سنتز نیترات پتاسیم از سایر مواد شیمیایی ( پرتال صنعت شرق )

مقدمه

در برخی از نقاط جهان، نیترات پتاسیم را می توان به سختی یافت، حداقل در مقادیر اقتصادی. مقرون به صرفه ترین شکل نیترات پتاسیم کود 13-0-46 است. با این حال، از آنجایی که این یک کود "تخصصی" است، در دسترس بودن آن می تواند محدود باشد. از سوی دیگر، نیترات آمونیوم (AN) یک کود معمولی و ارزان است (البته AN به دلیل محدودیت در فروش آن کمتر در دسترس است). مصرف جهانی سالانه حدود 20 میلیون تن است [1]، و در اکثر نقاط جهان برای انواع وسیعی از محصولات یافت می شود. اگرچه نیترات آمونیوم به طور بالقوه یک اکسید کننده بسیار مؤثر است، اما به دلیل دمای پایین احتراق و تمایل به خود خاموش شدن، مهار ظرفیت خود برای اکسید کننده پیشران موشک چالش برانگیز است و آب تولید شده خود به عنوان محصول اصلی احتراق را غرق می کند.

به این ترتیب، در واقع تصادفی است که نیترات پتاسیم را می توان به راحتی با استفاده از نیترات آمونیوم به عنوان ماده پایه سنتز کرد. این صفحه وب فرآیندی را توصیف می‌کند که روشی نسبتاً ساده و ایمن برای ساخت نیترات پتاسیم مصنوعی است که کاملاً خالص است و برای استفاده به عنوان اکسیدکننده پیشران موشک کاملاً مناسب است.

شرح سنتز

فرآیند سنتز شرح داده شده در اینجا شامل واکنش بین نیترات آمونیوم و هیدروکسید پتاسیم (KOH) است که در یک محلول آبی رخ می دهد. هیدروکسید پتاسیم همچنین به عنوان "پتاس سوز آور" شناخته می شود و یک ماده شیمیایی رایج و نسبتا ارزان است که به طور گسترده در صنعت استفاده می شود [2] [3]. KOH به شکل گلوله معمولاً با خلوص 98٪ موجود است (کربنات پتاسیم ناخالصی معمول است). KOH بسیار رطوبت سنجی است و محصول تجاری معمولاً حاوی 10-15٪ آب است.

واکنش بین نیترات آمونیوم (NH 4 NO 3 ) و هیدروکسید پتاسیم ، آمونیاک (NH 3 ) ، آب و نیترات پتاسیم را مطابق با معادله شیمیایی زیر تولید می کند:

NH 4 NO 3 + KOH -> NH 3 + H 2 O + KNO 3

یک مول نیترات آمونیوم که با یک مول KOH واکنش نشان می دهد، هر یک یک مول NH 3 ، H 2 O و KNO 3 تولید می کند.

این را می توان بر حسب جرم دانستن وزن مولکولی واکنش دهنده ها و محصولات مختلف بیان کرد:

NH 4 NO 380گرم / مولKOH56.1گرم / مولNH 317گرم خالH 2 O18گرم / مولKNO 3101.1گرم / مول

80 گرم NH 4 NO 3 + 56.1 گرم KOH -> 17 گرم NH 3 + 18 گرم H 2 O + 101.1 گرم KNO 3

مشاهده می شود که "جرم حفظ شده است"، یعنی جرم کل واکنش دهنده ها (136.1 گرم) برابر با جرم کل محصولات (136.1 گرم) است. از آنجایی که KOH تجاری حاوی حداکثر 15٪ آب است، جرم گلوله های KOH باید 15٪ افزایش یابد. این به طور تجربی تایید شده است.

دو محصول فرعی فرآیند سنتز آب و آمونیاک هستند. آمونیاک گازی تند و با بوی تند است و معمولاً به عنوان یک پاک کننده خانگی حل شده در آب با قدرت آمونیاک 5-10 درصد وزنی استفاده می شود.

فرآیند سنتز

فرآیند توضیح داده شده در اینجا تقریباً 100 گرم KNO 3 تولید می کند . در صورت نیاز می توان فرآیند را مستقیماً بزرگ یا کوچک کرد . از آنجایی که حجم زیادی از گاز آمونیاک تولید می شود، این روش باید در فضای باز و در فضایی با تهویه مناسب انجام شود. قبل از ادامه، بخش ایمنی را بخوانید.

این فرآیند شامل واکنش نیترات آمونیوم و هیدروکسید پتاسیم در یک محلول آبی است. محصولات این واکنش آب، گاز آمونیاک و نیترات پتاسیم است. گاز آمونیاک تولید شده در آب سرد بسیار محلول است و با حرارت دادن از محلول خارج می شود. حلالیت NH 3 تابعی قوی از دما است، همانطور که در شکل 1 مشاهده می شود، با افزایش دما کاهش می یابد. پس از سرد شدن، نیترات پتاسیم که بسیار محلول در آب گرم است، متبلور می شود. حلالیت نیترات پتاسیم تابعی قوی از دما است که با کاهش دما کاهش می‌یابد، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. سپس کریستال‌های نیترات پتاسیم با سرد کردن بیشتر و سپس جداسازی مکانیکی کریستال‌ها از محلول اشباع بازیابی می‌شوند.

فرآیند حل کردن نیترات آمونیوم در آب گرماگیر است، یعنی گرما جذب می شود و در نتیجه دمای محلول کاهش می یابد. برعکس برای KOH صادق است. این فرآیند بسیار گرمازا است و در نتیجه دمای محلول افزایش می یابد. گرمای محلول (تغییر آنتالپی در کیلوکالری/مول در آب) در زیر نشان داده شده است [5]:

نیترات آمونیوم + 6.14 کیلو کالری در مول = 77 کالری در گرم گرما جذب شده
پتاسیم هیدروکسید - 13.77 کیلو کالری / مول = 245 کالری در گرم گرمای آزاد شده

اگر قرار است از نیترات پتاسیم مصنوعی برای پیشران شکر استفاده شود، مهم است که

• نیترات آمونیوم به طور کامل مصرف می شود
• هیچ KOH باقی مانده باقی می ماند

اگر مقادیر کمی از هر یک از واکنش‌دهنده‌ها باقی بماند، هنگام ریخته‌گری حرارتی پیشران شکر، واکنشی رخ می‌دهد که منجر به درجاتی از تجزیه قند مشابه کاراملی شدن می‌شود. برای از بین بردن این، مقدار اضافی KOH استفاده می شود (برای اطمینان از مصرف کامل نیترات آمونیوم)، سپس هر KOH باقی مانده با یک اسید ضعیف خنثی می شود. سرکه (اسید استیک 5 درصد) با موفقیت خوبی استفاده شده است، اگرچه ممکن است به جای آن از اسیدهای دیگر استفاده شود.

دستگاه

• دو ظرف شیشه ای یا پلاستیکی 150 میلی لیتری
• صفحه داغ برقی برای گرمایش
• قابلمه (استیل ضد زنگ یا شیشه پیرکس )
• دماسنج (حداقل محدوده صفر تا 105 درجه سانتیگراد )
• قاشق یا وسایل دیگر برای هم زدن محلول
• ترازوی توزین دقیق (با وضوح 1 گرم یا بهتر)
• کاغذ نشانگر PH
• سرکه سفید (تقریباً 10-20 میلی لیتر)
• قطره چکان
• تکه پارچه پلی استر یا نایلون (1 فوت یا 30 سانتی متر مربع)
• کاسه کم عمق پلاستیکی یا شیشه ای، ظرفیت ˝ لیتر
• 100 میلی لیتر آب سرد یخ

روش

1. 250 گرم آب خنک (با دمای 20 درجه سانتیگراد بیشتر نباشد ) وزن کرده و در قابلمه قرار دهید.
2. 92 گرم نیترات آمونیوم و 72 گرم گلوله KOH را در ظروف جداگانه وزن کنید.
3. نیترات آمونیوم را به قابلمه اضافه کنید و خوب هم بزنید تا کاملا حل شود. دماسنج کاهش دما را در حدود 15 تا 20 درجه سانتیگراد نشان می دهد.
4. به آرامی مقداری KOH، تقریباً 10 گلوله در هر بار به قابلمه اضافه کنید و هم بزنید تا کاملا حل شود. تا زمانی که گلوله های موجود به طور کامل حل نشده اند، KOH بیشتری اضافه نکنید. ادامه دهید تا تمام KOH اضافه شود. دماسنج افزایش دما در حدود 25-30 درجه سانتیگراد را نشان می دهد. گاز آمونیاک از محلول ایجاد می شود.
5. شروع به گرم کردن ملایم محلول کنید. اغلب هم بزنید تا به آزاد شدن آمونیاک محلول از محلول کمک کنید.
6. حرارت ملایم را تا زمانی که دماسنج 105 درجه سانتیگراد نشان دهد ادامه دهید . این کار حدود 20 دقیقه طول خواهد کشید. در این مرحله، تمام آمونیاک باید از محلول خارج شود.
7. قابلمه را از صفحه داغ خارج کرده و اجازه دهید تا دمای اتاق خنک شود. بلورهای نیترات پتاسیم شروع به تشکیل خواهند کرد.
8. هنگامی که محلول به دمای اتاق رسید، از کاغذ نشانگر برای اندازه گیری pH محلول استفاده کنید. PH باید در محدوده pH7 تا pH8 باشد. اگر قلیاییت بیشتر از این باشد (>pH8)، احتمالاً آمونیاک همچنان وجود دارد (محلول نباید بوی آمونیاک بدهد)، و محلول باید دوباره گرم شود و اجازه دهید چند دقیقه دیگر بجوشد، سپس اجازه دهید خنک شود.
9. با استفاده از قطره چشم، 10-20 قطره سرکه را به محلول اضافه کنید، خوب هم بزنید، سپس PH را اندازه بگیرید. این مرحله را تا زمانی ادامه دهید که محلول کمی اسیدی شود و PH6 داشته باشد. این برای اطمینان از خنثی شدن تمام KOH اضافی است.
10. قابلمه را در فریزر قرار دهید و حدود یک ساعت صبر کنید تا خنک شود. نیترات پتاسیم متبلور خواهد شد.
11. قابلمه را از فریزر خارج کرده و بلافاصله محتویات آن را روی ورقه پارچه ای که روی کاسه قرار داده شده است بریزید.
12. گوشه‌های ورق پارچه را جمع کنید و کریستال‌ها را با دست فشرده کنید تا به شکل یک "توپ" در بیاید تا بیشتر "الکل" خارج شود.
13. ورق پارچه را باز کنید و محتویات آن را در کاسه پلاستیکی کم عمق بتراشید. 100 میلی لیتر آب سرد یخ اضافه کنید و خوب هم بزنید، سعی کنید کریستال ها شکسته نشوند (به یادداشت مراجعه کنید ).
14. محتویات را دوباره داخل ورقه پارچه قرار دهید و یکبار دیگر آن را به صورت توپ فشرده کنید تا بیشتر آب آن خارج شود. آب اضافی را می توان با فشرده سازی بین چند ورق حوله کاغذی خارج کرد.
15. ورق پارچه را باز کرده و محتویات آن را در کاسه پلاستیکی کم عمق بتراشید و بگذارید یک شب خشک شود. هم زدن گهگاهی خشک شدن را تسهیل می کند.
16. با استفاده از چنگال، دانه های خشک شده را بشکنید و روی یک صفحه کوکی که با فویل آلومینیومی پوشانده شده پهن کنید و در فر از قبل گرم شده با دمای 200 درجه فارنهایت قرار دهید. حداقل یک ساعت بگذارید در فر کاملا خشک شود. گرانول های خشک شده، پس از سرد شدن، ممکن است با استفاده از آسیاب قهوه برقی پودر شوند.

توجه داشته باشید

• هدف از این مرحله شستشوی ناخالصی های حل شده در مشروب است. اگر قرار باشد پیشران شکر با روش ریختگی حرارتی ساخته شود، این مرحله به ویژه مهم است.

عکس ها

• [1] دانه های نیترات آمونیوم و گلوله های هیدروکسید پتاسیم
• [ 2 ] کریستال های KNO 3 پس از خنک شدن تشکیل می شوند
• [3] KNO 3 مرطوب استخراج شده از محلول اشباع
• [4] KNO 3 مصنوعی خشک، دانه‌ای
• [5] KNO 3 مصنوعی آسیاب شده
• [ 6 ] کلیپ ویدئویی سوزاندن نمونه پودر KNSU (MOV، 2.5 مگ)

ابزارهای دیگر برای سنتز KNO 3

روش های دیگری نیز وجود دارد که نیترات پتاسیم را می توان سنتز کرد. در اینجا سه ​​نمونه آورده شده است:

از نیترات کلسیم و کربنات پتاسیم:
Ca(NO 3 ) 2 + K 2 CO 3 --> 2KNO 3 + CaCO 3

از نیترات کلسیم و کلرید پتاسیم:
Ca(NO 3 ) 2 + KCl --> 2KNO 3 + CaCl 2

از دکاهیدرات نیترات آمونیوم کلسیم و کلرید پتاسیم:
NH 4 (NO 3 ) * 5Ca (NO 3 ) 2 * 10H 2 O + 11KCl --> 11KNO 3 + 5CaCl 2 + 10H 2 O

دکاهیدرات نیترات آمونیوم کلسیم یک کود معمولی در دسترس است که جایگزین نیترات آمونیوم در بازار کشاورزی می شود. کلرید پتاسیم به راحتی به عنوان نمک نرم کننده آب بدون سدیم در دسترس است. انجام این سه روش سنتز در واقع ساده است، به موجب آن معرف ها در آب داغ حل می شوند، مخلوط می شوند، در نتیجه یک واکنش تبادل یونی رخ می دهد، و سپس محلول خنک می شود تا محصول مورد نظر (KNO 3 ) به دست آید که در آن متبلور می شود. ظرف واکنش از آنجایی که KNO 3 در دمای زیر صفر حلالیت بسیار کمتری نسبت به سایر محصولات دارد. روش دوم، که یک محصول خوب تولید می کند، در صفحه وب همکار آزمایش کننده موشک دیانکو چرنف توضیح داده شده است .

بحث

راه های مختلفی برای علاقه مندان به موشک وجود دارد تا نیترات پتاسیم را در صورتی که به راحتی در دسترس نباشد سنتز کنند. روش ارائه شده در اینجا، با استفاده از نیترات آمونیوم و هیدروکسید پتاسیم به عنوان مواد شیمیایی پایه، یک روش نسبتا ساده است و اگر طبق روشی که در اینجا توضیح داده شده و با رعایت نکات ایمنی ارائه شده انجام شود، ایمن است. محصول به دست آمده از کیفیت بسیار خوبی برخوردار است و برای پیشرانه های قند داغ یا پیشرانه های سرد ریخته گری مانند انواع RNX مناسب است. این محصول همچنین برای ساخت مواد آتش‌زا یا مواد شارژ جهشی مناسب است.

شکل 3-- دانه پیشرانه نیترات-دکستروز پتاسیم مصنوعی (SKNDX) ساخته شده با استفاده از نیترات پتاسیم مصنوعی

ایمنی

• استفاده از ماسک صورت با فیلتر بخار آلی ضروری است، زیرا گاز آمونیاک یک محرک تنفسی است (مثال: 3M مدل 5101 ، تقریباً 15 دلار آمریکا)
• آمونیاک همچنین باعث سوزش چشم می شود، بنابراین محافظت از چشم مانند عینک کامل ضروری است
• همیشه اسید را به آب اضافه کنید ، هرگز برعکس، در غیر این صورت یک واکنش خشونت آمیز ممکن است رخ دهد زیرا گرما به سرعت آزاد می شود و آب به صورت بخار تبخیر می شود.
• هیدروکسید پتاسیم سوز آور است. با احتیاط رفتار کنید (هنگام دست زدن از دستکش وینیل استفاده کنید)

به روز رسانی، می 2008

در 25 می 2008، موتور A-100M خود را با دانه نیترات پتاسیم-دکستروز مصنوعی (SKNDX) نشان داده شده در شکل 3 آزمایش کردم. این اولین آزمایش "قطعی" نیترات پتاسیم مصنوعی بود و شلیک موفقیت آمیز بود. موتور به روشی معمولی موتور A-100M شلیک کرد . عکسی از شلیک در شکل 4 نشان داده شده است. تنها تفاوت قابل توجه زمان سوختن کمتر بود. تکانه ویژه تحویلی 116 ثانیه بود که به خوبی با دانه KNDX با اندازه مشابه ساخته شده با نیترات پتاسیم تجاری مقایسه می شود.

منبع