Получение хлорида хлоропентаамминкобальта (III) [Co(NH3)CI]CI2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новосибирский Государственный Университет, Факультет Естественных Наук

Кафедра Неорганической химии

Контрольная работа

«Получение хлорида хлоропентаамминкобальта (III) [Co(NH₃)CI]CI₂»

Семинарист:

Тарабан Е.А.

Новосибирск 2009

Введение

Основой современной техники являются металлы и металлические сплавы. Разнообразные требования к металлическим материалам возрастают по мере развития новых отраслей техники.

Прогрессивно развивающиеся отрасли промышленности -- химическая, нефтяная, машиностроение, транспорт и другие -- основываются на широком применении высокопрочных и жаропрочных сплавов. Кобальт в виде порошка используют в основном в качестве добавки к сталям. При этом повышается жаропрочность стали, улучшаются ее механические свойства (твердость и износоустойчивость при повышенных температурах). Кобальт входит в состав твердых сплавов, из которых изготовляется быстрорежущий инструмент. Также кобальтовый сплав может использоваться для защиты от износа поверхностей деталей, подверженных большим нагрузкам. Твердый сплав способен увеличить срок службы стальной детали в 4-8 раз. Также стоит отметить магнитные свойства кобальта. Данный металл способен сохранять данные свойства после однократного намагничивания.

Добавление кобальта в стали позволяет им сохранять магнитные свойства при высоких температурах и вибрациях, а также увеличивает сопротивление размагничиванию. Так, например, японская сталь, содержащая до 60% кобальта, имеет большую коэрцитивную силу (сопротивление размагничиванию) и всего лишь на 2-3,5% теряет магнитные свойства при вибрациях. Магнитные сплавы на основе кобальта применяют при производстве сердечников электромоторов, трансформаторов и в других электротехнических устройствах. Стоит отметить, что кобальт также нашел применение в авиационной и космической промышленности. Кобальтовые сплавы постепенно начинают конкурировать с никелевыми, которые хорошо зарекомендовали себя и давно используются в данной отрасли промышленности. Сплавы, содержащие кобальт, используются в двигателях, где достигается достаточно высокая температура, в конструкциях авиационных турбин. Никелевые сплавы при высоких температурах теряют свою прочность (при температурах от 1038°С) и тем самым проигрывают кобальтовым.

В последнее время кобальт и его сплавы стали применяться при изготовлении ферритов, в производстве «печатных схем» в радиотехнической промышленности, при изготовлении квантовых генераторов и усилителей. Кобальтат лития применяется в качестве высокоэффективного положительного электрода для производства литиевых аккумуляторов. Силицид кобальта - отличный термоэлектрический материал и позволяет производить термоэлектрогенераторы с высоким КПД. Соединения кобальта, введенные в стекла при их варке, обеспечивают красивый синий (кобальтовый) цвет стеклянных изделий. При производстве керамики в настоящее время он служит не для получения синего цвета, а как компонент белого для компенсации желтого оттенка из-за примесей железа. Однако синие пигменты используются в красках и чернилах, а соединения кобальта применяются для ускорения процесса окисления и высыхания красок на масляной основе

Порошкообразный кобальт, а также его соединения служат катализаторами ряда органических реакций, из которых наибольшее значение имеют реакции гидроформилирования, гидрирования и дегидрирования.

Из искусственно радиоактивных изотопов Кобальт наибольшее значение имеет ⁶⁰Со с периодом полураспада Т_Ѕ = 5,27 года, широко используемый как гаммаизлучатель. В технике его применяют для гамма-дефектоскопии. В медицине - главным образом при лучевой терапии опухолей и для стерилизации медикаментов. Он служит также для уничтожения насекомых в зерне и овощах и для консервирования пищевых продуктов. Другие радиоактивные изотопы - ⁵⁶Со (Т_Ѕ = 77 суток), ⁵⁷Со (Т_Ѕ = 270 суток) и ⁵⁸Со (Т_Ѕ = 72 суток) как менее опасные (небольшой период полураспада) используют в качестве изотопных индикаторов при исследовании обмена веществ, в частности для изучения распределения Кобальта в организме животных.

Постоянно присутствуя в тканях животных и растений, кобальт влияет на обмен белка и синтез нуклеиновых кислот, на обмен углеводов и жиров, на окислительно-восстановительные реакции в животном организме. Кобальт стимулирует процессы кроветворения, участвует в синтезе витамина В₁₂ кишечной микрофлорой, входит в состав В₁₂-зависимых ферментов, является активатором некоторых ферментативных процессов. При недостатке Кобальта в рационе снижается продуктивность животных, нарушаются обмен веществ и кроветворение, у жвачных возникают эндемичные заболевания - акобальтозы. Кобальт участвует в ферментных системах клубеньковых бактерий, осуществляющих фиксацию атмосферного азота; стимулирует рост, развитие и продуктивность бобовых и растений ряда других семейств.

кобальт металлический хлорид соединение

1. История открытия

Несмотря на то, что металлический кобальт вряд ли использовался до начала XX века, его минералы применялись на протяжении тысячелетий для придания для придания синего цвета стеклу и изделиям из керамики. Так, он использовался в египетской посуде, датированной примерно 2600 годом до нашей эры, и в стеклянных бусах из Ирана (2250 г. до н.э.).

Несколько сот лет назад немецкая провинция Саксония была крупным по тем временам центром добычи серебра, меди и других цветных металлов. В рудниках случалось находить «нечистую» руду, которая по всем внешним признакам казалась серебряной, но при плавке получить из нее драгоценный металл не удавалось. Хуже того, при обжиге такой руды выделялся ядовитый газ(As₄O₆), отравлявший рабочих. Саксонцы объясняли эти неприятности вмешательством нечистой силы, коварного подземного гнома кобольда. От него же исходили и другие опасности, подкарауливающие рудокопов в подземельях. В 1735 г. шведский химик Георг Брандт выделил из этой «нечистой» руды серый со слабым розоватым оттенком неизвестный металл, который он назвал «кобальт королевский». В 1780 году Т. Бергман доказал, что это был новый элемент, имя «кобольд», или «кобальт», сохранилось и за ним.

2. Распространенность в природе и минералы

Кобальт занимает 32 место по распространенности, в земной коре его содержание 0,0029% от всей массы. Известно, что кобальт содержится более чем в 200 рудах, но лишь некоторые из них имеют промышленное значение. Наиболее важные из них: смальтит CoAs₂, кобальтин (кобальтовый блеск) CoAsS, линнеит (кобальтовый колчедан) Co₃S₄. Все они неизменно сопутствуют рудам никеля, железа, а также часто меди и свинца. Обычно кобальт получают как побочный продукт при извлечении этих металлов.

3. Получение в промышленности

Производство кобальта обычно организовано как вспомогательное при производстве меди или никеля, а методы получения сильно различаются в зависимости от того, с каким из металлов он сосуществует. В общем случае руду подвергают соответствующему обжигу, чтобы удалить пустую породу в виде шлака и получить «шпейзу» из смеси металла и оксидов. При использовании мышьяковистых руд АS₂О₆ конденсируют и получают ценный побочный продукт. При переработке медных руд после первичного процесса остается использованный электролит, из которого добавлением извести осаждают железо в виде гидроксида, а при дальнейшем электролизе выделяют кобальт. Из никелевых руд получают кислые сульфатные или хлоридные растворы, никель и кобальт разделяют одним из следующих методов:

а) осаждением кобальта в виде сульфида;

б) окислением кобальта и осаждением Со(ОН)₃;

в) подщелачиванием раствора при помощи NН₃ и удалением никеля либо в виде умеренно растворимого (NН₄)₂Ni(SО₄)₂. 6Н₂О, либо при помощи селективного восстановления до металла водородом под давлением;

г) анионным обменом, основанным на преимущественном образовании [СоС1₄]^2-.

4. Физические и химические свойства кобальта

Кобальт -- твердый металл, существующий в двух модификациях. При температурах от комнатной до 427 °C устойчива a-модификация (кристаллическая решетка гексагональная с параметрами а=0,2505 Нм и с=0,4089 Нм). Плотность 8,90 кг/дм³. При температурах от 427 °C до температуры плавления (1494 °C) устойчива b-модификация кобальта (решетка кубическая гранецентрированная). Температура кипения кобальта около 2960 °C. Кобальт -- ферромагнетик, точка Кюри 1121°C. Стандартный электродный потенциал Со⁰/Со²⁺ -0,29 B.

На воздухе компактный кобальт устойчив, при нагревании выше 300 °C покрывается оксидной пленкой (высокодисперсный кобальт пирофорен). С парами воды, содержащимися в воздухе, водой, растворами щелочей и карбоновых кислот кобальт не взаимодействует. Концентрированная азотная кислота пассивирует поверхность кобальта, как пассивирует она и поверхность железа.

Известно несколько оксидов кобальта. Оксид кобальта(II) СоО обладает основными свойствами. Он существует в двух полиморфных модификациях: a-форма (кубическая решетка), устойчивая при температурах от комнатной до 985 °C, и существующая при высоких температурах b-форма (также кубическая решетка). СоО можно получить или нагреванием в инертной атмосфере гидроксоркарбоната кобальта Со(ОН)₂СоСО₃, или осторожным восстановлением Co₃O_4.

Если нитрат кобальта Со(NO₃)₂, его гидроксид Со(ОН)₂ или гидроксокарбонат прокалить на воздухе при температуре около 700 °C, то образуется оксид кобальта Со₃О₄ (CoO·Co₂O₃). Этот оксид по химическому поведению похож на Fe₃О₄. Оба эти оксида сравнительно легко восстанавливаются водородом до свободных металлов:

Co₃O₄ + 4H₂ = 3Со + 4H₂O.

При прокаливании Со(NO₃)₂, Со(ОН)₂ и т. д. при 300 °C возникает еще оксид кобальта -- Со₂О₃.

При приливании раствора щелочи к раствору соли кобальта(II) выпадает осадок Со(ОН)₂, который легко окисляется. Так, при нагревании на воздухе при температуре немногим выше 100°C Со(ОН)₂ превращается в СоООН.

Если на водные растворы солей двухвалентного кобальта действовать щелочью в присутствии сильных окислителей, то образуется Со(ОН)₃.

При нагревании кобальт реагирует со фтором с образованием трифторида СоF₃. Если на СоО или СоCO₃ действовать газообразным HF, то образуется еще один фторид кобальта СоF₂. При нагревании кобальт взаимодействует с хлором и бромом с образованием, соответственно, дихлорида СоСl₂ и дибромида СоBr₂. За счет реакции металлического кобальта с газообразным НI при температурах 400-500°C можно получить дииодид кобальта СоI₂.

Сплавлением порошков кобальта и серы можно приготовить серебристо-серый сульфид кобальта СоS (b-модификация). Если же через раствор соли кобальта(II) пропускать ток сероводорода H2S, то выпадает черный осадок сульфида кобальта СоS (a-модификация):

CoSO₄ + H₂S = CoS + H₂SO₄

При нагревании CoS в атмосфере H₂S образуется Со₉S₈ с кубической кристаллической решеткой. Известны и другие сульфиды кобальта, в том числе Co₂S₃, Co₃S₄ и CoS₂.

С графитом кобальт образует карбиды Со₃C и Со₂С, c фосфором -- фосфиды составов СоP, Со₂P, СоP₃. Кобальт реагирует и с другими неметаллами, в том числе с азотом (возникают нитриды Со₃N и Co₂N), селеном (получены селениды кобальта CoSe и CoSe₂), кремнием (известны силициды Co₂Si, CoSi CoSi2) и бором (в числе известных боридов кобальта -- Со₃В, Со₂В, СоВ).

Металлический кобальт способен поглощать значительные объемы водорода, не образуя при этом соединений постоянного состава. Косвенным путем синтезированы два стехиометрических гидрида кобальта СоН₂ и СоН.

Известны растворимые в воде соли кобальта -- сульфат СоSO₄, хлорид СоСl₂, нитрат Со(NO3)₂ и другие. Интересно, что разбавленные водные растворы этих солей имеют бледно-розовую окраску. Если же перечисленные соли (в виде соответствующих кристаллогидратов) растворить в спирте или ацетоне, то возникают темно-синие растворы. При добавлении воды к этим растворам их окраска мгновенно переходит в бледно-розовую.

К нерастворимым соединениям кобальта относятся фосфат Со₃(PO4)₂, силикат Со₂SiO₄ и многие другие.

5. Координационные комплексные соединения

Для кобальта, как и для никеля, характерно образование комплексных соединений. Так, в качестве лигандов при образовании комплексов с кобальтом часто выступают молекулы аммиака NH₃. При действии аммиака на растворы солей кобальта(II) возникают амминные комплексы кобальта красного или розового цвета, содержащие катионы состава [Co(NH₃)_6n(H₂O)_n]²⁺. Эти комплексы довольно неустойчивы и легко разлагаются даже водой.

Значительно стабильнее амминные комплексы трехвалентного кобальта, которые можно получить действием аммиака на растворы солей кобальта (II) в присутствии окислителей(кислорода воздуха или перекиси водорода). Так, известны гексамминные комплексы с катионом [Co(NH3)6]³⁺ (эти комплексы желтого или коричневого цвета получили название лутеосолей), аквапентамминные комплексы красного или розового цвета с катионом [Co(NH₃)₅H2O]³ и др. В ряде случаев лиганды вокруг атома кобальта могут иметь различное пространственное расположение, и тогда существуют цис- и транс-изомеры соответствующих комплексов.

В качестве лигандов в комплексах кобальта могут выступать также анионы CN^-, NO^2- и другие.

При взаимодействии смеси водорода и СО с гидроксокарбонатом кобальта при повышенном давлении, а также взаимодействием под давлением СО и порошка металлического кобальта получают биядерный октакарбонил дикобальта состава Со₂(СО)₈. При его осторожном нагревании образуется карбонил Со₄(СО)₁₂. Карбонил Со₂(СО)₈ используют для получения высокодисперсного кобальта, применяемого для нанесения кобальтовых покрытий на различные материалы.

6. Получение хлорида хлоропентаамминкобальта (III)

[Co(NH₃)₅Cl]Cl₂ - тривиальное название - пурпуреосоль. Гранатово-красные блестящие кристаллы, устойчивые на воздухе, кристаллическая структура кубическая.

Альтернативный вариант синтеза:

20 г карбоната кобальта растворяют в возможно малом количестве соляной кислоты, разбавленной в соотношении 1 : 2, раствор фильтруют, а к фильтрату добавляют 250 мл концентрированного водного аммиака и раствор 50 г хлорида аммония в 250 мл воды. Через смесь пропускают в течение трех часов сильный ток воздуха для окисления. Во время окисления происходит образование хлорида хлоропентаамминкобальта. Наряду с этим образуются и другие аммиакаты кобальта. Для их разрушения к смеси прибавляют 150 г хлорида аммония и раствор выпаривают в фарфоровой чашке на водяной бане до выпадения заметного осадка. Затем к раствору добавляют небольшими порциями при непрерывном перемешивании разбавленную соляную кислоту до прекращения выделения углекислого газа. Кислый раствор нейтрализуют аммиаком и добавляют избыток его примерно в 10 мл; общий объем раствора должен составлять 400-500 мл. Раствор нагревают в течение 1 часа на водяной бане, прибавляют 300 мл концентрированной соляной кислоты, нагревают еще в течение 30-40 мин. до исчезновения осадка тетраммина кобальта и охлаждают.

Выделившийся при этом осадок хлорида хлоропентаамминкобальта отсасывают и промывают разбавленной соляной кислотой и спиртом. Выход продукта составляет 30-34 г. Для очистки соль растворяют в 300-400 мл 2%-ного раствора аммиака, раствор фильтруют и фильтрат после прибавления 300 мл концентрированной соляной кислоты кипятят в течение 30-40 мин. на водяной бане. После охлаждения отсасывают выделившийся осадок, промывают его разбавленной соляной кислотой и спиртом и высушивают на воздухе. Полученный продукт представляет собой красные кристаллы, плохо растворимые в воде.

Синтез хлорида хлоропентаамминкобальта:

В качестве начальных реагентов взяли 5 г гексагидрата кобальта (II), 10 г хлорида аммония, поместили в каноническую колбу емкостью 200 мл и прилили к ним 10 мл дистиллированной воды. Реакционную смесь перемешивали 30 минут на магнитной мешалке (для возможно более полного растворения солей). Продолжая перемешивать, прилить 30 мл 25%-го раствора аммиака, а затем постепенно, по каплям прилить 15 мл 20%-го раствора пероксида водорода.

2CoCl₂ + 8NH₃ + 2NH₄Cl + H₂O₂ = 2[Co(NH₃)₅Cl]Cl₂ + 2H₂O

Полученный раствор перемешивали при комнатной температуре еще 20 минут для завершения процесса окисления. При этом раствор окрасился в вино-красный цвет. Раствор нейтрализовали, приливая осторожно и постепенно приблизительно 14 мл концентрированной соляной кислоты (рН смеси контролировалось с помощью индикаторной бумаги). Для выделения кристаллов комплекса добавить к полученному раствору еще 10 мл концентрированной соляной кислоты, нагрели до кипения на электроплитке, затем охладили до комнатной температуры. Выпавший осадок профильтровали при пониженном давлении, промыв 5 мл воды, 5 мл этанола. Полученный препарат перенесли в тарированный бюкс, высушили на воздухе и взвесили.

Выход продукта:

В=(V/V₀)*100%,

где V₀ -теоретическое количество получившегося вещества,

V - количество получившегося вещества в ходе синтеза.

В=(0,021117/0,021)*100%=100,52%.

Процент выхода продукта ненормально велик, теоретически это можно объяснить недостаточным высыханием продукта.

Исследование свойств вещества:

1. При рассмотрении кристаллов под микроскопом четкой структуры определить не удалось, так как кристаллы были очень малы. Можно было увидеть разные по интенсивности окраски кристаллы: от бордовых до бесцветных. Такая разница в окраске обуславливалась потерей кристаллами молекул воды.

2. При нагревании вещества, прослеживалась следующая динамика:

1) при 115 ^оС кристаллы окрасились в синий цвет.

2) При 244 ^оС кристаллы начали плавиться.

3. При анализе вещества был рассчитан ИК-спектр.

ИК-спектор: этот спектр характеризует различные типы колебаний атомов, составляющих комплекс. Основные типы колебаний: валентные, связанные с изменением длины связей между атомами, деформационные, связанны с изменением угла между атомами.

Типы колебаний молекулы аммиака:

Симметричные валентные. Симметричные деформационные:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дважды вырожденные валентные: Дважды вырожденные деформационные:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

При снятии ИК-спектора продукта в области 4000-400 см^-1, были обнаружены характерные полосы поглощения:

Можно сделать вывод, что полученный спектр слабо отличается от спектров взятых из литературных данных.

4. электронные спектры поглощения - молекулярные спектры, обусловленные квантовыми переходами из одного электронного состояния в другое, при которых происходит поглощение кванта электромагнитного излучения. Спектр снимался в области 350-800 нм.

Расчёт молярных коэффициентов экстинкции дал следующий результат:

Е₁= 46,398

Е₂= 77.625

Для сравнения:

Полученный спектр:

Сравнив полученный ИК-спектр и электронный спектр поглощения с литературными данными, можно сделать вывод, что полученное вещество близко к необходимому, но в нем присутствуют различные примеси. Причины образования примесей: не идеальные условия проведения, недочеты в технике проведения.

5. Изучение химических свойств полученного вещества:

Для изучения химических свойств полученного вещества нам было предложено выполнить 3 реакции:

[Co(NH₃)₅Cl]Cl₂ + 3КОH = нет реакции

При растворении хлорида хлоропентаамминкобальта образовался розовый раствор, который со временем приобрел оранжевый оттенок, изменение цвета можно объяснить заменой аммиака во внутренней сфере комплекса водой, или хлора гидроксогруппой. Нет никаких обоснований предполагать, что гидроксид калия мог разрушить внутреннюю сферу комплекса, так как амминные комплексы кобальта (III) очень устойчивы. Для примера можно привести константу устойчивости для хлорида гексааминкобальта [Co(NH₃)₆]Cl₃, b₆ = 1,6. 10³⁵, константа устойчивости для хлорида хлоропентаамминкобальта приблизительно будет иметь порядок 10³⁰

2[Co(NH₃)₅Cl]Cl₂ + 3Na₂S = 2CoS + 6NaCl +10NH₃ + S

Прошла окислительно-восстановительная реакция, в итоге выпал черный осадок в виде мелких хлопьев сульфида кобальта (II), S^2- окислился до серы, но желтый осадок было не видно из-за черного сульфида кобальта (II).

[Co(NH3)₅Cl]Cl₂ + 2AgNO₃ = 2AgCl + [Co(NH3)₅Cl](NO₃)₂

Прошла обменная реакция без разрушения внутренней сферы комплекса, в итоге выпал белый осадок хлорида серебра, немного окрашенный в лиловые тона из-за присутствия катионов [Co(NH3)₅Cl]²⁺

Список используемой литературы

1) Гринвуд Н., Эрншо А. «Химия элементов».

2) «Практикум по неорганической химии» под редакцией Ю.Д. Третьякова.

3) Методическое пособие «Лабораторные работы по неорганической химии».

Составители: С.В. Корнеев, Г.А. Костин, Ю.В. Шубин, Г.И. Шамовская.

Размещено на Allbest.ru