Хлорат калия

Хлорат калия (бертолетова соль, калийная соль хлорноватой кислоты) — неорганическое соединение, соль калия и хлорноватой кислоты с химической формулой KClO₃. Представляет собой белое кристаллическое вещество, растворимое в воде, сильный окислитель. Широко известен благодаря применению в пиротехнике, спичечном производстве и в качестве лабораторного реагента. Название «бертолетова соль» получил в честь французского химика Клода Луи Бертолле, впервые синтезировавшего соединение в 1786 году.

История

Впервые хлорат калия был получен в 1786 году французским химиком Клодом Луи Бертолле (1748–1822). Бертолле пропускал газообразный хлор через горячий раствор гидроксида калия, в результате чего образовывалась смесь хлорида и хлората калия. Открытие нового соединения, обладающего сильными окислительными свойствами, привлекло внимание учёных и промышленников.

В 1788 году Бертолле предложил использовать хлорат калия для замены селитры в производстве пороха. Однако эксперименты показали, что такой порох чрезвычайно взрывоопасен и нестабилен — первая же партия, изготовленная на заводе в Эссоне, взорвалась во время испытаний, что привело к гибели нескольких человек. После этого инцидента от применения бертолетовой соли в военном деле отказались, но её начали использовать в пиротехнике для создания ярких вспышек и цветных огней.

В XIX веке хлорат калия стал ключевым компонентом в производстве спичек. В 1826 году английский химик Джон Уокер создал первые трениевые спички, в состав головки которых входила смесь хлората калия и сульфида сурьмы. Впоследствии бертолетова соль стала основным окислителем в спичечных головках, пока в середине XX века её не начали заменять более безопасными соединениями.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Хлорат калия представляет собой бесцветные или белые кристаллы с моноклинной решёткой. Кристаллы имеют горьковато-солёный вкус, негигроскопичны. Плотность соединения составляет 2,32 г/см³ при 20 °C. Температура плавления — 356 °C, при дальнейшем нагревании выше 400 °C начинается разложение с выделением кислорода.

Растворимость в воде:

• при 20 °C — 7,4 г на 100 г воды,
• при 100 °C — 56,5 г на 100 г воды.

Хлорат калия плохо растворим в этиловом спирте и ацетоне, нерастворим в эфире.

Химические свойства

Хлорат калия является сильным окислителем. При нагревании разлагается по двум основным механизмам:

1. Каталитическое разложение (в присутствии катализаторов, например, диоксида марганца MnO₂):

\[ 2KClO_3 \xrightarrow{MnO_2, \Delta} 2KCl + 3O_2 \uparrow \] Реакция протекает при температуре около 150–200 °C с выделением чистого кислорода.

1. Термическое разложение без катализатора (при 400–600 °C):

\[ 4KClO_3 \xrightarrow{\Delta} 3KClO_4 + KCl \] Сначала образуется перхлорат калия, который при дальнейшем нагревании разлагается до хлорида калия и кислорода.

При контакте с горючими веществами (сера, фосфор, уголь, сахар, металлические порошки) хлорат калия образует взрывоопасные смеси. Особенно чувствительны к трению и удару смеси с красным фосфором — именно это свойство используется в спичечных головках.

В кислой среде хлорат калия проявляет окислительные свойства, восстанавливаясь до хлорида: \[ KClO_3 + 6HCl \rightarrow KCl + 3Cl_2 \uparrow + 3H_2O \] Выделяющийся хлор окрашивает раствор в жёлто-зелёный цвет.

Получение

Лабораторный метод

В лабораторных условиях хлорат калия получают пропусканием хлора через горячий концентрированный раствор гидроксида калия (КОН): \[ 3Cl_2 + 6KOH \xrightarrow{70-80^\circ C} 5KCl + KClO_3 + 3H_2O \] Реакция протекает при температуре 70–80 °C. При охлаждении раствора хлорат калия выпадает в осадок из-за меньшей растворимости по сравнению с хлоридом калия.

Промышленный метод

В промышленности хлорат калия получают электролизом горячего раствора хлорида калия (KCl). При электролизе на аноде образуется хлор, который взаимодействует со щёлочью, образующейся на катоде, с образованием хлората. Процесс ведут при температуре 70–80 °C в электролизёрах без диафрагмы. После электролиза раствор упаривают, и хлорат калия кристаллизуется.

Применение

Производство спичек

Хлорат калия является основным окислителем в составе головок спичек. В смеси с серой, клеем и наполнителями он обеспечивает воспламенение при трении о тёрку, содержащую красный фосфор. В современных спичках содержание бертолетовой соли составляет 40–60 % от массы головки.

Пиротехника

В пиротехнических составах хлорат калия используется как окислитель для создания цветных огней и вспышек. В смеси с солями стронция даёт красный цвет, с солями бария — зелёный, с солями меди — синий. Однако в настоящее время хлорат калия в пиротехнике часто заменяют перхлоратом калия, который более стабилен и менее гигроскопичен.

Лабораторное использование

В химических лабораториях хлорат калия применяют для получения кислорода (в смеси с диоксидом марганца), а также как окислитель в аналитической химии и органическом синтезе. Используется в качестве компонента некоторых взрывчатых смесей для демонстрационных опытов.

Другие области

• В сельском хозяйстве — как дефолиант и регулятор роста растений (ограниченно, из-за токсичности).
• В медицине — ранее применялся как антисептик в виде растворов для полоскания горла (сейчас практически не используется из-за токсичности).
• В производстве бумаги — как отбеливатель (исторически, в настоящее время вытеснен другими реагентами).

Токсичность и безопасность

Хлорат калия токсичен при попадании внутрь организма. Летальная доза для человека составляет 5–10 граммов. Соединение вызывает раздражение слизистых оболочек, поражение почек и гемолиз эритроцитов. При контакте с кожей может вызывать раздражение.

Хлорат калия является сильным окислителем и пожароопасен. Смеси с горючими веществами (сера, фосфор, уголь, сахар, металлические порошки) взрывоопасны и чувствительны к трению, удару и нагреву. При хранении и транспортировке требуется соблюдение мер предосторожности: хранение отдельно от горючих веществ, в сухом прохладном месте, в герметичной таре.

В Российской Федерации хлорат калия относится к веществам, требующим особого контроля при обращении, и включён в перечень прекурсоров, оборот которых ограничен.

Интересные факты

• В XIX веке хлорат калия использовался в «кислородных свечах» для дыхания в подводных лодках и космических аппаратах, однако впоследствии был вытеснен более эффективными перхлоратами.
• В 1899 году немецкий химик Рудольф Вольфганг Феликс Хесс разработал метод получения хлората калия электролизом, который до сих пор используется в промышленности.
• Смесь хлората калия с сахаром является классическим примером самовоспламеняющейся смеси — при добавлении капли концентрированной серной кислоты происходит бурное воспламенение.

Источники

• Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. — М.: Химия, 1992.
• Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Неорганическая химия в реакциях. — М.: Дрофа, 2007.
• Химическая энциклопедия / Под ред. И. Л. Кнунянца. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1.
• Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. — 2nd ed. — Butterworth-Heinemann, 1997.
• Patnaik P. Handbook of Inorganic Chemicals. — McGraw-Hill, 2003.