Kaliumnitraat

Kaliumnitraat is 'n sout van kalium en salpetersuur. Dit is 'n kristallyne vastestof (KNO₃) wat die nitraat-ioon bevat. Dit is 'n belangrike deel van kunsmis en is ook bekend as die mineraal salpeter. Dit is een van die onderdele van buskruit.

Eienskappe

Algemeen
Naam	Kaliumnitraat
Struktuurformule van
Chemiese formule
Molêre massa	101,1 g/mol
CAS-nommer	7757-79-1
Voorkoms	Kleurlose of wit vastestof
Reuk	geen
Fasegedrag
Fase	α (KN-II)
Ruimtegroep	Pnma
Nommer	62
Strukturbericht	G0₂
Fase	β (KN-I) T>128 °C
Strukturbericht	G0₁
Smeltpunt	334 °C
Kookpunt	Ontbind: 400 °C
Digtheid	2,309 (rel water @ 16 °C)
Oplosbaarheid	1g/2,8 mL water (@ 25 °C)[1]
Suur-basis eienskappe
pKa	geen
Veiligheid
Flitspunt	geen
LD50	3750 mg/kg (rot, akuut); 1901 mg/kg (konyn, akuut)
Tensy anders vermeld is alle data vir standaardtemperatuur en -druk toestande.
Portaal Chemie

Gebruike

Kaliumnitraat word gebruik in 'n wye verskeidenheid maniere, meestal as 'n bron van nitraat. Hierdie gebruike sluit in:

• Salpetersuurproduksie

Histories is salpetersuur geproduseer deur swaelsuur met nitrate soos soutpeter te kombineer. In moderne tye word dit omgekeer: nitrate word geproduseer uit salpetersuur geproduseer met die Ostwald-proses.

• As 'n oksideermiddel

Die bekendste gebruik van kaliumnitraat is waarskynlik as die oksideermiddel in swartkruit.

• Vleisverwerking

Kaliumnitraat is sedert die oudheid 'n algemene bestanddeel van gesoute vleis,^[2] maar is meestal gestaak as gevolg van stadige en inkonsekwente resultate in vergelyking met natriumnitrietverbindings soos "Praagpoeier" of "pienksout".

• Kosvoorbereiding

In Wes-Afrikaanse kookkuns word kaliumnitraat wyd gebruik as verdikkingsmiddel in sop en bredies soos okra-sop.^[3]

• Kunsmis

Kaliumnitraat word in kunsmisstowwe gebruik as stikstof en kalium - twee van die makrovoedingstowwe vir plante. As dit self gebruik word, het dit 'n NPK-gradering van 13-0-44.^[4]

• Farmakologie

Word in sommige tandepasta gebruik vir sensitiewe tande, om asma te behandel, om die simptome van sistitis, piritis en uretritis te verlig, en kan gebruik word om hoë bloeddruk te bekamp.

Ander gebruike:

• Elektroliet in 'n soutbrug
• Werk as 'n aluminiumskoonmaker.
• In produkte vir die verwydering van boomstompe.
• Word gebruik om 'n duursame blou / swart afwerking te lewer wat gewoonlik op vuurwapens gesien word.
• Om die blom van mangobome te veroorsaak.
• Termiese bergingsmedium in kragopwekkingstelsels.

Geskiedenis van produksie

Van mineraalbronne

Saltpeter word gemeld in die Arthashastra van die Indier Kautilya (saamgestel 300BC - 300CE), wat die gebruik van sy giftige rook as 'n oorlogswapen noem,^[5] hoewel die gebruik daarvan vir aandrywing eers in die middeleeue verskyn het.

Die chemikus en ingenieur Hasan al-Rammah van Sirië het in 1270 'n suiweringsproses vir kaliumnitraat beskryf in sy boek al-Furusiyya wa al-Manasib al-Harbiyya (Die boek van militêre ruitery en vernuftige oorlogstoestelle). In hierdie boek beskryf al-Rammah eers die suiwering van barud (ru-soutpetermineraal) deur dit met minimale water te kook en slegs die warm oplossing te gebruik, en daarna die gebruik van kaliumkarbonaat (in die vorm van houtas) om kalsium en magnesium te verwyder deur die presipitasie van hul karbonate uit hierdie oplossing. Dit laat 'n oplossing van gesuiwerde kaliumnitraat agter, wat dan gedroog kan word.^[6] Dit is gebruik vir die vervaardiging van kruit en plofbare toestelle. Die terminologie wat al-Rammah gebruik, dui op 'n Chinese oorsprong vir die buskruitwapens waaroor hy geskryf het.^[7]

Van uit grotte

'n Belangrike natuurlike bron van kaliumnitraat was die afsettings wat uit grotmure kristaliseer en die ophoping van vlermuisghwano in grotte.^[8] Ekstraksie word bewerkstellig deur die ghwano 'n dag in water te dompel, te filtreer en die kristalle uit die gefiltreerde water te oes. Tradisioneel was ghwano die bron wat in Laos gebruik is vir die vervaardiging van kruit vir Bang Fai-vuurpyle.

Van salpetersuur

Vanaf 1903 tot die Eerste Wêreldoorlog is kaliumnitraat vir swartpoeier en kunsmis op industriële skaal vervaardig uit salpetersuur geproduseer met die Birkeland – Eyde-proses, wat 'n elektriese boog gebruik het om stikstof uit die lug te oksideer. Gedurende die Eerste Wêreldoorlog is die nuut-geïndustrialiseerde Haber-proses ná 1915 met die Ostwald-proses gekombineer, wat Duitsland in staat gestel het om salpetersuur vir die oorlog te produseer, nadat dit van sy voorrade minerale natriumnitrate uit Chili afgesny is.

Die Haber-proses skakel stikstof na ammoniak om:

${\displaystyle {\ce {N2 + 3 H2 -> 2 NH3}}\quad \Delta H^{\circ }=-91.8~{\text{kJ/mol}}}$

"Régie des Poudres et Salpêtres"-metode

Anne Robert Jacques Turgot en Antoine-Laurent de Lavoisier het 'n paar jaar voor die Franse Rewolusie die metode geskep. Niterbeddings is voorberei deur mis te meng met as of hout, gewone grond en organiese materiale soos strooi om porositeit te gee aan 'n komposstapel wat tipies 1,6 m hoog, 1,8 m breed en 4,6 m lank is.^[9] Die hoop was meestal onder 'n bedekking om die reën weg te hou, en was klam gehou met urine. Dit was dikwels gedraai om die ontbinding te versnel en uiteindelik na ongeveer een jaar met water uitgeloog om die oplosbare kalsiumnitraat te verwyder wat dan omgeskakel is na kaliumnitraat deur dit deur potas te filtreer.

Produksie

Kaliumnitraat kan gemaak word deur ammoniumnitraat en kaliumhidroksied te kombineer.

${\displaystyle NH_{4}NO_{3(aq)}+KO_{(aq)}\to NH_{3(g)}+{\color {Blue}KNO_{3(aq)}}+H_{2}O_{(l)}}$

'n Alternatiewe manier om kaliumnitraat sonder 'n neweproduk van ammoniak te vervaardig, is om ammoniumnitraat, wat in kitsvries-yspakkies voorkom,^[10] en kaliumchloried te kombineer, wat maklik verkry kan word as 'n natriumvrye soutvervanger.

${\displaystyle NH_{4}NO_{3(aq)}+KCl_{(aq)}\to NH_{4}Cl_{(aq)}+{\color {Blue}KNO_{3(aq)}}}$

Kaliumnitraat kan ook geproduseer word deur salpetersuur met kaliumhidroksied te neutraliseer. Hierdie reaksie is baie eksotermies.

${\displaystyle KOH_{(aq)}+HNO_{3}\to {\color {Blue}KNO_{3(aq)}}+H_{2}O_{(l)}}$

Op industriële skaal word dit voorberei deur die dubbele verplasingsreaksie tussen natriumnitraat en kaliumchloried.

${\displaystyle Na{\color {Blue}NO_{3(aq)}}+{\color {Blue}K}Cl_{(aq)}\to NaCl_{(aq)}+{\color {Blue}KNO_{3(aq)}}}$

Einskappe van die vastesof

Die oplosbaarheid van salpeter (massa%) as funksie van temperatuur

Die vastestof ondergaan fase-oorgange. Die (α)-kamertemperatuurfase het 'n ortorombiese struktuur tot 128 °C waar dit in 'n romboëdriese (β)-struktuur oorgaan. By afkoeling vorm dit tussen 124-110 °C 'n derde (dalk metastabiele) (γ)-struktuur wat ferroëlektriese eienskappe het^[11] In 2015 het Wolf et al. nog 'n vierde monokliene (δ)-struktuur uit solvotermale sintese verkry.^[12]

α-KNO₃ of KN-II soos dit genoem word het 'n struktuur wat nouverwant aan die (G0₂) aragoniet-struktuur is en die β-fase (ook KN-I) is nouverwant aan die (G0₁) kalsiet-struktuur.^[13]

Die ferroëlektriese eienskappe van die KN-III γ-fase maak dit interessant vir moontlike tegniese toepassings. Navorsing het uitgewys dat vaste oplossings van kalium- en ammoniumnitraat (KNO₃)_1-x(NH₄NO₃)_x met x=0,050 en 0,100 reeds by kamertemperatuur die ferroëlektriese γ-struktuur besit, wat deur die teenwoordigheid van die ammoniumione gestabiliseer word.^[14]

Termiese ontbinding

Tussen 550–790°C bereik kaliumnitraat 'n temperatuurafhanklike ewewig met kaliumnitriet:^[15]

${\displaystyle 2KNO_{3}\rightleftharpoons 2KNO_{2}+O_{2}}$

Eutektiese smelt

Die fasediagram van natriumnitraat met kaliumnitraat, die stelsel Na_xK_1-xNO₃ het 'n eutektiese punt by x=0,5 en T=221°C. ^{[16] [17]}Van hierdie eienskap word in die ontginning van sonkrag gebruik gemaak. Die eutektiese mengsel word as stoormedium van die son se hitte gebruik in termiese aanlegte. Dit kan gebruik word in die temperatuurbereik van 280°C tot 560°C.^[18]

Verwysings

1. SicLab msds.
2. Binkerd, E. F; Kolari, O.E (1 Januarie 1975). "The history and use of nitrate and nitrite in the curing of meat". Food and Cosmetics Toxicology (in Engels). 13 (6): 655–661. doi:10.1016/0015-6264(75)90157-1. ISSN 0015-6264. PMID 1107192.
3. "Cook Clean Site Ghanaian Recipe". CookClean Ghana (in Engels). Geargiveer vanaf die oorspronklike op 28 Augustus 2013.
4. "Bulletin E-896: N-P-K Fertilizers" (PDF) (in Engels). Michigan State University Extension. Geargiveer vanaf die oorspronklike (PDF) op 24 Desember 2015. Besoek op 11 Augustus 2020.
5. Roy, Kaushik (2014). Military Transition in Early Modern Asia, 1400-1750 (in Engels). London: Bloomsbury Academic. p. 19. ISBN 978-1-7809-3765-6.
6. Ahmad Y Hassan (26 Februarie 2008). "Potassium Nitrate in Arabic and Latin Sources". history-science-technology.com (in Engels). Geargiveer vanaf die oorspronklike op 26 Februarie 2008. Besoek op 11 Augustus 2020.{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)
7. Jack Kelly (2005). Gunpowder: Alchemy, Bombards, and Pyrotechnics: The History of the Explosive that Changed the World (in Engels). Basic Books. p. 22. ISBN 978-0-465-03722-3. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 11 Mei 2016. Besoek op 11 Augustus 2020.
8. Major George Rains (1861). Notes on Making Saltpetre from the Earth of the Caves (in Engels). New Orleans, LA: Daily Delta Job Office. p. 14. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 29 Julie 2013. Besoek op 11 Augustus 2020.
9. Joseph LeConte (1862). Instructions for the Manufacture of Saltpeter (in Engels). Columbia, S.C.: South Carolina Military Department. p. 14. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 13 Oktober 2007. Besoek op 11 Augustus 2020.
10. "How Refrigerators Work". HowStuffWorks (in Engels). 29 November 2006. Besoek op 11 Augustus 2020.
11. NIMMO, J. K.; LUCAS, B.W. (1972). "Conformation and Orientation of NO3 in α-Phase Potassium Nitrate". Nature Physical Science (in Engels). Springer Science and Business Media LLC. 237 (73): 61–63. doi:10.1038/physci237061a0. ISSN 0300-8746.
12. Wolf, Silke; Alam, Claus; Feldmann (12 Januarie 2015). "δ-KNO3: Synthesis and Structure of a New Modification of Potassium Nitrate". Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie (in Engels). Wiley. 641 (2): 383–387. doi:10.1002/zaac.201400538. ISSN 0044-2313.
13. Davis, Briant L.; Oshier, Edwin H. (1967). "Memory effect in single-crystal transformations of aragonite-type to calcite-type potassium nitrate" (PDF). Am. mineralogist (in Engels). 52: 957ff.
14. Milinskiy, Alexey Yu.; Antonov, Anton A. (2015). "Dielectric properties of a potassium nitrate-ammonium nitrate system" (PDF). Physics and Mathematics (in Engels). St. Petersburg Polytechnical University. 1: 239–244.
15. Eli S. Freeman (1957). "The Kinetics of the Thermal Decomposition of Potassium Nitrate and of the Reaction between Potassium Nitrite and Oxygen". J. Am. Chem. Soc. (in Engels). 79 (4): 838–842. doi:10.1021/ja01561a015.
16. Zhang, X., Tian, J., Xu, K. (2003). "Thermodynamic evaluation of phase equilibria in NaNO3-KNO3 system". JPE. 24: 441–446. doi:10.1361/105497103770330091.{{cite journal}}: AS1-onderhoud: gebruik authors-parameter (link)
17. R. Benages-Vilau, T. Calvet, M.A. Cuevas-Diarte & H.A.J. Oonk (2016). "The NaNO3–KNO3 phase diagram". Phase Transitions. 89 (1): 1–20. doi:10.1080/01411594.2015.1083567.{{cite journal}}: AS1-onderhoud: gebruik authors-parameter (link)
18. Veronika Anna Sötz, Alexander Bonk, Jochen Forstner, Thomas Bauer (2018). "Molten salt chemistry in nitrate salt storage systems: Linking experiments and modeling". Energy Procedia. 155: 503–513. doi:10.1016/j.egypro.2018.11.030.{{cite journal}}: AS1-onderhoud: gebruik authors-parameter (link)