Синтез роданистоводородной(тиоциановой) кислоты и исследование её свойств

XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Синтез роданистоводородной(тиоциановой) кислоты и исследование её свойств

Абрамов М.А. 1
1МАОУ Гимназия№10
Перфильева С.О. 1
1МАОУ Гимназия№10
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Роданистоводородная кислота или тиоциановая кислота, химическая формула которой HNCS (в других источниках HCSN и HSNC) — это одноосновная, бескислородная неорганическая кислота. Цвет кислоты по-разному описывается в разных источниках: на сайте Википедии сказано, что она является желтоватой, в Большой российской энциклопедии сказано, что она бесцветна. В Химической энциклопедии указано, что она имеет розовый цвет. Соли этой кислоты называются тиоционатами.

Свойства роданистоводородной кислоты плохо изучены, ведь она не является штатным реактивом в школьной лаборатории.

В источниках не сказано, как она взаимодействует с металлами, оксидами, щелочью, какой у нее уровень pH. Это все мы решили исследовать на практике, получив роданистоводородную кислоту.

Родонистоводородную кислоту используют в аналитической химии для определения наличия катиона Fe3+ в составе какого-либо вещества, так как при взаимодействии роданистоводородной кислотой с этим катионом получается соль кроваво-красного цвета.

Безводную тиоциановую кислоту получают перегонкой в вакууме роданида калия с гидросульфатом калия в токе водорода, причём конденсация должна выполняться при −100 °C. Поскольку у нас не было химического холодильника для конденсации данной кислоты, мы разработали свою схему синтеза, используя реактивы, имеющиеся в школьной лаборатории.

Проблема: в различных источниках по-разному описываются свойства тиоциановой кислоты или они описаны частично.

Гипотеза: Роданистоводородная кислота обладает типичными свойствами неорганических кислот.

Практическим результатом решения данного исследования будет являться получение и изучение свойств роданистоводородной кислоты.

Цель работы: исследование химических свойств полученной роданистоводородной кислоты.

Задачи:

  1. Изучить методику синтеза роданистоводородной кислоты и имеющиеся свойства.

  2. Выполнить количественные расчеты и получить экспериментальное доказательство выхода продукта синтеза.

  3. Исследовать химические свойства полученной кислоты.

Глава I. Основная часть

1.1 Структура роданистоводородной кислоты

Раньше считалось, что для тиоциановой кислоты характерна таутомерия — быстрое обратимое самопроизвольное взаимопревращение структурных изомеров-таутомеров. Считалось, что кислота представляет собой смесь двух таутомеров, тиоциановой и изотиоциановой кислот, поэтому строение изображали следующим образом:

⇄

Но дальнейшие опыты доказали, что кислота имеет строение:

H-N=C=S

1.2 Физико-химические свойства роданистоводородной кислоты

Достаточно устойчивы 5%-ные и более разбавленные растворы. Концентрированные растворы распадаются при температуре выше -90°C с образованием HCN и гетероциклического соединения, так называемого ксантанового водорода.

При температуре выше 0°C происходит полимеризация с образованием смеси красно-бурого цвета.

1.4 Нахождение в природе

В свободном виде HNCS содержится в соке лука репчатого Allium coepa и в корнях некоторых других растений. В слюне человека содержится около 0,01% тиоцианат-иона NCS−. Также NCS− был обнаружен в крови и желудочном соке человека.

1.5 Получение роданистоводородной кислоты

Раствор тиоциановой кислоты получают действием разбавленной серной кислоты с водным раствором роданида калия. Безводную тиоциановую кислоту получают перегонкой в вакууме роданида калия с гидросульфатом калия в токе водорода (конденсация должна выполняться при -100 °С).

Но поскольку у нас не было тиоционата калия, мы разработали свою схему синтеза: к оксиду бария добавить воду и получить октагидрат бария, к октагидрату бария добавить тиоционат аммония. В результате реакции получится тиоционат бария. К нему необходимо добавить раствор серной кислоты: сульфат бария выпадет в осадок, а роданистоводородная кислота будет на поверхности.

II. Практическая часть

2.1 Получение роданида бария

Роданид бария получают из октагидрата бария и роданида аммония.

Ba(OH)2*8pO+NH4CSN=Ba(CSN)2*3H2O+NH3+7H2O

Для этого необходимо рассчитать количества исходных веществ для получения 15 г роданида бария.

Мы произвели расчеты необходимого октагидрата бария для получения тиоцианата бария. Нужно было получить 15,4 грамма октагидрата бария.

Также рассчитали необходимое количество тиоционата аммония:7,5 г..

Так как октагидрата бария в лаборатории не было, нам пришлось получить его с помощью взаимодействия оксида бария и воды. Для этого согласно расчетам необходимо 7,94 мл. воды и 7,5 грамма оксида бария.

Отмерили необходимые для получения октагидрата бария массу оксида бария и объем воды(рис.1), смешали их. Для полного растворения нагревали смесь на спиртовке(рис.2), соблюдая правила техники безопасности.

Взвесил необходимую массу тиоционата аммония(рис.3) и смешали его с октагидратом бария(рис.4). Жидкость кипятили на спиртовке до полного удаления аммиака. Наличие аммиака проверяли индикаторной бумажкой(рис.5). Кипячение проводили в вытяжном шкафу, соблюдая правила техники безопасности. В процессе выпаривания получили чистый Ba(CSN)2 *3H2O.

2.2.Получение роданистоводородной кислоты

Для получения кислоты нам потребуется

и . Далее мы произвели расчёты необходимого количества исходных веществ для получения 5% раствора роданистоводородной кислоты.

Рассчитали массу роданида бария, которую можно получить из октагидрата бария массой 15,4 грамма, она составила 11,8 грамма.

В результате наших расчётов мы приготовили 4,1% раствор серной кислоты. В колбу с серной кислотой добавил тиоцианат бария.

H2SO4+Ba(NCS)2*H2O=BaSO4 ↓+2HNCS+3H2O

Перемешав вещества, мы обнаружили на дне осадок белого цвета, а на поверхности роданистоводородная кислота розового цвета(рис.6).

Далее необходимо избавиться от осадка сульфата бария BaSO4. Для этого несколько раз отфильтровал полученный раствор через фильтровальную бумагу. Получили фильтрат – 5% роданистоводородную кислоту розового цвета(рис. 7 и рис. 8).

2.3 Изучение химических свойств роданистоводородной кислоты

2.3.1. Определение pH кислоты

Для этого поместили в кислоту универсальный лабораторный рН метр(рис. 9). На графике pH = 3(рис.10). Также поместили универсальную индикаторную бумажку в кислоту(стала красной) (рис.9). Также я добавил к кислоте фенолфталеин, метиловый оранжевый и лакмус. Кислота с лакмусом и кислота метиловым оранжевым окрасились в красный(рис.11). Кислота с фенолфталеином не изменила цвета.

2.3.2. Взаимодействие тиоциановой кислоты с металлами

Для этого исследования мы взяли по два грамма меди, алюминия, магния, кальция, натрия, цинка и железа, и добавили к ним примерно 1 мл(рис. 12). полученного раствора радонистоводородной кислоты. Реакция с натрием прошла быстро и бурно с выделением водорода и образованием солей роданидов, с кальцием чуть дольше и так же бурно(рис.13). Бурность реакций определяется тем, что металлы (так как натрий является щелочным, а кальций- щелочноземельным) сначала реагируют с водой, образуя гидроксид натрия и кальция соответственно, с выделением большого количества водорода, и только потом эти гидроксиды реагируют с кислотой. С магнием реакция прошла менее бурно и медленно с выделением водорода и образованием солей роданидов(рис.13). С цинком и железом реакция шла медленно и не бурно, так же с выделением водорода и образованием солей роданидов(рис.13). Кислота с железом потом стала красной, а потом побурела. При добавлении кислоты в алюминий сначала ничего не изменилось (алюминий был покрыт оксидной пленкой и кислоте нужно было время, чтобы ее растворить), но на следующий день раствор стал прозрачным(рис.14). Реакция с медью не пошла(рис.13), потому что медь стоит после водорода в ряду активности металлов и не может её вытеснить.

  • 1. Ca+2HNCS = Ca(NCS) 2 + H2↑ 4. 2Al+6HNCS = 2Al 2(NCS)3+ H2↑

  • 2. Na+HNCS = NaNCS + H2↑ 5. Zn+2HNCS = Zn(NCS)2 + H2↑

  • 3. Mg+2HNCS = Mg(NCS) 2 + H2↑ 6. Fe+2HNCS = Fe(NCS)2 + H2↑

  • 7. Cu+HNCS =

2.3.3. Взаимодействие роданистоводородной кислоты с оксидами

Исследование по взаимодействию роданистоводородной кислоты провели с основными оксидами: оксид бария, оксид алюминия, оксид меди(II).

Реакции с оксидом бария прошла медленно с образованием солей и воды(рис.15). BaO+2 HNCS=Ba(CSN) 2+H2O

Реакция с оксидом меди(II) прошла только при нагревании на спиртовке(рис.16), образовалась соль темно-зеленой окраски:

CuO+2HNCS=Cu(CSN) 2 +H2O

Реакция с оксидом алюминия шла медленно, цвет едва изменился.

  • Al2O3 + 6HNCS =2Al(NCS)3 + 3H2O

2.3.4. Взаимодействие тиоциановой кислоты с щелочью

Я взял раствор гидроксида натрия и добавил его к тиоциановой кислоте. В результате реакции образовался тиоционат натрия и вода. Цвет стал белым(рис. 17). NaOH+HNCS=NaNCS+H2О

2.3.5. Взаимодействие тиоциановой кислоты с карбонатом натрия

Данное исследование я провел для определения силы кислоты. Был взят именно карбонат натрия, потому что чем сильнее кислота, тем быстрее и полнее она реагирует с карбонатом натрия. Я смешал карбонат натрия с роданистоводородной кислотой. Хватило 3 мл. раствора тиоциановой кислоты, чтобы образовался тиоционат натрия и выделился углекислый газ (рис.18). Реакция шла довольно медленно. Na2CO3+HCSN=NaCSN+H2O+CO2 ↑

2.3.6. Качественная реакция на катион Fe3+

Как было сказано выше, роданистоводородную кислоту и её соли используют в аналитической химии для определения содержания катион Fe3+. Мы решили подтвердить это. Для этого к раствору тиоциановой кислоты я добавил хлорид железа(III). Раствор окрасился в красный цвет, очень напоминающий кровь. FeCl3+3HNCS=Fe(NCS)3+3HCl

2.3.7. Полимеризация роданистоводородной кислоты

Мы оставили 4 мл. роданистоводородной кислоты на воздухе при комнатной температуре и через неделю мы заметили образовавшиеся полимеры роданистоводородной кислоты(Рис.21). Это произошло, потому что при температуре выше 0°C идет полимеризация кислоты с образованием смеси красных и тёмно-бурых твёрдых полимеров.

Полимеризация происходит через раскрытие двойных связей в изоформе H-N=C=S. Представляет собой цепочку из повторяющихся звеньев --N H -- C(=S )--. Полимеры обладают высокой стойкостью к действию кислот и щелочей. При нагревании полимер деполимеризуется в мономерную роданистую кислоту.

Вывод

  1. Роданистоводородную кислоту можно получить в школьной лаборатории.

  2. Тиоциановая кислота имеет розовый цвет.

  3. Кислота имеет pH равный двум.

  4. Кислота взаимодействует с металлами:

в реакцию вступают металлы, расположенные в ряду активности до водорода(кроме алюминия) при комнатной температуре.

  1. Кислота взаимодействует с основными оксидами, но не взаимодействует с амфотерным оксидом алюминия.

  2. Кислота взаимодействует с гидроксидом натрия как обычная неограническая кислота

  3. Роданистоводородная кислота является сильной кислотой о чем свидетельствует низкий pH среды и то, что при взаимодействии с карбонатом натрия хватило 3 мл. кислоты, чтобы выделился углекислый газ.

  4. Кислота способна самопроизвольно образовывать полимеры при температуре выше 0°C.

  5. Доказали, что роданистоводородная сильнее угольной, но слабее соляной.

Заключение

Моё исследование показало, что роданистоводородную кислоту можно получить не только в профессиональных лабораториях, но и в школьной лаборатории. Для этого мы самостоятельно подобрали оборудование и разработали способ получения, который для нас подходит.

Было проведено исследование по взаимодействию кислоты с гидроксидом натрия, с металлами, с карбонатом натрия, основными и амфотерным оксидом. Определен pH кислоты с помощью универсальной индекаторной бумажки, прибора для определения pH и взаимодействием с фенолфталеином, метиловым оранжевым и лакмусом, pH оказался равен 3. Доказали, что через некоторое время происходит полимеризация роданистоводородной кислоты с образованием смеси красных и тёмно-бурых твёрдых полимеров. Подтвердили качественную реакцию на Fe3+.

Данное исследование может служить пособием для получения роданистоводородной кислоты и дальнейшего исследования её свойств, а также для получения солей роданистоводородной кислоты. В дальнейшем я бы хотел исследовать свойства тиоциановой кислоты с органическими соединениями, так как данная кислота, как описано в химической литературе, также может вступать с ними в реакцию. Также в бедующем я хотел бы изучить свойства полимеров роданистоводородной кислоты.

Список литературы:

  1. Зефиров Н.С. Химическая Энциклопедия. –М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. Т. 3.

  2. Гл. ред.: Кравец С.Л. Большая российская энциклопедия (2004-2017). [Электронный ресурс] URL: https://old.bigenc.ru/chemistry/text/4192505 (дата обращения: 10. 09.2025)

  3. Н. Ф. Стась. Справочник по общей и неорганической химии. Издательство томского политехнического университета, 2012.

  4. Ю. Д. Третьяков, Л.И. Мартыненко, А.Н. Григорьев, А.Ю. Цивадзе Неорганическая химия. Химия элементов. Издательство «Интеграция», 2001 год.

Приложение

Рис.1. Измерение массы оксида бария

Рис.2. Нагревания смеси оксида бария и воды

Рис.3. Измерение массы тиоционата аммония

Рис.4. Смешивание тиоционата аммония с гидроксидом бария

Рис.5. Кипячение до удаления аммиака

Рис.6. Получение роданистводороной кислоты реакцией обмена

Рис.7-8. Фильтрат роданистводороной кислоты

Рис. 9-10 Измерение pH роданистводороной кислоты

Рис. 11 Взаимодействие роданистводороной кислоты с индикаторами

Рис.12. Подготовка эксперимента по взаимодействию роданистводороной кислоты с металлами

Рис.13. Результат эксперимента по взаимодействию роданистводороной кислоты с металлами

Рис.14. Результаты эксперимента с металлами на следующий день

Рис.15. Взаимодействие роданистводороной кислоты с оксидами

Рис.16. Нагревание оксида меди с роданистводороной кислоты

Рис. 17. Взаимодействие роданистводороной кислоты с щелочью

Рис.18. Взаимодействие роданистводороной кислоты с карбонатом натрия.

Рис. 19. Полимеры роданистой кислоты.

Рис.20-21. Качественная реакция на Fe3+

19

Просмотров работы: 8