PRAKTIKUM Z CHEMII OGÓLNEJ

Transkrypt

1 PRAKTIKUM Z CHEMII OGÓLNEJ Dwiczenia laboratoryjne dla studentów I roku kierunku Zastosowania fizyki w biologii i medycynie Biofizyka molekularna Projektowanie molekularne i bioinformatyka Optyka okularowa Dwiczenie 3 ( ) Iloczyn rozpuszczalności Reakcje strącania trudno rozpuszczalnych osadów Osoby prowadzące: mgr Joanna Kowalska, mgr Joanna Krasowska, mgr Dorota Kubacka, dr Elżbieta Bojarska Projekt Fizyka wobec wyzwań XXI w. współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Iloczyn rozpuszczalności Wstęp teoretyczny Iloczyn rozpuszczalności jest wielkością charakteryzującą tworzenie się osadów trudno rozpuszczalnych soli MA, znajdujących się w stanie równowagi z jonami M + i A, pochodzącymi z dysocjacji tej soli. Równowagi odwracalnych reakcji tworzenia i dysocjacji trudno rozpuszczalnych związków przebiegających zgodnie z równaniem można opisad za pomocą stałych równowagi M + + A MA ( ) Stała K so nazywana jest iloczynem rozpuszczalności. Przyjmując wartośd [MA] jako stałą (osad stanowi fazę stałą), wzór na iloczyn rozpuszczalności upraszcza się do postaci K so = [M + ] [A ] Iloczyny rozpuszczalności są wielkościami stałymi dla danego rozpuszczalnika i określonej temperatury. W przypadku reakcji typu mm n+ + na m- M m A n ( ) iloczyn rozpuszczalności trudno rozpuszczalnego związku wyraża się wzorem K so = [M n+ ] m [A m- ] n Ze wzoru tego można korzystad charakteryzując roztwory trudno rozpuszczalnych substancji o niskiej sile jonowej, ponieważ współczynniki aktywności jonów są bliskie wartości 1. Jeżeli jednak reakcja tworzenia trudno rozpuszczalnego osadu zachodzi w roztworze o wysokiej sile jonowej (zawierającym obce jony o znacznym stężeniu molowym), należy wówczas posługiwad się termodynamicznym (aktywnościowym) iloczynem rozpuszczalności K so a = [M n+ ] m [A m- ] n f M+ m f A- n

3 Rozpuszczalnośd substancji trudno rozpuszczalnych może byd określona nie tylko za pomocą iloczynu rozpuszczalności (K so ), ale również za pomocą rozpuszczalności (R), którą podaje się zazwyczaj w gramach na dm 3. Z przedstawionych powyżej rozważao na temat iloczynu rozpuszczalności wynikają ważne wnioski: strącanie osadu soli trudno rozpuszczalnych zaczyna się po przekroczeniu takich stężeo jonów, których iloczyn ma wartośd K so tej soli jeżeli w roztworze obecne są różne jony tworzące trudno rozpuszczalne osady z tym samym czynnikiem strącającym, to w pierwszej kolejności strąca się sól, której iloczyn rozpuszczalności jest najmniejszy, a następne sole strącają się w kolejności wzrastających wartości K so zmiana stężenia jednego z jonów pozostającym w równowadze z osadem powoduje odpowiednią zmianę stężenia drugiego jonu, aby ich iloczyn pozostał stały wzrost siły jonowej wynikający z obecności elektrolitów nie mających jonów wspólnych z osadem powoduje wzrost stężenia jonów M n+ i A m-, czyli wzrost rozpuszczalności Reakcje strącania osadów dzieli się na 3 typy: tworzenie trudno rozpuszczalnych soli Ag + + Cl AgCl tworzenie trudno rozpuszczalnych wodorotlenków Cu OH Cu(OH) 2 tworzenie trudno rozpuszczalnych kwasów Trudno rozpuszczalne osady w analizie SiO H + H 2 SiO 3 Strącanie osadów trudno rozpuszczalnych związków jest podstawą analitycznych metod rozdzielania, wykrywania i oznaczania pierwiastków. Osady mające znaczenie w analizie chemicznej można podzielid na 2 grupy: osady krystaliczne i osady koloidalne. Projekt Fizyka wobec wyzwań XXI w. współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

4 Osady krystaliczne charakteryzują się uporządkowana budową krystaliczną. Postad drobnokrystaliczna lub grubokrystaliczna osadu zależy od sposobu jego strącania. Po przekroczeniu iloczynu rozpuszczalności tworzą się najpierw tzw. zarodki krystaliczne, które wzrastają do rozmiarów właściwych kryształów. Jeżeli warunki strącania umożliwiają powstaniecie niewielkiej liczby zarodków, to otrzymuje się osad gruboziarnisty. Powstawanie takich osadów zapewnia mały nadmiar czynników strącających i ich powolne dodawanie, mieszanie roztworu, wysoka temperatura. Osady koloidalne powstają w wyniku łączenia się cząsteczek trudno rozpuszczalnej substancji w aglomeraty posiadające jednoimienne ładunki elektryczne, które odpychając się wzajemnie tworzą zol. Pod wpływem elektrolitu następuje koagulacja zolu w żel, czyli strącanie osadu koloidalnego. Przemywanie osadu koloidalnego wodą powoduje proces odwrotny, czyli przechodzenie żelu w zol (peptyzacja). Osady koloidalne maja dużą powierzchnię i wykazują zdolnośd do adsorbowania innych jonów obecnych w roztworze, co prowadzi do znacznego zanieczyszczenia osadów. Dokładne ich oczyszczenie wymaga procesu podwójnego strącania. Osady koloidalne dzieli się na hydrofilowe (wykazujące duże powinowactwo do wody) oraz hydrofobowe (niechętnie przyłączające cząsteczki wody). Przykładem koloidu hydrofilowego jest uwodniony kwas krzemowy, którego koagulacja wymaga wysokiego stężenia elektrolitu. Przykładem koloidu hydrofobowego jest As 2 S 3, który ulega szybkiej koagulacji po dodaniu niewielkiej ilości elektrolitu. Cel dwiczenia Częśd doświadczalna Strącanie trudno rozpuszczalnych osadów w roztworach wodnych zawierających jony metali, analiza jakościowa jonów metali. Zagadnienia do przygotowania Układ dyspersyjny, roztwór właściwy, roztwór koloidalny, osad krystaliczny i koloidalny, rozpuszczalnośd, iloczyn rozpuszczalności (stężeniowy i aktywnościowy).

5 Odczynniki Sole: CaCl 2, SnCl 2, MgCl 2, FeCl 3, AlCl 3, MnSO 4, NiSO 4, ZnSO 4, CuSO 4, FeSO 4 (substancje stałe) Pb(NO 3 ) 2 (roztwór wodny) (związek toksyczny!) Czynniki strącające osady: KOH, H 3 PO 4, KJ, KSCN, Na 2 C 2 O 4, K 4 [Fe(CN) 6 ] (roztwory wodne) Wykonanie dwiczenia Przygotowad 100 cm 3 roztworu wodnego każdej soli o stężeniu 0,01 M (roztwory te będą wspólne dla wszystkich grup) Umieścid w statywie probówki (co najmniej 8 sztuk) Do każdej probówki wlad 10 ml roztworu wybranej soli (w każdej probówce inny kation) Na podstawie wartości K so odczytanej z tablic wybrad dla każdego kationu przynajmniej jeden czynnik strącający trudno rozpuszczalny osad Dla każdego kationu przeprowadzid przynajmniej jedną reakcję strącania osadu wkraplając czynnik strącający do probówki zawierającej roztwór odpowiedniego kationu Zapisad zaobserwowany efekt (barwę, postad i trwałośd osadu) Napisad reakcje tworzenia trudno rozpuszczalnych osadów dla zbadanych kationów Dla dwóch wybranych reakcji obliczyd minimalne stężenie czynnika strącającego, przy którym zacznie się strącad osad Wykorzystad reakcje strącania do identyfikacji kationów w mieszaninie przygotowanej przez osobę prowadzącą Ze względu na toksyczne właściwości związków ołowiu, reakcje z Pb(NO 3 ) 2 będą przeprowadzone tylko w formie pokazów, przez osoby prowadzące dwiczenia. Projekt Fizyka wobec wyzwań XXI w. współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

6 Literatura J. Minczewski, Z. Marczenko, Chemia analityczna, Wydawnictwo Naukowe PW Wartości pk so dla wybranych trudno rozpuszczalnych związków (podane wartości są ujemnymi logarytmami iloczynów rozpuszczalności) Związek Wartośd pk so Związek Wartośd pk so MnCO 3 Mn 2 [Fe(CN) 6 ] Mn(OH) 2 NiCO 3 Ni 2 [Fe(CN) 6 ] Ni(OH) 2 9,3 12,1 12,7 8,2 14,9 14,7 Al(OH) 3 AlPO 4 CaCO 3 CaC 2 O 4 Ca(OH) 2 Ca 3 (PO 4 ) 2 32,2 18,2 8,4 8,6 5,3 26,0 PbCO 3 PbC 2 O 4 Pb 2 [Fe(CN) 6 ] PbHPO 4 PbJ 2 Pb(OH) 2 Pb 3 (PO 4 ) 2 Sn(OH) 2 ZnCO 3 ZnC 2 O 4 Zn 2 [Fe(CN) 6 ] Zn(OH) 2 Zn 3 (PO 4 ) 2 13,1 10,5 16,9 11,4 8,2 16,1 43,5 28,1 10,8 8,9 15,4 15,7 32,0 CuCO 3 CuC 2 O 4 Cu 2 [Fe(CN) 6 ] CuJ Cu(OH) 2 CuSCN FeCO 3 Fe 4 [Fe(CN) 6 ] Fe(OH) 2 Fe(OH) 3 FePO 4 MgHN 4 PO 4 MgCO 3 Mg(OH) 2 9,6 7,5 15,9 12,0 18,6 12,7 10,5 40,5 15,1 38,6 21,9 12,6 5,0 10,7