Цель и задачи работы.
Целью работы было изучить и сравнить качественный состав монетных сплавов используемых в Западной Европе и в России в разное время (в интервале с 1987 по 2003 год).
При выполнении работы необходимо было решить следующие задачи:
1. Подобрать и ознакомиться с литературой по теме работы.
2. Научиться планировать химические эксперименты.
3. Освоить методы растворения металлических сплавов.
4. Освоить методы определения наиболее распространенных металлов.
5. Определить качественный состав монет: 2 евроцента (Евросоюз), 1 копейка (Россия), 20 крон (ЧССР) и 50 рублей (Россия).
6. Оценить наличие временных и страновых различий в составе монетных сплавов.
7. Продемонстрировать принципиальную возможность определения состава монетных сплавов методами качественного анализа в условиях школьной лаборатории.
Методы, использовавшиеся для качественного определения состава монет.
Для анализа использовали 4 монеты – 1 копейка России 2003 года, 50 рублей России 1993 года, 20 крон ЧССР 1987 года и 2 евроцента 2001 года.
1. Определение цвета и плотности монетных сплавов.
Цвет монет определяли визуально.
Плотность сплава определяли по формуле:
r = M/V, где М – масса монеты; V – объем монеты.
Массу определяли путем взвешивания монет на аналитических весах, объем находили по формуле:
V = πhd2 /4, предварительно измерив с помощью штангельциркуля диаметр монеты – d и ее толщину – h. Плотность выражали в г/см3.
2. Растворение монет.
Монеты растворяли под тягой в соляной для определения Fe2+, Fe3+, Pb2+, Sn2+, Ni2+, Mn2+ и Al3+,а после в азотной кислоте для определения Cu2+. Некоторые монеты нагревали, для ускорения растворения.
3. Качественное определение состава монетных сплавов.
Определение качественного состава сплавов проводили дробным методом, используя капельные реакции. Для обозначения тестируемого раствора использовали букву "X" латинского алфавита.
3.1. Fe 2+ определяли по реакции с феррицианидом калия (красной кровяной солью). Приналичие железа Fe 2+ образуется синий осадок турбуленовой сини:
3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2¯
тогда X + HCl + 3 K3[Fe(CN)6] →
Fe 3+ определяли по реакции с ферроцианидом калия (желтой кровяной солью). При наличии железа Fe 3+ образуется темно - синий осадок берлинской лазури:
4Fe3+ + 3[Fe(CN)6]4- = Fe4[Fe(CN)6]3¯
тогда X + HCl + K4[Fe(CN)6] →
Al3+ определяли по реакции с ализарином красным. Ализарин образует с ионами Al3+ комплексную красную соль, нерастворимую в уксусной кислоте:
С14O4H20 + Al3+ → Ярко – красный "алюминиевый лак"
Первоначально доводят pH пробы до щелочного значения с помощью NaOH, контролируя pH по индикаторной полоске. При выпадении осадка смесь центрифугируют и осадок отбрасывают. К центрифугату прибавляют 2 – 3 капли 0,2% раствора ализарина. Наблюдают развитие фиолетовой окраски. Затем к раствору добавляют по каплям 2 н. раствор уксусной кислоты до кислого рН. Если в растворе присутствует Al3+ , то выпадет осадок ярко – красного цвета.
Mn2+ определяли по реакции с едким натром и перекисью водорода, наблюдая за образованием темно – бурого осадка:
Mn2+ + H2O2 + OH1- = MnO(OH)2¯ + H2O
Ni 2+ определяли в реакции с диметилглиоксимом (реактив Чугаева). Реакцию проводили при рН 5 – 10. Реакции мешают ионы железа, поэтому в опытный раствор вносили несколько капель NaF.Также реакции мешают ионы меди, и для их "нейтрализации" к раствору добавили 2 капли K3[Fe(CN)6]. После этого pH среды довели до 8, что соответствует слабощелочному раствору. К полученному веществу добавили несколько капель 1%-ого раствора диметилглиоксима. И если в растворе X присутствовал никель, то выпадал сиренево-розовый осадок.
2C4N2O2H8 + Ni(OH)2 = Ni [C4N2O2H7]2↓ + 2H2O
Mg2+ определяли по реакции с моногидрофосфатом натрия Na2HPO4. К 1-3 каплям X добавляли 1-3 капли NH3 и HCl. К полученному раствору добавили 3-5 капель Na2HPO4. После тщательного перемешивания (в присутствии Mg2+), должен был получиться белый – кристаллический осадок.
Pb2+ и Pb4+ определяли по реакции с хроматом калия. К 1-3 каплям X добавляли 1-3 капли хромата калия. В присутствии свинца получается осадок PbCrO4.
Sn2+ и Sn4+ определяли по реакции с цинком. В 3-5 капли X опускали гранулу цинка, и в присутствии олова выпадал осадок олова, восстановившегося до металла.
Cu2+ определяли, добавляя к опытной пробе концентрированный раствор NH4OH и наблюдая за появлением интенсивно синей окраски вследствие образования иона [Cu(NH3)4]2+:
2Cu2+ + 2NH4OH = (CuOH)22+ + 2NH4+
(CuOH)22+ + 8NH4OH = 2[Cu(NH304]2+ + 2 OH1- + 8H2O
1. Цвет монет определяли визуально, плотность монет определяли расчетным путем, используя данные определения массы, диаметра и толщины монет. Полученные данные представлены в таблице 1.
Таблица 1. Определение плотности монетных сплавов.
| Монеты | окраска | масса, (грамм) | диаметр d, (см) | толщина h, (см) | объем V, (см 3) | плотность P, (г/см3) |
| 1 копейка | бело- серебристая | 1,5 | 1,56 | 0,12 | 0,229 | 6,55 |
| 50 рублей | бронзово- желтая | 5,66 | 2,51 | 0,18 | 0.89 | 6,36 |
| 2 евроцента | золотисто-кровавая | 3,22 | 1,88 | 0,167 | 0.463 | 6,955 |
| 20 крон | темно-желтая | 2,5 | 1,95 | 0,13 | 0.388 | 6,443 |
Определенная плотность различных монетных сплавов имеет сходные значения. В соответствии с литературными данными обычно такую плотность имеют сплавы на основе железа и меди. Сплавы на основе алюминия и магния имеют плотность 1,8 – 2,7 г/см3, а сплавы на основе свинца – 8.5 – 11,5 г/см3.
Таким образом, с учетом литературных данных, исходя из плотности сплавов и их цвета, можно было предположить, что в монетах содержатся следующие основные металлы: Fe, Cu, Ni, Mn, Al, Pb, Sn, Mg.
Следовательно, в дальнейшем с использованием качественных реакций было проанализировано наличие вышеуказанных металлов в монетах.
2. Первоначально монеты переводили из твердого состояния в жидкое, используя соляную или азотную кислоту. В Таблице 2 приведены данные о растворимости монет.
Таблица 2. Растворимость монет в соляной и азотной кислотах.
| Монеты | HCl | HNO3 |
| 1 копейка | растворялась | растворялась |
| 50 рублей | не растворялась | растворялась |
| 2 евроцента | растворялась (частично) | растворялась |
| 20 крон | растворялась (частично) | растворялась |
Исходя из данных, приведённых в таблицах 1 и 2, можно предположить, что основным компонентом монеты "50 рублей" является медь, а монет "1 копейка", "2 евроцента" и "20 крон" - железо.
3.После получения растворов проводили определение отдельных металлов в растворе в соответствии с реакциями, описанными в разделе "Методы". Полученные сводные данные представлены в Таблице 3.
Таблица 3. Определение состава монетных сплавов.
| Определяемые катионы металлов | Монеты | |||
| 1 копейка | 50 рублей | 2 евроцента | 20 крон | |
| Fe2+ | + | + | - | - |
| Fe3+ | + | + | + | + |
| Al3+ | - | - | - | - |
| Ni2+ | + | + | + | + |
| Cu2+ | - | + | + | + |
| Mn2+ | - | + | - | - |
| Pb2+, Pb4+ | - | - | - | - |
| Sn2+, Sn4+ | - | + | - | - |
Нам не удалось определить наличие в монетах магния из-за того, что используемая нами для его определения реакция не шла даже с контролями. По-видимому, эта реакция является очень "капризной" и требует более тщательного подбора реакций. Тем не менее, исходя из литературных источников, магний может присутствовать в данных монетах.
Из результатов полученных в данной работе для "2 евроцентов" и "20 крон" следует, что качественный состав монет Западной Европы не изменился. Однако, при сравнение цвета этих монет можно предположить, что изменился их количественный состав. Так как "2 евроцента" гораздо темнее, то, вероятно, что в этой монете больше содержание железа, чем в "20 кронах".
Полученные нами данные показывают, что качественный состав монет в России очень сильно изменился за последние 10 лет: количество компонентов стало меньше, ряд цветных металлов исчез из состава сплавов. Соответственно выпуск таких монет стал дешевле.