Номер 6, страница 204 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 28. Краски, красители и пигменты. Глава 5. Химия в жизни и обществе - номер 6, страница 204.

Условие.

6. Пигмент синий кобальт, представляющий собой алюминат кобальта $CoAl_2O_4$, используют для подглазурной росписи керамических изделий, например гжельской керамики. Предложите способ синтеза этого вещества из нитратов кобальта и алюминия.

Решение.

Решение 2.

Решение

Алюминат кобальта(II) $CoAl_2O_4$, известный как пигмент «синий кобальт» или тенарова синь, представляет собой смешанный оксид, который можно описать формулой $CoO \cdot Al_2O_3$. Предложить способ его синтеза из нитратов кобальта(II) и алюминия можно, используя метод совместного осаждения (соосаждения) с последующим высокотемпературным отжигом (прокаливанием) осадка. Этот метод позволяет получить гомогенный (однородный) продукт.

Процесс синтеза состоит из нескольких стадий:

1. Приготовление раствора реагентов

Для синтеза необходимо взять нитрат кобальта(II) $Co(NO_3)_2$ и нитрат алюминия $Al(NO_3)_3$ в стехиометрическом соотношении. Исходя из формулы конечного продукта $CoAl_2O_4$, молярное соотношение кобальта и алюминия должно составлять 1:2. Таким образом, необходимо приготовить водный раствор, в котором на 1 моль нитрата кобальта(II) приходится 2 моля нитрата алюминия.
$n(Co^{2+}) : n(Al^{3+}) = 1 : 2$

2. Осаждение гидроксидов

К полученному смешанному раствору нитратов при постоянном перемешивании медленно добавляют раствор осадителя. В качестве осадителя можно использовать раствор щелочи (например, $NaOH$) или, что предпочтительнее, водный раствор аммиака ($NH_4OH$). Использование аммиака позволяет избежать загрязнения конечного продукта ионами щелочных металлов, так как побочный продукт, нитрат аммония $NH_4NO_3$, является летучим и полностью удаляется при прокаливании. При добавлении осадителя происходит одновременное выпадение в осадок гидроксида кобальта(II) и гидроксида алюминия.

Уравнения реакций осаждения:

$Co(NO_3)_2 + 2NH_4OH \rightarrow Co(OH)_2 \downarrow + 2NH_4NO_3$

$Al(NO_3)_3 + 3NH_4OH \rightarrow Al(OH)_3 \downarrow + 3NH_4NO_3$

Суммарное уравнение для стехиометрической смеси солей выглядит следующим образом:

$Co(NO_3)_2 + 2Al(NO_3)_3 + 8NH_4OH \rightarrow [Co(OH)_2 \cdot 2Al(OH)_3] \downarrow + 8NH_4NO_3$

В результате образуется тонкодисперсный смешанный осадок гидроксидов.

3. Фильтрация, промывка и сушка осадка

Полученный осадок отделяют от маточного раствора методом фильтрования. Затем его тщательно промывают дистиллированной водой для полного удаления растворимых побочных продуктов (нитрата аммония). Промытый осадок высушивают в сушильном шкафу при температуре 100–120 °C до постоянной массы для удаления воды.

4. Термическое разложение (прокаливание)

Высушенный порошок смешанных гидроксидов помещают в жаропрочный тигель (например, корундовый или фарфоровый) и прокаливают в муфельной печи при высокой температуре, обычно в диапазоне 900–1200 °C. Во время прокаливания происходят последовательные химические превращения:

а) Термическое разложение гидроксидов с образованием оксидов:

$Co(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CoO + H_2O \uparrow$

$2Al(OH)_3 \xrightarrow{t^\circ} Al_2O_3 + 3H_2O \uparrow$

б) Твердофазная реакция между оксидами с образованием алюмината кобальта, имеющего структуру шпинели:

$CoO + Al_2O_3 \xrightarrow{t^\circ} CoAl_2O_4$

Общее уравнение процесса прокаливания:

$Co(OH)_2 \cdot 2Al(OH)_3 \xrightarrow{t^\circ, 900-1200^\circ C} CoAl_2O_4 + 4H_2O \uparrow$

После остывания печи получают порошок насыщенного синего цвета, который и является пигментом «синий кобальт».

Ответ: Для синтеза алюмината кобальта ($CoAl_2O_4$) из нитратов кобальта и алюминия следует использовать метод соосаждения. Он заключается в следующем: 1. Приготовить водный раствор солей $Co(NO_3)_2$ и $Al(NO_3)_3$ в молярном соотношении 1:2. 2. Осадить из раствора смесь гидроксидов, добавляя водный раствор аммиака. 3. Отфильтровать, промыть и высушить полученный осадок. 4. Прокалить высушенный осадок в печи при температуре 900–1200 °C для получения целевого продукта $CoAl_2O_4$.