VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Ammonia Blue Color-test» (ABC-test) или «аМмиаКтест

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Голубовская И.В. 1Петрович А.С. 1

---

1ГУО "Средняя школа №20 г.Борисова"

Киселева А.А. 1

---

1ГУО "Средняя школа №20 г.Борисова"

Работа в формате PDF

547.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире прогресс не стоит на месте: люди научились добывать полезные ископаемые с помощью взрывчатых веществ, нашли замену опасным для природы хладагентам, осуществили возможность создания дешёвых удобрений – всё это возможно в современном мире благодаря такому веществу, как аммиак. Казалось бы, сколько пользы несёт в себе это чудесное вещество, но, к сожалению, в мире нет нечего совершенного. Дело в том, что аммиак очень вреден для здоровья человека и любая незамеченная утечка может привести к глобальным последствиям. Вопрос: можно ли одновременно обнаружить, количественно определить, утилизировать аммиак и сделать всё это доступным способом? Данная работа имеет достаточно материала, чтобы ответить на этот вопрос.

Химическая и нефтехимическая отрасли являются одними из важнейших в промышленности Беларуси. Они насчитывают 75 предприятий. Крупнейшие предприятия – РУП «ПО «Беларуськалий», ОАО «ГродноАзот», ОАО «Гомельский химический завод». Основным направлением их развития является производство минеральных удобрений. Мировое производство аммиака в 1950 г. составляло немногим более 1 млн. т. Нынешний уровень производства, около 150 млн. т в год, мощность производства аммиака на 2018 составляет 177 млн. т, к 2019 мощность по выработке аммиака составит 257 млн. т. В РБ на Гродно-Азот производится аммиак жидкий технический 1,066 млн тонн в год (ГОСТ 6221-90). Упаковка: железнодорожные цистерны, стальные баллоны. Доставка осуществляется железнодорожным, автомобильным транспортом и трубопроводами. Самый крупный аммиакопровод в мире «Тольятти-Горловка-Одесса» составляет около 2500 километров. Утечки аммиака: ОАО «Савушкин продукт» (2010) [9], МКС (2013) [10], в Воронежской области (2016), на ледовой арене городка Ферни в канадской провинции Британская Колумбия (2017) [12], в провинции Сычуань Китай (2015) [20] и в Читинской области состав, перевозивший 33 цистерны с бензином и аммиаком, сошёл с рельс (1991) [8].

Гипотеза: химическим индикатором можно считать любой реагент, который даёт визуально заметную реакцию на какое-то вещество или группу веществ. Можно ли обнаружить, определить и даже утилизировать аммиак доступным и дешёвым реактивом?

Цель работы: изобретение, изготовление и испытание индикаторной бумаги (тест-полоски) на содержание аммиака в воздухе и в растворе, изучение влияния воздействия аммиака на сульфат меди (II) и на медный купорос, создание шкалы цветности полоски «ABC-test».

Задачи:

1) Углубить и расширить знания об исследуемых веществах и их свойствах;

2) Разработать, изготовить и испытать тест-полоски «ABC-test»;

3) Изучить интенсивность окрашивания тест-полоски«ABC-test»;

4) Провести испытания, позволяющие доказать возможность утилизации аммиака медным купоросом.

Объект исследования: способность медного купороса образовывать аммиакаты

Предмет исследования: аммиак

Методы исследования: изучение научной литературы, наблюдение, сравнительный анализ, математическая обработка данных, взвешивание, растворение, измерение объёма жидкости мерной пипеткой и мерным цилиндром, диффузия газов, хемосорбция.

Место проведения исследования: государственное учреждение образования «Средняя школа №20 г. Борисова».

Глава 1. Теоретическая часть исследования

1.1. Свойства аммиака

Аммиак представляет собой бесцветный газ, хорошо конденсирующийся в жидкость, с сильным характерным резким запахом (нашатырный спирт, пары мочи), легче воздуха в 1,7 раза. При нормальных условиях 1л аммиака весит 0,76 г, плотность по воздуху равна 0,5862. Температура плавления – -77,8ºС, температура кипения – -33,4ºС. При комнатной температуре аммиак может быть переведен в жидкое состояние при давлении 0,6 – 0,7 МПа, превращаясь в летучую жидкость. Плотность жидкого аммиака при 0^ºС равна 0,686 г/см³. Смесь 4 объёмов NH₃ и 3 объёмов О₂ сильно взрывается при зажигании. Аммиак очень хорошо растворяется в воде за счёт образования водородных связей между молекулами H₂O и NH₃: при 20ºС в одном объёме воды может быть растворено 700 объёмов аммиака, а при 0ºС - 1200 объёмов, NH₃ хорошо растворяется в этиловом спирте и других спиртах [7]. Жидкий аммиак является хорошим неводным полярным растворителем, растворяет многие соли, кислоты, серу, фосфор и йод, щелочные и щелочно-земельные металлы [5]. Водный раствор аммиака представляет собой бесцветную жидкость легче воды с характерными запахом, слабое основание – его константа диссоциации 1,8*10^-5[1]. При нагревании до кипения весь аммиак выделяется из раствора в виде газа. За счёт свободной sp³-гибридной электронной пары способен реагировать с кислотами и образовывать комплексные соединения – аммиакаты. Благодаря электроннодонорным свойствам молекулы NH₃ могут входить в качестве лиганда в комплексные соединения. Так, введение избытка аммиака в растворы солей d-металлов (Cu, Fe, Ni, Ti, V, Cr) приводит к образованию их аминокомплексов [6]. В природе аммиак образуется из продуктов гниения органических соединений, но быстро улетучивается. Аммиак в лаборатории получают нагреванием щелочей с солями аммония [5]

2NH₄Cl (тв.) + Ca(OH)₂ (тв.) = CaCl₂ (тв.) + 2H₂O (г.) + 2NH₃ (г.) [6]

Меры безопасности: раствор аммиака выделяет пары газообразного аммиака, поэтому все опыты следует выполнять только в хорошо проветриваемом помещении, избегать вдыхания паров аммиака, при необходимости одевать сухую ватно-марлевую повязку, при высоких концентрациях аммиака работы проводить под вытяжкой. ПДК аммиака в воздухе промышленных предприятий 20мг/м³, а населённых пунктах 0,2-0,4мг/м³[8].

1.2. Свойства медного купороса

Сульфат меди(II) (CuSO₄) — сернокислая медь — белые кристаллы, хорошо растворимые в воде. Из водных растворов и на воздухе с незначительным содержанием влаги кристаллизуется в голубой пентагидрат CuSO₄ · 5H₂O — медный купорос (ярко-синего цвета) [2]. Благодаря этому свойству сульфат меди (II) иногда используется в качестве индикатора влажности помещения. Медный купорос или пятиводный сульфат меди(II) – CuSO₄∙5H₂O (blue vitriol – англ.) – синие прозрачные кристаллы [8]. Плотность 2,284 г/см³. При температуре 110°С отщепляется 4 молекулы воды, при 150 °С происходит полное обезвоживание, в природе образуется путем кристаллизации растворов, образующихся в медных рудниках во время дождя [5]. В природе встречается в виде минералов халькантита (CuSO₄·5H₂O) [2], халькокианита (CuSO₄), бонаттита (CuSO₄·3H₂O), бутита (CuSO₄·7H₂O) и в составе некоторых других минералов.

1.3. Образование аммиакатов

Аммиакаты – это комплексные соединения, в которых функции лигандов выполняют молекулы аммиака NH₃. Для меди (II) характерны как катионные, так и анионные комплексы. Аммиачные комплексы образуются при взаимодействии солей или гидроксидов металлов с аммиаком в водных или неводных растворах, либо обработкой тех же солей в кристаллическом состоянии газообразным аммиаком. Аммиачный комплекс меди (II) образуется в результате реакции Cu²⁺ + 4NН₃ → [Cu(NH₃)₄]²⁺, имеет яркий темно-сине-фиолетовый цвет, хорошую растворимость в воде, сохраняет слабый запах аммиака [13]. Аммиакаты разрушаются при любых воздействиях (t, [О]), которые удаляют или разрушают молекулу аммиака. Аммиак в кислотной среде превращается в катион аммония или центральный атом комплекса связывается в виде осадка, например: [Cu(NH₃)₄]SO₄ + 6Br₂ = CuSO₄ + 12HBr + 2N₂↑

[Cu(NH₃)₄](OH)₂ + Na₂S + 4H₂O = CuS↓+ 2NaOH + 4NH₃•H₂O [13]

Реакция образования тетрааммиаката меди (II) из медного купороса и водного раствора аммиака: CuSO₄ + 2NH₃ +2H₂O = Cu(OH)₂↓+ (NH₄)₂SO₄

Cu(OH)₂ + 4NH₃ = [Cu(NH₃)₄](OH)₂

Другое название [Cu(NH₃)₄](OH)₂ гидроксида тетраамминмеди (II) – реактив Швейцера, в чистом виде – взрывоопасное соединение, применяемое как растворитель целлюлозы и в производстве медно-аммиачных волокон [13]. Образование амминокомплексов в водных растворах происходит путем последовательного замещения молекул воды во внутренней сфере голубых аквакомплексов [Cu(H₂О)₆]²⁺ на молекулы аммиака, что приводит к появлению более интенсивной синей окраски.

4NH₃ + CuSO₄ + nH₂O → [Cu(NH₃)₄(H₂O)_n]SO₄

[Cu(H₂O)₄]²⁺ + NH₃•H₂O →[Cu(H₂O)₃(NH₃)]²⁺ + 2H₂O

[Cu(H₂O)₃(NH₃)]²⁺ + NH₃•H₂O →[Cu(H₂O)₂(NH₃)₂]²⁺ + 2H₂O

При избытке аммиака в водных растворах преобладают тетраамминокомплексы, в которых четыре молекулы аммиака находятся в одной плоскости, а молекулы воды, расположенные сверху и снизу, дополняют геометрию до тетрагонально искаженного октаэдра [2].

Химическая связь молекул аммиака с комплексообразователем устанавливается через атом азота, который служит донором неподеленной пары электронов. Основным компонентом в растворе является комплексный ион с медью в центре, связанный с четырьмя аммиачными «лигандами» посредством координатно-ковалентных связей. Глубокий синий цвет возникает из-за того, что связывание аммиачных лигандов изменяет энергетическое разделение между самыми высокими занятыми и самыми низкими незанятыми орбиталями в ионе меди и, таким образом, изменяет энергию (и длину волны) поглощенного света. Ион меди в водном растворе существует преимущественно как[Cu(H₂O)₆] ²⁺[17].

Этот сложный ион придает раствору характерный бледно-синий цвет. Поскольку аммиак является слабым основанием, при его добавлении гидроксид-ион образует: NH₃(aq) + H₂O(l) → NH₄⁺(aq) + OH^-(aq)*¹;

pK_b = 9.25 (константа диссоциации) (1)

Ион гидроксида реагирует с ионом гексааквакупрата (II) с образованием нерастворимого соединения, дигидрата гидроксида меди (II):

[Cu(H₂O)₆]²⁺(aq) + 2OH^-(aq) → Cu(OH)₂•2H₂O(s) + 4H₂O(l) (2)

илиCu²⁺(aq) + 2OH^-(aq) → Cu(OH)₂ (s); K_sp (ПР) = 2,2X10^-20  (3)

Продолжительное добавление аммиака приводит к образованию растворимого темно-синего комплексного иона меди с аммиаком:

*¹The state symbols in brackets show the physical state of the substance at the reaction temperature. Solid (s), liquid (l), gas (g), or dissolved in water (aq) [19].

[Cu(H₂O)₆]²⁺(aq) + 4NH₃ (aq) → [Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺(aq) + 4H₂O(l);

K_c = 1,2 •10¹³  (4) илиCu²⁺(aq) + 4NH₃ (aq) → Cu(NH₃)₄²⁺(aq)(l) (5) [15].

Самые устойчивые аммиачные комплексы:

[Co(NH₃)₆]³⁺ (β₆= 1,6 . 10³⁵), [Cu(NH₃)₄]²⁺ (β₄ = 7,9 . 10¹²),

[Zn(NH₃)₄]²⁺ (β₄ = 4,2 . 10⁹) и др*² [13].

Яркий темно-сине-фиолетовый цвет и хорошая растворимость делают сульфат тетраамминмеди (II) превосходным химическим веществом для окрашивания тканей [16].

В диссертации Сергеевой  Александры Александровны «Влияние  аммиакатов  на фотосинтез, продуктивность сельскохозяйственных культур и  эффективность  использования  удобрений» доказывается польза применения аммиакатов тяжелых металлов в качестве удобрения для улучшения продуктивности и фотосинтеза растений [11].

1.4. Качественные реакции на аммиак

Изменение окраски индикатора (влажная УИБ имеет рН >7)

NH₃ + H₂O → NH₄⁺ + OH^- (1) [7]

Появление дыма в присутствии летучих кислот (НСl)

NH₃ + HCl → NH₄Cl (2) [6]

Почернение бумажки, смоченной в растворе соли ртути (I)

Hg₂Cl₂ + 2(NH₃∙H₂O) → Hg↓ + HgNH₂Cl + NH₄Cl+ 2H₂О (3)

Выпадение бурого осадка со щелочным раствором тетраиодомеркурата (II) калия (реактив Несслера)

2K₂[HgI₄] + 4(NH₃∙H₂O) → Hg₂NI∙ H₂O↓ + 4KI + 3NH₄I + 3H₂О (4)

Образование амминокомплексов кобальта (II) красного цвета

CoCl₂+6NH₃ → [Cu(NH₃)₆]Cl₂ (5)

Образование амминокомплексов меди(II) синего цвета [2]

CuSO₄+6NH₃ → [Cu(NH₃)₆]SO₄ (6) (в жидком аммиаке)

CuSO₄+4NH₃ → [Cu(NH₃)₄]SO₄ (7)

CuSO₄+NH₃ → [Cu(NH₃)]SO₄ (8)

*² Нижний индекс в условном обозначении β константы устойчивости комплексного соединения показывает число групп лиганда [14]

Глава 2. Практическая часть исследования

2.1 Методика проведения эксперимента

1. Создание индикаторной бумаги – тест-полоска «ABC-test»

Для создания нашей индикаторной бумаги нам понадобилось приготовить 4 точных раствора сульфата меди (II): 1%, 3%, 6%, 9%. В приготовленных растворах мы смачивали фильтровальную бумагу в течении 1 минуты. После просушили при помощи фена для волос. Изготовили коммерческий вариант тест-полосок «ABC-test» для хранения и использования. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты расчёта для приготовления точных растворов

2. Проверка индикаторной бумаги разными источниками распространения аммиака

Держали 1%, 3%, 6% -ную индикаторную бумагу «ABC-test» сухую и смоченную в воде над парами NH₃, над парами NH₃ (от взаимодействия NH₄Cl и NaOH) 3 минуты, сухую полоску вносили в 3%-ный раствор NH₃ и в 10%-ный раствор NH₃. Результаты контакта индикаторной бумаги «ABC-test» (1%, 3%, 6%) представлены в таблицах 2, 3, 4.

Таблица 2

Результаты контакта индикаторной бумаги «ABC-test» (1%)

Таблица 3

Результаты контакта индикаторной бумаги «ABC-test» (3%)

Таблица 4

Результаты контакта индикаторной бумаги «ABC-test» (6%)

3. Изучение влияния концентрации аммиака на содержание сульфата меди (II) в тестируемых полосках

В стеклянную склянку объемом 1000 мл с притертой пробкой внесли по 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3 мл 10%-ого раствора аммиака; выдержали 15 минут (время для диффузии) и проверили 1%, 3%, 6% и 9 %-ной полоской «ABC-test». На основании данных исследований создали шкалу цветности полоски «ABC-test», присвоили цветам синего цифры 1, 2, 3, 4, 5, 6,7, 8, 9, 10 по насыщенности окрашивания. В одну из склянок с 1мл аммиака внесли 1г технического медного купороса, через 5мин проверили наличие аммиака в сосуде влажной полоской на 9% аМмиаКтест, полоска не окрасилась, запаха аммиака нет, т.е. аммиак поглотился техническим медным купоросом с образованием ярко-синего комплекса. Результаты представлены в таблицах 5, 6, 7.

Таблица 5

Результаты расчёта концентрации аммиака в закрытом сосуде

Таблица 6

Результаты контакта индикаторной бумаги «ABC-тест» с парами аммиака в закрытом сосуде

Таблица 7

Шкала цветности «АВС-тест»

4. Изучение возможности поглощения аммиака техническим медным купоросом

В чашку Петри помещали 0,89 мл; 1,78 мл; 3,55 мл; 7,1 мл; 14,2 мл 10%-ного раствора аммиака. В другую чашку Петри помещали 5г технического медного купороса. В эксикатор объёмом 4000 мл на дно поставили чашку Петри с раствором аммиака объёмом 14,2 мл, на решетку поставили чашку Петри с 5г технического медного купороса; оставили на 22 часа. Это же проделали с остальными объемами раствора аммиака, массу кристаллогидрата не изменяли. После эксперимента произвели взвешивание КГ и проверку наличия аммиака в остатках раствора в чашке Петри. Результаты представлены в таблице 8.

Таблица 8

Результаты контакта аммиака и медного купороса в эксикаторе

Формулы для расчета: m(NH₃)=ρωV, n(NH₃)=ρωV/M, C(NH₃)= ρωV/M*V_{сосуда.} Расчёты теоретически возможной массы аммиака, способной поглотиться КГ массой 5г (примеси 4-5% в техническом медном купоросе не учитывались) производились по уравнению (7) и рассчитывались следующим образом:на 1моль КГ – 1 моль CuSO₄ – приходится 4 моль аммиака, тогда 5г КГ – это 0,02 моль, а NH₃ – 0,08 моль или 1,36г, т.е.14,2мл 10%-ного раствора аммиака (ρ=0,9575г/см³при 20ºC) [4].

2.2. Результаты исследования

На основании таблиц 5, 6, 7 из эксперимента 2.3 построен график 1.

График 1

Результаты влияния концентрации аммиака на интенсивность окраски «АВС-тест»

По результатам эксперимента 2.4 получается, что КГ массой 5г поглотил 0,83 г аммиака, хотя по расчётам должен был поглотить 1,36г, при уменьшении объема 10% раствора аммиака каждый раз в два раза полученные цифры показывают, что весь аммиак поглотился, на 0,68г аммиака прирост массы Δm=0,72г; на 0,34г аммиака прирост массы Δm=0,63г; на 0,17г аммиака прирост массы Δm=0,32г; на 0,085г аммиака прирост массы Δm=0,14г. Кроме аммиака КГ впитал воду, т.к. обладает свойством удерживать влагу, m₁(H₂O)=0,04г, m₂(H₂O)=0,29г, m₃(H₂O)=0,15г, m₄(H₂O)=0,055г. (Диаграмма 1)

Диаграмма 1

Зависимость изменения массы КГ от концентрации аммиака

2.3. Выводы

1. С использованием 1%, 3%, 6%, 9% растворов сульфата меди (II) удалось изготовить индикаторную бумагу, которую можно применять как тест-полоски с рабочим названием «Ammonia blue color-test»(ABC-test) и коммерческим названием «аМмиаКтест» на содержание аммиака в воздухе и растворе.

2. При контакте полоски «ABC-test» с парами 3% и 10% растворами аммиака удалось испытать 1%, 3%, 6% -ные тест-полоски и зафиксировать изменения цвета индикаторной бумаги.

3. С помощью полоски «ABC-test» удалось установить закономерность изменения интенсивности окрашивания 1%, 3%, 6%, 9%- полосок от концентрации аммиака в воздухе и создать шкалу цветности «Ammonia blue color-test».

4. Технический медный купорос массой 5 г способен за 22 часа поглотить 0,83 г или 1,094 дм³ аммиака, что составляет 61% от теоретически возможного (1,36 г или 1,792 дм³).

5. Можно сделать вывод, что обнаружить, определить и даже утилизировать аммиак можно таким доступным и дешёвым реактивом как технический медный купорос, который при стоимости 0,4коп за 1г способен поглотить 166 мг или 219 см³ аммиака.

Заключение

Для определения аммиака лучше всего подходит 9% -ный раствор сульфата меди (ІІ), полоску можно брать сухую, но лучше – влажную (смоченную водой), тогда цвет проявляется намного быстрее и интенсивнее, цвет ультрамариновый. Предложенный нами метод определения аммиака медным купоросом способен даже при слабой концентрации аммиака изменить цвет нашей индикаторной бумаги «Ammonia blue color-test» (ABC-test) или «аМмиаКтест». Преимуществом использования медного купороса является возможность одновременного обнаружения аммиака, частичной его утилизации, а также его дешевизна – приблизительно 4 руб за 1кг, а 1кг КГ может поглощать и сохранять в виде аммиаката 166 г или 219дм³ аммиака.

Перспективным направлением данной работы является возможность поглощения аммиака техническим медным купоросом в случае утечек с образованием аммиакатов. Есть доказательства пользы применения аммиакатов тяжелых металлов в качестве удобрения для улучшения продуктивности и фотосинтеза растений [11]. Яркий темно-сине-фиолетовый цвет и хорошая растворимость позволяют сульфат тетраамминмеди (II) использовать для окрашивания тканей, в аналитической химии, для получения нано-частиц меди, а реактив Швейцера применяется как растворитель целлюлозы и в производстве медно-аммиачных волокон [13].

Список литературы

Неорганическая химия: в 3 т. / под ред. Ю.Д. Третьякова. Т. 2: Химия непереходных элементов. Кн. 2: учебник для студ. высш. учеб. заведений / А.А. Дроздов, В.П. Зломанов, Г.Н. Мазо, Ф.М. Спиридонов. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 368 с.

Неорганическая химия: в 3 т. / под ред. Ю.Д. Третьякова. Т. 3: Химия переходных элементов. Кн. 2: учебник для студ. высш. учеб. заведений / А.А. Дроздов, В.П. Зломанов, Г.Н. Мазо, Ф.М. Спиридонов. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 400 с.

Общая и неорганическая химия. Учеб. для вузов./ Н.С. Ахметова – 4-е изд., испр. – М.: Высш. шк., Изд. центр «Академия», 2001. – 743 с., ил.

Справочник химика-аналитика. / Лазарев А.И., Харламов И.П., Яковлев П.Я., Яковлева Е.Ф. – М.: Металлургия, 1976, с 184

Химия элементов (в 2 томах) Том1. Н. Гринвуд, А. Эрншо. Издательство: Москва, БИНОМ. Лаборатория знаний 2008

«Химия в действии», М. Фримантл. Издательство: Мир, Москва, 1998, том 2.

Энциклопедия для детей. Том 17. Химия /Глав. ред. В.А.Володин. – М.: Аванта+, 2001. – 640 с.: ил.

https://ru.wikipedia.org/wiki/

http://virtualbrest.by/news6444.php

http://ria/ru/20130512/936859023.html

https://www.dissercat.com

http://ru.tsn.ua/svit/v-kanade-proizoshla-ammiaka-na-ledovoy-arene-est-pogibshie- 1016795.html

https://can-az.livejournal.com/86260.html

http://www.novedu.ru/cen1.htm

https://chemdemos.uoregon.edu/demos/Copper-Ammonia-Comple

https://en.wikipedia.org/wiki/Tetraamminecopper(II)_sulfate#cite_note-ReferenceA-2

https://www.chemthes.com/entity_datapage.php?id=3973

https://www.quora.com/When-copper-reacts-with-aqueous-ammonia-it-forms-a-blue-solution-Is-this-a-chemical-property-of-ammonia-or-copper

http://www.gcsescience.com/a18-chemical-equations-state-symbols.htm

https://www.caravan.kz/news/v-rezultate-zemletryaseniya-v-sychuani-yadovitoe-oblako-ammiaka-navislo-nad-naselennymi-punktami-238579/