Preparativ oppgave Ammoniumjern(III)sulfatdodekahydrat NH 4 Fe(SO 4 12 H 2 O Audun Formo Buene Lab 1 Plass 17 27. september 2011
Innhold 1 Sammendrag 1 2 Innledning 2 3 Fremstillingsmetode 2 3.1 Fremgangsmåte fra forrapport 5)........................ 2 3.2 Utlevert fremgangsmåte 6)........................... 2 4 Reaksjonsprinsipper 3 5 Eksperimentelt 3 6 Resultat 4 6.1 Observasjoner.................................. 4 6.1.1 Tillaging av løsning.......................... 4 6.1.2 Krystallisering............................. 4 6.2 Utbytte..................................... 4 7 Diskusjon 5 7.1 Oppgaven.................................... 5 7.2 Krystallisering................................. 5 7.3 Avvik...................................... 6 8 Konklusjon 6 9 Underskrift 6 10 Referanser 7 11 Bilag 7 1 Sammendrag Dette forsøket handlet om å lage krystaller av ammoniumjern(iii)sulfatdodekahydrat. Dette blir gjort ved hjelp av saltene FeSO 4 7 H 2 O og (NH 4 SO 4. Resultatet ble en oktaedrisk svakt rosa krystall, som brukte noen dager på å utkrystallisere. Den var omtrent 2 2 cm i tverrflate, og 1.5 cm høy. Utbyttet av syntesen var på nesten 70% av teoretisk utbytte, som må regnes som bra mht. preparatets løselighet i vann. 1
2 Innledning Krystallen som skal lages i dette forsøket heter Ammoniumjern(III)sulfatdodekahydrat, men kalles også Jernalun. Bruksommerådene 1) er mange for denne forbindelsen, blant annet i garving av skinn, produksjon av fargestoffer, rensing av avløpsvann og etsing av elektriske komponenter. Preparatet 2) og 3) har en densitet på 1.71 kg, har en svakt rosa dm 3 farge, og har et smeltepunkt på ca 39 41 C. Det er lett løselig i vann, 480 gram L, noe som innvirker på hvor nærme det teoretiske utbyttet man faktisk kan komme. Ammoniumjern(III)sulfatdodekahydrat har oktaedrisk krystallstruktur, noe som syens godt på krystallen jeg laget (se bilde under punktet 6.1.2). Opphavet til den rosa fargen 4) er noe utvisst. Noen mener fargen kommer fra urenheter forårsaket av en liten mengde Mangan, mens andre mener det er krystallvann som er årsak til fargen. Siden krystallen skiftet farge totalt etter å ha vært i luft i nesten en uke, mener jeg selv at krystallvannet påvirker fargen. Om urenheter også spiller inn er mye mulig. 3 Fremstillingsmetode 3.1 Fremgangsmåte fra forrapport 5) Tilsett 75 cm 3 fortynnet H 2 SO 4 til en 250 cm 3 Erlendemeyerkolbe. Løs opp Fe(II)ammonuimsulfat under oppvarming, og (hvis nødvendig) ved tilsetning av vann, og nødvendig mengde FeSO 4 7 H 2 O. Den varme løsning filtreres om nødvendig, og helles over i en annen kolbe. Tilsett 5 cm 3 konsentrert Salpetersyre. Fe(II) oksideres. Kok opp løsningen til utviklingen av røde NOx-gasser stopper. Ta en prøve av løsningen i et reagensrør og test for Fe 2+ med kaliumjern(iii)cyanid. Hvis prøven blir blå, er Fe 2+ fortsatt til stede, og oksidering med Salpetersyre gjentas. Etter oksidering skal halvparten av løsningen dampes inn. Ved å teste/smøre litt av løsningen på en annen krystall med lik struktur, vil man se om den er kokt ned tilstrekkelig for å krystallisere. Dersom dette ikke skjer, må mer løsning dampes inn. Hell i en krystalliseringsskål og la den kjøles ned (sakte) til romtemperatur. Jernalunet vil felles ut som store, svakt rosafargede, oktaedriske krystaller. 3.2 Utlevert fremgangsmåte 6) Etter innlevering av forrapport til vit.ass., fikk vi utlevert en nesten identisk fremgangsmetode som den vi allerede hadde funnet. Vi fikk her også vite at skulle bruke 0.05 mol 2
FeSO 4 7 H 2 O og støkiometrisk mengde (NH 4 SO 4. 4 Reaksjonsprinsipper Syntesen starter ved å løse jern(ii)sulfat i fortynnet H 2 SO 4 under oppvarming. Så tilsetter man litt konsentrert salpetersyre for å oksidere jernet. Når alt jern er oksidert, tilsetter man støkiometrisk mengde (NH 4 SO 4 og lar alt løse seg under oppvarming. Så tilsettes konsentrert HNO 3 til løsningen, og det varmes til det ikke lenger utvikles NOx-gasser. Så testes løsningen for fullstendig oksidering av jern ved å bruke K 3 Fe(CN) 6. Ingen reaksjon er forventet dersom alle jernionene er borte. Til slutt skal løsningen dampes inn til den har et volum på ca 30-40 ml, og settes til utkrystallisering. Oksideringen foregår etter følgende reaksjonslikning: 6FeSO 4 + 2HNO 3 + 3H 2 SO 4 3Fe 2 (SO 4 ) 3 + 2NO + 4H 2 O (1) Videre skjer syntesen etter følgende likning: Fe 2 (SO 4 ) 3 + (NH 4 SO 4 2NH 4 Fe(SO 4 (2) 5 Eksperimentelt Den utleverte fremgangsmåten ble fulgt. 13.9 gram FeSO 4 7 H 2 O, og 3.3 gram (NH 4 SO 4 ble veid ut. Løsningen hadde til slutt et volum på ca 35 ml, så den trengte ikke å dampes inn ytterligere. Etter seks dager i avtrekksskap var det blitt dannet en stor krystall på bunnen av begerglasset. Dessverre knakk den da den skulle tas ut av begerglasset (Hint: bruk diegeltang, og ikke spatel for å få krystallen ut.). Bitene ble lagt til tørk på et urglass i avtrekksskap. Etter en uke ble krystallen veid. Fordi krystallen tørket på urglass ble den oksidert av luft, og fargen endret seg fra rosa til brun. Det ble laget to paralleller på grunn av galt forhold mellom de to saltene som inngikk i syntesen i første parallell. Grunnet feil støkiometri i løsning 1, fikk den først ikke krystaller i det hele tatt. Denne ble etter to uker tilsatt mer ammoniumsulfat, slik at det støkiometriske forholdet skulle være korrekt. Tre dager senere var det dannet en stor firkantet krystall, som var rosa i farge. Denne gangen tørket krystallen i et syltetøyglass, og den beholdt fargen sin. Vekten på krystallene var 13.4 gram. Krystallene ble veid etter de hadde blitt brune, 3
noe som godt kan ha påvirket vekten. Krystallene fra løsning 1, etter ekstra tilsats av ammoniumsulfat, veide 16.87 gram. 6 Resultat 6.1 6.1.1 Observasjoner Tillaging av løsning FeSO4 7 H2 O er et grønt salt, som løste seg enkelt i vann, og gjorde løsningen svakt grønn. Da salpetersyre ble tilsatt ble det en voldsom utvikling av NOx-gasser. Testen for jernioner med K3 Fe(CN)6 var først positiv, men etter tilsats av 1/2 ml ekstra salpetersyre var testen negativ. Løsningen hadde da en mørk brun farge. Tilsats av (NH4 )2 SO4 endret ikke fargen på løsningen. 6.1.2 Krystallisering Løsning 1 er den som først ikke krystalliserte seg, men etter at jeg fikk tilsatt tilstrekkelig ammoniumsulfat ble det dannet en oktaedrisk rosa krystall. Etter tilsatsen tok det kun tre dager før krystallen hadde vokst seg stor. Den hadde da en tilnærmet perfekt oktaedrisk form, med en ekstra utvekst på den ene siden. Vekten av denne krystallen var 16.87 gram. Løsning 2 ble tillaget korrekt første gang, og var utkrystallisert etter seks dager. Figur 1: Krystallen har en oktaedrisk strukdenne krystalliserte seg til en sekskantet tur svakt rosa krystall, men etter tørking på urglass ble den brun. 6.2 Utbytte Det teoretiske utbyttet kan regnes ut fra reaksjonslikningene. Vi trenger også å vite at vi starter med 0.05 mol FeSO4 7 H2 O, og støkiometrisk mengde (NH4 )2 SO4. Vi ser at om 4
vi ganger opp likning (4) med 3, så vil vi få like mange mol produkt, som utgangssaltet, FeSO 4 7 H 2 O, altså 0.05 mol. 6FeSO 4 + 2HNO 3 + 3H 2 SO 4 3Fe 2 (SO 4 ) 3 + 2NO + 4H 2 O (3) (Fe 2 (SO 4 ) 3 + (NH 4 SO 4 2NH 4 Fe(SO 4 ) 3 (4) Det teoretiske utbyttet avnh 4 Fe(SO 4 12 H 2 O fås da ved å gange antall mol med molvekten for produktet. Teoretisk utbytte = 0.05mol 482.25 g mol = 24.11g Utbyttet for mine to paralleller var 13.4g 24.11g = 55.6%, og 16.87g 24.11g = 69.9%. 7 Diskusjon 7.1 Oppgaven Jeg synes oppgaven var interessant. Spesielt synes jeg det var bra at det ikke krystalliserte seg umiddelbart, noe som gjorde at man måtte tenke litt igjennom hva som faktisk forårsaker utkrystallisering. Jeg hadde hørt at det kunne være et ganske vrient preparat å fremstille, men opplevde ikke noen store problemer selv. 7.2 Krystallisering I dette forsøket fikk jeg en god anelse om hva som skal til for at et stoff skal krystallisere seg, og hva som evt. bidrar til at man ikke får noen krystallisering i det hele tatt. Noe som er essentielt for å få utkrystallisering er at konsentrasjonen er korrekt. Dersom løsningen er for utvannet, vil det ikke utkrytallisere noe stoff før løsningen har dampet ned, noe som kan ta veldig lang tid. Dersom man damper inn løsningen alt for mye vil krystallene dannes alt for raskt og man vil ikke få noen store fine krystaller. Utkrystallisering avhenger også av om krystallene har god nok plass til å vokse, og om de har noe å vokse på. Man kan for eksempel tilsette en liten krystall med riktig struktur som stoffet kan utkrystallisere seg på. En metode som heter poding går ut på å velge ut 5
krystaller med riktig struktur og som ser fine ut, og deretter la løsning av samme stoff krystalliesere seg videre på denne ene krystallen. I ett av mine forsøk hadde jeg ikke fått krystaller selv etter to uker i avtrekksskap. Dette var fordi det var tilsatt kun 2/3 av nødvendig (NH 4 SO 4. Dette var nok til at løsningen ble for utvannet med tanke på NH 4 Fe(SO 4 12 H 2 O, og ingen krystallisering fant sted. 7.3 Avvik Det er flere grunner til at mitt preparat avviker fra 100 % utbytte. En viktig grunn vil være at jeg på et tidspunkt fjernet krystallene fra løsningen. Det vil da være ganske lav konsentrasjon av NH 4 Fe(SO 4 i løsningen. Om man skal få utkrystallisert dette også, måtte løsningen ha vært dampet inn ytteligere, og krystallisert på nytt. Det vil også alltid være et mekanisk tap i denne syntesen. Dette skjer ved at man kanskje ikke får alt saltet ut av veieskipet, eller at noe løsning er igjen på rørestaver, målebegere osv. Det ble også tatt ut litt av løsningen for å teste for jernioner. Ammoniumjern(III)sulfatdodekahydrat er ganske lett løselig i vann. Dermed vil det innstille seg en likevekt mellom krystallen og preparatet i løsning. Dette gjør igjen at man ikke vil oppnå 100% utbytte, og er kanskje den største bidragsyteren til at man ikke får krystallisert ut alt stoffet. 8 Konklusjon I denne oppgaven ble det syntetisert en krystall av stoffet Ammoniumjern(III)sulfatdodekahydrat. Krystallen som ble laget hadde en tilnærmet perfekt oktaedrisk form, og kun en stor krystall ble dannet. Det beste utbyttet var på 69.9%, som er ganske bra hvis man tenker på løseligheten av stoffet i vann. 9 Underskrift Audun Formo Buene 6
10 Referanser 1. Wiley Encyclopedia of inorganic chemistry: Volume 4, p. 1704. 2. NTNU Stoffkartotek: EcoOnline. 3. Aylward, G. og Findlay, T.: SI Chemical Data", 6th Edition, John Wiley and Sons Australia, Milton. 4. Christensen, Odin T: On the Cause of the Amethyst Color of Ferric Alum and of Mixed Crystals of Ferric and Manganic Alum. Chem. Lab. Roy. Vet. Agr. Hochschule, Kgl. Danske Vidsk. Selsk. Forh. (1906), p. 173-95. 5. Hecht, H.: Preparative anorganische chemie", Springer-Verlag, Berlin, 1951, p. 125-130. 6. Utlevert fremgangsmåte på ark fra vit.ass. 11 Bilag Forhåndsrapport er vedlagt som eneste vedlegg. 7