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氰化物是黃金工業的重要浸金溶劑,大部分黃金生產企業采用氰化法,而氰化物又是一種即有劇毒又容易降解的特殊化學產品。因此,了解氰化物和治理含氰廢水的有關知識十分重要。筆者在十幾年的科研和生產實踐中,積累了一些關于氰化物性質以及治理含氰廢水方面的知識,從1991年開始寫作《氰化物污染及其治理技術》一書,經過了9年的修改和補充,力爭及時準確地反映國際上氰化物治理技術的發展,如果能為廣大黃金工業的同事在專業工作中起到參考作用,對黃金工業的環境保護工作起到積極作用,筆者將不勝榮幸。
在本書的寫作過程中,得到了許多同行的幫助。其中有吉林省石油化工研究院信息中心副主任張弘高級工程師、長春黃金研究院徐克賢高級工程師、劉曉紅工程師、呂春玲工程師等,在此一并表示衷心感謝!
1 1 氰化物
氰化物是指化合物分子中含有氰基[-C≡N]的物質,根據與氰基連接的元素或基團是有機物還是無機物可把氰化物分成兩大類,即有機氰化物和無機氰化物前者稱為腈,后者常簡稱為氰化物,無機氰化物應用廣泛、品種較多,在本書中,按其組成、性質又把它分為兩種,即簡單氰化物和絡合氰化物。
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易溶的:HCN、NaCN、KCN、NH4CN、Ca(CN)2
簡單氰化物 難溶的:Zn(CN)2、Cd(CN)2、CuCN、Hg(CH)2
穩定性差的:Zn(CN)42-、Cd(CN)42-、Pb(CN)42-
無機氰化物
氰化物 穩定性強的:Cd(CN)42-、Ni(CN)42-、Ag(CN)2-
氰化物 Au(CN)2-、Fe(CN)64-、Co(CN)64-
Fe(CN)63-
有機氰化物:乙二腈、丙烯腈等
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黃金行業所涉及到的各種氰化物均屬無機氰化物,因此重點介紹常見的各種無機氰化物;除了上述氰化物外,黃金行業還涉及到氰的衍生物,如氰酸鹽,硫酸鹽,氯化氰等。由于其重要性以及與氰化物的極密切關系,在此也加以介紹。
氯化氰:CNCl
氰化物衍生物 氰酸及其鹽:HCNO,NaCNO,KCNO
硫氰酸及其鹽:HSCN,NaSCN,KSCN,NH4SCN
1.1 氰化物及其衍生物概述
氰化物,顧名思義,就是氰[(CN)2]的化合物。氰具有與鹵族元素相似的一些化學性質,故也被稱做類鹵素。盡管在工業上并不是采用氰做為最基本的反應原料制備氰化物、氰酸鹽和硫氰酸鹽,為使讀者對氰化物及其衍生物的形成有一定的理論認識,我們可從這一個角度對這些化合物進行介紹。
氯的還原態是氯離子[Cl-],氰的還原態是氰離子[CN-]。
Cl2+2e→2Cl-
(CN)2+2e→2CN-
氯的氧化態之一就是次氯酸根離子[ClO-],而氰的氧化態是氰酸根離子[CNO-],也可寫做[OCN-]。
Cl2+2OH--2e→2ClO-+2H+
(CN)2+2OH--2e→2CNO-+2H+
如果把氰與硫加熱,使之反應,則生成硫化氰[(CNS)2]。
熔融
(CN)2+2S──→(CNS)2
硫化氰的還原態就是硫氰酸根離子SCN-或寫成CNS-。
(CNS)2+2e→2SCN-
另外,鹵素也能氧化氰及簡單氰化物,生成鹵化氰,以氯為例:
(CN)2+Cl2→2CNCl
CN-+Cl2→CNCl+Cl-
氰通過化學反應轉變為氰離子、氰酸根離子、硫氰酸根離子,這些陰離子與堿金屬、堿土金屬、重金屬陽離子反應,產生了形形色色的氰化物、氰酸鹽、硫氰酸鹽。
1.1.1 簡單氰化物的形成
簡單氰化物的包括氫氰酸、堿金屬、堿土金屬和銨的氰化物。例如氰化鉀、氰化鈉、氰化鈣、氰化銨均屬簡單氰化物。
氫化氰可以看成是氰與氫反應的產物,這和氯與氫的反應類似。
Cl2+H2=2HCl
(CN)2+H2=2HCl
氯化氫溶于水就是鹽酸,也稱氫氯酸;氰化氫溶于水就是氰氫酸。氫氰酸與相應的堿反應就生成氰化鉀、氰化鈉、氰化銨、氰化鈣。
HCN+KOH=KCN+H2O
HCN+NaOH=NaCN+H20
HCN+NH4OH=NH4CN+H2O
HCN+Ca(OH)2=Ca(CN)2+2H2O
這些氰化物只所以被稱做簡單氰化物,除了分子結構簡單外,主要是在水溶液中存在形式簡單.在水溶液中,它們完全解離并且僅以HCN、CN-兩種形式存在。HCN與CN-的比例取決于水溶液的pH值。
1.1.2 重金屬、貴金屬氰化物及氰絡合物的形成
氰離子與過渡元素的離子反應,或在有氧化劑存在的條件下與過渡元素反應,生成重金屬氰化物,除汞的氰化物外, 其它重金屬氰化物均不溶于水。其它重金屬氰絡物均不溶于水。以氰化亞銅的生成為例:
Cu++CN-=CuCN↓
當氰離子的量足夠時,則形成重金屬氰合絡物,簡稱氰絡物。
CuCN+CN-=Cu(CN)2-
或Cu(CN)2-+CN-=Cu(CN)32-
或Cu(CN)32-+CN-=Cu(CN)43-
在黃金氰化廠,用氰化物水溶液浸漬含金銀礦石,在氧的作用下,發生反應生成金和銀的氰絡物,使貴金屬轉入浸出液中。
Au+0.5O2+2CN-+H2O=Au(CN)2-+2OH-
Ag+0.5O2+2CN-+H2O=Ag(CN)2-+2OH-
重金屬氰化物在水中的解離程度非常小(除汞外),但也有很大差別,其解離程度由重金屬的種類決定。其解離量或者說在水中的平衡濃度可由該物質的溶度積及氫氰酸的電離常數來計算, 其解離過程如下:
Me(CN)n+nH+→nHCN+Men+
其中:Me代表重金屬離子,n為重金屬的化合價價數。
值得一提的是,所謂的重金屬(除汞外) 氰化物難溶于水或不溶于水均是與可溶性化合物相比而言的。以氰化鋅為例,在水中離解出的CNˉ濃度遠大于0.5mg/L。
重金屬氰絡物或者說重金屬與氰化物形成的絡離子與堿金屬離子、堿土金屬離子以及重金屬離子反應生成氰絡物復鹽。
3Fe(CN)64-+4Fe3+=Fe4[Fe(CN)6]3
Fe(CN)64-+3K+=K3Fe(CN)6
Au(CN)2-+Na+=NaAu(CN)2
Cu(CN)32-+2Na+=Na2Cu(CN)3
堿金屬的氰絡物復鹽溶于水,重金屬的氰絡物復鹽不溶于水,但溶于堿溶液。金、銀、銅、鋅、鉛、汞的氰化物以及其復鹽廣泛地應用于冶金、電鍍、化工、電子等行業,故這些氰絡物常見于含氰廢水中。
常見的重、貴金屬氰絡及其復鹽的性質見表1-1。
1.1.3 氰化物衍生物的形成
在氰、氯化氰、氰酸鹽、硫氰酸鹽中,氰基團的化合物均不是-1價,而是0價和+1價。說明氰離子已失去了電子,故也可把它們叫做氰化物的氧化物。其中氰酸鹽, 硫氰酸鹽廣泛地應用于農業生產和科學實驗領域。
常見的氰酸鹽是氰酸鉀、氰酸鈉、氰酸銨,常見的硫氰酸鹽是硫氰酸鉀,硫氰酸鈉,硫氰酸銨。
在金的浸出過程中,氰化物與硫鐵礦作用產生了硫氰酸鹽。
1.2???????? 簡單氰化物
前面已經介紹,氫氰酸(氰化氫)及其堿金屬、堿土金屬、銨的鹽類均屬簡單氰化物,它們在水溶液中僅以HCN,CN-兩種形式存在。當水溶液的pH值大于是12時,氰化物基本上以CN-形式存在;當水溶液pH值小于8時,基本上以HCN形式存在;當水溶液pH值在8~12時,HCN與CNˉ按一定比例存在,其比值由PH值決定,可通過HCN的電離平衡常數計算出來,25℃時HCN的電離平衡常數Ka=6.2×10-10,電離式如下:
HCN→CN-+H+
氰化物在水溶液中存在形式與溶液pH值關系見表1-2。由表1-2可知,簡單氰化物的通性就是CN-和HCN的性質。
表1-1 常見重、貴金屬氰絡及其復鹽的性質
中心離子 金屬氰化物 金屬氰絡物及其穩定常數 金屬絡合物
復鹽
K+或Na+鹽
分子式 溶度積 絡合物離子式 Log
β1 Log
β2 Log
β3 Log
β4 Log
β5 Log
β6
Au+ AuCN ? Au(CN)2- ? 38.3 ? ? ? ? KAu(CN)2
Au3+ - ? Au(CN)4- ? ? ? 56 ? ? KAu(CN)4
Ag+ AgCN 1.4×10-16 Ag(CN)2- ? 21.1 ? ? ? ? Kag(CN)2
Cu+ CuCN 3.2×10-20 Cu(CN)43- ? 2.4 28.6 30.3 ? ? KCu(CN)2
Pb2+ Pb(CN)2 ? Pb(CN)43- ? ? ? 10.3 ? ? K2Pb(CN)4
Ni2+ Ni(CN)2 3×10-23 Ni(CN)42- ? ? ? 30.3 ? ? K2Ni(CN)4
Zn2+ Zn(CN)2 2.6×10-13 Zn(CN)42- ? 11.0 16.0 19.6 ? ? K2Zn(CN)4
Fe2+ Fe(CN)2 ? Fe(CN)64- ? ? ? ? ? 36.9 K4Fe(CN)6
Fe3+ ? ? Fe(CN)63- ? ? ? ? ? 43.9 K3Fe(CN)6
Co2+ ? ? Co(CN)64+ ? ? ? ? ? 19.1 K4Co(CN)6
Co3+ ? ? Co(CN)63+ ? ? ? ? ? 17.7 K3Co(CN)6
Hg2+ ? ? Hg(CN)42- 18 34.7 38.5 41.5 ? ? K2Hg(CN)4
表1-2 簡單氰化物在水溶液中存在pH值關系
pH 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5
[HCN]
[HCN]+[CN-] 0.0016 0.016 0.16 1.6 14 62 94 99 100 100
[HCN]/[CN-] 1.6×10-5 1.6×10-45 1.6×10-3 1.6×10-2 0.16 1.6 16.1 161 1613 16130
1.2.1???????????? 氰離子的性質
一 氰離子與酸的反應
1)???? 稀酸 稀硫酸、稀鹽酸、醋酸和碳酸在冷時均能分解所有簡單氰化物,產生氫氰酸。
CN-+H+=HCN
由于氫氰酸易揮發,加酸后就有氰化氫氣體從溶液中逸出。
2)???? 濃硫酸 在加熱時,濃硫酸可分解所有氰化物,生成一氧化碳和銨鹽。
2CN-+3H2SO4+2H2O=3SO42-+2NH4++2CO↑
二 氰離子與氧化劑的反應
1)鹵素 鹵素中氯、溴、碘均能與氰化物反應。以氯為例, 反應分為兩階段。
第一階段:CN-+Cl2+2OH-→CNO-+2Cl-+H2O
第二階段:2CN-+3Cl2+6OH-→2CO2+N2+6Cl-+2H2O+2H+
2)? 過氧化物 過氧化氫氧化氰化物生成氰酸鹽,在加熱時水解出氨和碳酸鹽;加熱時有氨氣放出。
CN-+H2O2=CNO-+H2O
CNO-+2H2O=HCO3-+NH3
3)? 臭氧 臭氧具有較強的氧化能力,可氧化氰化物,其產物是無毒的碳酸鹽和氮氣,當臭氧不足時,生成碳酸鹽和氨或生成脲素。反應也分兩個階段進行。
第一階段:CN-+O3=CNO-
第二階段:CNO-+3O3+H2O=2HCO3-+N2+3O2
臭氧不足時:CNO-+NH3+H+=(NH2)2CO
4)亞硫酸鹽 在一定的pH值條件下,當有催化劑時,能在溶液中釋放出SO32-或SO2的藥劑,如亞硫酸鈉等與氧協同作用,能把氰化物氧化成氰酸鹽。
CN-+SO2+H2O=CNO-+H2SO4
5)多硫化物 氰化物與多硫化物反應,生成硫氰酸鹽。
CN-+Sx2-=SCN-+Sx-12-
6)氧氣 堿金屬和堿土金屬的氰化物在不與空氣接觸的條件下加熱熔融時并不分解,但在空氣中加熱時,則它們依靠親合力而吸收空氣中的氧,并發生反應生成氰酸鹽。
2KCN+O2=2KCNO
氰化物的水溶液與水中的溶解氧反應,也能生氰酸鹽,進而水解成NH4+和CO32-。
2CN-+O2=2CNO-
CNO-+2H2O=CO32-+NH4+
這一反應在純氰化物水溶液中并不明顯,在天然水體中反應速度較快,可能是水中微生物在起作用。
7)高錳酸鉀 高錳酸鉀不能氧化氰化物,故氰化物溶液不能使高錳酸鹽腿色,利用這一性質,當分析氰化物時,用高錳酸鉀溶液氧化水樣中干擾測定的亞硫酸鹽等還原性物質如亞硫酸鹽。
8)氧化鉛 氧化鉛能把水溶液中的氰化物氧化為氰酸鹽。
三 氰離子與重金屬及其化合物的反應
1)硝酸銀
硝酸銀與氰化物溶液反應生成白色凝乳狀氰化銀沉淀。
Ag++CN-=AgCN↓
氰化銀不溶于稀硝酸,但加熱時溶于濃硝酸,易溶于氨水、硫代硫酸鈉及堿金屬氰化物溶液中,這是因為形成絡合物之故。在這些絡合物溶液中,如果加入酸顯酸性反應時,絡合物立即分解,且從氨絡合物和氰絡物中重新析出氰化銀,但Ag(S2O3)34-分解時生成Ag2S。
氰化銀與濃鹽酸在加熱時生成AgCl,并放出HCN,這與鹵化銀不同。灼燒氰化銀時,產生(CN)2,金屬銀和棕色的氰尚再加熱,最后得到純粹的金屬銀。
灼燒
2AgCN→2Ag+(CN)2↑
金、銀均能溶于氰化物溶液中,也具有類似的性質。
2)銅鹽
硫酸銅、氧化亞銅、氧化銅、氫氧化銅及堿式碳酸銅均能于氰化物溶液反應,當氰化物足夠時,生成氰絡物。
3)???? 鋅鹽
硫酸鋅等鋅鹽均能與氰化物溶液反應,視氰化物是否足量生成氰絡物或氰化鋅。
Zn2++4CN-=Zn(CN)42-
ZnS+4CN-=Zn(CN)42-+S2-
Zn2++2CN-=Zn(CN)2
4)???? 氫氧化亞鐵
氫氧化亞鐵或二價鐵鹽與氰化物水溶液反應生成亞鐵氰化物。
Fe(OH)2+2CN-=Fe(CN)2+2OH-
Fe(OH)2+6CN-=Fe(CN)64-+2OH-
Fe2++6CN-=Fe(CN)64-
如氰化物不足或加入三價鐵鹽均能生成普魯氏蘭沉淀物。
Fe3++3Fe(CN)64-=Fe4[Fe(CN)6]3↓
由于亞鐵鹽水溶液能被空氣中氧氧化成三價鐵鹽,故氰化物不足時也會生成普魯氏蘭。
Fe2++O2+2H+=2Fe3++H2O
5)???? 氫氧化鐵及鐵鹽
鐵鹽與堿金屬氰化物溶液生成氫氧化鐵沉淀。
Fe3++3CN-+3H2O=Fe(OH)3+3HCN
此沉淀與過量的堿金屬氰化物形成鐵氰絡合物。
Fe(OH)3+6CN-=Fe(CN)63-+3OH-
6)汞與汞鹽
汞與汞鹽汞鹽與氰化物反應生成氰化汞[Hg(CN)2],它是唯一能溶于水的重金屬氰化物。
Hg2++2CN-=Hg(CN)2
氰化物過量時, 氰化汞又生成了氰絡物。
Hg(CN)2+2CN-=Hg(CN)42-
氧化汞與氰化物的反應如下:
HgO+4CN-+H2O=Hg(CN)42-+2OH-
汞在氰化物溶液中也能緩慢溶解,這是空氣中氧的作用所致。
2Hg+8CN-+2H2O+O2→2Hg(CN)42-+4OH-
7)氯化金(Ⅲ)離子
金(Ⅲ)離子與氰化物反應生成無色的絡合物:
AuCl3+4CN-→Au(CN)4-+3Cl-
8)醋酸鉛
醋酸鉛溶液遇氰化物即生成白色氰化鉛沉淀。
Pb(AC)2+2CN-=Pb(CN)2↓+2(AC)-
9)鎘鹽
鎘鹽與濃的氰化物溶液生成白色氰化鎘沉淀,該化合物溶解度較大。
Cd2++2CN-=Cd(CN)2↓
10)鎳鹽
鎳鹽與氰化物溶液反應生成氰化鎳,過量的氰化物將溶解氰化鎳形成鎳氰絡合物。
Ni2++2CN-=Ni(CN)2↓
Ni(CN)2+2CN-=Ni(CN)42-
冷的稀酸不溶解氰化鎳, 有加熱時才能使之分解成硫酸鎳和氰化氫。
Ni(CN)2+H2SO4 = NiSO4+2HCN↑
加熱
冷的濃硫酸也不能分解氰化鎳,加熱時生成CO2和氨。
四 氰離子與指示劑的反應
1)醋酸聯苯胺和銅鹽的混合液
醋酸聯苯胺和銅鹽的混合液與氰化物溶液相遇后, 產生新生態氧,新生態氧將聯苯胺氧化至藍色醌式化合物。 硫氰酸鹽也會與上述試劑發生同樣的反應,故在試樣中有硫氰酸鹽存在時,應先通過酸化蒸餾把硫氰酸鹽與氰化物分離,然后再測氰化物的存在。
2)藍色碘化淀粉溶液
藍色碘化淀粉溶液遇微量的堿金屬氰化物溶液和少量的硫酸即行退色。
五 氰化物的水解
氰化物的水溶液在放置時,逐漸分解生成甲酸鹽及氨。這一反應十分重要,一些工廠就是利用這一反應處理含氰化物廢水的。
CN-+2H2O→HCOO-+NH3
1.2.2 氰化氫與氫氰酸
氰化氫在工業上又叫氰酸氣,英文名稱Hydrogen cyanide。分子式HCN,分子量27.03。氰化氫的水溶液氫氰酸。英文名稱Hydrocyanic acid或Prussic acid。正如氯化氫的水溶液稱鹽酸、化學式仍是HCl一樣,氰化氫的分子式也寫做HCN。而且人們常常把氰化氫特別是液體氰化氫與氫氰酸混為一談。
一氰化氫
氰化氫為無色、有特殊苦杏仁臭味的劇毒氣體或液體,熔點為-14.8℃,沸點26.5℃,18℃比重0.691,氰化氫能與乙醇、乙醚、甘油、氨、苯、氯仿及水互溶。
氰化氫為可燃易爆物,燃點537℃,燃燒時發出紅藍色火焰,在空氣中爆炸極限下限6%,上限41%。
純凈的無水氰化氫具有一定的穩定性,但混有雜質和水時就不穩定。在靜止下特別是受到光照時能分解成低毒的氨、甲酸、草酸及褐色的水不溶物,保存液態氰化氫時必須加入磷酸穩定劑以防止氰化氫強烈聚合。氣態氰化氫一般不產生聚合,但有水份凝聚時,會有聚合反應發生,空氣(氧氣)并不能促進聚合反應。
3HCN=(HCN)3
在大氣中,夏季約10分鐘,冬季約1小時,氰化物就會在紫外光作用下氧化成氰酸,進而分解成氨和二氧化碳。
紫外光
HCN+0.5O2=HCNO
氰化氫為劇毒化學品,其毒性比硫化氫[H2S]低。是全身性毒劑之一。氰化氫易揮發,能均勻、迅速地彌散到空氣中,對人體危害極大,在空氣中,氰化氫濃度超過100ppm時,暴露1小時就有生命危險,超過20ppm時,暴露數小時就產生中毒癥狀。
空氣中有氰化氫存在時,用聯苯胺-醋酸銅試紙測定呈藍色反應,用甲基橙-氯化汞(Ⅱ)試紙測定,由橙色變粉紅色,用苦味酸-碳酸鈉試紙測定由黃色變化為茶色。
氰化氫的生產方法較多,在工業上多以甲烷、氨和空氣為原料,用鉑或鋁、銠網催化劑在800℃~1000℃條件下反應生產。
2CH4+3O2+2NH3=2HCN+6H2O
也可利用制造丙烯腈的副產品生產氰化氫。
氰化氫是生產氰化物的原料,也是很多使用氰化物工廠的副產品,此外,煤氣、煤焦爐氣體、高爐氣體及高爐水洗液中也含有少量的氰化氫,它們是在干餾條件下碳和氨反應的產物。
二氫氰酸
氫氰酸是極弱的酸,比碳酸還弱。常用的氫氰酸一般含氰化氫在10%以上。18℃時電離常數Ka=1.3×10-9,25℃時,Ka=6.2×10-10,電離式如下:
HCN≒H++CN-
這表明氫氰酸與鹽酸等強酸不同,它主要以分子形式存在,由于氰化氫的沸點與室溫接近,所以氫氰酸是一種易揮發的酸,這也是氰化物在水體中自凈的主要途徑之一。
氰氫酸不穩定,即使存放在冰箱中,也會分解。
HCN+H2O=HCOONH4=NH3+HCOOH
如果加入少量礦酸,可保持一段時間,但仍有甲酸和氨生成。
冷的濃鹽酸可使氫氰酸轉變為甲酰胺,但加熱時則分解成CO和NH3。
由于氰氫酸不穩定,在環境監測取樣時,必須用固體氫氧化鈉或氫氧化鉀調節水樣pH值大于12,才能保存24小時。
氫氰酸也具有氰離子的一些性質,這是因為在水溶液中存在解離出CN-的化學平衡,當生成物的穩定性更強時,氫氰酸的解離就會不斷進行下去,直到平衡。
氫氰酸與金屬氧化物如氧化銅、氧化銀等作用發生中和反應生成性質穩定而含氰根的金屬絡合物。防毒面具內的活性炭就是用金屬氧化物處理過的。氫氰酸與其中的金屬氧化物反應而將氰離子吸附在活性炭表面上起到防護作用的。
8HCN+6CuO=4CuCN+2Cu(CN)2+O2
當然氫氰酸與硫酸銅也能發生類似的反應。
8HCN+6CuSO4+2H2O=4CuCN+2Cu(CN)2+6H2SO4+O2
氫氰酸與NO2發生反應,被氧化成氰。
2HCN+NO2=(CN)2+NO+H2O
當然,能氧化CN-的氧化劑也可以氧化氫氰酸。
氫氰酸與堿反應生成鹽即氰化物,其水溶液沸騰時,部分氰化物水解而生成甲酸銨,在堿性條件下,氫氰酸與醛、酮化合生成氰醇。與丙酮作用生成丙酮氰醇,這是生產甲基丙烯酸甲酯的主要原料。在氰化亞銅存在下,氫氰酸與乙炔反應生成丙烯腈。
1.2.3 氰熔體
氰熔體為灰黑色片狀、粉狀或塊狀物,分子量150.56,英文名稱Cyanidefusant,分子式Ca(CN)2·NaCl。氰熔體系多種固體熔融后得到的混合物,主要含氰化鈣、氯化鈉和氧化鈣,其中氰化物易溶于水,純凈的氰化鈣是白色結晶。由于在350℃以上就開始分解,它的熔點是用外推法研究出來的,在640℃左右。氰熔體中含氰化物以氰化鈉計約40%,比重1.8~1.9。
用水浸取氰熔體,可制得氰化鈣溶液,與酸作用產生氰化氫,在空氣中,氰熔體吸收CO2和水蒸汽,水解產生氰化氫,導致產品質量大幅度的下降。
氰熔體為劇毒化學品,其制造方法如下:
首先,以電石和氮氣在電爐中反應生成氰氨化鈣(石灰氮)。
CaC2+N2=CaCN2+C
然后用氰氨化鈣與碳、食鹽在電爐中熔融反應制取氰熔體。
CaCN2+C+NaCl=Ca(CN)2·NaCl
氰熔體用于制造各種氰化物。還用于鋼鐵表面的熱處理,具有滲碳、滲氮的雙重作用??捎米鞴麡涞臍⑾x劑和用于倉庫的消毒。
1.2.4氰化鈉
氰化鈉俗稱山奈或山奈鈉,無水物為白色立方晶系結晶,比重1.596。其二水物[NaCN·2H2O]為白色葉狀結晶。含有一個或兩個結晶水的氰化鈉結晶體在34.7℃以上時失去結晶水,成為無水物。
氰化鈉溶于水、氨、乙醇和甲醇中,水溶液呈堿性,在水中的溶解度如下:晶,工業品為白色顆粒狀或粉狀,分子式NaCN,英文名稱Cyanide或Cyanogran。熔點563.7℃,沸點1496℃。比
溫度t/℃ -4.0 10.0 20.4 29.5 35.0
溶解度(%) 28.90 32.50 37.02 41.56 45.00
氰化鈉的制造方法主要有以下幾種:
1)?????? 甲烷合成法
利用甲烷、氨和空氣進行催化反應制取氰化氫,然后用氫氧化鈉吸收、濃縮、結晶、干燥、成型、色裝得到成品。盛產天然氣的國家大多以這種技術生產氰化鈉。我國長春市第五化工廠就是采用這種方法。
2)?????? 輕油裂解法
利用輕質柴油與氨混合,在電弧爐中進行裂解反應,以石油焦做載體,以氮氣進行密閉防氧化。生成氰化氫后,用氫氧化鈉吸收制造氰化鈉。其反應如下:
C6H14+6NH3=6HCN+13H2↑
HCN+NaOH=NaCN+H2O
3)?????? 氨鈉法
以木炭、金屬鈉、液氨為原料,在反應鍋中直接合成氰化鈉。其反應式如下:
2Na+2NH3=2NaNH2+H2↑
2NaNH2+C=NaCN2+2H2↑
NaCN2+C=2NaCN
木炭經過干燥后700℃時加入氰化鈉反應器中,在攪拌條件下定量加入金屬鈉并通入氨進行反應,操作溫度控制在400℃~500℃,反應完成后,將熔融的氰化鈉抽入過濾器進行除雜,將上層制表化鈉熔融液取出放入成型裝置,經冷卻、固化、粉碎、包裝得到成品。
4)?????? 氰熔體法
將氰熔體硫酸反應生成氰化氫,再用氫氧化鈉吸收生成氰化鈉。
5)?????? 丙烯腈生產廠副產氰化鈉
將丙烯腈生產過程中產生的含氰化氫氣體用氫氧化鈉吸收,再經蒸發等工序制造出氰化鈉。大慶石油化工總廠即用此方法生產液體氰化鈉。
1.3 重金屬氰化物
一些重金屬的可溶鹽、硫化物在溶液中能與氰化物反應生成重金屬氰化物沉淀(僅汞氰化物例外)。盡管重金屬離子性質不同,但其氰化物具有許多共性,由于這些重要性質,重金屬氰化物被廣泛使用。
1.3.1重金屬氰化物的通性
一灼燒重金屬氰化物
二價重金屬的氰化物在無空氣的情況下,灼熱時均被分解為氮及重金屬的碳化物,后者往往繼續分解,成為金屬和碳。
3Fe(CN)2→Fe3C+2(CN)2↑+N2↑
Fe3C→3Fe+C
三價重金屬的氰化物以游離狀態存在者很少見,例如三價鐵離子并不能與氰化物生成Fe(CN)3。鐵氰酸鹽是通過亞鐵氰酸鹽的氧化得到的。
貴金屬的氰化物在灼燒時,均被分解為金屬和雙氰。
2AgCN→2Ag+(CN)2↑
二重金屬氰化物與氰化物的反應
重金屬氰化物能迅速溶解于堿金屬的氰化物溶液中,形成穩定的絡合物,這是重金屬氰化物的特殊性質。所形成的絡合物可以認為是下列酸的鹽類:
HRⅠ(CN)2、H2RⅡ(CN)4、HRⅢ(CN)6及H4RⅣ(CN)6
上式中RⅠ、RⅡ、RⅢ、RⅣ分別表示1價、2價、3價和4價重金屬,其中前兩種不太穩定,都可被分解為氫氰酸和氰化物。一但呈游離狀態時,立即分離出重金屬氰化物。
HRⅠ(CN)2→HCN+RⅠCN
HRⅡ(CN)4→2HCN+RⅡ(CN)2
由這些酸得到的氰化物,用稀鹽酸或稀硫酸在冷時處理,即有HCN放出。這類化合物如KAu(CN)2、Ag(CN)2、K2Zn(CN)4。這些鹽類的水溶液中幾乎不含有金屬陽離子,故認為一定是以氰絡物形式存在,常溫下,它們不被苛性堿、堿金屬碳酸鹽或氨沉淀,基于這個事實,認為這些金屬的氧化物均溶于堿金屬的氰化物,而形成下列絡離子:
Ag2O+4CN-+H2O→2Ag(CN)2-+2OH-
ZnO+4CN-+H2O→Zn(CN)42-+2OH-
硫化氫分解銀和鎘的氰絡物并不困難,對鋅的氰絡物則微能分解,對鎳的氰絡物則無能為力。
基于H3RⅢ(CN)6和H4RⅡ(CN)6形成的酸與上述酸相反,在游離狀態下十分穩定,通常可由它們的鹽類用冷的稀礦酸酸化后獲得。反應時并不損失氫氰酸,但當加熱時,則氫氰酸即被釋放出來。
三重金屬氰化物與氧化劑的反應
重金屬氰化物雖然被稱為水不溶物,但在水中存在著解離平衡。
Zn(CN)2→Zn2++2CN-
+
2H+
↑↓
2HCN
如果生成的CN-或HCN被氧化,則平衡被打破,以沉淀物形式存在于溶液中的Zn(CN)2將繼續解離以達到新的平衡。如果氧化劑足夠,則最終氰化鋅全部被破壞。
重金屬的氰絡物的氧化過程也大致如此,但鐵氰酸鹽、鈷氰酸鹽不被氧化,亞鐵氰酸鹽僅被氧化成鐵氰酸鹽。
以銅氰絡合物的氧化為例,最終生成氫氧化銅沉淀:
Cu(CN)32-+7ClO-+H2O=6CNO-+2Cu(OH)2+7Cl-
四重金屬氰化物與堿溶液的反應
不溶性重金屬氰絡物與氫氧化鈉或飽和的Na2CO3溶液煮沸時CN-解離轉入溶液。
Ni(CN)2+2NaOH→2NaCN+Ni(OH)2
一價、二價重金屬的氰化物與稀礦酸反應能放出氰化氫,但程度有很大不同,氰化鋅在常溫下及pH〈3時,就可完全分解。而氰化鈷即使在沸的稀酸中也不分解。而氰化鈷即使在沸的稀酸中也不分解。
1.3.2 氰化亞銅
氰化亞銅為白色或奶油色粉未,或無色到暗綠色斜方結晶或暗紅色斜方結晶,英文名稱Cuprous Cyanide或Cupricin,分子式CuCN,分子量89.56,在氨氣保護下熔點474℃,比重2.9。
氰化亞銅易溶于氨水物氰化物的堿性溶液中,也能溶于鹽酸和銨鹽溶液中,幾乎不溶于水、醇和冷的稀酸中。
CuCN+3NH4OH+H2O=Cu(NH3)2++NH4CN+OH-
CuCN+4Cl-+H+=CuCl43-+HCN
CuCN+CN-=Cu(CN)2-
氰化亞銅在沸的稀鹽酸中分解成氯化亞銅和氰化氫。
CuCN+HCl=CuCl+HCN↑
氰化亞銅遇硝酸時分解:
2CuCN+HNO3+5H+=2HCN↑+2Cu2++NO↑+2H2O
氰化亞銅為劇毒品,一般用硫酸銅、氰化鈉和亞硫酸鈉或二氧化硫反應制得。
6CuSO4+6Na2SO3+2H20=2(CuSO3·Cu2SO3)+6Na2SO4+2H2SO4
2CuSO3·Cu2SO3+6NaCN+H2O=6CuCN↓+3Na2SO4+H2SO4
1.3.3 氰化鋅
氰化鋅為白色粉未狀或塊狀或者無光澤立方系柱狀結晶。英文名稱Zinc Cyanide,分子式Zn(CN)2,分子量117.49,800℃時分解,比重4.852。
氰化鋅溶于堿溶液、氨水中,溶于氰化鉀、氰化鈉溶液中形成復鹽。
Zn(CN)2+2H+=2HCN↑+Zn2+
氰化鋅微溶于水、氫氰酸、乙醇和醚。不溶于有機酸。在稀無機酸中分解放出HCN。
氰化氫為劇毒化學品,可采用氰化鈉和氧化鋅或硫酸鋅識別。生成的沉淀物用熱水洗滌、離心分離,在80℃左右干燥得到產品。氰化鋅用于電鍍、有機合成、醫藥和農藥的制造,也用于化學分析等行業。
1.3.4 氰化銀
氰化銀為白色或淡灰色粉未,分子式AgCN,分子量133.90,比重3.95。英文名稱Silver Cyanide,無氣味,有毒,光線中變灰,在干燥的空氣中穩定,約320℃時分解。
氰化銀溶于氰化物、硫代硫酸鹽溶液中,溶于沸的濃硝酸中,難溶于氨水,不溶于水、乙醇或稀酸。遇稀鹽酸生成氫氰酸和氯化銀。遇光變為褐色物。
氰化銀為無機劇毒品。用硝酸銀與氰化物反應制得:
AgNO3+CN-=AgCN↓+NO3-
氰化銀可做為分析試劑,制藥原料、電鍍藥劑。
1.3.5 氰化亞金
氰化亞金,英文名稱Gold(Ⅰ) Cyanide,分子式AuCN,分子量222.98,比重7.12,為六方晶系檸檬黃色細小結晶,在干燥的空氣中穩定,但受熱分解而游離出金,潮濕狀態時遇光不穩定,難溶于水及稀酸,但溶于堿金屬氰化物、氫氧化鉀等溶液或氨水,也溶于硫代硫酸鈉或硫化銨的溶液中。
可采用下面方法制取氰化亞金。
KAu(CN)2+HCl=AuCN↓+HCN+KCl
氰化亞金廣泛用于化學分析及電鍍、電子等工業。
1.3.6 氰化銅
氰化亞銅也稱氰化高銅,綠色粉未狀。英文名稱Cupric Cyanide或Copper Cyanide。氰化銅能溶于酸和堿,不溶于水,分子式Cu(CN)2,分子量115.58,劇毒,用于電鍍和中間體生產。
1.4 亞鐵氰酸及其鹽類
亞鐵氰化物〔Fe(CN)2〕作為重金屬氰化物之一,具有重金屬氰化物的通性,但其氰絡物在酸性條件下并不分解,而是形成亞鐵氰酸,再與堿反應生成亞鐵氰酸鹽、亞鐵氰酸及其鹽類也稱為亞鐵氰化物,它們具有自身的許多特殊性質。常見的鹽有亞鐵氰化鈉,亞鐵氰化鉀、亞鐵氰化鐵及亞鐵氰化銅,亞鐵氰酸鹽也可分成兩類,即可溶鹽及不溶鹽。亞鐵氰酸根離子與重金屬離子生成的鹽均為不溶鹽,但均溶于堿溶液中。
1.4.1 亞鐵氰酸根離子的通性
在反應介質中,能解離出鐵氰酸根離子的亞鐵氰化物均具有下列性質:
一稀酸
冷的稀酸(鹽酸和硫酸)并不分解亞鐵氰化物,沸的稀酸能分解亞鐵氰化物,生成游離的HCN和硫酸亞鐵。
Fe(CN)64-+6H+=6HCN+Fe2+
反應生成的硫酸亞鐵與未分解的亞鐵氰酸根離子作用形成白色沉淀物。
Fe(CN)64-+Fe2++K+=K2Fe(CN)6
沉淀物將徐徐氧化成亞鐵氰化鐵,俗稱普魯氏藍或鐵藍。這種物質無毒,不溶于水和有機溶劑,但溶于堿溶液中,主要用作涂料、烘烤搪瓷、印刷、油墨著色劑和洗滌添加劑。
2)濃硫酸
濃硫酸在加熱時能分解所有亞鐵氰化物,并放出CO,后者燃燒時呈藍色火焰。
K4Fe(CN)6+6H2SO4+6H2O=FeSO4+2K2SO4+3(NH4)2SO4+6CO↑
如果濃硫酸徐徐與亞鐵氰化鉀作用,則生成亞鐵氰酸。
3)鹽酸
鹽酸與濃的亞鐵氰化鉀溶液作用生成H4Fe(CN)6,可用醚把它抽取而分離出來,得到一種白色固體。
二亞鐵氰化物溶液與重金屬鹽類的反應
1)? 鎘鹽
鎘鹽與亞鐵氰化物溶液作用時生成狀如乳酪的白色膠性亞鐵氰化鎘沉淀,此沉淀不溶于稀鹽酸。
Fe(CN)64-+2Cd2+=Cd2Fe(CN)6
2)鉛鹽
鉛鹽與亞鐵氰化物溶液生成白色鐵氰化鉛沉淀,此沉淀不溶解于稀硝酸;
Fe(CN)64-+Pb2+=Pb2Fe(CN)6
3)汞鹽
氯化汞與亞鐵氰化物在酸性溶液中反應生成白色沉淀物。
Fe(CN)64-+2HgCl=Hg2Fe(CN)6
4)銀鹽
硝酸銀與亞鐵氰化物作用時,生成白色膠性亞鐵氰化銀。
Fe(CN)64-+4Ag+=Ag4Fe(CN)6
此沉淀不溶于稀硝酸和氨水中,濃硝酸能把它氧化為橙色的鐵氰酸銀。
硫氰酸鹽能溶解亞鐵氰化銀。
Ag4Fe(CN)6+4SCN-=4AgSCN↓+Fe(CN)64-
5)鈷鹽
過量的鈷鹽與亞鐵氰化物溶液生成淡灰綠色亞鐵氰化鈷,此沉淀不溶于稀鹽酸和稀醋酸。
Fe(CN)64-+2Co2+=Co2Fe(CN)6
此沉淀不溶于稀鹽酸和稀醋酸。
6)?????? 銅鹽
硫酸銅與亞鐵氰化物生成紅褐色Cu2Fe(CN)6沉淀,此沉淀不溶于稀醋酸,但可被苛性堿溶液所分解。
Fe(CN)64-+Cu2+=Cu2Fe(CN)6
7)鋅鹽
鋅鹽與亞鐵氰化物反應生成白色膠狀亞鐵氰化鋅,此沉淀不溶于稀酸(鹽酸、硫酸),溶于堿性溶液中。
Fe(CN)64-+2Zn2+=Zn2Fe(CN)6
此沉淀不溶解于稀鹽酸和稀硫酸,溶于堿性溶液中。
8)鐵鹽
亞鐵氰化鉀與氯化鐵在冷時或加溫時作用有兩種結果產生。在冷時,有可溶性鹽生成:
K4Fe(CN)6+FeCl3=KFe[Fe(CN)6]+3KCl
在加熱時,則有不溶性鹽普魯氏蘭生成。
3K4Fe(CN)6+4FeCl3=Fe4[Fe(CN)6]3↓+12KCl
普魯氏蘭不溶于水和稀酸,但能溶于堿溶液中。
Fe4[Fe(CN)6]3+12NaOH=4Fe(OH)3+3Na4Fe(CN)6
9)亞鐵鹽
亞鐵鹽在沒有空氣存在的情況下與可溶性亞鐵氰酸鹽作用時,根據加量大小可生成白色亞鐵氰化鉀亞鐵K2Fe[Fe(CN)6]或亞鐵氰化亞鐵Fe2[Fe(CN)6]沉淀。
Fe(CN) 64-+Fe2++2K+=K2Fe〔Fe(CN) 6〕
Fe(CN) 64-+2Fe2+=Fe2Fe(CN) 6
這些沉淀常受空氣中的氧的氧化作用而形成普魯氏藍。
6Fe2Fe(CN) 6+6H2O+3O2=2Fe4〔Fe(CN) 6〕3+4Fe(OH)3
由于Fe2+易被氧化為Fe3+,因此亞鐵鹽加入到亞鐵氰酸鹽溶液中就會產生普魯氏藍。
三.亞鐵氰酸根離子與氧化劑的反應
在一般條件下,亞鐵氰酸鹽的水溶液與氧化劑作用時,僅Fe2+被氧化為Fe3+。而CN-并不發生氧化。
Fe(CN) 64--e=Fe(CN)63-
表1-3 一些亞鐵氰酸鹽的溶度積(Ksp)
?
難溶物分子式 Ksp 難溶物分子式 Ksp
Zn2Fe(CN)6 2.1×10-16 Fe4[Fe(CN)6]3 3.0×10-41
Cd2Fe(CN) 6 4.2×10-18 Ni2Fe(CN) 6 1.3×10-15
Pb2Fe(C)6 9.6×10-19 Co2Fe(CN) 6 1.8×10-15
Cu2Fe(CN)6 1.3×10-16 Ag4Fe(CN) 6 8.5×10-45
(Hg2)4Fe(CN) 6 1.1×10-12 ? ?
1)過氧化氫
亞鐵氰化鉀可被高濃度過氧化氫氧化為鐵氰化鉀,并有氫氧化鉀形成。
2K4Fe(CN) 6+H2O2=2K3Fe(CN) 6+2KOH
在酸性溶液中反應如下:
2K4Fe(CN) 6+H2O2+2HCl=2K3Fe(CN) 6+2KCl+2H2O
2)高錳酸鉀
亞鐵氰酸鉀溶液與高錳酸鉀反應,生成鐵氰酸鉀,這個反應通常在蒸汽浴上加崐熱1小時即可發生。
6K4Fe(CN) 6+3KMnO4+4H2O=6K3Fe(CN) 6+2MnO2+6KOH
如果鹽酸溶液中,上述反應很快完成。
5K4Fe(CN) 6+4MnO4+8HCl=5K3Fe(CN) 6+6KCl+MnCl2+4H2O
3)氯氣
如果過量的氯氣導入亞鐵氰酸鉀溶液中,即有氰化氫及氯化氰生成。2K4〔Fe(CN) 6〕+2H2O+13Cl2=2HCN+10CNCl+8KCl+2FeCl3+2HClO
一般情況下僅發生下列反應:
2K4Fe(CN) 6+Cl2=2K3Fe(CN) 6+2KCl
4)氧氣
亞鐵氰酸鉀與氧反應,受光的影響:
4K4Fe(CN) 6+O2+2H2O=4K3Fe(CN) 6+4KOH
四 亞鐵氰酸根離子與水的反應
光對亞鐵氰酸鉀溶液作用時,即有若干氰化物釋放出來,這可由Raman光譜顯示出來,當水中含亞鐵氰化物56mg/L,則釋放出氰化物含量達0.4mg/L。
K4Fe(CN)6+H2O=K3Fe(CN)6·H2O+KCN
五 亞鐵氰酸根離子的自然分解
據研究,在天然水體中,在較高溫度和有光照的條件下,亞鐵氰酸鹽可分解成氫氰酸,先是亞鐵氰酸鹽被空氣中的氧氧化為鐵氰酸鹽,以后慢慢地轉化為氫氧化鐵和可溶性氰化物與氫氰酸的混合物,在空氣中CO2的作用下以及水中微生物的作用下,簡單氰化物發生生物降解:
4Fe(CN)64-+O2+2H2O=4Fe(CN) 63-+4OH-
4Fe(CN) 63-+12H2O=4Fe(OH)3+12HCN+12CN-
CN-+CO2+H2O=HCN+HCO32-
HCN(Liquid)=HCN(Gas)(經光照分解)
2CN-+O2=2CNO-
由于這些反應不斷進行,亞鐵氰酸鹽溶液中游離氰化物含量不斷下降,稱自然分解。
六 灼燒亞鐵氰酸鹽
亞鐵氰酸鹽在灼燒時生成碳化鐵,氰化物、氰及氮。
3K4Fe(CN) 6=12KCN+Fe3C+C+2(CN) 2+N2↑
當亞鐵氰酸鹽與碳酸鉀一起熔化時,則與上述反應不同。
K4Fe(CN) 6+K2CO3=5KCN+KCNO+CO2+Fe
1.4.2 亞鐵氰酸鈉
亞鐵氰酸鈉也叫亞鐵氰化鈉,俗名黃血鹽鈉,是淡黃色半透明單斜晶系柱狀結晶或棱形、針形結晶。分子式Na4Fe(CN)6·H2O,分子量484.1,英文名稱Sodium ferro Cyanide。在空氣中易風化,在50℃~66℃溫度下,晶體會很快失去結晶水,在80℃以上時形成堅硬的塊狀無水鹽。亞鐵氰酸鈉晶體的比重為1.458。
亞鐵氰酸鈉溶于水和丙酮,不溶于醇,在水中的溶解度見表1-4。
表1-4 亞鐵氰酸鈉在不同溫度水中的溶解度
水溫 / ℃ 24.9 34.9 49.8 67.4 79.6 84.7 89.6 94.7 99.7
溶解度/g/100g水 17.1 20.58 26.20 31.43 36.85 38.15 38.08 38.25 37.53
亞鐵氰酸鹽本身無毒,在冷的稀鹽酸、稀硫酸中并不分解,但在熱的稀酸中會分解出劇毒的氰化氫,遇高價鐵鹽生成普魯氏藍。
亞鐵氰酸鈉的制造方法主要有三種。
一.煉焦氣副產物回收法
將含氰化氫的廢水先用蒸汽解吸、放出的氰化氫在填充有鐵刨花的塔中用純堿液循環吸收、經沉淀除雜得亞鐵氰化鈉產品。其反應式如下:
6HCN+Fe+2Na2CO3=Na4Fe(CN) 6+H2↑+2CO2↑+2H2O
二.含氰化鈉廢物回收法
將含氰化鈉渣經浸取,過濾得氰化鈉溶液,與氯化鈣、硫酸亞鐵反應生成亞鐵氰酸鈉,再經濃縮、結晶、分離產品,其反應如下:
6NaCN+FeSO4+CaCl2=Na4Fe(CN) 6+CaSO4+2NaCl
三.氰溶體法
將氰熔體與硫酸亞鐵反應生成亞鐵氰酸鈣和亞鐵氰酸鈉,再經純堿作用使鈣鹽轉化為鈉鹽,其反應如下:
4Ca(CN)2+4NaCN+2FeSO4=Ca2Fe(CN) 6+Na2Fe(CN) 6+CaSO4↓
Ca2Fe(CN) 6+2Na2CO3+Na4Fe(CN) 6+2CaCO3↓
亞鐵氰酸鈉用于制造鐵藍、油漆、涂料和油墨、印染工業、醫藥工業。亦用于鋼鐵的滲碳、金屬表面防腐及生產赤血鹽。
1.4.3 亞鐵氰酸鉀
亞鐵氰酸鉀又稱亞鐵氰化鉀,俗稱黃血鹽。為淺黃色或檸檬黃色單斜結晶或粉未,有時有立方晶系的變態。分子量422.48,分子式K4Fe(CN)6·3H2O,英文名稱Potassium Ferro Cyanide或Yellow Prussiate of Potash。
亞鐵氰酸鉀比重1.853,70℃失去結晶水,100℃干燥則生成白色粉狀無水物。
亞鐵氰酸鉀溶于水和丙酮,不溶于醇、醚、醋酸甲酯和液氨中,在水中溶解度見表1-5。
表1-5 亞鐵氰酸鉀在不同溫度水中的溶解度
水溫/ ℃ 0 10 20 30 50 70 80 99.6
溶解度/ % 12.5 17.4 22.0 26.0 32.6 38.2 40.1 42.63
亞鐵氰酸鉀與鹵素、過氧化氫反應生成鐵氰酸鉀,其水溶液在空氣中遇光則分解出氰化物并生成氫氧化鐵,與稀鹽酸共熱產生HCN,遇硝酸先形成鐵氰酸鉀,繼而形成K2Fe(CN)5(NO)。
亞鐵氰酸鉀的制法與亞鐵氰酸鈉類似,不再介紹。
1.4.4 亞鐵氰酸銅
亞鐵氰酸銅又稱亞鐵氰化銅,紅棕色粉未。英文名稱Cupric Ferrocyanide。分子式Cu2Fe(CN)6·7H2O,分子量465.15。
亞鐵氰酸銅能溶于硝酸,氫氧化銨及氰化鉀溶液,不溶于水和酸。有毒,熱至120℃以上分解。
可采用可溶性亞鐵氰酸鹽在酸性條件下與硫酸銅反應制備亞鐵氰酸銅。
2Cu2++Fe(CN) 64-=Cu2Fe(CN)6
1.4.5 亞鐵氰酸鐵
亞鐵氰酸鐵也叫亞鐵氰化鐵,俗稱普魯氏藍。為暗藍色的塊狀物或粉未。分子式Fe4[Fe(CN)6]3,英文名稱Prussian Blue或Ferric Ferrocyanide,分子量859.25。
亞鐵氰酸鐵溶于草酸呈藍色,見陽光迅速沉淀。遇硫酸為白色糊狀物,用水稀釋呈藍色。溶于堿溶液,不溶于水和乙醇,但其在水中的懸浮物,能被氯轉化為綠色,用水洗滌則仍呈藍色。
可采用亞鐵氰酸鹽與鐵鹽在酸性條件下反應制造亞鐵氰化鐵。其主要用途是做染料。也稱華藍。
1.5 鐵氰化物(鐵氰酸鹽)
鐵氰化物包括鐵氰酸及其鹽類,鐵氰酸鹽是鐵氰酸H3Fe(CN)6的鹽類,其中常見有鐵氰酸鉀、鐵氰酸鈉,俗稱赤血鹽。鐵氰酸鹽均較穩定,常由相應的亞鐵氰酸鹽氧化而得。三價鐵鹽并不能與氰化物直接反應生成鐵氰酸鹽。
堿金屬和堿土金屬的鐵氰酸鹽均溶于水。但其余的鐵氰酸鹽則不溶于水,甚至不溶于稀酸。
鐵氰酸鹽的性質很大一部分是鐵氰酸根離子的性質。除此之外,由與其形成復鹽的離子決定。
1.5.1 鐵氰酸根離子的性質
一.鐵氰酸根離子與酸的反應
1)稀酸
稀鹽酸或稀硫酸在冷溶液中并不分解鐵氰酸鹽,但在熱溶液中則能分解,并崐有氫氰酸放出。
Fe(CN)63-+6H+=Fe3++6HCN↑
2) 濃硫酸
當溶液加熱時,濃硫酸能分解鐵氰酸鹽。
2K3Fe(CN)6+12H2SO4+12H2O=Fe2(SO4)3+3K2SO4+6(NH4)2SO4+12CO↑
3)濃鹽酸
濃鹽酸與冷的鐵氰酸鉀的飽和溶液作用時,有棕色鐵氰酸形成。
K3Fe(CN)6+3HCl=H3F(CN)6+3KCl
二 鐵氰酸根離子與重金屬鹽的反應
1)硝酸銀
硝酸銀在鐵氰酸鹽溶液中,生成難溶的橙色鐵氰化銀沉淀,溶度積Ksp=10-22。
Fe(CN) 63-+3Ag+=Ag3Fe(CN)6↓
此沉淀不溶于硝酸,但溶于稀氨水。
Ag3Fe(CN) 6+6NH3=3〔Ag(NH3) 2〕++Fe(CN)63-
這個鐵氰酸根能被氨還原而破壞。
6Fe(CN) 6+8NH3=6Fe(CN) 64-+N2+6NH4+
硫氰酸鹽能溶解Ag3Fe(CN)6。
Ag3Fe(CN) 6+3SCN-=3AgSCN↓+Fe(CN) 63-
2)銅鹽
銅鹽與鐵氰酸鹽溶液生成綠色鐵氰酸銅沉淀。
2Fe(CN) 63-+3Cu2+=Cu3〔Fe(CN) 6〕2↓
此沉淀不溶于鹽酸。
3)鎘鹽
鎘鹽在鐵氰酸鹽溶液中,將反應生成橙色鐵氰酸鎘沉淀。
2Fe(CN) 63-+3Cd2+=Cd3[Fe(CN) 6〕2↓
此沉淀不溶于稀酸,但溶于濃硝酸。
4)鈷鹽
鈷鹽在鐵氰酸物溶液中,生成紅色鐵氰酸鈷沉淀。
2Fe(CN) 63-+3Co2+=Co3〔Fe(CN) 6〕2↓
此沉淀不溶于鹽酸,但溶于氨水。
5)亞鐵鹽
亞鐵鹽在鐵氰酸鹽溶液中生成深藍色鄧布爾藍(Double Blue)。
2Fe(CN) 63-+Fe2+=Fe3〔Fe(CN) 6〕2
已查明,鄧布爾藍與普魯氏藍的結構都是Fe4Ⅱ[FeⅡ(CN)6]3。此沉淀不溶于酸,但可被堿所分解。
Fe3[Fe(CN)6〕2+8OH-=2Fe(CN) 64-+2Fe(OH)3+Fe(OH)2
6)鐵鹽
鐵鹽與鐵氰酸鹽作用并不生成沉淀物,但由于形成鐵氰酸鐵而呈綜色反應。
Fe3++Fe(CN) 63-=FeFe(CN)6
三 鐵氰酸根離子與還原劑的反應
1)硫化物
硫化物在酸性、中性或堿性溶液中,可將鐵氰酸鹽還原為亞鐵氰酸鹽。
2Fe(CN)63-+S2-=2Fe(CN)6+S
這個反應說明,在同一溶液中,不可能同時有硫化物和鐵氰酸鹽存在的原因。
2)碘化物
碘化物在各種情況下都還原鐵氰酸鹽,自身被氧化為單質碘。
2Fe(CN)63-+2I-=2Fe(CN)64-+I2
許多其它化合物如亞硫酸鈉,過氧化氫,氫氧化鉛,氫氧化亞鐵和二價錳鹽,在堿性溶液中,都能還原鐵氰酸鹽為亞鐵氰酸鹽。
2Fe(CN)63-+SO32-+2OH-=2Fe(CN)64-+SO42-+H2O
2Fe(CN)63-+H2O2+2OH-=2Fe(CN)64-+2H2O+O2
2Fe(CN)63-+HPbO2+OH-→2Fe(CN)64-+PbO2+H2O
Fe(CN)63-+Fe(OH)2+OH-=Fe(CN)64-+Fe(OH)3
2Fe(CN)63-+Mn2++4OH-=2Fe(CN)64-+MnO2+2H2O
四 鐵氰酸根離子與堿溶液的反應
不溶性鐵氰酸鹽與氫氧化鈉或濃碳酸鈉溶液煮沸時,Fe(CN)63-轉入溶液中,即發生溶解反應。
Fe3〔Fe(CN)6〕2+6NaOH=3Fe(OH)2+2Na3Fe(CN)6
可溶性鐵氰酸鹽在氫氧化鉀溶液中水解。
13K3Fe(CN)6+6H2O+9KOH=Fe(OH)3+6NH3+12K4Fe(OH)6+6CO2
在天然水體中,鐵氰酸鹽慢慢地轉化為氫氧化鐵和可溶性氰化物與氫氰酸的混合物,后兩者在水體中又揮發、水解和氧化,故水體中的鐵氰酸鹽將慢慢消失。
Fe(CN)63-=3H2O=Fe(OH)3+3HCN+3CN-
HCN(Liquid)=HCN(Gas)
CN-+2H2O=HCO-+NH3
2CN-+O2=2CNO-
1.5.2 鐵氰酸鈉
鐵氰酸鈉又叫鐵氰化鈉,英文名Sodium Ferricyanide,俗稱赤血鹽鈉。為深紅色結晶。分子式Na3Fe(CN)6·H2O,分子量298.96,溶于水,不溶于醇,遇鐵鹽呈棕色反應,遇亞鐵離子呈滕代藍色(Turnbulls blue)。
用氯氣與亞鐵氰酸鈉反應即可生產鐵氰酸鈉,也可用亞鐵氰酸鈉在鎳或石墨為電極的電解槽中電解制取。
2Na4Fe(CN)6+Cl2=2Na3Fe(CN)6+2NaCl
鐵氰酸鈉有毒,主要用于制造顏料,亦用于染色以及印刷等行業。
1.5.3 鐵氰化鉀(鐵氰酸鉀)
鐵氰化鉀也稱鐵氰酸鉀,俗稱赤血鹽鉀或赤血鹽。為深紅色或金紅色單斜晶系柱狀結晶,,英文名稱Patassium Ferricyanide或Red Prussiate of Potash。分子式329.3。鐵氰酸鉀相對密度1.85,溶于水和丙酮,微溶于醇、醋酸、甲酸及氨水,在水中溶解度見表1-6。
表1-6 鐵氰酸鉀在不同溫度水中的溶解度
溫度/ ℃ 0.1 15.7 22.1 39.9 58 81 99
溶解度/ % 30.34 43.58 47.22 59.27 69.78 80.82 90.83
在常溫下鐵氰酸鉀十分穩定,經灼燒可完全分解,產生劇毒的氰化鉀和氰。水溶液受光線照射作用分解成亞鐵氰化鉀,遇亞鐵鹽生成滕氏藍沉淀。
生產方法與鐵氰酸鈉類似。
鐵氰酸鉀有毒。用于印染行業、鋼的熱處理、制藥工業、彩色膠片沖洗行業、印刷制版、電鍍、制革、造紙和肥料等工業。還廣泛應用于化學分析領域中。
1.5.4 鐵氰酸
鐵氰酸是褐綠色固體,溶解于水,它是三價鐵的氰絡物。
H3Fe(CN)6=Fe(CN)3·3HCN
鐵氰酸是三元酸,在水溶液中易解離為H+和Fe(CN)63-離子。
1.6 氰酸及其鹽類
氰酸鹽是含有-OCN基團、從氰酸〔HCNO〕衍生的化合物,與硫氰酸鹽類似,氰酸鹽也有異構體,稱作異氰酸鹽(-ONC),氰酸也有兩種分子結構,即正氰酸〔HO-C≡N〕和異氰酸〔H-H=C=O〕,堿金屬和堿土金屬氰酸鹽中,陰離子也寫成兩種形式:[N≡C-O]-和[O=C=N]-。這些鹽全是水溶性的。
堿金屬的氰酸鹽在干燥狀態下是穩定的,但能吸收空氣中的水份而徐徐變為堿金屬的重碳酸鹽和氨。重金屬的氰酸鹽有較多的共同性,如銀、亞汞、鉛和銅的氰酸鹽不溶于水,但所有氰酸鹽均溶于硝酸。氰酸銨容易重排成尿素。
NH4OCN=NH2CONH2
氰酸鹽的性質包括可溶性氰酸鹽的性質即氰酸根離子的性質和不溶性氰酸鹽的性質。
1.6.1 氰酸根離子的性質
一 氰酸根離子與酸的反應
1)稀硫酸
稀硫酸可立刻使氰酸鹽析出游離氰酸(HOCN),后者分解。
KOCN+H2SO4=HOCN+KHSO4
H2SO4+HOCN+H2O=CO2+NH4HSO4
加入硫酸時,即有很多CO2放出,在這種CO2里常含有少量氫氰酸,后者可根據其刺激性很強的臭味來識別。這這種溶液中,因含有硫酸銨,故與苛見習生性鈉加熱即有氨放出。
2)濃硫酸
濃硫酸與氰酸根離子亦有類似反應,但較為劇烈。
二 氰酸根離子與重金屬可溶鹽的反應
1)????????????? 硝酸銀
硝酸銀與氰酸鹽反應生成白色凝乳狀氰酸銀沉淀。
KOCN+AgNO3=KNO3+AgOCN
此沉淀溶解于氨水和稀硝酸中,與氰化銀不同。
2)醋酸鈷
醋酸鈷遇濃的氰酸鉀溶液,即被染成天藍色的鈷氰酸鉀,乙醇可使生成的顏色固定而且加深。
Co(C2H3O2)2+4KOCN→K2Co(OCN)4+2KC2H3O2
這個化合物溶解于水而使溶液呈藍色,如果受到大量水稀釋時,則顏色消失,同時被離解為原有的組份,但當加入較多的氰酸鉀時,則藍色又復出現,加乙醇亦可達到同樣效果。
幾乎所有的商品氰化鉀中都含有若干氰酸鹽,通常在測定商品氰化物中有無氰酸鹽時,首先應將氰化物驅走,否則因生成氰絡物不能出現上述試驗現象,除氰化物的方法是在含10%的氰化物中,通入CO21~1.5小時,此時氰化氫被驅走,而重碳酸鉀形成,氰酸鉀并不受到顯著的影響。
KCN+CO2+H2O=HCN↑+KHCO3
取上述處理過的溶液1ml,加入無水乙醇25ml(使KHCO3沉出),過濾。濾液加幾滴醋酸,再加幾滴醋酸鈷的乙醇溶液,如果在原有的氰化物中含有0.5%的氰酸鉀,則藍色反應十分顯著,但堿金屬的硫氰酸鹽亦有相同的反應發生。
3)硫酸銅—吡啶
中性氰酸鹽加至事先加有幾滴吡啶的銅鹽溶液后(1%CuSO4溶液),即有紫藍色Cu(C5H5N)2(OCN)2沉淀形成。后者溶解于氯仿中,生成翠藍色溶液。硫氰酸鹽干擾這個反應,過量的銅溶液亦宜避免。
在上述的藍色絡合物中,倘有中等過量的醋酸存在,則很穩定,因此這個反應可以用來在堿性溶液中測定氰酸鹽,通常將檢驗品的溶液先加至銅—吡啶—氯仿混合液中,然后徐徐加入醋酸,每加一滴予以劇烈振搖。當溶液中和后,氯仿層即呈藍色。
三.氰酸鹽與稀酸的反應
氰酸鹽水溶液在堿性條件下較穩定,酸性條件下水解生成CO2和NH3,當溶液中含有銅離子時,這一反應速度加快。
OCN-+H++H2O=CO2+NH3
pH<7
這一反應在天然水體中也能進行,而且速度較快。
1.6.2 氰酸鈉
氰酸鈉為白色、無嗅的針狀結晶或粉末,分子式NaOCN或NaCNO,分子量為65.01。英文名稱Sodium Cyanide,比重1.93,熔點550℃(分解)。在干燥狀態下極其穩定。對熱也穩定,加熱到500℃以上才開始分解,當鎳和鐵催化劑存在時,在真空中于700℃分解為同樣產物。
4NaOCN=2NaCN+Na2CO3+CO+N2
在16℃時,100ml水中可溶解10.68克氰酸鈉,但其溶液不穩定,迅速水解。
4NaOCN+6H2O=2Na2CO3+(NH4)2CO3+(NH2)2CO
氰酸鈉是氰酸〔HOCN〕中的氫原子被鈉取代后的產物。氰酸的結構是在氰化氫〔HCN〕中引入了一個氧原子,因此氰酸鈉對人畜的毒性很小。
氰酸鈉的制法主要有三種:
一 將尿素和碳酸鈉連續混合加熱來制造氰酸鈉。
2(NH4)2CO+Na2CO3=2NaOCN+2NH3+CO2+H2O
二 氰化鈉氧化法
NaCN+2NaOH+Cl2=NaOCN+2NaCl+H2O
也可以利用電解法(不使用氯氣)氧化氰化鈉生產氰酸鈉。
3)以氧化鎳為催化劑的氰化鈉氧化法。
2NaCN+O2=2NaOCN
在試驗室中,可用氧化鉛氧化氰化物制備氰酸鈉。
PbO(s)+NaCN(aq)=Pb(s)+NaOCN(aq)
氰酸鈉可用于林地除草劑,除了有速效的優點外,還會經水解生成尿素、碳銨等,因而有肥料的作用,還可以胺基甲酸酯類殺蟲劑。也用于金屬熱處理、有機合成、藥物生產等方面。
1.6.3 氰酸鉀
氰酸鉀為白色正方晶系結晶。分子式KOCN,分子量81.12,英文名稱Potassium Cyanate,比重為2.05,加熱到700~900℃時分解。易溶于水,難溶于乙醇、甲苯,干噪時穩定,有濕氣時或在水溶液中均可水解。
氰酸鉀的制法與氰酸鈉相似,如采用碳酸鉀和尿素熔融反應制得。
K2CO3+2NH2CONH2=2KOCN+CO2↑+2NH3+H2O
氰酸鉀用于有機合成,鋼的熱處理,制藥和除草劑的生產。
1.6.4 氰酸
氰酸是具有不愉快臭味的無色液體,分子式HOCN,分子量43.03。英文名稱Cyanic Acid。氰酸的熔點-86℃,沸點23.5℃,揮發性極強,0℃時蒸汽壓271mmHg,比重1.140,在液態時易聚合,0℃時一小時就聚合成固體,在室溫下更易聚合。
氰酸是相當強的酸,Ka=1.2×10-4,其稀溶液在0℃時在相當長的時間內是穩定的,但在常溫迅速水解為氨和二氧化碳。
HOCN+H2O=NH3+CO2
氰酸由于不穩定,一般采用加熱三聚氰酸[Cyanuric Acid]的辦法來制取。
1.7 硫氰酸及其鹽類
硫氰酸鹽是含有-SCN基團的有機或無機物。由硫氰酸〔HSCN〕衍生而來。硫氰酸及其鹽類也稱為硫氰化物。硫氰酸類似于氰酸,以H-S-C≡N和H-N=C=S兩種結構存在,后一種形式稱為異硫氰酸,并且產生異硫氰酸鹽。這種鹽明顯地顯示出有機化合物的特征。
無機硫氰酸鹽具有類似于氰化物和鹵化物的化學性質,大部分金屬的硫氰酸鹽(除鉛、汞、銀和銅鹽以外)是水溶性的,并且能與過量的硫氰酸鹽形成絡合物,例如〔Pt(SCN)4〕2-和〔Pt(SCN)5〕2-。因此硫氰酸鹽的性質就包括可溶性硫氰酸鹽的性質和不溶性硫氰酸鹽的性質。
1.7.1 硫氰酸鹽的性質
一 硫氰酸鹽與酸的反應
1)稀酸
非氧化性稀酸與硫氰酸鹽并無反應發生。
2)濃硫酸(14N)
濃硫酸與硫氰酸鹽作用時,在冷時則有黃色反應發生,加熱時,則反應劇烈,放出氧硫化碳〔COS〕。點燃時,發出藍色火焰。
KSCN+2H2SO4+H2O=KHSO4+NH4HSO4+COS↑
如果硫酸的濃度再高,則將有COS、HCOOH、CO2、SO2等氣體發生,同時有硫沉積出來。
二 硫氰酸鹽與重金屬鹽類的反應
1)硝酸銀
硝酸銀在硫氰化物溶液中,生成白色凝乳狀硫氰酸銀沉淀,在分析化學方面,以Fe3+生成血紅色化合物以指示終點。
Ag++SCN-=AgSCN↓
此沉淀不溶于稀硝酸,易溶于氫氧化銨(氨水),這種溶解是由于與氨形成了銀氨絡離子所致。與濃硝酸在水浴上加熱時,所有硫氰化銀完全分解,而鹵化銀無此反應。
6AgSCN+4H2O+16HNO3=3Ag2SO4+3(NH4)2SO4+6CO2↑+16NO↑
硫氰酸銀與濃硫酸煮沸,則有黑色硫化銀沉淀生成。
2AgSCN+2H2SO4+3H2O=2NH4HSO4+COS↑+CO2↑+Ag2S
2)鐵鹽
鐵鹽加至硫氰酸鹽溶液中,生成血紅色化合物。
Fe3++3SCN-=Fe(SCN)3
其實產生的是Fe(SCN)2+,即Fe(SCN)3在離解時生成Fe(SCN)2+陽離子顯色。
Fe(SCN)3=Fe(SCN)2++2SCN-
反應的靈敏度隨鐵鹽的加入量增加而增加。
磷酸鹽、砷酸鹽、硼酸鹽、碘酸鹽、硫酸鹽、醋酸鹽、草酸鹽、酒石酸鹽、檸檬酸鹽以及其相應的游離酸均會防礙這個反應。
亞硝酸鹽的存在也會因在酸性中生成硫氰酸亞硝酰(N0-SCN)而產生紅色,但加熱后紅色消失。
3)鈷鹽
鈷鹽與濃的硫氰酸鹽反應生成深藍色Co(SCN)42-離子,但無沉淀形成。
Co2++4SCN-=Co(SCN)42-
這個絡離子的穩定常數并不太大,通常在這里需要高濃度的試劑來促使反應向右進行,以保證使其形成有色絡離子,加入醇是為了增加絡離子的穩定度,亦即增加溶液的顏色。
4)銅鹽
銅鹽加至硫氰化物溶液中,生成黑色的硫氰化銅沉淀。
Cu2++2SCN-=Cu(SCN)2↓
這個化合物在一般情況下并不穩定,而有如氰化銅和碘化銅的分解反應發生。
Cu(SCN)2=CuSCN+1/2(SCN)2
當銅鹽加入時,如果有亞硫酸或其它還原劑存在于溶液中時,則立即有白色的硫氰化亞銅生成(也稱硫氰酸亞銅)。
2Cu2++SO32-+2SCN-+H2O=2CuSCN+2H++SO42-
硫氰酸亞銅不溶于稀鹽酸和稀硫酸。以前人們認為硫氰酸亞銅以其二聚物形式存在,分子式Cu2(SCN)2。如果在Cu2(SCN)2黑色沉淀中通入H2S,則有近似白色的沉淀發生。
Cu(SCN)2+1/2H2S=CuSCN+1/2S+HSCN
5)汞鹽
硝酸汞遇硫氰酸鹽生成白色硫氰酸汞沉淀。
Hg2++2SCN-=Hg(SCN)2↓
此沉淀極難溶于水,但易溶于過量的硫氰酸鉀溶液中。
Hg(SCN)2+SCN-=Hg(SCN)3-
干燥的Hg(SCN)2被加熱時,則將發生極大的膨脹,氯化汞遇硫氰酸鹽,須經長久放置,才能沉淀形成。
Hg2++2SCN-=Hg(SCN)2↓
6)亞汞鹽
硝酸亞汞遇硫氰酸鹽生成灰色至黑色沉淀,當硝酸亞汞溶液逐滴加入尚濃的硫氰酸鹽溶液中,則有灰色金屬汞的沉淀首先呈現,而溶液則含有硫酸鉀汞。
Hg22++3SCN-=Hg(SCN)3-+Hg↓
如果硝酸亞汞繼續加至不再有汞被沉淀時,即將溶液過濾,濾液則含有硫氰酸鉀汞,尚再加更多的硝酸亞汞,則有純粹的白色硫氰酸亞汞沉淀形成。
2Hg(SCN)3-+3Hg22+=2Hg2++3Hg2(SCN)2
但假如以極稀的硫氰酸鉀溶液加至極稀的硝酸亞汞溶液中,則可直接得到白色硫化亞汞沉淀。
Hg22++2SCN-=Hg2(SCN)2↓
7)銅離子和聯苯胺
聯苯胺和銅離子加至硫氰酸鹽溶液中,由于聯苯胺的氧化,生成深藍色醌式化合物,這個反應的過程可以從氰化物的相似反應推論。
Cu2++2SCN-=Cu(SCN)2
2Cu(SCN)2+H2O=2CuSCN+2HSCN+[O]
這個初生態的氧于是氧化聯苯胺至醌式化合物。
三 硫氰酸鹽與氧化劑的反應
1)硝酸
稀硝酸與硫氰酸鹽在加熱時發生分解,并有紅色反應發生。 同時有NO、HCN放出。
SCN-+2HNO3=HSO4-+2NO↑+HCN↑
濃硝酸能分解硫氰酸鹽而形成NO、CO2及硫酸。
3SCN-+10H++13NO3-=16NO↑+3CO2↑+3SO42-+5H2O
2)高錳酸鉀
在酸性溶液中,用硫氰酸滴定高錳酸鉀時,有下列反應發生:
5HSCN+6KMnO4=4H2SO4=3K2SO4+6MnSO4+5HCN+4H2O
3)過氧化氫
硫氰酸鹽可被過氧化氫氧化成氰氫酸及硫酸。
SCN-+3H2O2+H+=HCN+H2SO4+2H2O
4)二氧化錳
硫氰酸鹽溶液中加入MnO2,生成硫化氰。
MnO2+SCN-+4H+=(SCN)2+Mn2++2H2O
由于硫化氰可被水迅速分解,所以最好在惰性溶劑中以Br2與AgSCN作用制得。
硫化氰迅速和不可逆地進行聚合,生成磚紅色聚硫化氰,硫化氰在四氯化碳或乙酸溶液中都很穩定,它以NCSSCN形式存在。
四 硫氰酸鹽與鋅的反應
在硫氰酸鹽的酸性溶液中,鋅能把它還原成氰化氫和硫化氫。
Zn+SCN-+3H+=Zn2++H2S↑+HCN↑
1.7.2 不溶性重金屬硫氰酸鹽的性質。
不溶性重金屬硫氰酸鹽有銀、銅、汞、鉛的硫氰酸鹽,它們具有以下性質。
1)在加熱的濃硫酸中分解,由于重金屬的不同,其反應不同。
2AgSCN+2H2SO4+3H2O=NH4HSO4+COS+CO2+Ag2S
2)銀、銅的硫氰酸鹽溶于氨水中,生成氨絡合物離子。
AgSCN+2NH3=Ag(NH3)2++SCN-
CuSCN+4NH3=Cu(NH3) 42++SCN-
3)在加熱的稀硝酸中分解,放出CO2、NO。
6AgSCN+4H2O+16HNO3=3Ag2SO4+3(NH4)2SO4+6CO2↑+16NO↑
4)與堿溶液的反應
CuSCN+OH-=CuOH↓+SCN-
5)溶解于硫氰酸鹽溶液中,生成硫氰酸絡離子。
AgSCN+3SCN-=Ag(SCN)43-
6)在含稀礦酸的過氧化氫的溶液中,加入不溶性硫氰酸鹽,在沸騰時,僅發生下列反應。
2CuSCN+7H2O2=8HCl+2CuCl42-+2SO42-+HCN↑+6H2O+8H+
利用此反應,可分析CuSCN產品中的銅含量。
一些常見的重金屬硫氰酸鹽及其絡合物的性質見表1-7。
1.7.3 硫氰酸鈉
硫氰酸鈉也稱硫氰化鈉,為白色斜方板狀晶系結晶或粉未。分子式NaSCN或NaCNS,分子量81.07。英文名稱Sodium Sulfocyanide或Sodium Rhodanate。硫氰酸鈉有潮解性,熔點為287℃,易溶于水、乙醇、丙酮等溶劑中。18.8℃時在100g乙醇中能溶解18.37g,水中溶解度見表1-8。
表1-7 常見的重金屬硫氰酸鹽的性質
重金屬硫氰化物 重金屬硫氰酸絡合物 重金屬硫氰酸鹽
分子式 Ksp 離子式 絡合物穩定常數 分子式
Na+或K+
Logβ1 Logβ2 Logβ3 Logβ4 Logβ5 Logβ6
? ? Au(SCN)2- 15.27 16.98 ? ? ? ? KAu(SCN)2
? ? Au(SCN)4- ? ? ? 42 ? ? KAu(SCN)2
AgSCN 1.0×10-12 Ag(SCN)43- 4.75 8.23 9.45 9.67 ? ? Kag(SCN)2
CuSCN 4.8×10-15 Cu(SCN)65- ? 12.21 9.90 10.09 9.59 9.27 K5Cu(SCN)6
Hg(SCN)2 不穩定 Hg(SCN)42- 17.26 19.97 21.69 ? ? ? K2Hg(SCN)6
Pb(SCN)2 2.0×10-5 Pb(SCN)2 1.09 2.52 ? ? ? ? ?
Cu(SCN)2 不穩定 Cu(SCN)2 2.30 3.65 ? ? ? ? ?
? ? Fe(SCN)3 3.1 5.3 6.2 ? ? ? ?
表1-8 硫氰酸鈉在不同溫度水中的溶解度
溫度/ ℃ 10.7 25.0 46.1 65.8 81.8 101.4
溶解度/ % 52.98 58.78 64.03 65.46 66.89 69.29
硫氰酸鹽有毒,其制造方法主要有三種。
1)合成法
將氰化鈉與硫磺反應生成硫氰酸鈉。
NaCN+S=NaSCN
2)砷堿副產法
采用砷堿法脫除爐氣硫化氫時,過剩的堿液與煤氣中的硫化氫、氰化氫反應生成硫氰酸鈉和氰化鈉,當砷堿液通過再生塔時,轉化為硫代硫酸鈉和硫氰酸鈉,將含有硫氰酸鈉和硫代硫酸鈉的母液,經蒸發,分離,并用硫酸破壞,除硫及硫酸鈉,再用堿液和氫氧化鋇中和除鐵及硫酸根,以得到凈化的產品。
O2、H2O
NaCN+Na2S=NaSCN
3)化纖廠含氰廢水回收法
用陰離子交換樹脂吸附廢水中的硫氰酸根離子,然后用NaOH溶液洗脫、濃縮、結晶得到成品。
硫氰酸鈉用作聚丙烯腈纖維抽絲溶劑、化學分析試劑、彩色電影膠片沖洗劑、某些植物脫葉劑經及機場道路防莠劑等。
1.7.4 硫氰酸鉀
硫氰酸鉀或稱硫氰化鉀,白色斜方晶系柱狀晶體,分子式KSCN,也可寫成KCNS。英文名稱Potassium Thiocyanate或Potassium Rhodanide。
硫氰酸鉀有毒,刺激皮膚。有潮解性,相對密度1.886。熔點173.2℃,在500℃時分解,易溶于水,溶于丙酮、乙醇和液氨,溶于水呈吸熱反應,水溶液為中性。水中溶解度見表1-9。
表1-9 硫氰酸鉀在不同溫度水中的溶解度
溫度/ ℃ 0 20 25 66.7 99
溶解度/ % 63.90 68.45 70.50 80.34 87.04
硫氰酸鉀的制法與硫氰酸鈉的合成法類似。
KCN+S=KSCN
也可以用NH4SCN和鉀鹽進行復分解反應制得。
1.7.5 硫氰酸銨
硫氰酸銨也稱硫氰化銨,為白色單斜晶系片狀或柱狀結晶,有光澤,分子式NH4SCN或NH4CNS,分子量76.12。英文名稱Ammonium Thiocyanate或Ammonium Rhodanide。
硫氰酸銨有潮解性,相對密度1.305,熔點149.6℃,加熱到140℃,易變為硫脲。200~300℃時分解為氨、二氧化碳和硫化氫。易溶于水及乙醇,溶于丙酮和氨水,不溶于三氯甲烷,在水中溶解時吸收大量的熱,濃的水溶液遇光逐漸變成紅色。水中溶解度見表1-10。
表1-10 硫氰酸銨在不同溫度水中的溶解度
溫度/ ℃ 0 20 30 40 50 60 70 80
溶解度/ % 54.5 62.7 66.5 70.4 74.1 77.7 80.8 81.7
硫氰酸銨的制造方法有兩種:
1)二硫化碳法:
將CS2與氨水進行加壓合成反應,生成硫氰酸銨及副產硫氫化銨,再經脫硫蒸發使硫氫化銨分解成硫化氫除去,所得溶液經除雜分離得產品。
CS2+3NH3=NH4CNS+NH4HS
NH4HS=NH3+H2S↑
2)硫磺合成法
與硫氰化鈉制法相似,制取硫氰酸鈉后,再與氯化銨復分解反應生成硫氰酸銨。
NaCN+S=NaSCN
NaSCN+NH4Cl=NH4SCN+NaCl
硫氰酸銨是制造雙氧水(過氧化氫)的輔助原料、有機合成的聚合催化劑、制造硫脲等化工產品的原料、分析試劑等。
1.7.6 硫氰酸銀
硫氰酸銀為白公或淺粉色粉未,分子式AgSCN,分子量165.95,英文名稱Silver Thiocyanate,露置于空氣中顏色變深。溶于濃硫酸和氨水,不溶于水及稀酸,遇濃硫酸和硝酸的混合液即分解,用水稀釋時,析出硫酸銀,熱至120℃時即分解,有毒。
1.7.7 硫氰酸鉛
硫氰酸鉛又稱硫氰化鉛,為白色或淺黃色粉未,分子式Pb(SCN)2,分子量323.26,英文名稱Lead Thiocyanate或Plumbum Thiocyanate。
硫氰酸鉛無味有毒。比重3.83,熔點190℃(分解),溶于氫氧化鈉及氫氧化鉀、硫氰酸鹽溶液及硝酸。
硫氰酸鉛用于測定油脂的硫氰值。
1.7.8 硫氰酸汞
硫氰酸汞也稱硫氰化汞或硫氰酸高汞。白色粉未,英文名稱Mercury Thiocyanate或Mercury Sulfocyanide。分子式Hg(SCN)2,分子量316.75。
硫氰酸汞有毒,加熱到165℃時,體積膨脹并分解成汞和氮氣。硫氰酸汞溶于稀鹽酸或氰化鉀溶液,微溶于醇和醚。在沸水中分解。
硫氰酸汞用于攝影。
1.7.9 硫氰酸亞銅
硫氰酸亞銅又叫硫氰化亞銅,外觀為白色或灰白色粉末,分子式CuSCN,分子量121.62。英文名稱Cuprous Thiocyanate或Copper Sulfocyanate。比重2.846,熔點1084℃。它幾乎不溶于水,(在18℃時100ml水中僅溶解約0.5mg);難溶于稀鹽酸及乙醇、丙酮中,能溶于氨水及乙醚;易溶于濃的堿金屬硫氰酸鹽溶液中。可形成絡合物。溶于濃硫酸隨即分解。它在空氣中加熱到140℃以上時可發火燃燒。干燥的硫氰酸亞銅在冷時能吸收氨成為2CuCNS·5NH3加成物,當加熱后又放出氧。
硫氰酸亞銅的制法較多。一般工業上采用硫酸銅與硫氰酸鹽及硫酸鹽或硫代硫酸鈉反應制取。
CuSO4+1/2Na2SO3+NaOH+NaCNS=CuCNS+1/2Na2SO4
CuSO4+Na2S2O3+NaSCN=CuCNS+Na2SO4+1/2Na2S4
也可以利用廢水中的硫氰酸鹽通過加入硫酸銅的亞硫酸鹽進行反應制備硫氰酸亞銅。
硫氰酸亞銅有毒,可用于果樹防護、船底防污涂料的添加劑。也可做鍍銅藥劑。潤滑油脂添加劑、有機合成催化劑、聚合調節劑、非銀鹽感光材料、記錄紙發色劑等。還可做為塑料阻燃劑與消煙劑。
1.7.10 硫氰酸
硫氰酸是有辛辣氣味的無色液體或固體,分子式HSCN或HCNS。分子量59.09。英文名稱Rhodanic Acid或Thiocyanide Acid或Hydrogen Thiocyanide。
硫氰酸固體為白色有光澤的物質,在常壓、接近室溫下保存時,漸漸變為暗紅色,在真空中仔細加熱就變為黃色,在3℃時迅速放熱并發泡分解,成為半流動的塊狀,與水可以任意比例合,但不穩定,呈強酸性,5%以下的水溶液稍穩定,但其鹽類卻穩定。
1.8 氰與氯化氰
1.8.1 氰
氰因其以(CN)2形式存在,也稱雙氰,分子式(CN)2或C2N2,也叫乙二腈,一般寫成(CN)2,實際化學結構N≡C-C≡N。分子量為52.04。英文名稱Cyanogen或Dicyanoge,由于其性質類似鹵素,也叫Oxalonitrile。
氰在常溫下是無色氣體,極毒,有苦杏仁味。熔點為-27.9℃,沸點為-21.17℃,沸點下比重0。9537,0℃時1個體積水可溶解4個體積的氰氣。
一 氰與水的反應
氰在水中緩慢水解,開始生成草酰胺,進一步轉化為草酸。
(CN)2+2H2O+H2N─C─C─NH2 = H─C─C─H+2NH2OH
‖ ‖ ‖ ‖
O O O O
二 氰的岐化反應
氰與鹵素有類似的性質,能發生岐化反應。
X2+2OH-=X-+XO-+HX2O
(CN)2+2OH-=CN-+CNO-+H2O
三 氰的聚合
當加熱到400℃時,氰聚合成白色固體(CN)x。
四 氰的還原反應
與鹵素和氫的反應相類似,氰在高溫下與氫反應生成氰化氫。
(CN)2+H2=2HCN
五 氰與硫化氫反應生成硫氰酸甲酰胺或二硫代草酸胺。
(CN)2+H2S=NC-C-NH2或H2NC-CNH2
‖ ‖‖
S S S
六 氰與氧化劑反應
氰與氯等強氧化劑反應生成CO2和N2,與氰化物類似,氰氣在氧氣中燃燒,生成所知的化學反應中最熱的火焰,溫度高達5050K。
(CN)2+O2=2CO2+N2
七 氰的制法
氰的制法較多,以氰化氫為原料,利用空氣通過銀催化劑,氯氣通過活性炭或二氧化硅、二氧化氮通過氧化鈣-玻璃進行氧化均可制氰,以NO2為例:
2HCN+NO2=(CN)2+NO+H2O
用可溶性銅鹽在水溶液中氧化氰化物也可獲得氰。
Cu2++2CN-=CuCN+1/2(CN)2
通過下面的反應可獲得干燥的氰。
Hg(CN)2+HgCl2=Hg2Cl2+(CN)2
氰主要用于化學中間體和薰蒸劑。
1.8.2 氯化氰
氯化氰為無色具有刺激性的劇毒氣體或液體,分子式CNCl或ClCN,分子量61.47,英文名稱Cyanogen Chloride或Chlorocyan,密度1.186,熔點-6.5℃,沸點12.5℃,蒸汽壓1000mmHg,蒸汽比重2.0,易溶于水、醇和乙醚。但在乙醇中易分解,遇水緩慢水解生成氰酸和鹽還可能,聚合較難,而一般產品較易聚合,生成三聚氯氰[Cyanuric Chloride]。
一 氯化氰的聚合反應
3CNCl=(CNCl)3
二 氯化氰的水解
氯化氰遇水緩慢水解生成氰酸和鹽酸,并進一步水解為銨和二氧化碳。
CNCl+H2O=HCNO+HCl
HCNO+H2O=NH3+CO2
三 氯化氰與氧化劑的反應
2CNCl+3Cl2+4OH-=2CO2+N2+6Cl-+4H+
四 氯化氰與堿溶液的反應
CNCl+NaOH=HCNO+NaCl
HCNO+2H2O=NH4++HCO3-
五 氯化氰的制取
在氰化物溶液中通入氯氣,即可產生氯化氰氣體。
NaCN+Cl2 CNCl+NaCl
-5℃-10℃
產生的氣體經干燥,冷凝得到成品。
氯化氰與硫化鈉反應,生成硫氰化鈉。
CNCl+Na2S=NaSCN+NaCl
1.9 有機腈簡介
腈可以看作是氰化氫分子〔HCN〕中氫原子被烴基〔R-〕取代而生成的化合物,它的通式為RCN。腈的種類也很多。常見的腈有乙腈、丙腈、丙烯腈、乙二腈等,工業上常用的是脂肪族腈。
1.9.1 有機氰的通性
低級腈為無色液體,高級腈為固體,乙腈能與水混溶,隨著腈的分子量的增加,其在水中的溶解度迅速降低,丁腈以上難溶于水。純粹的腈沒有毒性,但通常腈中都含有少量異腈,而異腈是有很大毒性的物質。由于腈分子偶極距大,故其極性大,分子間的吸引力大,結果沸點比分子量相近的烴、醚、醛、酮和胺都高,正因為極性大,乙腈等低分子腈易溶于水,并能溶解許多鹽類,因此乙腈是很好的溶劑。幾種重要的腈的物理常數見表1-11。
表1-11 重要腈的物理常數
化合物名稱 結構式 沸點(℃) 比重d204 水中溶解度(g/100)
乙腈 CH3CN 81.6 0.782 ∞
丙腈 CH3CH2CN 97.1 0.7720 尚溶
丙烯腈 CH2=CHCN 77.3 0.8060 7.4(25℃)
已二腈 NC(CH2)4CN 295.181(20mmHg) 0.962 6
癸二腈 NC(CH2)8CN 199~200(15mmHg) -- 不溶
腈分子中含有碳氮三鍵,可以發生各種加成反應,可以發生水解、醇解和加氫等反應,如在酸或堿的催化下,腈水解生成羧酸,在酸催化下,產生游離羧酸和銨鹽,在堿催化下,生成氨和羧酸鹽。
RC≡N+H2 [R-C-NH] R-C=NH3 R-C=O+NH3
| || |
OH O OH
腈水解也是制造羧酸的重要方法。
R-X+KCN=RCN
RCN+H2O+OH-=RCOOH+NH3
腈的醇溶液和濃硫酸或鹽酸一起加熱,則醇解生成酯。
RCN+R'OH+H2O=RCOOR'+NH3
異氰又稱胩,通式RNC,是腈的異構體。在腈分子中,碳原子和烴基相連,而異腈分子中,氰基中的氮原子和烴相連,異腈基中的碳原子象是二價的,但現在研究證明,異腈具有下列結構:
?
?
R N C
?
× ×× ·
R N×·C 或
· ×· ·
?
在構成異氰基的三對共用電子中,有一對電子是由氮原子單獨提供的,形成了一個配價鍵。異腈是具有惡臭和劇毒的無色液體,化學性質與腈有顯著不同。異腈對堿相當穩定,但容易被稀酸水解,生成伯胺和甲酸。
2RNC+2H2O+2H+=2RNH2+HCOOH
這個反應也證明了異腈基中的氮原子是直接和烴基中的碳原子相連的。異腈加熱時異構化成相應的腈。
250~300℃
RNC RCN
由于正腈中常含有異腈,所以除少數外,大部分腈有毒。
各類腈類主要用于有機合成,制造化學纖維、橡膠、有機玻璃,也可作溶劑。
1.9.2 乙腈
乙腈又叫氰基甲烷、甲基氰,為無色透明液體,有類似乙醚的氣味,分子式C2H8N,結構式CH8CN,英文名稱Acetonitrile或Ethanenitrile或Cyanomethane、Methyl Cyanide。分子量41.05。
乙腈的熔點-45.72℃,沸點81.6℃,相對密度0.7857,一級易燃品,燃點524℃,閃點8℃,爆炸范圍4.4~16%(體積),能與水、乙醇、乙醚、丙酮、苯、四氯化碳、甲醇、三氯甲烷及許多飽和烴類混溶。20℃時蒸氣壓73mmHg,38℃時蒸氣比重1.1。
乙腈受熱易分解,生成氰化物,在水溶液中,易水解生成氨和羧酸,其醇溶液在酸或堿催化下可生成酯,與羥胺作用可生成胺肟。
可用下邊方法制取乙腈。
CH3CONH2=CHCN+H2O
P2O5
乙腈用于有機合成、色譜分析藥劑、有機溶劑。也有人研究用其做浸金藥劑。
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