в организме только с помощью йодированной соли и некоторых продуктов питания. Таким образом, большинство опрошенных (55 %) использует с профилактической целью йодированную соль.

По современным стандартам [1] йодирование поваренной соли предполагает внесение в нее 40±15 мг йода на кг соли в виде калий йодата KIO₃.

Суточная доза йода, необходимая для нормального функционирования организма, содержится в 5-6 г йодированной соли. Однако вследствие неправильного использования такой соли можно не достичь желаемого результата, так как в результате химических реакций йод может улетучиться, не попав в организм человека.

Цель и задачи исследования. Целью работы является изучение действия на калий йодат веществ-восстановителей, способных вступить в контакт с йодирующей добавкой в процессе приготовления пищи, и выработка рекомендаций для потребителей йодированной соли.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- получить препарат калий йодата с содержанием в нем KIO₃ не менее 99 %;

- сделать количественный анализ содержания калий йодата в полученном препарате;

- произвести очистку полученного препарата до необходимой чистоты;

- изучить влияние на раствор калий йодата веществ-восстановителей, способных вступить в контакт с йодирующей добавкой в процессе приготовления пищи;

- изучить влияние солевого фона и кислотности раствора на процесс восстановления йода из калий йодата;

- выработать рекомендации для потребителей йодированной соли.

1. ПРОБЛЕМА ЙОДНОЙ НЕДОСТАТОЧНОСТИ В БЕЛАРУСИ

ЙОД - это микроэлемент питания, необходимый для нормального функционирования щитовидной железы, где вырабатываются гормоны, которые его удерживают и необходимы для нормальной жизнедеятельности всего организма. Из-за недостатка йода в окружающей среде, а, значит, и в человеческом организме, у человека может снижаться интеллект, нарушаться рост и половое развитие, а в отдельных случаях - возникать рак щитовидной железы.

Что касается Беларуси, то, по определению наших ученых, в республике повсеместно наблюдается йодная недостаточность легкой и средней тяжести, из-за чего «больными» можно считать порядка 120 тысяч человек. [3]

По мнению известного белорусского врача-диетолога, доктора медицинских наук, профессора кафедры гастроэнтерологии Белорусской медицинской академии последипломного образования Ивана Броновца [2], в БЕЛАРУСИ необходимо делать акцент на потребление таких микроэлементов как йод и селен. Малая обеспеченность йодом и селеном белорусской почвы и воды - основная причина недостатка их в местных продуктах питания. Йододефицитные состояния выявляются более чем у 80% детей и подростков.

Медики разработали программу по введению йода в продукты питания. Вступило в силу постановление Совета Министров РБ «О предупреждении заболеваний, связанных с дефицитом йода». В документе, принятом в целях профилактики заболеваний, связанных с дефицитом йода, отмечается, что юридические лица и индивидуальные предприниматели должны использовать при производстве пищевых продуктов (за исключением переработки морской рыбы и морепродуктов) только йодированную соль.

По данным Минздрава, в нашей стране не выполняются рекомендации Всемирной организации здравоохранения, согласно которым каждый новорожденный должен получать 40 микрограммов йода в сутки. Исследования, проведенные специалистами Минздрава, свидетельствуют о том, что только 6 % детей получают с молоком матери ежесуточную норму йода.

Как известно, проблема йодного дефицита дала о себе знать и в связи с чернобыльской катастрофой. Если бы население БЕЛАРУСИ получало достаточное количество йода, то радиоактивный йод не нашел бы себе места в щитовидной железе и не вызвал бы рост числа ее онкологических заболеваний. По словам главного государственного санитарного врача, заместителя министра здравоохранения страны Валерия Филонова, заболевания, обусловленные дефицитом йода, представляют собой существенную проблему для населения БЕЛАРУСИ. «Вследствие недостаточного потребления йода наши дети теряют до 10 % своего интеллектуального потенциала, хуже учатся и осваивают современные профессии», - подчеркнул врач. По его словам, йодированная пищевая поваренная соль является безопасным, экономичным и проверенным временем способом профилактики заболеваний, вызванных дефицитом йода. [4]. Йодированную соль в Беларуси производит ОАО «Мозырьсоль». Мозырская соль по своим основным показателям считается одной из лучших в мире. Согласно государственному стандарту (ГОСТ 13830, ТУ РБ 101191824.405) эта соль обогащена йодатом калия. Содержание йода составляет 40 ± 15 мг йода на кг соли. На белорусский рынок поступает также аналогичный продукт, который производит украинское ГПО «Артемсоль» (см. образцы упаковок в приложении).

Известно, что калий йодат является окислителем и в определенных условиях восстанавливается до молекулярного йода, что может привести к потере ценного микроэлемента. Однако на упаковках йодированной соли, выпускаемой в Мозыре и в Донецкой области Украины, мы не обнаружили каких-либо рекомендаций по правильному использованию этой соли, и поэтому решили разработать их самостоятельно.

2. ПОЛУЧЕНИЕ КАЛИЙ ЙОДАТА

Для изучения свойств йодирующей добавки необходимо было в первую очередь получить чистый препарат калий йодата.

В литературе описано несколько методик получения этой соли.

Можно использовать, например, реакцию нейтрализации кислой соли KIO₃ • HIO₃ раствором калий гидроксида (2), а кислую соль, первоначально, получить из бертолетовой соли по уравнению (1) [5]:

2KClO₃ + I₂ + HCl = KIO₃ • HIO₃ + Cl₂^ + KCl (1)

KIO₃ • HIO₃ + КОН = 2KIO₃ + H₂O (2)

Для воспроизведения в школьной лаборатории эта методика не годится, так как в ней используется взрывчатая бертолетова соль, а в процессе синтеза выделяется ядовитый хлор.

Другая методика [6,7] также предполагает проведение синтеза KIO₃ в две стадии по схеме:

_{1 стадия 2 стадия}

I₂ > HIO₃ > KIO₃

Сначала получают йодноватую кислоту путем окисления йода хлором в присутствии воды (3) или азотной кислотой (4):

I₂ + 5Cl₂ + 6H₂O = 2HIO₃ + 10HCl (3)

3I₂ + 10 HNO₃ = 6HIO₃ + 10NO + 2H₂O (4)

Во второй стадии йодноватую кислоту нейтрализуют раствором калий гидроксида. Эту методику также не желательно воспроизводить в школе, так как в одном случае применяется хлор, а во втором в результате реакции выделяется ядовитый азот(II) оксид.

Мы предлагаем получать калий йодат в школьной лаборатории по известной реакции йода со щелочью (5):

3I₂ + 6KOH = 5KI + KIO₃ +3H₂O (5)

В результате этой реакции образуются две соли - калий йодид и калий йодат [5].

Продукты реакции обладают различной растворимостью в воде [8]: s²⁰ (KIO₃) = 8,1г/100 г воды, а s²⁰ (KI) = 144,5г/100 г воды, поэтому их не сложно разделить и очистить перекристаллизацией.

В реакции (5) не используются и не выделяются ядовитые вещества.

Кроме того, исходные вещества - кристаллический йод и щелочь, есть практически в каждой школе.

2.1 МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ КАЛИЙ ЙОДАТА

35 г калий гидроксида растворили в 65 мл воды, раствор охладили до 40^оС. В полученный раствор порциями при энергичном помешивании добавили 65 г йода. В начале реакции окраска йода быстро исчезает, в конце раствор приобретает устойчивый желто-коричневый цвет. На дне реакционного сосуда появляется белый осадок.

Осадок отделили на воронке Бюхнера, быстро промыли холодной водой (1 раз) и спиртом (2 раза). Сушили на воздухе в течение суток. При добавлении в маточный раствор нескольких миллилитров спирта выпало еще некоторое количество осадка. Суммарный выход продукта составил 15,8 г.

По данным анализа до перекристаллизации продукт содержал ~ 95 % KIO₃.

Для перекристаллизации взяли 10,3 г продукта и растворили в 100 г горячей воды. Раствор упарили до начала кристаллизации, охладили, осадок отфильтровали и высушили на фильтре в течение 2 суток. В результате получили 8 г вещества с содержанием KIO₃ ~ 99 %.

Таким образом, в пересчете на чистый калий йодат практический выход продукта составил ~ 57 % от теоретически возможного.

3. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ ПРЕПАРАТОВ КАЛИЙ ЙОДАТА

Неперекристаллизованный препарат, полученный по методике, описанной выше, содержал примесь калий йодида.

Это легко обнаруживалось при слабом подкислении раствора данного препарата (до рН 3-4), так как при этом выделялось заметное количество йода. Происходящий процесс описывается следующим уравнением:

IO₃^- + 5I^- + 6H⁺ > 3I₂ + 3H₂O (6)

^{примесь}

Из уравнения следует, что количество выделившегося йода должно быть пропорционально количеству примеси, поэтому первоначально мы предполагали определить массовую долю примеси, оттитровав йод тиосульфатом:

I₂ + 2S₂O₃^2- > S₄O₆^2- + 2I^- (7)

Однако, в процессе титрования (7) йод восстанавливается до йодида, который в свою очередь будет повторно окисляться избытком йодата до йода по уравнению (6). В таких условиях невозможно получить стабильные результаты анализа.

Выход из положения был найден следующим образом - к исследуемому веществу мы добавили заведомый избыток калий йодида, то есть создали условия, в которых количество выделившегося йода будет пропорционально количеству йодата (8).

IO₃^- + 5I^- + 6H⁺ > 3I₂ + 3H₂O (8)

^{избыток}

В таких условиях при титровании тиосульфатом мы получили однозначный результат и по количеству выделившегося йода смогли рассчитать количество калий йодата, содержащееся в образце.

3.1 МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ АНАЛИЗА

К навеске исследуемого препарата добавляем восьмикратный (по массе) избыток калий йодида. Смесь растворяем в небольшом количестве воды и подкисляем 0,1 М раствором серной кислоты до рН 1. Выделившийся йод титруем 0,1 М раствором тиосульфата от темно-коричневой до светло-желтой окраски раствора, затем добавляем три капли 1%-ного раствора крахмала и титруем до полного обесцвечивания раствора.

Масса калий йодата (в мг), содержащаяся в навеске, вычисляется по формуле:

m(KIO₃) = V(Na₂S₂O₃) • 0,1 • 214 У 2 У 3,

где V(Na₂S₂O₃) - объем 0,1 М раствора Na₂S₂O₃ (в мл).

Массовая доля KIO₃ в исследуемом препарате вычисляется по формуле:

щ(KIO₃) = m(KIO₃) У m(навески) • 100 %

Примечание: Для подкисления анализируемой смеси нельзя использовать соляную кислоту, так как в присутствии хлорид-ионов в кислых растворах йодат окисляет йодид или йод до состояния окисления +1 с образованием иона ICl₂^- [9]. В таких условиях может протекать практически до конца следующая реакция:

IO₃^- + 2I₂ + 10Cl^- + 6H⁺ > 5ICl₂^- + 3H₂O (9)

В результате реакции молекулярный йод исчезает и не обнаруживается даже с помощью чувствительной реакции с крахмалом.

Таблица 1. Результаты анализа неочищенного продукта

m(навески)	V(Na2S2O3) 0,1 М	m(KIO3)	щ(KIO3)
1) 250 мг 2) 250 мг 3) 250 мг	66,7 мл 66,2 мл 67,0 мл	238 мг 236 мг 239 мг	95,2 % 94,4 % 95,6 %
			Сред. ~ 95 %

Таблица 2. Результаты анализа перекристаллизованного продукта

m(навески)	V(Na2S2O3) 0,1 М	m(KIO3)	щ(KIO3)
1) 250 мг 2) 250 мг 3) 250 мг	69,5 мл 69,2 мл 69,0 мл	248 мг 247 мг 246 мг	99,2 % 98,8 % 98,4 %
			Сред. ~ 99 %

4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КАЛИЙ ЙОДАТА С ВЕЩЕСТВАМИ-ВОССТАНОВИТЕЛЯМИ

Мы изучали поведение калий йодата в восстановительной среде. При этом выбирались такие вещества, с которыми может произойти контакт йодированной соли в процессе приготовления пищи.

Мы исследовали действие на калий йодат аскорбиновой кислоты, глюкозы, некоторых органических кислот, а также алюминия, так как из него изготавливают кухонную посуду.

Окислительные свойства калий йодата проявляются в кислой среде, которая может быть в пищевых продуктах. Для подкисления растворов мы использовали различные кислоты: лимонную, уксусную, серную и соляную, хотя не все они применяются в кулинарии. Результаты опытов представлены в таблице 3 и 4.

Таблица 3. Результаты опытов с различными восстановителями

Реагенты	рН смеси	Наблюдения
1) 0,1 М KIO3 + алюминиевые опилки	рН 6-7	Йод не обнаружен
2) 0,1 М KIO3 + алюминиевые опилки + раствор уксусной кислоты	рН 3-4	На поверхности алюминиевых опилок в присутствии крахмала появляется синее окрашивание
3) 0,1 М KIO3 + раствор глюкозы	рН 6-7	Йод не обнаружен
4) 0,1 М KIO3 + раствор глюкозы + раствор уксусной кислоты	рН 3-4	Йод не обнаружен
5) 0,1 М KIO3 + раствор глюкозы + раствор уксусной кислоты	рН 1-2	Йод не обнаружен
6) 0,1 М KIO3 + молочная сыворотка (содержит молочную кислоту)	рН 4-5	Йод не обнаружен
7) 0,1 М KIO3 + раствор лимонной кислоты	рН 3-4	Йод не обнаружен

Таблица 4. Результаты опытов с аскорбиновой кислотой в зависимости от кислотности раствора

Реагенты	рН смеси	Наблюдения
1) 0,1 М KIO3 + раствор аскорбиновой кислоты	рН 5-6	Йод не обнаружен
2) 0,1 М KIO3 + раствор аскорбиновой кислоты + раствор лимонной кислоты	рН 3-4	Раствор желто-коричневый, много йода
3) 0,1 М KIO3 + раствор аскорбиновой кислоты + раствор лимонной кислоты	рН 1-2	Раствор желто-коричневый, много йода
4) 0,1 М KIO3 + раствор аскорбиновой кислоты + раствор уксусной кислоты	рН 3-4	Раствор желто-коричневый, много йода
5) 0,1 М KIO3 + раствор аскорбиновой кислоты + раствор уксусной кислоты	рН 1-2	Раствор желто-коричневый, много йода
6) 0,1 М KIO3 + раствор аскорбиновой кислоты + раствор соляной кислоты	рН 2-3	Раствор желто-коричневый, много йода
7) 0,1 М KIO3 + раствор аскорбиновой кислоты + раствор соляной кислоты	рН < 1	Желто-коричневая окраска йода исчезает, в присутствии крахмала раствор не синий, а бледно-розовый
8) 0,1 М KIO3 + раствор аскорбиновой кислоты + раствор серной кислоты	рН 2-3	Раствор желто-коричневый, много йода
9) 0,1 М KIO3 + раствор аскорбиновой кислоты + раствор серной кислоты	рН < 1	Раствор желто-коричневый, много йода

5. ВЛИЯНИЕ СОЛЕВОГО ФОНА НА ПРОЦЕСС ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЙОДА ИЗ ЙОДАТА

Мы обнаружили интересный факт в опытах с соляной кислотой (опыты 6,7, таблица 4). Оказалось, что в солянокислой восстановительной среде йод, выделившийся из йодата, исчезает при рН <1. В научной литературе [7, 9,10] есть объяснение этому факту. В указанных выше условиях происходит образование межгалогенного соединения ICl, в котором йод проявляет степень окисления +1. ICl - твердое вещество красного цвета, т. пл. + 27^оС, т. кип. +97^оС (разл.) [7]. Это соединение стабилизируется высокой концентрацией хлорид-анионов с образованием комплексного иона ICl₂^- .

Мы предположили, что комплексный ион ICl₂^- может образовываться при восстановлении йодирующей добавки из поваренной соли в кислой среде, так как там всегда будет значительный избыток хлорид-ионов. В таком случае можно было бы не опасаться потерь йода за счет летучести.

Для подтверждения этого факта мы провели ряд опытов по изучению влияния солевого фона на процесс восстановления йодата. Результаты представлены в таблице 5.

Из полученных нами данных следует, что при высокой кислотности на солевом фоне действительно может образоваться ион межгалогенного соединения ICl₂^- (опыт 5, таблица 5). В этом опыте йод не обнаруживается даже в присутствии крахмала. В описанных выше опытах кислотность определялась с помощью универсального индикатора, то есть, очень приблизительно.

Таблица 5. Влияние солевого фона на процесс восстановления йода из йодата

Реагенты	рН смеси	Наблюдения
1) Насыщенный раствор поваренной соли + 0,1 М KIO3	рН 6	Раствор бесцветный, прозрачный
2) Насыщенный раствор поваренной соли + 0,1 М KIO3 + раствор аскорбиновой кислоты	рН 5	Йод не обнаружен
3) Насыщенный раствор поваренной соли + 0,1 М KIO3 + раствор аскорбиновой кислоты + раствор лимонной кислоты	рН 3-4	Раствор желто-коричневый, много йода
4) Насыщенный раствор поваренной соли + 0,1 М KIO3 + раствор аскорбиновой кислоты + раствор лимонной кислоты	рН 2	Раствор желто-коричневый, много йода
5) Насыщенный раствор поваренной соли + 0,1 М KIO3 + раствор аскорбиновой кислоты + раствор лимонной кислоты	рН 1	Желто-коричневая окраска йода исчезает, в присутствии крахмала раствор не синий, а бледно-розовый

Для уточнения данных мы провели количественный эксперимент по изучению образования йода из йодата на солевом фоне в зависимости от кислотности раствора. Для этого была приготовлена колориметрическая шкала растворов с различным содержанием йода с добавкой крахмала и без крахмала.

Для опытов мы готовили смесь следующего состава: 10 мл насыщенного раствора нейодированной поваренной соли + 2 мл калий йодата (0,01 М) + 1 мл аскорбиновой кислоты (2,5 % или 0,07 М) + определенное количество капель серной кислоты (0,25 М) + вода до общего объема 20 мл. Объем капли серной кислоты был равен 0,04 мл. К части испытуемого раствора добавляли 5 капель крахмала.

Результаты эксперимента представлены в таблице 6.

Таблица 6. Влияние кислотности на процесс восстановления йода из йодата на солевом фоне

Число капель H2SO4 (0,25 M)	C(H+)	C(I2)	Цвет смеси с крахмалом
2 3 4 5 10 15 20 28 30	2•10-3 3•10-3 4•10-3 5•10-3 10•10-3 15•10-3 20•10-3 28•10-3 30•10-3	Йода нет 0,0005 0,001 0,002 0,0016 (+ ICl) 0,0012 (+ ICl) 0,0008 (+ ICl) 0,0002 (+ ICl) только ICl	Бесцветный Синий Темно-синий Сине-черный Темно-синезеленый Грязно-зеленый (хаки) Коричневый с зеленоватым оттенком Коричневато-желтый Розовато-желтый

Из полученных данных следует, при С(Н⁺) = 1 • 10^-2 моль/л, то есть, при рН 2 наряду с образованием йода возникает небольшое количество межгалогенного соединения. Цвет раствора при этом приобретает характерный оттенок, обусловленный наложением синего и желтовато-красного цвета. При дальнейшем повышении кислотности цветовая гамма постепенно меняется.

В конце эксперимента при С(Н⁺) = 3 • 10^-2 моль/л раствор становится желтовато-розовым, следовательно, йод в присутствии крахмала не обнаруживается.

Таким образом, можно сделать вывод, что для образования межгалогенного соединения из йодата на солевом фоне необходимо создать высокую концентрацию кислоты (рН < 2). В пищевых продуктах не бывает такой кислотности, следовательно, йодат будет восстанавливаться до йода, и существует реальная угроза его потери за счет испарения.

На основании полученных экспериментальных данных мы сформулировали правила для потребителей йодированной соли, соблюдение которых поможет предотвратить потерю микроэлемента йода в процессе приготовления пищи.

5.1 РЕКОМЕНДАЦИИ ПОТРЕБИТЕЛЯМ ЙОДИРОВАННОЙ СОЛИ

Известно, что калий йодат, применяемый для йодирования поваренной соли, в определенных условиях превращается в молекулярный йод.

I₂ - летучее вещество, которое легко удаляется из продуктов питания. Для предотвращения потери йода, вносимого с йодированной поваренной солью, необходимо соблюдать следующие правила:

1. Блюда с малой кислотностью (картофель, макароны, каши) можно солить как в начале, так и в конце варки. В таких условиях калий йодат устойчив.

2. Салаты, заправляемые уксусом или лимонным соком, следует солить только перед подачей на стол.

3. Горячие блюда с томатной заправкой следует солить в конце приготовления или перед подачей на стол.

4. Нельзя использовать йодированную соль для квашения капусты, соления огурцов, приготовления маринадов.

5. Следует исключить использование алюминиевой посуды для приготовления кислых продуктов с йодированной солью.

ВЫВОДЫ

Таким образом, в результате проделанной работы:

1) Апробирована методика получения чистого препарата «калий йодат», приемлемая для воспроизведения в школьных условиях.

2) Модифицирована методика йодометрического анализа для количественного определения KIO₃ в полученном препарате.

3) Установлено, что существует реальная угроза потери йода, вносимого в пищевые продукты с йодированной солью.

4) Разработаны рекомендации для потребителей йодированной соли с учетом химических свойств йодирующей добавки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Филиппова И.А. Чудесный йод: целебный, доступный, загадочный. «Весь», Санкт-Петербург, 2004 г.

2. Ю. Туз, Селен насущный. Статья в газете «Аргументы и факты» от 20.10.04.

3. В. Зоркин, Передозировка не грозит. Статья в газете «Комсомольская правда» от 10.12.02.

4. Потребление йода полезно для … интеллекта. По сообщениям БелаПАН в газете «Ва-банкъ» от 7.05.01.

5. Карякин Ю.В., Ангелов И.И. Чистые химические вещества, «Химия», Москва, 1974 г.

6. Неницеску К. Общая химия, «Мир», Москва, 1968 г.

7. Ахметов Н.С. Неорганическая химия, «Высшая школа», Москва, 1969 г.

8. Рабинович В.А., Хавин З.Я., Краткий химический справочник, «Химия», Санкт-Петербург, 1994 г.

9. Скуг Д., Уэст Д. Основы аналитической химии, том 1, «Мир», Москва, 1979 г.

10. Химическая энциклопедия, том 3, «Советская энциклопедия», Москва, 1963 г.