ساخت زاج پتاسیم از آلومینیوم

عنوان پروژه: ساخت زاج پتاسیم از آلومینیوم
زمینه: شیمی
مقطع تحصیلی: دبیرستان
تعداد جلسات: 1

خلاصه پروژه: در این پروژه پس از آشنایی با زاج ها و عناصر به کار رفته در آن و شرح مختصری درباره شیمی و واکنش های آن ها، به شرح کامل مراحل ساخت زاج خواهیم پرداخت.

مهارت های آموزش داده شده در این پروژه:
1. انجام دقیق، مرحله به مرحله و کامل یک آزمایش شیمیایی و رعایت تمام نکات ایمنی لازم
2. یادگیری کار کردن با لوازم آزمایشگاهی مختلف
3. استفاده از قیف بوخنر

اهداف جلسه:
1. آشنایی بیشتر با واکنش های جابجایی یگانه اکسایش-کاهش
2. تمرین تکنیک های اندازه گیری جرم و حجم
3. محاسبه بازده تئوری و درصد بازده یک واکنش سنتزی
4. یادگیری مهارت های ذکر شده در بالا

توضیحات علمی:
زاج ها ترکیبات یونی هستند که از محلول های حاوی یون سولفات، یک کاتیون سه ظرفیتی مثل Al3+, Cr3+, Fe3+  و یک کاتیون تک ظرفیتی مثل  K+, Na+, or NH4+ متبلور می شوند.شش ملکول آب پیوند محکمی با یون فلزسه ظرفیتی ایجاد می کنند. شش ملکول باقی مانده دیگر پیوند ضعیف تری با کاتیون تک ظرفیتی و آنیون سولفات برقرار می کنند. در این آزمایش از یک قطعه آلومینیوم، زاج پتاسیم(  KAl(SO4)2·12H2O) خواهیم ساخت. این ترکیب بطور گسترده در رنگرزی پارچه، درست کردن ترشی، ساخت کاغذ و تصفیه آب استفاده می شود.
اگرچه در سری واکنش پذیری، فلز آلومینیوم در بالای هیدروژن قرار دارد، اما با اسیدهای رقیق به آرامی واکنش میدهد، چون یک لایه نازک از اکسید آلومینیوم سطح فلز را می پوشاند. آلومینیم با محلول های قلیایی واکنش می دهد و تولید هیدروژن می کند، چون یون هیدروکسید اضافی به لایه سخت   Al2O3 حمله میکند و بعد فلز آلومینیوم می تواند وارد واکنش شود. آلومینیوم به یون تتراهیدروکسوآلومینات تبدیل میشود. اضافه کردن آهسته اسید به محلولی از این یون باعث رسوب  Al(OH)3 میشود. سپس رسوب حل میشود و یون Al3+ بوجود می آید. رسوب جامد Al(OH)3 هم چنین به دلیل ایجاد  Al(OH)4– ، در باز اضافی حل می شود. به هیدروکسیدی که هم با اسیدها می تواند واکنش دهد و هم با بازها، آمفوتر می گوییم.

 Al(aq)3+   add OH–⎯ →     Al(OH)3    3conc. OH–⎯ →   Al(OH)4-
(برای بازگشت واکنش بالا در هر مرحله بجای یون OH– ، یون H+ اضافه می کنیم.)

بجز فلزات گروه 1،  Ca2+, Sr2+, Ba2+ ، تمام یون های فلزات، هیدروکسیدهای نامحلول بوجود می آورند.

این هیدروکسیدهای نامحلول در محلول های اسیدی حل می شوند. هیدروکسیدهای آمفوتری در محلول های بازی قوی نیز حل می شوند. (محلول های غلیظ هیدروکسید که با حل کردن NaOH یا KOH در آب بدست آمده اند.)

واکنش های زیر مراحل کلی  واکنش های انجام شده در این آزمایش را نشان می دهد.
1.واکنش آلومینیوم با KOH (مرحله انحلال)
2 Al(s)+2 KOH(aq)+6H2O(l)→2KAl(OH)4 (aq)+3H2 (g)
2.افزایش اولیه سولفوریک اسید ( رسوب Al(OH)3 )
 2 KAl(OH)4 (aq)+ H2SO4 (aq)→2Al(OH)3 (s)+K2SO4 (aq)+2 H2O(l)
3.افزایش دوباره سولفوریک اسید ( حل شدن Al(OH)3 )
4.تشکیل رسوب زاج هنگام سرد کردن

می توان یک واکنش یونی کلی برای فرایند رسوب گیری نوشت:
K(aq)++ Al(aq)3++2 SO4 (aq)2–+12 H2O(l)→ KAl(SO4)2⋅12H2O(l)

ایمنی
پتاسیم هیدروکسید یک باز قوی است. اگر محلول آن به داخل چشم بپرد به سرعت و حتی پیش از رسیدن به آب آسیب جبران ناپذیری به چشم میزند. بنابراین در حین انجام این آزمایش حتما باید از عینک ایمنی استفاده کنید.
هنگام واکنش فلز آلومینیوم با پتاسیم هیدروکسید، گاز هیدروژن تولید می شود. هیدروژن بشدت اشتعال پذیر است. بنابراین در این قسمت از آزمایش نباید از چراغ بونزن استفاده کنید.

مراحل انجام آزمایش:
1. برای تهیه یک قطعه آلومینیوم میتوانید از یک قوطی آلومینیومی یا از آلومینیوم موجود در آزمایشگاه استفاده کنید. اندازه قطعه آلومینیوم باید تقریبا 5.5 در 7.5 سانتیمتر و وزن آن 1.0 تا 1.1 گرم باشد.
2. برای از بین بردن هرگونه رنگ و لاک، هر دو طرف آلومینیوم را با یک کاغذ سمباده بسایید و تمیز کنید. ( این کار سرعت حل شدن را بشدت افزایش می دهد، و اندازه جرم آن را برای انجام آزمایش دقیق تر میکند.)
3. آلومینیوم تمیز شده را با ترازوی آزمایشگاه بطور دقیق وزن کنید.
4. آلومینیوم وزن شده را به تکه های کوچکی تقسیم کنید ( برای سریع تر حل شدن) و داخل یک بشر 250 میلی لیتری بریزید.
5. در این مرحله حتما عینک ایمنی را به چشم هایتان بزنید! بشر را زیر هود قرار دهید و 50 ml محلول 1.4 M پتاسیم هیدروکسید به آن اضافه کنید.
6. مخلوط را بر روی صفحه های داغ الکتریکی گرم کنید. اگر سطح مایع به کمتر از نصف حجم اولیه اش رسید، با اضافه کردن آب مقطر آن را به حجم اولیه برسانید. در حین واکنش، رنگ مخلوط بدلیل وجود ناخالصی های سیلیکونی، رنگ ها و پلاستیک های باقی مانده، خاکستری تیره میشود.
حل شدن نمونه نباید بیش از 30 دقیقه طول بکشد. حجم نهایی مایع باید حدود 60% حجم اولیه باشد. واکنش زمانی که تشکیل گاز هیدروژن متوقف شود کامل شده است.
7. محلول خنک شده را فیلتر کنید تا تمام مواد جامد باقی مانده جدا شوند. راحت ترین روش فیلترسازی استفاده از قیف بوخنر و مکش آب است. حتما از دریچه ایمنی استفاده کنید، چون در این فیلترسازی باید مایع زیر صافی ( محلول) را نگه دارید. اگر از درچه استفاده نکنید و کوچک ترین مانعی در مسیر جریان آب وجود داشته باشد، آب شیر به داخل محلول شما برمیگردد و آن را آلوده می کند.
8. ماده جامد تیره رنگ که در کاغذ صافی باقی مانده دور بریزید و محلول را برای مرحله بعد نگه دارید. (وقت خود را برای جمع آوری زاج های کمی که در بشر یا فلاسک مکش شکل گرفته هدر ندهید!)
9. محلول شفاف (بدون ذرات معلق) را به یک بشر تمیز 250 میلی لیتری منتقل کنید.
10. اگر بشر گرم است آن را در حمام یخ و اب قرار دهید.
11. در این مرحله حتما عینک ایمنی بزنید. 20 ml اسید سولفوریک 9 M را به آرامی و با دقت در بشر بریزید و هم بزنید. در ابتدا متوجه تشکیل رسوب سفید و ژلاتینی آلومینیوم هیدروکسید میشوید. هم چنان که سولفوریک اسید بیشتری اضافه میکنید متوجه تولید گرما و حل شدن رسوبات تشکیل شده میشوید. اگر واکنش به کندی پیش میرود، محلول را به آرامی گرم کنید و بهم بزنید تا واکنش کامل شود.
12. محلول را با استفاده از یک ظرف داغ تبخیر کنید تا به حجم 60 ml برسد. اگر ذرات جامدی باقی ماند، مخلوط را بوسیله مکش آب صاف کنید و محلول شفاف را برای بعد نگه دارید.
13. یک حمام یخ بسازید. برای این کار یک بشر 600 میلی لیتری بردارید و آن را تا نیمه با یخ خورد شده پر کنید و روی یخ ها آب بریزید. روش دیگر این است که یک ظرف فلزی کوچک بردارید و داخل آن مخلوطی از آب و یخ بریزید. بشر حاوی محلول شفاف مرحله قبل را داخل حام قرار دهید تا سرد شود. بلورهای زاج باید بعد از حدود 15 دقیقه تشکیل شوند. بلورهای خوب در زمان طولانی تری تشکیل میشوند. پس عجله نکنید.
14. هنگامی که مخلوط در حال خنک شدن است، دستگاه فیلترسازی مکشی را تمیز و آماده کنید. وقتی بلورهای زاج خوبی تشکیل شد، تا جایی که ممکن است آنها را از محلول سرد جداسازی کنید.
15.  10 ml  اتانول را با 5 ml آب مخلوط کنید. این مخلوط را بمدت چند دقیقه در حمام یخ قرار دهید. با استفاده از قطره چکان چشم، بلورهای بقیمانده را از بشر به داخل قیف بریزید. بلورهای داخل قیف را با قطرات محلول آب و الکل شستشو دهید. اجازه دهید بلورها بمدت 5 دقیقه بر روی کاغذ صافی با مکش کامل خشک شوند.
16. وقتی بلورها خشک شدند، آن ها را بصورت زیر با ترازوی آزمایشگاه وزن کنید: یک بشر تمیز را با ترازو وزن کنید، سپس بلورها را در بشر بریزید و بشر را به همراه بلورها وزن کنید.
17. با استفاده از جرم اولیه آلومینیوم، جرم زاج بدست آمده را بصورت تئوری محاسبه کنید. (بازده نظری)
18. با استفاده از جرم محصول بدست آمده (بازده عملی) و بازده نظری زاج، بازده درصدی واکنش را بدست آورید.
19. نظر معلم خود را در مورد بلورهای زاج بپرسید.
اگر معلم از شما میخواهد که بلور بزرگتری بسازید، زاج خود را برای استفاده بعنوان ماده اولیه تحویل دهید. اگر قصد این کار را ندارید آن را در سطل مخصوص زباله آزمایشگاه بیندازید.

تکلیف قبل از انجام آزمایش
1. مقدار مول و گرم KOH مورد نیاز برای تبدیل 1.50gr آلومینیوم به KAl(OH)4 را محاسبه کنید. ابتدا معادله موازنه شده آن را بنویسید.
2. با توجه به واکنش زیر، حجم مورد نیاز از H2SO4 9.0 M برای تبدیل 0.070  مول4 KAl(OH) به K2SO4 و  Al2(SO4)3 را برحسب میلی لیتر محاسبه کنید.
2 KAl(OH)4 + 4 H2SO4 →K2SO4 + Al2(SO4)3 + 8 H2O
3. با استفاده از 5.00 gr آلومینیوم، چند مول و چند گرم زاج پتاسیم (KAl(SO4)2 · 12 H2O) میتوان بدست آورد؟
4. اگر 75.0 gr زاج پتاسیم از 5.00 gr آلومینیوم بدست آید مقدار بازده درصد واکنش را محاسبه کنید.
5. اگر بازده درصدی 81.5% باشد، چند گرم آلومینیوم برای تهیه 20.0 gr زاج پتاسیم لازم است؟
6. درباره قیف بوخنر و طرز استفاده از آن تحقیق کنید.

 *روش انجام محاسبات را با جزئیات بنویسید. تعداد ارقام بامعنی در محاسبات شما باید درست باشد.

تکلیف بعد از انجام آزمایش:
1. چه چیزی باعث بالا و پایین رفتن تکه های آلومینیوم هنگام حل شدن در KOH می شود؟
2. سنتز زاج در مراحل متعددی انجام می شود. نسبت مولی واکنش دهنده ها و فراورده ها با ترکیب واکنش های تمام این مراحل و نوشتن یک واکنش کلی بدست می آید. واکنش کلی سنتز زاج پتاسیم از آلومینیوم، پتاسیم هیدروکسید، سولفوریک اسید و آب را موازنه کنید. تذکر: چهار معادله داده شده در ابتدای پروژه را با هم جمع کرده و ملکول ها و واحدهایی که در دو طرف معادله ها آمده اند را حذف کنید.
3. به معادله های مراحل مختلف آزمایش نگاه کنید. واکنش های اکسایش-کاهشی را که در آن ها عدد اکسایش یکی از اجزا تغییر کرده است را مشخص کنید.
4. چرا آلومینیوم به آرامی با اسیدهای رقیق واکنش میدهد؟
5. معادله زیر را موازنه کنید.

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
- تنظیم: زینب شاه مرادی