Синтез, очистка и идентификация карбоната лития Li 2 co 3
![]()
|
БУ ВО «Сургутский государственный университет» Институт естественных и технических наук Кафедра химии КУРСОВОЙ ПРОЕКТ По дисциплине «Неорганическая химия» На тему «Синтез, очистка и идентификация карбоната лития Li2CO3» Выполнил: студент 302-91 гр. 2-го курса института естественных и технических наук Попов Артем Вадимович Научный руководитель: Ст. пр. Крайник Виктория Викторовна Сургут 2020 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………............3 ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ……………………...………................5 1.1. Историческая справка………………………...………………...……5 1.2. Области применения…………………………………………………6 1.3. Методы получения………………………………………………..….8 1.4. Физико-химические свойства……………………………………….9 1.5. Биологическая роль………………………………………………....12 ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ……................................….....14 2.1. Методика синтеза и исходные вещества……………………..….14 2.2. Техника безопасности при выполнении синтеза…………..……14 2.3. Синтез…………………………………………………………..….16 ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ……..17 3.1. Расчет выхода продукта и его идентификация …….…………..…17 3.2. Испытание на чистоту полученного вещества…………….…...…18 3.2. Исследование свойств соединения……..........................................18 ВЫВОДЫ………………………………………………………………….…....20 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………...21 ВВЕДЕНИЕ За последние несколько лет мировой уровень потребления литиевой продукции увеличился более чем в 2,5 за счет появления новых бурно развивающихся отраслей (фармацевтики, производства синтетических каучуков, термоэластопластов, высокочистых литиевых солей, различных химических источников тока). Современное мировое производство литиевой продукции, в целом, отличается высокой стабильностью и имеет неплохую перспективу развития, поскольку открытие и разработка богатейших месторождений литиеносного гидроминерального сырья (ЛГМС) в Южной Америке произвели коренной переворот на рынке литиевой продукции за счет резкого снижения себестоимости переработки данного вида сырья в товарные литиевые соли, вообще, и в карбонат лития, в частности [1]. В качестве основных областей применения карбоната лития можно выделить: аккумуляторную промышленность (карбонат лития используются для производства катодного материала), строительную промышленность (все более важным становится применение карбоната лития в качестве добавки к быстросхватывающимся цементам, которые влияют на время схватывания и упрочнение цементов и строительных растворов с высоким и средним содержанием алюминия), а также примеси лития очень эффективны для процесса плавления стекла. Применение карбоната лития в качестве добавки стало важным при производстве стекла, эмали и также в керамической промышленности [1]. Целью данной работы является изучение процессов синтеза, очистки и идентификации такого вещества, как карбонат лития. Задачами работы будут являться: изучение методов получения, исследование физико-химический свойств, изучение применения вещества вычисление масс реагирующих веществ для получения 5 г карбоната лития. ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. Историческая справка В отличие от карбонатов других щелочных металлов (соды – карбоната натрия и поташа – карбоната калия) карбонат лития плохо растворим в воде, и поэтому теоретически может накапливаться в природе в виде минерала. Минерал, основным компонентом которого является карбонат лития – забуелит был обнаружен в 1987 у озера Забуйе в Тибете, однако это скорее исключение – карбонат лития практически не встречается в природе [1]. Низкая растворимость карбоната лития облегчает его получение из растворимых солей лития, обычно того самого хлорида лития, который, в свою очередь, можно выделить из месторождений поваренной соли. Особенно богаты хлоридом лития некоторые минеральные источники Южной Америки – Чили и Аргентины. Карбонат лития был впервые получен шведским химиком Йоханом Августом Арфведсоном (Johan August Arfwedson) в 1817 году вместе с другими полученными им соединениями лития [1]. Карбонат лития оказался в арсенале врачей не более, чем через 25 лет после открытия – первоначально его применяли для растворения камней в мочевом пузыре, затем в XIX веке его назначали для лечения головной боли, ревматизма и подагры. Помогал ли карбонат лития от этих хворей или нет – непонятно. В XIX веке врачи часто использовали новые соединения «от всего» – псевдонародная медицина под маской научности, при этом не забываем, что эффект плацебо работал и тогда [2]. Эффект плацебо или реальная польза от карбоната лития привели к тому, что он был запатентован как лекарство, а затем как компонент популярных напитков. Так, в 1929 был создан новый литийсодержащий напиток «Литиированная содовая с лимоном и лаймом». В этом напитке литий содержался до 1940 года, сейчас же этот напиток (уже без лития) известен нам как 7 Up [2]. Значительное расширение областей применения лития и его соединений и усовершенствование технологии их получения за последние 30 лет привели к возникновению самостоятельной крупной литиевой промышленности в ряде стран, многократному увеличению производственных мощностей и номенклатуры выпускаемых промышленностью соединений лития и его лигатур. Здесь можно ограничиться указанием на то, что мощность действующих литиевых заводов в США составляет в настоящее время 25 тыс. т (в пересчете на карбонат лития); это превышает уровень предвоенного 1940 г. более чем в 40 раз и обеспечивает создание больших резервов для дальнейшего увеличения производства как металлического лития, так и его многочисленных производных. [7]. Области применения 1. Карбонат лития используется в промышленном производстве батарей и комплексов сохранения энергии, включая использование литиевых батарей в аэрокосмической индустрии благодаря развитию новых технологических процессов по обработке продукта. 2. Используется в фармацевтической индустрии для производства широкого спектра лекарственных препаратов. В частности для лечения биполярных расстройств, депрессий различного генезиса вплоть до длительных депрессионных эпизодов с шизопатическими отклонениями. Карбонат лития включен в список одних и самых необходимых препаратов для психиатрии и фармакалогии, используемых для лечения психических расстройств. 3. Используется для производства смазочных материалов, используемых во множестве промышленных и технологических производства для увеличения параметров долговечности обрабатываемых материалов и инструментов. 4. Используется для производства веществ, используемых в производстве промышленных и домашних средств для фильтрации и очищения воздуха. 5. Является сырьевым продуктом в промышленном производстве аллюминия, используемый на этапе плавки аллюминиевого сырья. 6. Используется как сырье для изготовления продукции из стекла, отличающиеся повышенной плотностью и легкостью обработки продукции. В стеклоделии карбонат лития применяется как в чистом виде (в том числе и оксид лития), так и в составе различных минералов, таких как: петалит Li2O·Al2O3·8SiO2 (4,3-5,7 % Li2O), сподумен Li2O·Al2O3·4SiO2 (7,3-8 % Li2O), лепидолит (3,9-6 % Li2O), амблигонит (7-10 % Li2O). Оксид лития сильно повышает химическую стойкость стекла, при его применении вместе с оксидом натрия. В состав стекла как правило вносят (0,1-0,4 %Li2O). Свыше 0,15 % Li2O в составе стекла приводит к: понижению температуры плавления (выступает в роли флюса), что в свою очередь снижает энергозатраты и продлевает кампанию печи. снижению вязкости стекломассы. повышению качества и блеска готовой продукции, улучшает колер стекла 7. Используется в керамической промышленности на всех этапам обжига продукции для придания не только дополнительных цветовых гамм, но и для увеличения плотности и изностойкости конечного продукта. 8. Используется в аэрокосмической промышленности для изготовления обшивок для кораблей, нуждающихся в выходе в космос. Благодаря своим свойствам обшивка из карбоната натрия позволяет многократное использование после перезахода космического корабля в атмосферу. 9. Используется в автомобильной индустрии в промышленном производстве автомобилей нового поколения, называемых умными автомобилями. 10. Используется в строительной промышленности для добавки в растворы цемента, давая конечному продукту свойства быстрого схватывания. 11. Используется в производстве стяжек и плитки, как вещество, способствующее добавлению конечному продукту свойств дополнительной устойчивости к механическому воздействию, а так же повышенным параметрам прочности и долговечности [4]. Методы получения В промышленности Li2CO3 получают действием поташа или воды (в виде сухих солей или растворов) на растворы солей лития вблизи их температуры кипения, например при 90оС. Так как Li2CO3 растворим в растворах LiCl или LiNO3 значительно меньше, чем в растворе Li2SO4, то наиболее выделение карбоната лития может быть осуществлено из раствора LiCl или LiNO3; однако обычно осаждение проводят из технических растворов Li2SO4, так как они непосредственно получаются после разложений рудных концентратов лития [7]. Также существует способ получения карбоната лития из литийсодержащих природных рассолов (рис 1.): Можно привести следующие используемые лабораторные методы получения [3]: 1. Карбонат лития можно получить путем взаимодействия оксида лития и углекислого газа: Li2O + CO2 = Li2CO3 2. При комнатной температуре, в результате взаимодействия гидроксида лития и углекислого газа образуется карбонат лития и вода: 2LiOH + CO2 = Li2CO3↓ + H2O 3. В результате обменной реакции между хлоридом лития и, например, карбонатом калия, происходит образование карбоната лития: 2LiCl + K2CO3 = Li2CO3↓ + 2KCl Именно этот метод выбран в качестве проводимого синтеза в данной работе. ![]() Рис.1 Технологическая схема получения карбоната лития из литийсодержащего природного рассола Физико-химические свойства Карбонат лития представляет собой вещество, являющееся порошком в своем изначальном агрегатном состоянии. Не имеет ярковыраженного запаха. Растворим в водных средах. Выше температуры плавления начинает разлагаться до оксида лития и углекислого газа. Давление разложение достигает атмосферного при 1310 оС. В термическом отношении Li2CO3 наименее устойчив среди карбонатов других щелочных металлов, что объясняется высокой поляризующей способностью иона лития и отчетливо видно из рис 2. На основании приведенной на рис. 3 политермы растворимости в системе Li2CO3 – H2О следует, что растворимость карбоната лития в воде с повышением температуры непрерывно уменьшается и при приближении к критической температуре воды выражается всего лишь сотыми долям процента. Таблица 1. Показатели вещества карбоната лития
![]() Рис. 2. Зависимость давления СО2 при диссоциации карбонатов щелочных металлов от температуры Кристаллогидратов Li2CО3 не образует. В водном растворе карбонат лития постепенно гидролизуется, рН насыщенного раствора равен 11; при кипячении гидролиз усиливается [7]. ![]() Рис.3. Политерма растворимости карбоната лития в воде. Химические свойства: 1. Карбонат лития разлагается при температуре от 730º до 1270º с образованием оксида лития и углекислого газа: Li2CO3 = Li2O + CO2 2. Карбонат лития может реагировать с простыми веществами: Карбонат лития реагирует с углеродом. При этом образуется оксид лития и угарный газ: Li2CO3 + C(кокс) = Li2O + 2CO С магнием карбонат лития реагирует с образованием лития, оксида магния и углекислого газа: Li2CO3 + Mg = 2Li + MgO + CO2 3. Карбонат лития вступает в реакцию со многими сложными веществами: Карбонат лития реагирует с водой и углекислым газом, образуя гидрокарбонат лития: Li2CO3 + H2O + CO2 ↔ 2LiHCO3 Карбонат лития может реагировать с гидроксидом кальция с образованием гидроксида лития и карбоната кальция: Li2CO3 + Ca(OH)2 = 2LiOH + CaCO3 При взаимодействии с хлороводородной кислотой карбонат лития образует хлорид лития, углекислый газ и воду: Li2CO3 + 2HCl = 2LiCl + CO2↑ +H2O 4. Карбонат лития способен реагировать с некоторыми оксидами: Карбонат лития при сплавлении реагирует с оксидом кремния. Взаимодействие карбоната лития с оксидом кремния приводит к образованию силиката лития и углекислого газа: Li2CO3 + SiO2 = Li2SiO3 + 2CO2 Карбонат лития взаимодействует с оксидом алюминия. При этом образуются алюминат лития и углекислый газ: Li2CO3 + Al2O3 = 2LiAlO2 + CO2 При взаимодействии карбоната лития с оксидом хрома и кислородом выделяется хромат лития и углекислый газ: 4Li2CO3 + 2Cr2O3 + 3O2 = 4Li2CrO4 + 4CO2 [4]. Биологическая роль Нормотимическое средство (нормализует психическое состояние, не вызывая общей заторможенности). Оказывает также антидепрессивное, седативное и антиманиакальное действие. Эффект обусловлен ионами лития, которые, являясь антагонистами ионов натрия, вытесняют их из клеток и тем самым снижают биоэлектрическую активность нейронов мозга. Ускоряет распад биогенных аминов (снижается концентрация норэпинефрина и серотонина в тканях мозга). Повышает чувствительность нейронов гиппокампа и других областей мозга к действию допамина. Взаимодействует с липидами, образующимися при метаболизме инозита. В терапевтических концентрациях блокирует активность инозил1-фосфатазы и снижает концентрацию нейронального инозита, который участвует в регуляции чувствительности нейронов. Благоприятное действие лития при мигрени может быть связано с изменением концентраций серотонина и гистамина в тромбоцитах. Антидепрессивное действие может быть связано с усилением серотонинергической активности и снижением регуляции функции β-адренорецепторов [5]. Токсическое действие. Клиническая картина острого отравления проявляется общей заторможенностью, угнетением реакции на внешние раздражители, судорогами в первые часы после отравления и параличами в последующий период. Смерть наступает в течение первых суток. У человека симптоматика острого отравления наблюдалась при криминальных случаях и при передозировке препаратов в курсе лекарственной терапии психических расстройств. Острая токсичность на мышах ЛД50 (средняя доза вещества, вызывающая гибель половины членов испытуемой группы) (мг/кг) при введении в кожу – 413, в желудок – 531, внутрибрюшинно – 360 [6]. ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. Методика синтеза и исходные вещества. Исходные вещества: LiCl – хлорид лития K2CO3 – карбонат калия. Методика синтеза: К насыщенному раствору хлорида лития прибавляют равный объем воды, а затем горячий раствор, содержащий теоретически рассчитанное количество соды или поташа. Благодаря низкой растворимости (1,33 г при температуре 20°C в 100 г воды) карбонат выпадает в осадок. Его отфильтровывают, 2-3 раза промывают небольшими порциями горячей воды и высушивают при 60-80°C. Для очистки карбонат можно перекристаллизовать. Приготовляют на холоде насыщенный раствор соли, профильтровывают его и нагревают до кипения. Растворимость при нагревании уменьшается (при 100°C растворяется в 100 г воды 0,72 г карбоната), часть карбоната выпадает в осадок. Горячий раствор отфильтровывают, осадок промывают один раз горячей водой и высушивают при 60-80°C. На воздухе карбонат лития устойчив [4]. Техника безопасности при выполнении синтеза Хлорид лития — белый мелкокристаллический порошок, на воздухе, притягивая влагу, расплывается. Хранить только в хорошо закрытой склянке или в запаянной ампуле. В виде пыли вызывает раздражение слизистых оболочек дыхательных путей. Краткая характеристика опасности: вредно при проглатывании, при попадании на кожу вызывает раздражение, при попадании в глаза вызывает выраженное раздражение. Меры предосторожности: использовать перчатки/спецодежду/средства защиты глаз/лица. При попадании: промыть большим количеством воды с мылом. При попадании в глаза: Осторожно промыть глаза водой в течение нескольких минут. Снять контактные линзы, если Вы ими пользуетесь, и если это легко сделать. Продолжить промывание глаз. Специальные меры первой помощи: если раздражение глаз продолжается, то необходимо обратиться к врачу. Карбонат калия: Краткая характеристика опасности: может причинить вред при проглатывании или при попадании на кожу, вызывает раздражение кожи, вызывает серьезное раздражение глаз. Меры предосторожности: после работы тщательно вымыть руки, а также необходимо пользоваться защитными перчатками/защитной одеждой/средствами защиты глаз/лица. При попадании на кожу: осторожно промыть большим количеством воды. При попадании в глаза: осторожно промыть глаза водой в течение нескольких минут. Снять контактные линзы, если вы пользуетесь ими и если это легко сделать. Продолжить промывание глаз. Обратиться в токсикологический центр или к врачу/специалисту в случае плохого самочувствия. Карбонат лития: Краткая характеристика опасности: вредно при попадании внутрь, может причинить вред при попадании на кожу, вызывает серьезное раздражение глаз, вызывает повреждение органов при длительном или неоднократном воздействии, токсично для водной флоры и фауны с долговременными последствиями. Меры предосторожности: перед использованием получить специальные инструкции. Избегать вдыхания пыли/дыма/газа/тумана/паров/распылителей жидкости. При оказании воздействия или обеспокоенности: обратиться в токсикологический центр/к врачу/специалисту. Хлорид калия: Краткая характеристика опасности: может причинить вред при проглатывании. Меры предосторожности: обратиться за медицинской помощью при плохом самочувствии [4]. Синтез Производственный расчёт исходных количеств веществ для получения 5 г карбоната лития: По уравнению: 2LiCl + K2CO3 = 2KCl + Li2CO3Рассчитаем молярные массы веществ: М(LiCl) = 42 г/моль М(K2CO3) = 138 г/моль М(KCl) = 75 г/моль М(Li2CO3) = 74 г/моль Рассчитаем количество вещества: n(Li2CO3) = 5/74 = 0,068 моль n(LiCl) = 2n(Li2CO3) = 0,136 моль n(K2CO3) = n(Li2CO3) = 0,068 моль Найдем массы веществ, необходимых для синтеза: m(LiCl) = 0,136 * 42 = 5,712 г m(K2CO3) = 0,068 * 138 = 9,384 г ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Расчет выхода продукта и его идентификация. Расчет выхода продукта: Выход (%) = (практический выход (г) / теоретический выход (г)) . 100% mтеор(Li2CO3) = 5 г В соответствии с литературными данными [3] обычно получается 3,821 г вещества, следовательно, выход составит: ɳ = 3,821/5 * 100% = 76,42% Идентификация: 1) определение катионов лития Li+: а) после растворения лития карбоната в соляной кислоте – пламя горелки окрашивается в карминово-красный цвет ионами лития; б) с гидрофосфатом натрия в нейтральной или слабощелочной среде растворимые соли дают белый осадок лития фосфата: 3Li+ + НPO42-+ OH- = Li2PO4 + H2O Для более полного осаждения лития фосфата в реакционную смесь добавляют этанол; в) ионы лития с оксихинолином образуют красный оксихинолинат лития C9H6NOLi, при УФ-облучении которого наблюдается голубая флуоресценция. 2) реакция на карбонат-ион CO32-: Карбонат-ион даёт реакцию с хлористоводородной кислотой, которая сопровождается выделением углекислого газа. Эта реакция основана на вытеснении сильной минеральной кислотой кислоты угольной из её солей. Кислота угольная нестойкая и выделяет CO2 в виде пузырьков газа, который даёт белый осадок при пропускании через известковую воду: Li2CO3 + 2HCl = 2LiCl + CO2 + H2O [7]. Испытание на чистоту полученного вещества Чистоту препарата проверяют по отсутствию железа, тяжёлых металлов, хлоридов, сульфатов, кальция. Содержание влаги должно составлять не более 1%. Наличие щелочных металлов проверяют по следующей методике – 0,2 г препарата растворяют в 1 мл соляной кислоты и раствор выпаривают досуха; остаток должен полностью раствориться в 3 мл 96% спирта. Прозрачность (мутность) и цветность оценивают, действуя азотной кислотой на суспензию, приготовленную смешиванием 10 г препарата в 30 мл воды. Раствор нейтрализуют раствором натрия гидроксида концентрацией 2 моль/л и разбавляют дистиллированной водой до объёма 100 мл. Раствор должен быть прозрачным и бесцветным [8]. Исследование свойств соединения. Образует бесцветные кристаллы. Кристаллизуется в моноклинной сингонии (а = 0,839 нм, b = 0.500 нм, с = 0,621 нм, b = 114,5°, z = 2, пространств. Группа С2/с), умерено растворяется в холодной воде и плохо в горячей. Температура плавления 732 °C. Неустойчив и при температуре плавления начинает разлагаться: Li2CO3 → Li2O + CO2↑ (730 ° C) Разлагается разбавленными кислотами: Li2CO3 + 2HCl → 2LiCl + CO2↑ + H2O Вытесняется из соли более активными металлами: Li2CO3 + Mg → 2Li + MgO + CO2↑ (500 ° C) В холодных водных растворах обратимо взаимодействует с углекислым газом с образованием кислой соли: Li2CO3 + H2O + CO2 ⇄ 2LiHCO3 [9]. Реакции вещества: Выше температуры плавления начинает разлагаться до оксида лития и углекислого газа. Давление разложения достигает атмосферного при 1270 Реагирует в водном растворе с углекислым газом образуя, устойчивый только в водном растворе, более растворимый гидрокарбонат лития. Разлагается углем с образованием оксида лития. При нагревании с алюминием воспламеняется с образованием лития. При нагревании с магнием бурно реагирует (со взрывом) с образованием лития [9]. ВЫВОДЫ В результате выполнения данной работы удалось изучить процессы синтеза, очистки и идентификации такого вещества, как карбонат лития посредством выполнения конкретных задач: изучение методов получения, исследование физико-химический свойств, изучение областей применения и биологической роли, изучение техники безопасности при проведении синтеза и вычисление масс реагирующих веществ для получения 5 г карбоната лития. Таким образом, удалось выяснить, что для получения карбоната лития в ходе взаимодействия хлорида лития и карбоната калия потребуется 5,712 г LiCl и 9,384 г K2CO3, соответственно. А также был определен выход рассматриваемого вещества, он составил 76,42%. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Справочник химика / Редкол.: Никольский Б.П. и др.. — 2-е изд., испр. — М.-Л.: Химия, 1966. — Т. 1. — 1072 с. 2. Справочник химика / Редкол.: Никольский Б.П. и др.. — 3-е изд., испр. — Л.: Химия, 1971. — Т. 2.- 1168 с. 3. Неорганические синтезы. Сборник 1. Перевод с английского Е.А. Терентьевой. Под редакцией проф. Д.И. Рябчикова. Издательство иностранной литературы. Москва – 1951 г.- 190 с. 4. Остроушко Ю.И., Бучихин П.И. и др. Литий, его химия и технология. - М.: ИГУИАЭ, 1960.- 200 с. 5. Кадырова Р.Г., Кабиров Г.Ф., Муллахметов Р.Р. Биогенные свойства солей лития [Текст] / Кадырова Р.Г., Кабиров Г.Ф., Муллахметов Р.Р. // «Казанский государственный энергетический университет». - 2012 г.- С. 1-3. 6. Иванов С.В. Применение иммуногистохимиеческого метода оценки цитопротективного действия антидиабетических препаратов [Текст] / Иванов С.В. // Фармакокинетика и фармакодинамика. - 2018 г. - С. 2-4. 7. Плющев В.Е., Степин В.Д. Химия и технология соединений лития, рубидия и цезия. Издательство: Москва. Год издания: 1970.- 206 с. 8. Р.А. Лидин, В.А. Молочко, Л.Л. Андреева. Химические свойства неорганических соединений: 3-е издание, исправленное. Дата последней компиляции - 22.09.2004.- 162 с. 9. Вредные химические вещества: Неорганические соединения элементов I-IV групп. Справочник. - Л.: Химия, 1988.- 512 с. |