Analiza kationów nieorganicznych oraz wybranych anionów

Transkrypt

1 ĆWICZENIA 9-11 ĆW. 9 KATIONY GRUP IV i V oraz ANIONY ĆW. 10 KATIONY GRUP IIIA i IIIB oraz ANIONY ĆW. 11 KATIONY GRUP I i II oraz ANIONY Analiza kationów nieorganicznych oraz wybranych anionów 1. Zakres materiału Pojęcia: reakcje grupowe kationów grup I - V; sposoby wykrywania anionów chlorkowych, azotanowych(v), siarczanowych(vi), octanowych; uzgadnianie równań reakcji chemicznych w formie jonowej i cząsteczkowej, iloczyn rozpuszczalności, rozpuszczalność, wpływ siły jonowej roztworu na rozpuszczalność soli, wpływ ph na reakcje strącania, wpływ kompleksowania na reakcje strącania. UWAGA: Przed ćwiczeniami należy przeczytać całą instrukcję. W zeszycie laboratoryjnym należy przygotować plan pracy. Materiał dotyczący anionów obowiązuje na ćwiczeniu 9, 10 i 11. Zalecana literatura: 1. Anna Reizer (red.), Ćwiczenia z podstaw chemii i analizy jakościowej, Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków 2000, Część II, analiza jakościowa, rozdziały: 1, , , , , , 9.2.1, 9.2.8, , J. Minczewski, Z. Marczenko, Chemia analityczna podstawy teoretyczne i analiza jakościowa, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1997, rozdz.6, 8.4, 11.1, 11.2, Wprowadzenie Podstawą analizy jakościowej jest wprowadzenie do analizowanego roztworu zawierającego nieznane jony, odczynników, które powodują wytrącenie lub rozpuszczenie osadów, zmianę barwy roztworu lub wydzielanie gazu. Podstawową zasadą w analizie chemicznej jest stosowanie odczynników, które charakteryzuje odpowiednio wysoka czułość w wykrywaniu rozpuszczonych jonów. Za miarę czułości można przyjąć najmniejsze stężenie danego jonu, poniżej którego efekt reakcji nie jest zauważalny. Analiza jakościowa związków nieorganicznych składa się zwykle z dwóch oddzielnych działów: analizy kationów i analizy anionów. Klasyczny, najczęściej spotykany podział obejmuje 5 grup kationów i 7 grup anionów. Podziały te są oparte na podobnych reakcjach, jakie daję one z odczynnikami grupowymi. Wydzielenie kationów danej grupy z roztworu zawierającego mieszaninę kationów różnych grup następuje w wyniku działania odczynnika grupowego, charakterystycznego dla danej grupy kationów. Pod wpływem odczynnika grupowego następuje wytrącenie trudno rozpuszczalnych osadów kationów danej grupy analitycznej (np. siarczków, węglanów), a w konsekwencji oddzielenie tych kationów od pozostałych jonów obecnych w roztworze. Podstawą rozdzielenia kationów na poszczególne grupy analityczne jest więc różnica 1

2 rozpuszczalności soli tworzonych w reakcji odczynnika grupowego z poszczególnymi kationami. UWAGA: Wykrywanie kationów należy rozpocząć od reakcji z odczynnikiem grupowym, inne wybrane reakcje mają za zadanie potwierdzić obecność danego jonu. Grupa I. Kationy: Ag, Hg 2 2, Pb 2 WYKRYWANIE KATIONÓW Odczynnikiem grupowym jest 2M HCl, który wytrąca wszystkie kationy tej grupy w postaci chlorków: AgCl (biały serowaty osad), Hg 2 Cl 2 (biały bezpostaciowy osad), PbCl 2 (biały krystaliczny osad), trudno rozpuszczalnych w zimnej wodzie. Wykonanie: Do 1-2 cm 3 roztworu dodawać kroplami 2M HCl. Obserwować wytrącający się osad. jony Ag w reakcji z I - tworzą żółty osad jony Hg 2 2 w reakcji z KI tworzą żółtozielony krystaliczny osad, rozpuszczalny w nadmiarze KI. Po jakimś czasie można zaobserwować pojawienie się barwy szarej na skutek powolnego rozkładu osadu z wydzieleniem rtęci jony Pb 2 w reakcji z I - tworzą osad o intensywnie żółtej barwie Grupa II. Kationy: IIA: Cd 2, Cu 2, Hg 2, Bi 3 IIB: sole As, Sb oraz Sn Odczynnikiem grupowym jest H 2 S w obecności 2M HCl. Pod wpływem S 2- następuje wytrącenie siarczków o charakterystycznych barwach: CdS od żółty do czerwonożółty CuS czarny HgS czarny Bi 2 S 3 brązowy As 2 S 3 i As 2 S 5 żółty Sb 2 S 3 i Sb 2 S 5 pomarańczowy SnS brunatny SnS 2 żółty Jony Pb 2 pomimo, że należą do grupy I również reagują z H 2 S dając czarny osad. Wykonanie: 1-2 cm 3 roztworu zakwasić 2M HCl tak, by ph~0,5. Otrzymany roztwór rozcieńczyć wodą do objętości ok. 2 cm 3 (jeśli jego objętość jest mniejsza od 2 cm 3 ), ogrzać do wrzenia (na palniku), a następnie zadać roztworem H 2 S (ok. 1 cm) i nadal ogrzewać przez ok. 30 min (na łaźni wodnej). Obserwować wytrącający się osad. Uwaga: zamiast kwasu siarkowodorowego (silnie trujące opary siarkowodoru) w ćwiczeniu używany jest tioacetamid AKT. Jony Cd 2 w odróżnieniu od pozostałych jonów grupy IIA nie ulegają reakcji z KI. Jony Cu 2 w reakcji z KI tworzą biały osad jodku potasu oraz szary osad wskazujący na obecność I 2 Jony Hg 2 w reakcji z KI tworzą czerwony osad, rozpuszczalny w nadmiarze KI (bezbarwny roztwór) 2

3 Jony Bi 3 w reakcji z KI strącają się w postaci brunatnoczarnego osadu jodku bizmutu(iii). Nadmiar odczynnika powoduje rozpuszczenie osadu i powstanie żółtopomarańczowego roztworu związku kompleksowego jony Bi 3 w reakcji z K 4 [Fe(CN) 6 ] tworzą jasnozielony osad reakcja Meissnera - w obecności wodoru powstającego w reakcji Zn ze stężonym HCl, zachodzi redukcja Sn 4 i Sn 2 do SnH 4, który barwi płomień palnika na kolor niebieski. Wykonanie: do parowniczki z HCl (stężonym) należy dodać niewielką ilość związku zawierającego jony cyny i wrzucić kawałek metalicznego cynku, roztwór mieszać probówką wypełnianą do połowy zimną wodą, a następnie wprowadzić probówkę do płomienia palnika - świecące na niebiesko dno probówki świadczy o obecności Sn(IV) i Sn(II) w badanej próbce Grupa IIIA. Kationy: Al 3, Cr 3, Fe 3, Fe 2, Ni 2, Co 2 Odczynnikiem grupowym jest 2M NH 3aq w obecności 2M NH 4 Cl. Kationy tej grupy wytrącają się w tych warunkach tworząc: biały Al(OH) 3, szarozielony, galaretowaty Cr 2 O 3 nh 2 O, biały, brunatniejący Fe(OH) 2, brunatny Fe 2 O 3 nh 2 O, Uwaga:!!!!roztwory zawierające niektóre jony np. Cu 2, Ni 2, Co 2, Fe 2 mają charakterystyczną barwę!!! Wykonanie: Do 1-2 cm 3 roztworu dodać 2M NH 4 Cl i nadmiar 2M NH 3aq do uzyskania ph>7. Ogrzewać w temperaturze ok C (na łaźni wodnej). Obserwować wytrącający się osad. jony Al 3 z alizaryną tworzą czerwony roztwór związku kompleksowego tzw. lak glinowy NaOH w reakcji z jonami Cr 3 strąca szarozielony lub szarofioletowy osad Cr 2 O. 3 nh 2 O, który przy nadmiarze NaOH rozpuszcza się tworząc zielony roztwór heksahydroksochromianu(iii) K 3 [Fe(CN 6 )] strąca z roztworów zawierających jony Fe 2 niebieski osad nierozpuszczalny w kwasach, natomiast K 4 [Fe(CN) 6 ] strąca z kwaśnych roztworów Fe 2 biały osad, K 3 [Fe(CN 6 )] tworzy z jonami Fe 3 rozpuszczalny brunatny kompleks, natomiast K 4 [Fe(CN) 6 ] strąca z kwaśnych lub obojętnych roztworów Fe 3 ciemnoniebieski osad (tzw. błękit pruski), jony SCN - w środowisku lekko kwaśnym tworzą z jonami Fe 3 jony kompleksowe koloru czerwonego (im więcej skoordynowanych ligandów do jonu centralnego tym intensywniejsza barwa) Dimetyloglioksym (DMG) w środowisku amoniakalnym tworzy z jonami Fe 2 rozpuszczalny czerwony kompleks DMG w obecności amoniaku tworzy z jonami Ni 2 czerwono-różowy roztwór związku kompleksowego Co 2 tworzy z NH 4 SCN kompleks o niebieskim zabarwieniu, jest to tzw. reakcja Vogla, Wykonanie: Do kilku kropel badanego roztworu dodać 1-2 krople NH 4 SCN i 0.5cm 3 mieszaniny alkoholu amylowego z eterem. Całość energicznie wymieszać. W obecności jonów Co 2 górna organiczna warstwa zabarwi się na niebiesko. 3

4 Grupa IIIB. Kationy: Zn 2, Mn 2 Odczynnikiem grupowym jest (NH 4 ) 2 S w obecności NH 3aq i NH 4 Cl. Kationy tej grupy strącają się w postaci siarczków: ZnS biały, koloidalny MnS cielisty Wykonanie: 1-2 cm 3 roztworu zadać 2M NH 4 Cl, a następnie dodawać kroplami 2M NH 3aq aż do uzyskania ph~8. Roztwór ogrzać do temperatury 70 0 C, zadać kroplami roztworu (NH 4 ) 2 S. Zamieszać. Pozostawić na wrzącej łaźni wodnej przez min. Obserwować wytrącony osad. Uwaga: zamiast siarczku amonu w ćwiczeniu używany jest tioacetamid AKT. Zn 2 tworzy z alizaryną fioletowy związek kompleksowy Roztwór zawierający jony Zn 2 w ph ok 5 w reakcji z ditizonem zmienia barwę z zielonej na czerwoną w wyniku tworzenia się kompleksu Wykonanie: Do kropli badanego roztworu przy ph około 5 dodać pięć kropel roztworu ditizonu w CCl 4 i energicznie wstrząsnąć. W obecności jonów cynku zawartość probówki zmieni barwę z zielonej na czerwoną. Obecność jonów Mn 2 można potwierdzić przeprowadzając reakcję utlenienia jonów Mn 2 do MnO - 4, który barwi roztwór na fioletowo Grupa IV. Kationy: Ba 2, Ca 2 i Sr 2 Odczynnikiem grupowym jest 2M (NH 4 ) 2 CO 3 w obecności 6M NH 4 Cl i 6M NH 3aq, który strąca kationy tej grupy w postaci białych osadów CaCO 3, BaCO 3 i SrCO 3. Wykonanie: Do 2 cm 3 roztworu dodać kilka kropli 6M roztworów NH 4 Cl i NH 3aq. Po ogrzaniu roztworu do temperatury ok C dodawać powoli 2M (NH 4 ) 2 CO 3. Obserwować powstawanie osadu. sole Ba 2 barwią płomień palnika na zielono, sole Sr 2 na kolor karminowoczerwony, Ca 2 na ceglastoczerwony dodanie roztworu K 2 CrO 4 do roztworu zawierającego jony Sr 2 lub Ba 2 powoduje wytrącenie żółtego osadu. Jeżeli w roztworze znajdują się tylko jony Sr 2 powstały osad rozpuści się po dodaniu kwasu octowego. Jeżeli w roztworze znajdują się tylko jony Ca 2 osad się nie wytrąca Dodanie do roztworu zawierającego jony Ca 2 K 4 [Fe(CN) 6 ] w obecności NH 4 Cl i NH 3aq, (reakcja wymaga ogrzewania na łaźni wodnej) powoduje strącenie się białego krystalicznego osadu nierozpuszczalnego w CH 3 COOH Grupa V. Kationy: Na, K, Mg 2 i NH 4 Grupa nie posiada odczynnika grupowego. Obecność kationów NH 4 i Mg 2 w roztworze można potwierdzić przeprowadzając reakcję z NaOH. W przypadku kationu NH 4 w wyniku reakcji wydziela się 4

5 charakterystyczny zapach amoniaku, natomiast w przypadku kationu Mg 2 strąca się biały bezpostaciowy osad Mg(OH) 2. Wykonanie: Do kilku kropli analizowanego roztworu dodać ok. 1 cm 3 NaOH. Wytrącenie się białego osadu potwierdza obecność kationu Mg 2. Jeśli nie obserwuje się osadu, roztwór w probówce ogrzać. U wylotu probówki umieścić zwilżony papierek uniwersalny tak, aby nie dotykał brzegu probówki. W przypadku obecności jonu NH 4 wydziela się gazowy NH 3 powodujący zabarwienie papierka na niebiesko. Obecność kationów Na i K potwierdza analiza płomienia. Związki sodu barwią płomień palnika na kolor żółty, zaś związki potasu jasnofioletowy. Wykonanie: Wyprażony pręcik platynowy zanurzyć w badanym roztworze i umieścić w płomieniu palnika. Dowodem obecności jonów Na jest świecenie intensywnie żółtym kolorem przez kilkanaście sekund. Dowodem obecności jonów K jest pojawiający się jasny błysk, widziany przez szkło kobaltowe. Uwaga: przed wykonaniem analizy w płomieniu, należy dokładnie wyprażyć pręcik platynowy. próba Nesslera: odczynnik Nesslera (zasadowy roztwór K 2 [HgI 4 ]) w reakcji z NH 4 tworzy czerwonobrunatny osad Z roztworu zawierającego jony K po dodaniu kwasu winowego i wodorowinianu sodu strąca się biały krystaliczny osad (wytrącenie osadu może nastąpić dopiero po pocieraniu bagietką szklaną o ściankę probówki) Jony Mg 2 po dodaniu Na 2 HPO 4 w obecności NH 4 Cl i NH3 aq strącają się w postaci białego krystalicznego osadu Aniony: Cl -, NO 3, SO 4 2, CH 3 COO Wykrywanie jonu Cl - WYKRYWANIE ANIONÓW 1. Pobrać niewielką ilość badanego roztworu do probówki i dodać kroplę roztworu AgNO 3. W obecności chlorków wydziela się biały, serowaty osad AgCl (przy świetle dziennym osad przyjmuje barwę szaro-fioletową n skutek powstawania Ag) 2. Pobrać niewielką ilość badanego roztworu do probówki i dodać kroplę Pb(NO 3 ) 2. W obecności jonów chlorkowych powstaje biały osad PbCl 2 rozpuszczalny po podgrzaniu roztworu. (uwaga w obecności jonów SO 4 2 również powstaje biały osad). 3. W celu odróżnienia jonów Cl 2 od SO 4 potwierdza obecność jonów chlorkowych należy dodać kilka kropel BaCl 2. Brak osadu Wykrywanie jonu NO 3 1. Do probówki pobrać nasycony roztwór FeSO 4 (ok. 2 ml) i dodać badany roztwór (ok. 0.5 ml). Wymieszać roztwór a następnie po ściance probówki powoli wlać 1 ml stężonego H 2 SO 4. W obecności jonów NO 3 - powstaje na granicy cieczy brunatna obrączka. 5

6 2. Pobrać niewielką ilość badanego roztworu i dodać kroplę roztworu AgNO 3. Brak osadu świadczy pośrednio o obecności jonu azotanowego(v). 3. Do niewielkiej ilości badanego roztworu dodać dwie krople stężonego H 2 SO 4. Wydzielanie się brunatnego gazu NO 2 świadczy o obecności jonów azotanowych(v) (!!!tlenek azotu(iv) jest trujący. Należy bezwzględnie pracować pod wyciągiem!!!) Wykrywanie jonu SO Pobrać niewielką ilość badanego roztworu do probówki i dodać kroplę roztworu BaCl 2. Wypadanie białego osadu świadczy o obecności badanego jonu. 2. Pobrać niewielką ilość badanego roztworu i dodać kroplę roztworu Pb(NO 3 ) 2. Wytrącanie białego osadu świadczy o obecności SO 4 2 (lub Cl - ) 3. Pobrać niewielką ilość badanego roztworu i dodać kroplę roztworu AgNO 3. Wytrącenie białego osadu świadczy o obecności jonów siarczanowych(vi). AgNO 3 z roztworów bardziej rozcieńczonych nie strąca osadu. Należy wtedy przeprowadzić inną reakcję na identyfikację jonów siarczanowych. Uwaga: w obecności jonów chlorkowych strąca się AgCl, który po czasie zaczyna ciemnieć (odróżnienie od jonów SO 4 2 ) Wykrywanie jonu CH 3 COO 1. Pobrać niewielką ilość badanego roztworu do probówki, dodać 2 dwie krople 2M HCl i dodać kroplę roztworu soli Fe 3. W obecności octanów pojawia się intensywne ciemnoczerwone zabarwienie (tylko przy dużym stężeniu octanów). Po podgrzaniu roztworu czerwona barwa zanika (odróżnienie od jonów SCN ) i powstaje brunatny osad [Fe(OH) 2 (CH 3 COO)]. 2. Pobrać niewielką ilość badanego roztworu do probówki i dodać kroplę 6M H 2 SO 4. Mieszaninę lekko pogrzać. Obecność octanów wykrywa się poprzez intensywny zapach kwasu octowego. Tabele pomocnicze Tabele pomocnicze - przykładowe sposoby notowania wyników analiz. Tabele należy przerysować na osobnej kartce i uzupełnić o inne wykonywane próby i ich wyniki. reakcja z AgNO 3 reakcja z BaCl 2 próba obrączkowa reakcja z Fe 3 6

7 Kationy IV i V grupy 2M (NH 4 ) 2 CO 3 /NH 4 Cl i NH 3 barwa płomienia NaOH Kationy grup IIIa i IIIb barwa roztworu 2M NH 3aq /2M NH 4 Cl (NH 4 ) 2 S / NH 3aq i NH 4 Cl Kationy I i II grupy HCl H 2 S (AKT) Zagadnienia do sprawozdania Sprawozdanie należy przygotować wg szczegółowych wskazówek prowadzącego. Poniżej podano ogólne zasady przygotowania sprawozdania z ćwiczenia. Na stronie www dostępny jest szablon, wg którego należy przygotować sprawozdanie. 1. Podać cel ćwiczenia. 2. Opisać (w punktach) przebieg wykonania. 3. Przedstawić wszystkie obliczenia i Zapisać wszystkie równania reakcji, które zachodziły w czasie wykonywania eksperymentów. 4. Podać wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia. 7