BUD_ćwiczenie nr 4
Transkrypt
BUD_ćwiczenie nr 4
Ćwiczenie nr 4 Analiza kationów i anionów Część teoretyczna Chemiczna analiza jakościowa zajmują się badaniem składu związków chemicznych i ich mieszanin. Wykorzystuje się w niej róŜna metody badań: chemiczne, fizykochemiczne i fizyczne. Zajmuje ona waŜne miejsce wśród innych dyscyplin chemicznych ze względu na jej znaczenie dla badań naukowych i przemysłu. Szczególnie waŜną rolę spełnia w rozwoju takich nauk jak medycyna, biologia, biochemia, geologia, geochemia i mineralogia. Do celów analizy jakościowej przydatne są tylko te reakcje, które przeprowadzają badaną substancję w związek chemiczny odznaczający się charakterystycznymi właściwościami pozwalającymi na jej identyfikację. Z tego względu w analizie jakościowej wykorzystuje się: - powstawania charakterystycznych, zabarwionych substancji pod działaniem odpowiednich odczynników, - wytrącanie się osadów lub wydzielanie się gazów, - powstawanie kryształów charakterystycznych dla badanej substancji, - powstawanie charakterystycznego zabarwienia płomienia po wprowadzeniu badanej substancji do płomienia nieświecącego. Reakcje stosowane w analizie jakościowej powinny być: - czułe, tzn. pozwalające na identyfikację małych ilości substancji w duŜym rozcieńczeniu, - charakterystyczne tylko dla określanego jonu, niezaleŜnie od obecności w roztworze innych jonów. Odczynniki i reakcje pozwalające na wykrycie określonego jonu w obecności innych jonów nazywają się charakterystycznymi. Korzystne byłoby, aby analityk dysponował reakcjami charakterystycznymi dla poszczególnych jonów, pozwalającymi na wykrycie określonego jonu w mieszaninie, bez konieczności jej rozdzielania. Reakcje charakterystyczne moŜna przeprowadzić metodą probówkową, kroplową lub mikrokrystaliczną. Próbkę badanego roztworu umieszcza się w probówce, dodaje pewną ilość odczynnika i obserwuje wynik reakcji: zmianę zabarwienia roztworu, wytrącenia osadu itp. JeŜeli osad jest krystaliczny, to obserwacja kryształów pod mikroskopem moŜe pomóc w identyfikacji związku. W metodzie kroplowej wykorzystuje się te reakcje, którym towarzyszy zmiana barwy roztworu lub wytrącanie się barwnego osadu na bibule filtracyjnej 1 lub płytkach porcelanowych. O obecności w badanym roztworze tego lub innego jonu wnioskuje się na podstawie zabarwienia oddzielnych pierścieni na bibule lub charakterystycznego zabarwienia roztworu, bądź osadu na płytce. Przeprowadzając systematyczną analizę kationów oddziela się od siebie grupy jonów podobnie reagujące z pewnymi odczynnikami, zwanymi odczynnikami grupowymi. Na przykład jony Ag+, Pb 2+ i Hg22+ tworzą z kwasem solnym (jonami chlorkowymi) trudno rozpuszczalne w wodzie białe osady chlorków: AgCl, PbCl2, Hg2Cl2 w odróŜnieniu od innych kationów, których chlorki rozpuszczają się w wodzie. Po oddzielaniu osadu i nasyceniu zakwaszonego roztworu pozostałych kationów siarkowodorem H2S wytrąca się osad trudno rozpuszczalnych siarczków następujących kationów: rtęci Hg2+ , miedzi Cu2+ , bizmutu Bi3+, kadmu Cd2+, arsenu As3+ i As5+, antymonu Sb3+ i Sb5+, cyny Sn2+ i Sn4+ oraz pozostałej części kationów ołowiu Pb2+. Pierwiastki te stanowią II grupę analityczną, a ze względu na odczynnik grupowy nazywa się ją grupą siarkowodoru. Po odsączeniu siarczków kationów II grupy do zobojętnionego przesączu dodaje się siarczku amonowego (NH4)2S i strąca się siarczki takich kationów jak niklu Ni2+, kobaltu Co2+, Ŝelaza Fe 2+ i Fe3+, manganu Mn2+, cynku Zn2+ oraz wodorotlenki glinu Al3+ i chromu Cr3+, stanowiące III grupę analityczną. Po odsączeniu osadu tych siarczków i wodorotlenków w przesączu pozostają kationy: wapnia Ca2+, strontu Sr2+ i baru Ba2+ stanowiąca IV grupę analityczną, które strącają się w postaci węglanów pod działaniem węglanu amonowego (NH4)2CO3,. Ostatnią grupę stanowią kationy: sodu Na+, potasu K+, magnezu Mg2+ oraz NH4+, które nie mają odczynnika grupowego. Po dokonaniu podziału kationów na grupy przeprowadza się równieŜ za pomocą kolejnych strąceń rozdzielania kaŜdej grupy na podgrupy, a następnie wyodrębnianie i oznaczanie analityczne poszczególnych kationów. Reakcja zobojętnienia Rozpatrzmy je na przykładzie reakcji wodorotlenku sodowego z wodnym roztworem chlorowodoru. Obydwa są mocnymi elektrolitami i w wodnym roztworze występują w postaci jonów. Reakcję tę przedstawiamy za pomocą równania Na+ + OH- + H+ + Cl- Na+ + Cl- + H2O Po skreśleniu jonów występujących po obydwu stronach równania reakcji, pozostaje 2 OH- + H+ H2O Omawiana reakcja polega zatem na łączeniu się jonów wodorowych H+ z jonami hydroksylowymi OH- na niezdysocjowane cząsteczki wody, które wykazują odczyn obojętny, stąd reakcja nosi nazwę reakcji zobojętnienia. Drugim produktem reakcji jest sól. W reakcjach zobojętnienia rolę kwasu spełniać mogą równieŜ tlenki niemetali, które są bezwodnikami kwasowymi, natomiast rolę zasad - tlenki metali, które są bezwodnikami zasadowymi. Następujące reakcje zalicza się takŜe do reakcji zobojętnienia kwas + tlenek metalu sól + woda 2 HCl + Na2O 2 NaCl + H2O oraz zasada + tlenek niemetalu sól + woda 2 NaOH + CO2 Na2CO3 + H2O Amfoteryczność Podczas dodawania do roztworu zawierajęcego jony cynku Zn2+ po kropli roztworu wodorotlenku sodowego obserwuje się wytrącanie się białego osadu wodorotlenku cynkowego Zn(OH)2. W wyniku dalszego dodawania roztworu NaOH osad ten rozpuszcza się wskutek powstawania cynkanu sodowego Zn(OH)2 + 2 NaOH Na2ZnO2 + 2 H2O Reakcje takie dają niektóre pierwiastki grup III i IV, których wodorotlenki mogą odłączać zarówno jony wodorotlenowe (reagując zatem jak zasady), jak i jony wodorowe (reagując jak kwasy), np. Sn(OH)2, Ąl(OH)3, Pb(OH)2. Wodorotlenki takie nazywa się amfoterami a zjawisko - amfoterycznością. W amfoterech ustalają się następujące równowagi 2 H+ + ZnO22- I Zn(OH)2 II Zn2+ + 2 OHRównanie to pozwala zrozumieć zdolność amfoterów do reakcji zarówno z kwasami jak i zasadami. Działając zasadą (czyli jonami OH-) powoduje się wiązanie jonów H+ i przesuwanie równowagi I w kierunku powstawania jonów ZnO22OH- + H - O – Zn – O – H + OH- ZnO22- + 2 H2O 3 Podczas działania kwasem (jonami H+) następuje wiązanie jonów OH- i przesuwanie równowagi II w kierunku uwalniania jonów Zn2+ H+ + H - O – Zn – O – H + H+ Zn2+ + 2 H2O W roztworach kwaśnych jony cynku występują w postaci kationów Zn2+, a w zasadowych w postaci anionów ZnO22-. Hydroliza soli Większość roztworów wodnych wykazuje właściwości mocnych elektrolitów, tzn. są całkowicie zdysocjowane na jony. Równocześnie roztwory duŜej części soli wykazują odczyn kwaśny lub zasadowy. Kwaśny odczyn wykazują roztwory soli powstałych z mocnych kwasów i słabych zasad, odczyn zasadowy – roztwory soli mocnych zasad i słabych kwasów. Odczyn słabo zasadowy lub słabo kwaśny – roztwory soli słabych kwasów i zasad. Zjawisko to nazywamy reakcją hydrolizy. Hydroliza jest reakcją odwracalną i odwrotną do reakcji zobojętnienia. CH3COONa + H2O CH3COOH + NaOH W prawo przebiega reakcja hydrolizy, a w lewo reakcja zobojętnienia. Hydroliza soli mocnych kwasów i słabych zasad Przykładem tej grupy soli moŜe być chlorek (I) amonu – NH4Cl NH4Cl + H2O NH4OH + HCl Chlorek amonu ulega całkowitej dysocjacji, gdyŜ jest mocnym elektrolitem. Uwalniające się podczas dysocjacji jony amonowe łączą się z jonami wodorotlenowymi, pochodzącymi z autodysocjacji wody. NH4+ + Cl- + H+ + OH- NH4OH + H+ +ClPowstanie słabego elektrolitu NH4OH przesuwa stan równowagi dysocjacji wody w prawo, w wyniku suwania produktu reakcji. Powoduje to dysocjację dalszych cząsteczek wody i łączenie się jonów amonowych (NH4+) z jonami OH-. Uwalniane jony wodorowe (H+) nie wchodzą w reakcję z jonami chlorkowymi, poniewaŜ HCl jest mocnym elektrolitem. Nagromadzone w nadmiarze jony wodorowe powodują jego kwaśny odczyn. Właściwą reakcję przebiegającą w roztworze jest: NH4+ + H2O NH4OH + H+ 4 Hydroliza soli słabych kwasów i mocnych zasad Hydrolizę tę przedstawia równanie: NaNO2 + H2O HNO2 + NaOH a jonowo Na+ + NO2- + H+ + OH- HNO2 + Na+ + OHJony Na+ i OH- nie łączą się ze sobą, poniewaŜ NaOH jest mocnym elektrolitem. Reakcja łączenia się jonów azotanowych (III) z jonami wodorowymi z powstaniem kwasu azotowego (III) powoduje usuwanie jonów H+ z roztworu. Wywołuje to dysocjację cząsteczek wody, a jony wodorowe łączą się z jonami NO2-. Jony wodorotlenowe wywołują zasadowy odczyn roztworu. Reakcję hydrolizy moŜna zapisać: NO2- + H2O HNO2 + OHHydroliza soli słabych zasad i słabych kwasów W tym przypadku zarówno kation i anion soli reaguje z jonami powstałymi na skutek dysocjacji wody NH4+ + H2O NH4OH + H+ CH3COO- + H2O CH3COOH + OHsumując: NH4+ + CH3COO- + H2O CH3COOH + NH4OH Odczyn roztworu tego typu soli zaleŜy od względnej mocy kwasu i zasady. JeŜeli zasada jest słabsza od kwasu, to stęŜenie jonów H+ jest nieco większa od stęŜenia jonów OH-, a odczyn – słabo kwaśny. W przypadku odwrotnym – odczyn jest słabo kwaśny. Gdy kwas i zasada są tej samej mocy np. octan amonu, to wówczas odczyn jest obojętny. Reakcja utlenienia - redukcji Reakcje chemiczne związane z przeniesieniem elektronów od jednego atomu do drugiego, a zatem ze zmianą ich stopni utlenienia noszą nazwę reakcji utleniania - redukcji (redoks). Stopniem utlenienia pierwiastka wchodzącego w skład określonego związku nazywa się liczbę dodatnich lub ujemnych ładunków elementarnych, jakie naleŜałoby przypisać atomom tego pierwiastka, gdyby cząsteczki tego związku miały budowę jonową. Proces polegający na oddaniu elektronów przez atom lub jon nazywa się utlenieniem (zwiększenie ładunku dodatniego), natomiast proces odwrotny - redukcją (zmniejszeniem ładunku dodatniego). Czynnikiem utleniającym (utleniaczem) jest substancja zawierająca 5 atom, który przez przyłączenie elektronów od innej substancji działa na nią utleniająco, sama jednocześnie się redukując. Czynnikiem redukującym (reduktorem) jest substancja zawierająca atom, który przez oddanie elektronów innej substancji działa na nią redukująco, sama się utleniając. Liczba oddanych przez reduktor elektronów musi być równa liczbie elektronów przyłączonych przez utleniacz. Właściwości utleniające i redukujące pierwiastka są ściśle związane ze stopniem utlenienia. JeŜeli występuje on na kilku stopniach utleniania, to na najwyŜszym spełnia jedynie rolę utleniacza, a na najniŜszym jedynie funkcję reduktora. Natomiast na wszystkich pośrednich stopniach utlenienia moŜe zachować się jak utleniacz lub reduktor, w zaleŜności od cech partnera biorącego udział w reakcji chemicznej. W reakcji z silnym utleniaczem sam moŜe ulec utlenieniu, czyli spełnić funkcję reduktora, w reakcji z silnym reduktorem moŜe zachować się jak utleniacz, ulegając jednocześnie redukcji. Na przykład zdolności utleniające i redukujące siarki w zaleŜności od stopnia utleniania mogą być następujące: -stopień utlenienia -2 0 +4 +6 - postać w roztworze S2- S SO32-, H2SO3 SO42-, H2SO4 - przykład związku H2S SO2 SO3 - właściwości tylko utleniacz utleniacz tylko reduktor reduktor reduktor utleniacz utleniająco - redukujące W celu zapisania równania reakcji utlenienia - redukcji naleŜy: a) Umieścić substraty po lewej stronie równania, a po prawej - produkty reakcji HI + H2SO4 I2 + H2S np. b) Wyznaczyć stopnie utlenienia pierwiastków, które ulegają utlenieniu i redukcji HI + H2SO4 I2 + H2S -1 +6 0 -2 Zapisując stopień utlenienia umieszczamy znak ładunku przed cyfrą oznaczającą jego wielkość. c) Zbilansować liczby przenoszonych elektronów dla tych atomów, które zmieniają stopnie utleniania 2 I- I2 + 2 e × 4 reakcja utlenienia S+6 + 8 e S2- reakcja redukcji 8 I- + S+6 4 I2 + S26 Wyznaczone współczynniki stechiometryczne wpisujemy do równania reakcji 8 HI + H2SO4 4 I2 + H2S d) Obliczyć liczbę atomów tlenu po obydwu stronach równania i dodać H2O po tej stronie, po której tlenu jest za mało: po stronie prawej równania brakuje czterech atomów tlenu, zatem trzeba dodać do niej cztery cząsteczki H2O 8 HI + H2SO4 4 I2 + H2S + 4 H2O Związki kompleksowe Związkiem kompleksowym nazywa się połączenie jonu lub atomu centralnego (centrum koordynacji), którym jest kation lub atom metalu, z zespołem jonów lub cząsteczek obojętnych (ligandów) związanych z nim wiązaniami koordynacyjnymi. Połączenie to moŜe być kationem np. [Ag(NH4)2 ] +, anionem, np. [Ag(CN)2]- lub obojętną cząsteczką, np. [Pt(NH3)2Cl2]. Jon kompleksowy z ligandami tworzy wewnętrzną strefę kompleksu, natomiast strefę zewnętrzną stanowią jony ujemne lub dodatnie, równowaŜące ładunek jonu kompleksowego [Cu(NH3)4]Cl2 strefa wewnętrzna jony równowaŜące ładunek jonu kompleksowego Liczba ligandów przyłączonych przez jon centralny nazywa się liczby koordynacyjne, która najczęściej wynosi 4 i 6, rzadziej 2, bardzo rzadko 8 i 12. Wartość liczby koordynacyjnej wielu związków kompleksowych moŜna wyjaśnić dąŜeniem jonu centralnego do uzyskania konfiguracji najbliŜszego atomu gazu szlachetnego. Ligandy są rozmieszczone symetrycznie wokół atomu centralnego, tworząc figury lub bryły geometryczne (trójkąty, kwadraty, czworościany, ośmiościany) - patrz rys.1. 7 Rys. 1 Struktura przestrzenna kompleksów o liczbie koordynacyjnej cztery i sześć: a) tetraedryczna b) oktaedryczna Na rysunku przedstawiono strukturę przestrzenną kompleksów o liczbie koordynacyjnej cztery i sześć. Wiązania w kompleksach powstają w wyniku oddziaływania między orbitalami elektronowymi centrum koordynacji i ligandów. Ligandy wiąŜą się z jonem centralnym wiązaniem koordynacyjnym przez tzw. atom donorowy, zawierający wolną parę elektronową lub pary elektronowe (najczęściej są to atomy azotu, tlenu, siarki, chloru, bromu oraz inne atomy V, VI i VII grupy układu okresowego) . Ligand dostarcza pary elektronowej, która przyjmuje jon centralny na nie zajęty przez elektrony orbital. Para elektronów, stając się wspólną własnością obydwu partnerów, tworzy wiązanie chemiczne donorowo - akceptorowe nazywane teŜ wiązaniem koordynacyjnym. Wiązanie to zwykle przedstawia się za pomocą strzałki skierowanej od donora tej pary do akceptora. Za najprostszy jon kompleksowy moŜna uwaŜać jon amonowy NH4+ który powstaje przez połączenie się cząsteczki amoniaku NH3 (liganda) z protonem H+ (jonem centralnym pochodzącym z wody lub kwasu) NH3 + H+ NH4+ co moŜna przedstawić uwzględniając elektrony w następujący sposób Wiązanie między atomem azotu amoniaku i protonem powstaje za pośrednictwem wolnej pary elektronowej azotu. Wodór uzyskuje powłokę dwuelektronową (powłoka helu), a cały kompleks ładunek dodatni. Ogólnie ładunek jonu kompleksowego jest sumą algebraiczną ładunku jonu centralnego oraz ładunków ligandów, np. w heksacyjanoŜelazianie (II) potasowym (I) K4[Fe(CN)6] jon centralny (Ŝelaza) jest dodatni, a ligand cyjankowy CN- - jednoujemny +2 + [6 ⋅ (-1)] = -4 W roztworze wodnym związki kompleksowe ulegają dysocjacji na jon kompleksowy oraz jony naleŜące do strefy zewnętrznej, np. [Cu(NH3)4]SO4 [Cu(NH3)4]2+ + SO42- 8 Uwolnione podczas dysocjacji jony kompleksowe ulegają w mniejszym lub większym stopniu rozpadowi na jony lub jony i cząsteczki, z których powstały. Jest to tzw. dysocjacja wtórna, która analogicznie do dysocjacji słabych elektrolitów jest reakcję odwracalną. MoŜna to zapisać równaniem [Cu(NH3)4]2+ Cu2+ + 4 NH3 Część praktyczna Ćwiczenie 1 Analiza kationów i anionów W ramach ćwiczenia naleŜy przeprowadzić reakcje charakterystyczne oraz identyfikację kationów i anionów. Wszystkie wykonane reakcje chemiczne naleŜy zapisać w formie równań chemicznych. Sprzęt i odczynniki: - statyw na probówki, - probówki, - zestaw odczynników. Wykonanie: Do probówki za pomocą pipetki wlać około 1 cm3 badanego roztworu kationu (lub anionu) a następnie dodać po kropli (1 – 2 cm3) odpowiedniego odczynnika. Obserwować występujące zjawiska (wytrącanie się lub rozpuszczanie osadu, zmiana barwy roztworu). Napisać równanie przeprowadzonej reakcji. W przypadku kiedy instrukcja podaje, Ŝe osad rozpuszcza się w nadmiarze odczynnika strącającego, naleŜy dodać jeszcze tego odczynnika i obserwować rozpuszczanie się osadu. JeŜeli w tabeli znajduje się kreska nie wykonuje się tej reakcji chemicznej. Podobnie przeprowadza się reakcje charakterystyczne dla anionów. Na koniec studenci otrzymują do oznaczenia nieznane dwa kationy i dwa aniony, które mają oznaczyć. Wszystkie reakcje wpisuje się do sprawozdania. Tabela reakcji charakterystycznych dla kationów i anionów oznaczanych na ćwiczeniach laboratoryjnych. 9 Reakcje charakterystyczne kationów Odczynnik strącający Kation NaOH Na2S nadmiar osad czarny biały osad rozpuszcza osad się NH4OH nadmiar osad nie biały osad rozpuszcza się osad osad niebiesko – rozpuszcza niebiesko rozpuszcza czarny zielony się, błękitne -zielony się osad osad osad zabarwienie częściowo roztworu osad rozpuszcza osad nie się, zielony czarny zielony rozpuszcza szafirowo – osad osad osad się fioletowe zabarwienie roztworu NaOH Pb2+ Cu Ni 2+ 2+ Fe3+ 3+ Cr Zn2+ NH4OH (NH3·H2O) czerwono – osad nie czerwono osad nie czarny brunatny rozpuszcza brunatny rozpuszcza osad osad się osad się szaro – zielony osad szaro – osad rozpuszcza zielony się osad osad biały osad rozpuszcza się biały osad szaro – zielony osad biały osad _____ osad rozpuszcza się, bezbarwny roztwór reakcja specjalna z K2CrO4 – Ŝółty osad z KI – Ŝółty osad z K4[Fe(CN)6] – czerwonobrunatny osad z dimetyloglioksymem w środowisku NH4OH – czerwony osad z K4[Fe(CN)6] – ciemnoniebieski osad z KSCN – krwistoczerwone zabarwienie roztworu z H2O2 w środowisku NaOH – Ŝółte zabarwienie roztworu z K4[Fe(CN)6] – biały osad 10 Reakcje charakterystyczne anionów Odczynnik strącający Anion AgNO3 I- SCN - [Fe(CN)6] 4- CrO4 2- Pb(NO3)2 Ŝółty osad Ŝółty osad biały osad _______ biały osad czerwono – brunatny osad FeCl3 Reakcja specjalna brązowe zabarwienie roztworu z Hg(NO3)2 – ceglastoczerwony osad krwistoczerwone z Co(NO3)2 – niebieskie zabarwienie zabarwienie warstwy roztworu alkoholu amylowego (dodać 0.5 ml) biały osad ciemnoniebieski osad Ŝółty osad ______ z CuSO4 – brunatno czerwony osad z Ba(NO3)2 – Ŝółty osad 11