3 Химические реакции, лежащие в основе образования фосфата железа (III)

1. Взаимодействием растворимых солей железа с H₃PO₄:

FeCl₃+ H₃PO₄→FePO₄↓+ 3HCl

Fe₂(SO₄)₃+ 2H₃PO₄→ 2FePO₄↓+3H₂SO₄

2. Обработка растворов солей железа(III) гидрофосфатом натрия в присутствии ацетата натрия:

FeCl₃+Na₂HPO₄+NaCH₃COO→FePO₄+3NaCl+CH₃COOH

3. Взаимодействие диоксоферрата (III) натрия с H₃PO₄:

NaFeO₂+ H₃PO₄→FePO₄↓+NaOH +H₂O

4 Обоснование выбора исходных реагентов

В нашей работе получать исследуемое вещество мы будем по следующим реакциям:

FeCl₃ + Н₃PO₄ +3NH₄OH = FePO₄ + 3NH₄Cl + 3H₂O

FeCl₃ + Н₃PO₄ +3KOH = FePO₄ + 3KCl + 3H₂O

На практике эти реагенты наиболее рациональны в использовании, т.к. все они являются легко доступными соединениями и при осаждении дают наибольший выход продукта.

В качестве осадителя выбран 25% раствор NH₄OH и 20% раствор KOH.

Жидкий аммиак — хороший растворитель для очень большого числа органических, а также для многих неорганических соединений.Водный раствор аммиака имеет слабощелочную реакцию из-за протекания процесса: NH₃+H₂O=NH₄⁺+OH^-. Взаимодействуя с кислотами, даёт соответствующие соли аммония: NH₃+HNO₃=NH₄NO₃.

Водные растворы КОН имеют сильнощелочную реакцию. Гидроксид калия менее распространен и поэтому более дорог, чем гидроксид натрия. Он применяется только в тех случаях, когда необходим присущий ему комплекс физико-химических свойств, не обеспечиваемый гидроксидом натрия. 

Растворы хлорида аммония и хлорида калия, образующиеся в ходе реакции, являются побочными продуктами и удаляются путем отмывки.

5 Расчеты для приготовления растворов заданной концентрации

Для получения фосфата железа(III) (FePO₄) периодическим способом используем следующие реакции:

FeCl₃ + Н₃PO₄ +3NH₄OH = FePO₄ + 3NH₄Cl + 3H₂O

FeCl₃ + Н₃PO₄ +3KOH = FePO₄ + 3KCl + 3H₂O

Приготовим 50 мл 0.5 М раствора FeCl₃:

m _FeCl3=C*M*V=0.5*162,2*0,05=4,055 г.

Находим состав кристаллогидрата FeCl₃*6H₂O:

w _FeCl3=M _FeCl3/M _FeCl3*6H2O=162,2/270,2=0,6;

m _FeCl3*6H2O= m _FeCl3/ w _FeCl3=4,055/0,6=6,76 г.

Приготовим 50 мл 0.5 М раствора Н₃PO₄:

p _Н3PO4=1,72 г/л;

m _Н3PO4=0,5*98*0,05=2,45 г;

m _{раствора Н3PO4}=2,45/0,875=2,8 г;

V _Н3PO4=2,8/1,72=1,63 мл.

Для 1-го опыта в качестве осадителя используем 25% водный раствор NH₄OH.

Для 2-го опыта в качестве осадителя используем 20% водный раствор KOH.

6 Описание лабораторной установки для осаждения и последующих стадий получения соединения

На рисунке 1 представлена схема лабораторной установки для периодического метода осаждения.

В методе периодического осаждения исходный раствор (0,5М р-р FeCl₃ и 0,5М р-р Н₃PO₄) заливается в химический стакан и титруется осадителем (25% р-р NH₄ОН и 20% р-р KОН) до заданного значения рН при постоянном перемешивании. Конечные продукты остаются в химическом стакане.

1 – химический стакан; 2 – механическая мешалка; 3 – бюретка; 4 – штатив; 5 – pH-метр.

Рисунок 1 - Схема лабораторной установки

Промывку и фильтрацию проводили с использованием воронки Бюхнера и колбы Бунзена на 0,5 л. Свежеполученные осадки разделили на две части и исследовали на скорость осаждения. Первую часть отправили на старение при нагреве на водяной бане, а вторую часть - на старение без нагрева. Осадки оставляли на старение на две недели. После старения в течении двух недель вновь исследовали скорость осаждения.

7 Описание проведения синтеза

Метод периодического осаждения с 25% раствором NH₄ОН и 20% раствором КОН:

В ходе синтеза, при добавлении осадителя, в обоих случаях наблюдается появление коричневого осадка в месте падения капли осадителя в раствор, но при дальнейшем перемешивании, осадок исчезает, что характеризуется равномерным распределением конечного продукта по всему объему реактора. При дальнейшем добавлении осадителя, образуется коричневый густой мелкодисперсный продукт. Получаем 5 растворов конечного продукта с рН:4,5; 6,5; 8,5 при осадителе NH₄OH и с рН:6,5; 8,5 при осадителе KOH. Полученные осадки не отстаиваются. Далее, часть раствора отправляем на старение при нагревании на водяной бане, а другую часть на старение без нагревания. В ходе старения, мы наблюдали уплотнение мелкодисперсной фазы на дне колбы. Однако, даже после процесса старения осадок отстаивается плохо. Через две недели повторили опыт с отстаиванием осадка – результаты отличались не сильно, осадки так же плохо отстаивались.

В таблице1 представлены данные осаждения при использовании в качестве осадителя NH₄OH.

Таблица 1 – Изменение pH раствора в зависимости от объема осадителя NH₄OH

Опыт №1(pH = 4,5)		Опыт №2(pH = 6,5)		Опыт №3(pH = 8,5)
Объем NH4OH V1, мл	pH1	Объем NH4OH V2, мл	pH2	Объем NH4OH V3, мл	pH3
0 8,1 6,5 26,1 32,8 40,4 43,4	0,5 1,12 1,17 1,37 1,6 3,7 5,3	0 5,7 13,9 24,1 32,5 41,3 49,1	0,8 1,2 1,15 1,22 1,45 2,15 6,58	0 2,7 4 6 8 12,6 14,1 34,2 49,4 52,3 57,1	0,6 1,2 1,2 1,2 1,34 1,35 1,41 2,22 7,01 7,06 7,3

Рисунок 2 - Зависимость pH раствора от объема осадителя NH₄OH

В таблице 2 представлены данные осаждения при использовании в качестве осадителя KOH.

Таблица 2 - Изменение pH раствора в зависимости от объема осадителя KOH

Опыт №1(pH = 6,5)			Опыт №2(pH = 8,5)
Объем KOH V1, мл	pH1	Объем KOH V2, мл		pH2
4 8 12 16 20 24 25 26	1,17 1,2 1,36 1,52 2,63 5,5 6,06 6,71	4 8 12 16 20 24 26 28,2 30 32 34		1,13 1,26 1,38 1,53 2,6 5,3 6,5 7,52 8,03 8,3 8,57

Рисунок 3 - Зависимость pH раствора от объема осадителя KOH

На обоих графиках хорошо заметен индукционный период. При использовании в качестве осадителя NH₄OH индукционный период длился больше, чем когда мы использовали в качестве осадителя KOH. Это связанно с тем что KOH является более сильным основанием.