Khối lượng phân tử: 122,55; tinh thể không màu thuộc hệ đơn tà;
Tỷ trọng: 2,33; Điểm nóng chảy: 368°C; phân hủy ở 400°C trở lên và giải phóng oxy. Phản ứng diễn ra như sau:
2 KClO₃ → 2 KCl + 3 O₂ + 21,3 kcal
Phản ứng diễn ra mãnh liệt trên 500°C. Tiến sĩ Osada suy luận từ các thí nghiệm của mình rằng KCl được tạo thành trướ tiên và chất này làm tăng tốc độ phân hủy. Người ta cho rằng phản ứng tạo khí clo sau đây xảy ra trên 600°C:
2 KClO₃ → K₂O + Cl₂ + O₂ + 100,6 kcal
Điều này được suy đoán từ sự xuất hiện của vạch SrCl trong quang phổ của ngọn lửa đỏ, nhưng trên thực tế không ngửi thấy mùi khí clo.
Kali clorat ít tan trong nước hơn kali nitrat; cụ thể: 3,3 g ở 0°C; 7,3 g ở 20°C; 37,6 g ở 80°C; và 56,3 g ở 100°C trong 100 g nước. Dung dịch nước gần như trung tính; pH = 6,8 (24°C) được đo từ một mẫu thương mại. Nó hút ẩm nhiều hơn kali nitrat; đo được 0,07% độ ẩm sau khi để ở độ ẩm tương đối 80% và nhiệt độ trung bình 10°C trong 50 ngày. 0,83 g kali clorat tan trong 100 g rượu. Nó cũng tan trong dung dịch kiềm.
Bột kali clorat nghiền từ tinh thể dễ vón cục hơn kali nitrat. Tuy nhiên hiện nay có loại bột rất mịn được sản xuất bằng cách dùng chất hoạt động bề mặt như với kali nitrat. Loại này không vón cục và rất tiện dụng, nhưng trong ngành diêm và các ngành sử dụng clorat ở dạng dung dịch thì loại thứ nhất vẫn được ưa chuộng hơn.
Kali clorat là chất oxy hóa mạnh ở nhiệt độ cao. Khi kết hợp với chất cháy như shellac, nhựa thông…, nó cháy tạo ngọn lửa nhiệt độ cao và khói trắng gồm các hạt KCl. Tỷ lệ chất cháy/oxy hóa (F/O) thường là 2:10 để đạt nhiệt độ ngọn lửa cao nhất. Trong trường hợp này không ngửi thấy clo hay khí hydro clorua. 1 gam kali clorat tạo ra 0,392 gam oxy – tương đương với kali nitrat.
Kali clorat đơn chất có thể nổ khi chịu va đập mạnh nhưng không nổ khi kích nổ bằng kíp nổ số 6.
Trong hỗn hợp, kali clorat tạo ngọn lửa nhiệt độ cao đủ kích thích phân tử phát ra ánh sáng màu. Hơn nữa, nó chứa nguyên tử clo giúp tăng độ đậm của màu ngọn lửa; ví dụ có thể tạo các phân tử tạo màu như SrCl, CuCl, BaCl trong ngọn lửa.
Kali clorat trở nên rất nhạy khi tiếp xúc với photpho đỏ và rất dễ bốc cháy do ma sát – tính chất này được ứng dụng trong sản xuất diêm. Khi trộn với lưu huỳnh hoặc các hợp chất lưu huỳnh như hùng hoàng (As₄S₄), antimon trisunfua…, độ nhạy với va đập và ma sát tăng cao. Theo cố giáo sư S. Yamamoto (Đại học Tokyo), khi hỗn hợp kali clorat và hùng hoàng được ép thành viên nhỏ rồi để trên bàn, một lúc sau viên tự bốc cháy và cháy hết. Lặp lại nhiều lần cho kết quả tương tự. Ông kết luận nguyên nhân là do ma sát nội sinh khi ứng suất do ép được giải phóng.
Kali clorat phản ứng với axit sunphuric tạo clo dioxit (ClO₂) là khí vàng nặng (nặng khoảng 2,3 lần không khí; điểm nóng chảy 10°C) và bị ánh sáng mặt trời phân hủy nổ thành clo và oxy, đồng thời có thể làm bốc cháy vật liệu dễ cháy tiếp xúc với nó. Vì vậy, khi nhỏ một giọt axit sunphuric đặc ≥60% vào hỗn hợp kali clorat và đường, hỗn hợp bốc cháy tức thì.
Theo Tiến sĩ Osada, kali clorat phản ứng với axit clohydric tạo ClO₂ và Cl₂; trong đó Cl₂ làm giảm xu hướng nổ của ClO₂, nhưng trường hợp này vẫn nguy hiểm như với axit sunphuric. Kali clorat không phản ứng với axit nitric, nhưng nếu có lẫn KCl thì sẽ xảy ra phản ứng mạnh tạo ClO₂. Do đó hàm lượng KCl tạp chất rất quan trọng. Với axit photphoric, phản ứng kém dữ dội hơn nhưng vẫn sinh ClO₂. Vì vậy photpho đỏ dùng cho pháo nổ đồ chơi phải được tinh chế kỹ khỏi axit photphoric.
Trong một mẫu thương mại, Tiến sĩ Osada phát hiện 0,0002% kali clorit (KClO₂) và 0,016% kali clorua; các tạp chất này tăng dần khi tiếp xúc ánh sáng mặt trời: trong tháng 12, clorit tăng lên 0,002%; dưới tia cực tím 500 giờ, clorua tăng lên 0,16%. Kali clorit có thể cháy hoặc nổ khi tiếp xúc với lưu huỳnh hoặc sunfua. Vì vậy clorit có thể thúc đẩy phân hủy KClO₃ khi đun nóng. Tuy lượng này quá nhỏ để gây nổ tự phát, nhưng tia cực tím không cải thiện chất lượng kali clorat.
Kali clorat phản ứng với amoni peclorat và các muối amoni khác ở trạng thái ướt hoặc trong dung dịch tạo amoni clorat, kết tinh không màu và phân hủy dần ngay cả dưới 100°C. Giáo sư Yamamoto lưu ý rằng một số loại nhựa đường chứa amoniac, nên không dùng các loại này trong pháo hoa. Do đó nhựa đường hoặc hắc ín không được khuyến nghị khi kết hợp với kali clorat.
Kali clorat bắt đầu phân hủy khoảng 70°C dưới tác dụng xúc tác của oxit kim loại; MnO₂, oxit đồng… tạo oxy; phản ứng tăng mạnh trên 100°C. FeCl₃, CuCl₂, Cr₂O₃ và K₂Cr₂O₇ cũng thúc đẩy phản ứng.
Kali clorat được nhà hóa học Pháp Berthollet phát hiện năm 1786. Ông từng thử thay kali nitrat trong thuốc đen bằng kali clorat và trộn bằng cối xay nước; một vụ nổ xảy ra gây chết người. Sau đó kali clorat trở thành vật liệu quan trọng trong sản xuất diêm. Năm 1827, John Walker phát minh diêm ma sát chứa kali clorat và antimon sunfua, đánh lửa bằng giấy tẩm bột thủy tinh. Sau khi photpho đỏ được phát hiện năm 1844, Pasch (Thụy Điển) và Böttger (Đức) phát triển phương pháp đánh lửa mới. Kali clorat tới Nhật Bản khoảng năm Minh Trị thứ 10 (1877) cùng với diêm. Khi dùng trong pháo hoa, nó giúp tạo ngọn lửa nhiệt độ cao cho màu sắc rực rỡ mang tính đột phá, nhưng cũng gây nhiều tai nạn nổ đáng tiếc.
Lý tưởng nhất là loại bỏ kali clorat khỏi pháo hoa, nhưng điều này khó thực hiện vì chưa có chất oxy hóa nào vượt trội về tốc độ cháy, độ dễ mồi lửa và khả năng tạo tiếng nổ với lượng nhỏ. Đầu diêm không thể sản xuất nếu thiếu nó; nó cũng cần thiết cho một số loại khói màu, pháo tép nhỏ và kíp nổ đồ chơi. Tuy nhiên, các sản phẩm này dễ gây nổ, vì vậy phải xử lý các hỗn hợp chứa kali clorat với thận trọng tối đa.
Sản xuất
Hiện nay kali clorat được sản xuất theo ba phương pháp:
(a) Điện phân kali clorua. Dung dịch KCl trong nước có thêm một lượng nhỏ kali bicromat được giữ pH 6,5–6,8 bằng axit clohydric; điện phân với anot graphit và catot thép, rồi làm nguội. KClO₃ kết tinh khỏi dung dịch điện phân. Phản ứng điện phân phức tạp, nhưng tóm lại: từ 1 phân tử KCl và 3 phân tử H₂O tạo ra 1 phân tử KClO₃ và 3 phân tử H₂. Kali bicromat bảo vệ sản phẩm trung gian khỏi bị khử để tạo ion ClO₃⁻.
(b) Phương pháp sữa vôi. Vôi sống hoặc vôi tôi thêm vào nước tạo huyền phù, tuần hoàn trong tháp clo hóa để hấp thụ khí clo. Khi nhiệt độ tăng 60–70°C xảy ra phản ứng tạo canxi clorat:
3Ca(OH)₂ + 3Cl₂ → Ca(ClO₃)₂ + CaCl₂ + 3H₂O
Một lượng nhỏ canxi hypoclorit sinh ra nhưng bị phân hủy bằng natri sunfua. Sau khi loại chất không tan, dung dịch được đun đến 80°C, thêm KCl dư 10%, xảy ra phản ứng trao đổi kép:
Ca(ClO₃)₂ + 2KCl → 2KClO₃ + CaCl₂
Làm nguội đến 20°C thu khoảng 90% KClO₃ dạng tinh thể; sau đó kết tinh lại, sấy bằng khí nóng hoặc sấy chân không và nghiền bột.
(c) Điện phân natri clorua. Điện phân NaCl tạo natri clorat (NaClO₃), sau đó thêm KCl:
NaClO₃ + KCl → KClO₃ + NaCl
NaCl sinh ra được thu hồi tái sử dụng. Sau giai đoạn đầu chuẩn bị dung dịch, hầu như không cần bổ sung NaCl, chỉ cần KCl. Điều kiện điện phân tương tự (anot graphit, catot thép, thêm kali bicromat), pH 6,5–6,8; điện áp 3,1–3,5 V; nhiệt độ 40–50°C. Khi thêm KCl, KClO₃ kết tinh; sau đó kết tinh lại, sấy, nghiền và rây theo yêu cầu. Phương pháp này có thêm một bước trao đổi kép so với (a) nhưng tiêu tốn điện năng ít hơn.
Đóng gói và thể tích lưu trữ: Thùng gỗ hoặc carton; 1,3 m³ cho 1000 kg.
Chất lượng: Một mẫu thương mại cho thấy chứa 0,01% độ ẩm và 0,10% KCl. Có hai loại: tinh thể nghiền qua rây 150 mesh và bột mịn xử lý chất hoạt động bề mặt qua rây 200 mesh; loại sau ít vón cục hơn.