Reakcje charakterystyczne kationów I grupy analitycznej
Transkrypt
Reakcje charakterystyczne kationów I grupy analitycznej
ANALIZA CHEMICZNA dr Sylwester A. Stępniak Katedra Chemii, SGGW Zakład Chemii Żywności Gmach nr 23, pok. 0100 http://sylwester_stepniak.users.sggw.pl e-mail: [email protected] PROGRAM WYKŁADÓW W_1. Analiza kationów wg R. Freseniusa W_2. Analiza anionów wg R. W. Bunsena W_3. Stechiometryczne metody analizy ilościowej – analiza wagowa W_4. Analiza objętościowa - redoksometria W_5. Analiza objętościowa - kompleksometria W_6. Analiza objętościowa - alkacymetria W_7. pH roztworów. Krzywe miareczkowania alkacymetrycznego W_8. Oznaczanie N w materiale biologicznym. Matoda Kjeldahla W_9. Iloczyn rozpuszczalności. Argentometria W_10. Miareczkowanie potencjometryczne W_11. Elektroforeza. Polarografia. Konduktometria W_12. Metody wyznaczania stałych fizykochemicznych – stałe szybkości reakcji W_13. Masa molowa, kriometria, ebuliometria, refraktometria, polarymetria W_14. Wiskozymetria, nefelometria, kalorymetria, adsorpcja W_15. Spektroskopia. Chromatografia. Ekstrakcja Jakie znamy metody analizy chemicznej? I. II. ANALIZA JAKOŚCIOWA ANALIZA ILOŚCIOWA A. ANALIZA STECHIOMETRYCZNA B. ANALIZA NIESTECHIOMETRYCZNA 1. 2. Analiza związków organicznych Analiza związków nieorganicznych 1. • Analiza wagowa • Analiza objętościowa: -Redoksometria -Alkacymetria -Kompleksometria -Argentometria 2. 3. 4. 1. 2. Analiza kationów Analiza anionów Metody elektrochemiczne: Jakie wielkości fizykochemiczne Potencjometria wykorzystywane są w tych metodach analizy Konduktometria niestechiometrycznej? Elektroforeza kapilarna Polarografia Metody spektroskopowe: Spektroskopia emisyjna γ, X, UV, VIS, IR, MW, NMR Spektroskopia absorpcyjna Metody chromatograficzne: - Chromatografia podziałowa GC, TLC, HPLC - Chromatografia adsorpcyjna Inne: Refraktometria Nefelometria Wiskozymetria Nr ćw. Temat ćwiczenia Część teoretyczna 1. Analiza kationów Omówienie programu, zasady BHP w pracowni chemicznej. Reakcje chemiczne (Problemy do samodzielnego rozwiązania: 1, 2, 3, 4)*: dysocjacja jonowa, reakcje kwas-zasada, amfoteryczność, reakcje tworzenia jonów kompleksowych. Analiza kationów: kryterium podziału kationów na grupy analityczne, reakcje charakterystyczne kationów I - II grupy analitycznej. I - II grupa analityczna (2 probówki), (2 pkt.) 2. Analiza kationów Reakcje chemiczne (Problemy do samodzielnego rozwiązania: 5, 6, 7, 8, 9, 10)*. Analiza kationów: reakcje charakterystyczne kationów III - V grupy analitycznej. I - V grupa analityczna (2 probówki), (2 pkt.) Kolokwium I (analiza kationów), (15 pkt.) Reakcje chemiczne (Problemy do samodzielnego rozwiązania: 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) *. Analiza anionów: kryterium podziału anionów na grupy analityczne, reakcje charakterystyczne anionów I - VII grupy analitycznej. 3. Analiza anionów 4. Identyfikacja soli 5. Analiza ilościowa stechiometryczna. Redoksometria 6. Redoksometria (c.d.) 7. Alkacymetria 8. Alkacymetria 9. Metody instrumentalne w analizie Kolokwium IV (alkacymetria), (10 pkt.) Krzywe miareczkowania. pH roztworów buforowych. pH roztworów soli hydrolizujących. Metody instrumentalne w analizie Kolokwium V (metody instrumentalne analizy), (10 pkt.) Kolokwium II (analiza anionów), ( 15 pkt.) Reakcje chemiczne (Problemy do samodzielnego rozwiązania: 20, 21)*. Identyfikacja substancji stałych: podział substancji chemicznych, nomenklatura związków nieorganicznych. Analiza ilościowa. Wprowadzenie do analizy ilościowej. Substancje podstawowe, roztwory mianowane, zadania rachunkowe na stężenia. Manganometria. Oznaczanie Ca metodą manganometryczną. Oznaczanie Cu metodą jodometryczną. Zadania rachunkowe z redoksometrii. Kolokwium III (redoksometria), (15 pkt.) 10. Zadanie kontrolne I - VII grupa analityczna anionów, (2 probówki), (2 pkt.) Analiza soli (faza st.) (2 probówki) (2 pkt.) Przygotowanie roztworów H2C2O4 i KMnO4 Ilościowe oznaczanie Fe2+ (2 pkt.) Zadania rachunkowe z alkacymetrii. Ilościowe oznaczanie NaOH (2 pkt.) Typy zadań na pH roztworów: pH mocnych i słabych elektrolitów. Ilościowe oznaczanie HCl (2 pkt.) Wg harmonogramu ćwiczeń z chemii fizycznej (2 pkt.) Wg harmonogramu ćwiczeń z chemii fizycznej (2 pkt.) ANALIZA JAKOŚCIOWA KATIONÓW Podział kationów na grupy analityczne wg R. Freseniusa + 3 OHNr grupy KATION Y I Ag , Hg2 , Pb II III IV V ODCZYNNI K GRUPOWY + 2+ 2+ 2+ 2+ 3+ HCla q AgCl, AKT + HCl aq , Cu , Hg , As 2+ 3+ 2+ Fe , Fe , Co , AKT+ b ufor , 2+ 2+ 3+ amon owy Mn , Zn , Al 2+ Ca , Ba 2+ AKT: Amid kwasu tiooctowego H3C-C S NH 2 S NH2 + 2 H2O CaCO 3, H BaCO 3 O H3C-C + NH OH O + 3 OH H gS, As 2S 3 FeS, Fe2S 3, CoS MnS , ZnS, Al(OH)3 buf or 2- Hg2Cl2 , PbCl2 CuS, CO 3 + amon owy K +, NH 4+, Mg 2+ H3C-C Prod ukt reakcji z odczynnikiem grupo wym H3C-C O 4 + H2S + NH OH + S24 Schemat systematycznej analizy I i II grupy kationów Badany roztwór + HClaq 1 Wytrąca się osad: AgCl, Hg2Cl2,PbCl2 biały biały biały Obecność kationów I grupy analitycznej Brak osadu Badany roztwór nie zawiera kationów I grupy analitycznej + NH4OH 1 a W jakim przypadku reakcja z odczynnikiem grupowym jest jednocześnie reakcją charakterystyczną ? H3C-C [Ag(NH3)2 ]+, (HgNH2Cl), czarny osad PbCl2 biały osad Badany roztwór 1 b Reakcje charakterystyczne kationów I grupy analitycznej S NH 2 + 2 H2O Wytrąca się osad: CuS, HgS, As2S3 czarny czarny żółty Obecność kationów II grupy analitycznej 2 H + AKT, ogrzewanie O H3C-C + NH OH 4 + H2S Badany roztwór 2 a Reakcje charakterystyczne kationów II grupy analitycznej Aparat Kippa W aparacie Kippa można otrzymać: Wodór (H2) Amoniak (NH3) Chlorowodór (HCl) Siarkowodór (H2S) Tlenek siarki (IV) (SO2) Tlenek azotu (IV) (NO2) Tlenek węgla (IV) (CO2) Chlor (Cl2) Cyjanowodór (HCN) Przykładowe reakcje zachodzące w aparacie Kippa: Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2 FeS + 2HCl = FeCl2 + H2S CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O NaCl + H2SO4 = NaHSO4 + HCl Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2 H2O Reakcje charakterystyczne kationów I grupy analitycznej : AgCl + 2 NH4OH = [Ag(NH3)2]+ + Cl– + 2 H2O Hg2Cl2 + 2 NH4OH = HgNH2Cl + Hg + NH4+ + Cl– + 2 H2O Jak w analizie kationów wykorzystuje się reakcje tworzenia jonów kompleksowych? NaOH (nadmiar odczynnika) Ag+ Ag+ + 2OH- = Ag2O + H2O brunatny osad Hg22+ Hg22+ + 2OH- = Hg2O + H2O czarny osad Pb2+ Pb2+ + 2OH- = Pb(OH)2 biały osad Pb(OH)2 + 2OH- = [Pb(OH)4]2- K2Cr2O7 Ag+ + Cr2O72- = Ag2Cr2O7 czerwonobrunatny osad Hg22+ + CrO42- = Hg2CrO4 * brunatny osad Pb2+ + CrO42- = PbCrO4 * żółty osad KI Ag+ + I- = AgI żółty osad Hg22+ + 2I- = Hg2I2 żółtozielony osad Pb2+ + 2I- = PbI2 żółty osad Reakcję przeprowadza się po dodaniu roztworu octanu sodu (CH3COONa), w którym w wyniku reakcji hydrolizy: CH3COO– + H2O = CH3COOH + OH– środowisko alkalizuje się i jony Cr2O72– przechodzą w jony CrO42– : Cr2O72– + 2OH– = 2CrO42– + H2O. Reakcja z jonami CrO42– przebiega łatwiej niż z jonami Cr2O72–, gdyż chromiany są trudniej rozpuszczalnymi w wodzie solami niż dichromiany. *- Jony kompleksowe [ALn]x Ligandy anionowe Ligand Nazwa ligandu NH2– Amido- F– Fluoro- Cl– Chloro- Br– Bromo- I– Jodo- O2– Okso- O2 2– n - Liczba ligandów w jonie kompleksowym x - Ładunek elektryczny jonu kompleksowego. Perokso- Wzór związku Nazwa związku [Ag(NH3)2]Cl Chlorek diaminasrebra Na2[Pb(OH)4] Tetrahydroksoołowian(II) sodu Na[Al(OH)4] Tetrahydroksoglinian sodu [Zn(NH3)6]Cl2 Dichlorek heksaaminacynku(II) K3[Fe(CN)6] Heksacyjanożelazian(III) potasu K4[Fe(CN)6] Heksacyjanożelazian(II) potasu OH– Hydrokso- Fe3[Fe(CN)6]2 Heksacyjanożelazian(III) żelaza(II) S2– Tio- Fe4[Fe(CN)6]3 Heksacyjanożelazian(II) żelaza(III) S22– Disulfido- Co2[Fe(CN)6] Heksacyjanożelazian(II) kobaltu(II) CN– Cyjano- Mn2[Fe(CN)6] Heksacyjanożelazian(II) manganu(II) SCN– Tiocyjaniano- Zn2[Fe(CN)6] Heksacyjanożelazian(II) cynku(II) C2O42– Szczawiano- K2[HgI4] Tetrajodortęcian(II) potasu [Fe(CO)5] Pentakarbonylżelazo(0) K4[Co(CN)4] Tetracyjanokobaltan(0) potasu Ligandy obojętne H2O Akwa- NH3 Amina- NO Nitrozyl- CO Karbonyl- Reakcje charakterystyczne kationów II grupy analitycznej: AKT: H3C-C S NH 2 + 2 H2O H O H3C-C + NH 4 OH + H2S Hg2+ + H2S = HgS + 2 H+ Cu2+ + H2S = CuS + 2 H+ 2 As3+ + 3 H2S = As2S3 + 6 H+ Jak w analizie kationów wykorzystuje się zjawisko amfoteryczności ? Wybrane reakcje charakterystyczne kationów II grupy analitycznej NaOH Hg2+ Cu2+ As3+ Hg2+ + 2OH- = HgO + H2O Żółty osad Cu2+ + 2OH- = Cu(OH)2 * Niebieski osad As3+ + 6OH- = AsO33- + 3H2O** KI (nadmiar odczynnika) NaOH + AgNO3 Hg2+ + 2I- = HgI2 Czerwony osad HgI2 + 2I- = [HgI4]2- - Cu2+ + 2I- = CuI2 Żółty osad - - As3+ + 6OH- = AsO33- + 3H2O AsO33- + 3Ag+ = Ag3AsO3 Żółty osad * - W wyniku podgrzewania niebieski osad Cu(OH)2 przechodzi w czarny osad CuO. ** - Reakcja, w której wykorzystuje się właściwości amfoteryczne As(III). Powstający w wyniku tej reakcji jon AsO 33z jonami Ag+ daje charakterystyczny żółty osad. Amfoteryczność: Amfoteryczność jest to właściwość substancji chemicznej (cząsteczek lub jonów) przejawiająca się tym, że może ona reagować zarówno z kwasami, jak i zasadami. Właściwości amfoteryczne przejawiają związki zawierające pierwiastki na określonych stopniach utlenienia: Pb(II), Zn(II), Sn(II), Cu(II), Al(III), Cr(III), As(III), Bi(III), Mn(III), Sb(III), Mn(IV), Po(IV), Pb(IV). Równania reakcji ilustrujące właściwości amfoteryczne: Tlenek kwasowy Pb2+ Pb(OH)2 ≡ H2PbO2 PbO22- 1. PbO + H2SO4 = PbSO)4 + H2O 2. PbO + 2 NaOH = Na2PbO2 + H2O Tlenek zasadowy Jak w analizie kationów wykorzystuje się amfoteryczność? 1. Pb2+ + 2 OH- = Pb(OH)2 ; ↓Pb(OH)2 + 2 OH- = PbO22- + 2 H2O 2. As3+ + 6 OH- = AsO33- + 3 H2O ; AsO33- + 3 Ag+ = ↓Ag3AsO3 3. Zn2+ + 2 OH- = Zn(OH)2 ; ↓Zn(OH)2 + 2 OH- = ZnO22- + 2 H2O 4. Al3+ + 3 OH- = Al(OH)3 ; ↓Al(OH)3 + OH- = nie reaguje Amfoteryczność: Amfoteryczność jest to właściwość substancji chemicznej (cząsteczek lub jonów) przejawiająca się tym, że może ona reagować zarówno z kwasami, jak i zasadami. HCO3– + H+aq = H2O + H2CO3 z1 k2 z2 HCO3– + OH– = H2O + CO32– k1 k1 Przyjmuje Przyjmuje kation (H+) Oddaje kation (H+) Oddaje + kation (H ) kation (H+) Oddaje kation (H+) Pb2+aq + 4OH– = [Pb(OH)4]2– + H2O k1 z2 Oddaje kation (Pb2+) Przyjmuje kation (Pb2+) k2 z1 Oddaje kation (Pb2+). z2 k2 Przyjmuje kation (H+) z1 Oddaje kation (H+) Przyjmuje kation (H+) [Pb(OH)4]2–+ 4H+aq = Pb2+aq + 4H2O z1 Przyjmuje kation (H+) Przyjmuje kation (Pb2+) k2 Oddaje kation (H+) k1 Oddaje kation (H+) z2 Przyjmuje kation (H+) W formie kationowej lub anionowej mogą występować w roztworze wodnym następujące pierwiastki (w nawiasach podano ich stopień utlenienia): Pb(II), Zn(II), Sn(II), Cu(II), Al(III), Cr(III), As(III), Bi(III), Mn(III), Sb(III), Mn(IV), Po(IV), Pb(IV). Schemat systematycznej analizy kationów III grupy analitycznej Badany roztwór AKT: H3C-C Bufor amonowy Roztwór NH4OH o stężeniu 1 mol·dm-3 i roztwór NH4Cl o stężeniu mol·dm-3 w stosunku objętościowym 1:3 Brak osadu Badany roztwór nie zawiera kationów III grupy analitycznej S O + 3 OH H3C-C NH2 + NH OH + S2- O 4 3 Etapy reakcji z odczynnikiem grupowym III grupy: 1. 2. Do 0,5 cm3 badanego roztworu dodać 0,5 cm 3 buforu amonowego Dodać 0,5 cm 3 roztworu AKT 3. Ogrzewać przez 10 minut Badany roztwór 3 a Reakcje charakterystyczne kationów III grupy analitycznej Wytrąca się osad: FeS, Fe2S3, CoS, Czarny Czarny Czarny MnS, ZnS, Al(OH)3 Cielisty Biały Biały Obecność kationów III grupy analitycznej Jaka jest procedura sprawdzania, czy w badanym roztworze znajdują się kationy III grupy analitycznej, a jaka przy sprawdzaniu czy są kationy IV grupy analitycznej? Etapy reakcji z odczynnikiem grupowym III grupy: Bufor amonowy Roztwór NH4OH o stężeniu 1 mol·dm-3 i roztwór NH4Cl o stężeniu mol·dm-3 1. 2. Do 0,5 cm3 badanego roztworu dodać 0,5 cm 3 buforu amonowego Dodać 0,5 cm 3 roztworu AKT w stosunku objętościowym 1:3 3. Ogrzewać przez 10 minut 1 cm3 (NH4)2CO3 3 1 cm buforu amonowego 3 cm3 NH4Cl 3 1 cm3 NH4OH 1 cm badanego roztworu 3 1 cm (NH4)2CO3 Etapy reakcji z odczynnikiem grupowym IV grupy: 1. 2. Do 0,5 cm 3 badanego roztworu dodać 0,5 cm 3 buforu amonowego Dodać 0,5 cm 3 roztworu (NH4)2CO3 1 cm3 buforu amonowego 1 cm3 badanego roztworu Reakcje charakterystyczne kationów III grupy analitycznej: H3C-C O S + 3 OH H3C-C NH2 O + NH OH + S24 Fe 2+ FeS Fe2S3 Podgrupa A Fe3+ Co2+ OH S 2- MnS Mn2+ ZnS Podgrupa B Zn 2+ Al 3+ CoS Al(OH)3 Który związek jest trudniej rozpuszczalny? 1. Al(OH)3 czy Al2S3 2. Fe(OH)3 czy Fe2S3 Jony kompleksowe w analizie kationów : Jak w analizie kationów wykorzystuje się reakcje tworzenia jonów kompleksowych? 1.↓AgCl + 2 NH4OH = [Ag(NH3)2]+ Kation diaminasrebrowy 2. Hg2+ + 2 I- = ↓HgI2 ; ↓HgI2 + 2 I- = [HgI4]2Anion tetrajodortęci(II) 3. Zn2+ + 2 NH4OH = Zn(OH)2 + 2 NH4+ ; ↓Zn(OH)2 + 6 NH4OH = [Zn(NH3)6]2+ + 2 OHKation heksaminacynku(II) Jony kompleksowe w analizie kationów : Jak w analizie kationów wykorzystuje się reakcje z jonami kompleksowymi? III II II III 1. 2 [Fe(CN)6]3- + 3 Fe2+ = ↓Fe3 [Fe(CN)6]2 (niebieski osad) Anion heksacyjanożelaza(III) II III III Heksacyjanożelazian(III) żelaza(II) II 2. 3 [Fe(CN)6]4- + 4 Fe3+ = ↓Fe4[Fe(CN)6]3 (niebieski osad) Anion heksacyjanożelaza(II) Heksacyjanożelazian(II) żelaza(III) 3. [Fe(CN)6]4- + 2 Co2+ = ↓Co2[Fe(CN)6] (zielony osad) Heksacyjanożelazian(II) kobaltu(II) 4. [Fe(CN)6]4- + 2 Zn2+ = ↓Zn2[Fe(CN)6] (białokremowy osad) Heksacyjanożelazian(II) cynku(II) 5. [Fe(CN)6]4- + 2 Mn2+ = ↓Mn2[Fe(CN)6] (biały osad) Heksacyjanożelazian(II) manganu(II) Reakcje charakterystyczne kationów III grupy analitycznej Podgrupa A: Jak w analizie kationów wykorzystuje się reakcje z jonami kompleksowymi? III NaOH Fe2+ Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2 Fe3+ Fe3+ Co2+ Co2+ + 2OH- = Co(OH)2 Brązowzielony osad + 3OH- = Fe(OH)3 Czerwono-brązowy osad Różowy osad II K3[Fe(CN)6] K4[Fe(CN)6] 3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2 - Niebieski osad - 4Fe2+ + 3[Fe(CN)6]4- = Fe4[Fe(CN)6]3 Niebieski osad - 2Co2+ + [Fe(CN)6]4- = Co2[Fe(CN)6] Zielony osad Reakcje charakterystyczne kationów III grupy analitycznej Podgrupa B: Jak w analizie kationów wykorzystuje się reakcje z jonami kompleksowymi? Mn2+ NaOH (nadmiar) NH4(OH) (nadmiar) Mn2+ + 2OH- = Mn(OH)2 Różowy osad Mn2+ + 2NH4OH = Mn(OH)2 + 2NH4+ Różowy osad Zn2+ + 2OH- = Zn(OH)2 Biały osad Zn2+ Zn(OH)2 + 2OH- = [Zn(OH)4]2- Al3+ Al3+ + 3OH- = Al(OH)3 Biały osad Al(OH)3 + OH- = [Al(OH)4]- Zn2+ + 2NH4OH = = Zn(OH)2 + 2NH4+ Biały osad Zn(OH)2 + 6NH4OH = [Zn(NH3)6]2+ + 2OH- + 6H2O Al3+ + 3NH4OH = Al(OH)3 + 3NH4+ Biały osad II K4[Fe(CN)6] Mn2+ + [Fe(CN)6]4- = Mn2[Fe(CN)6] Biały osad 2Zn2+ + [Fe(CN)6]4- = Zn2[Fe(CN)6] Białokremowy osad - Schemat systematycznej analizy kationów IV i V grupy analitycznej Badany roztwór Etapy reakcji z odczynnikiem grupowym IV grupy: + Bufor amonowy + (NH4)2CO3 Do 1 cm 3 badanego roztworu dodać1 cm 3 buforu amonowego 2. Dodać 1 cm 3 roztworu (NH4)2CO3 1. 4 mol·dm-3 Roztwór NH4OH o stężeniu 1 i roztwór NH4Cl o stężeniu mol·dm-3 w stosunku objętościowym 1:3 Brak osadu Badany roztwór nie zawiera kationów IV grupy analitycznej Badany roztwór Reakcje charakterystyczne kationów V grupy analitycznej 3 1 cm (NH4)2CO3 1 cm3 buforu amonowego 1 cm3 badanego roztworu Wytrąca się osad: CaCO3, BaCO3 Obecność kationów IV grupy analitycznej Badany roztwór Reakcje charakterystyczne kationów IV grupy analitycznej Reakcje charakterystyczne kationów IV grupy analitycznej: Ca2+ Ba2+ *- NaOH K2Cr2O7 H2SO4 Ca2+ + 2OH- = Ca(OH)2 Biały osad - - - Ba2+ + CrO42- = BaCrO4 * Żółty osad Ba2+ + SO42- = BaSO4 Biały osad W roztworze K2Cr2O7 znajdują się również jony CrO42-. Sole baru hydrolizują alkalizując środowisko i zachodzi reakcja: Cr2O72– + 2OH– = 2CrO42– + H2O. Ponieważ BaCrO4 jest trudniej rozpuszczalny niż BaCr2O7, to wytrąca się BaCrO4. Reakcje charakterystyczne kationów V grupy analitycznej: Jak w analizie kationów V grupy analitycznej wykorzystuje się reakcje z jonami kompleksowymi? NaOH Mg2+ NH4 K+ + Mg2+ + 2OH- = Mg(OH)2 Biały osad NH4+ + OH- = NH3 + + H2O - Odczynnik Nesslera K2[HgI4] + NaOH HClO4 - - NH4+ + 2[HgI4]2- + 4OH- = (Hg2NH2O)I + + 7 I- + 3 H2O Czerwonobrunatny osad - - K+ + ClO4- = KClO4 * Biały osad * Po dodaniu odczynnika reakcji charakterystycznej należy potrzeć wewnętrzną ściankę próbówki bagietką. Ułatwia to wytrącanie osadu KClO4.