Chemia laboratorium Geologia I rok studia inżynierskie ćwiczenia nr 2,3 HYDROLIZA

Transkrypt

1 hemia laboratorium Geologia I rok studia inżynierskie ćiczenia nr, YDROLIZA WSTĘP TEORETYZNY ydroliza jest szczególnym przypadkiem procesu sololizy tzn. reakcji chemicznych jonó słabego kasu lub słabej zasady z cząsteczkami rozpuszczalnika o charakterze protonoym. W przypadku hydrolizy oznacza to reakcję anionó słabego kasu lub kationu słabej zasady z cząsteczkami ody. Podobnie jak dysocjacja elektrolityczna, hydroliza jest jednym z rodzajó reakcji protolitycznej, których oda, jako kas lub zasada Brönsteda, reaguje z anionami słabych kasó lub kationami słabych zasad, będącymi kasami i zasadami Brönsteda. ydrolizie ulegają kationy słabych zasad i aniony słabych kasó pochodzących od: a) soli słabych zasad i silnych kasó, b) soli słabych kasó i mocnych zasad, c) soli słabych kasó i słabych zasad. ydrolizie nie ulegają aniony mocnych kasó i kationy mocnych zasad. Jony postające podczas dysocjacji soli pochodzących od słabych zasad i mocnych kasó, mocnych zasad i słabych kasó oraz słabych zasad i słabych kasó, reagują z odą torząc cząsteczki słabych zasad lub słabych kasó. Wynikiem reakcji z odą, tj. reakcji hydrolizy jest to, że roztory ymienionych rodzajó soli mają odczyn kaśny lub zasadoy, zależnie od tego, z którym z ymienionych rodzajó soli mamy do czynienia.. ydroliza soli słabych zasad i mocnych kasó oraz słabych kasó i mocnych zasad typu N I, OONa. Po rozpuszczeniu odzie sole te ulegają całkoicie dysocjacji: N l N l - a następnie kation słabej zasady lub anion słabego kasu hydrolizuje edług reakcji: N O N O () Podobnie jak dysocjacja elektrolityczna, hydroliza jest reakcją rónoagoą, której oda reaguje z anionami słabych kasó lub kationami słabych zasad. Stałe rónoagi reakcji hydrolizy (stałe hydrolizy) kationu słabej zasady lub anionu słabego kasu yrażone są przez stosunek iloczynu stężeń jonó i cząsteczek postałych yniku hydrolizy do stężenia jonó ulegających hydrolizie: [ N O [ [ N [ N O [ [ O Jeżeli pomnożymy stałą hydrolizy kationu amonoego przez i [ N [ O podstaimy miejsce artości [O - zależność ynikającą z iloczynu jonoego ody:

2 hemia laboratorium Geologia I rok studia inżynierskie ćiczenia nr, [ N [ O O to otrzymamy zależność: gdzie yrażenie: [ [ N [ O [ N O odpoiada odrotności stałej dysocjacji amoniaku (słabej zasady). [ N [ O W stanie rónoagi: [ c c NO oraz [N c N c 0N -c otrzymujemy: N O N 0N i jeżeli stężenie analityczne soli c Nl, które po całkoitej dysocjacji soli jest róne 0N, jest co najmniej o da rzędy iększe od c, to poyższe rónanie przyjmuje postać: czyli 0N * 0 N W Analogicznie OONa OO - Na OO - O OO O - () [ OO [ O [ OO [ Podobnie mnożąc stałą hydrolizy anionu OO - przez i podstaiając miejsce [ artości [ zależność ynikającą z iloczynu jonoego ody: [ otrzymamy: [ O [ OO gdzie jest stałą dysocjacji słabego kasu octoego. [ [ OO W stanie rónoagi: [ c c NO oraz [N c N c 0N -c otrzymujemy: N O N 0N Podobnie, uzględniając, że stanie rónoagi reakcji hydrolizy jonu OO - pochodzącego od soli tego kasu z mocną zasadą ( OONa): [O c O- c OO, oraz [ OO - c OO- c 0OO- - c Ogdzie c 0OO- jest rónoażne stężeniu analitycznemu soli [ OONa roztorze odnym, otrzymujemy: OO OO O O 0 OO O

3 hemia laboratorium Geologia I rok studia inżynierskie ćiczenia nr, i jeśli stężenie analityczne soli OONa, które po całkoitej dysocjacji soli jest róne c ooo-, jest co najmniej o da rzędy iększe od c O- to rónanie to upraszcza się do postaci: O czyli 0 OO O * 0 OO W Jak ynika z rónań () i () roztór soli słabej zasady i mocnego kasu (np. N I) będzie miał odczyn kaśny, natomiast roztór odny soli słabego kasu i mocnej zasady (np. OONa) będzie miał odczyn zasadoy. Stałe hydrolizy zależą od temperatury i siły jonoej roztoru. Ich artości nie są stabelaryzoane, gdyż ziązane są ze stałymi dysocjacji słabego elektrolitu i iloczynem jonoym ody zęsto do opisu ilościoego hydrolizy stosoany jest stopień hydrolizy (β), zdefinioany jako stosunek liczności (stężenia) jonó, które postały yniku hydrolizy do liczności (stężenia) jonó ulegających hydrolizie postałych yniku dysocjacji soli. β n' c' n c 0 0 np. dla roztoró soli typu N I i OONa stopień hydrolizy β jest yrażony odpoiednio jako: O β i β. 0N 0OO Podstaiając do zoró () i (5) odpoiednie yrażenia na stopień hydrolizy otrzymujemy: β β 0N 0 i OO () β β Jeśli β jest bardzo małe, mniejsze od 0,0 to otrzymujemy: 0N β i 0OO- β () Z otrzymanych zależności () i () ynika, że stopień hydrolizy soli słabej zasady i mocnego kasu oraz soli słabego kasu i mocnej zasady maleje ze zrostem stężenia soli i rośnie ze zrostem rozcieńczenia soli. Z rónania reakcji hydrolizy soli słabej zasady i mocnego kasu ynika, że celu zmniejszenia stopnia jej hydrolizy do roztoru tej soli należy dodać mocnego kasu (całkoicie zdysocjoanego). Spooduje to silny zrost stężenia jonó odoroych i przesunięcie rónoagi reakcji leo (rónanie ()). Natomiast zmniejszenie stopnia hydrolizy soli słabego kasu i silnej zasady można osiągnąć poprzez dodanie do roztoru tej soli mocnej zasady. Spooduje to silny zrost stężenia jonó odorotlenoych i przesunięcie rónoagi reakcji () leo.. ydroliza soli typu All, Na O ydroliza jonó o ładunku różnym od ± przebiega ieloetapoo. Po rozpuszczeniu odzie tego typu soli hydroliza anionu słabego kasu i kationu słabej zasady przebiega etapami, dla których można określić stałe hydrolizy dla każdego etapu. W praktyce stężenie jonó (dla soli słabej zasady i mocnego kasu) lub stężenie jonó O - (dla soli słabego kasu i mocnej zasady)

4 hemia laboratorium Geologia I rok studia inżynierskie ćiczenia nr, postałych pierszym etapie hydrolizy tak silnie przecidziała dalszym etapom hydrolizy, że do obliczeń p i stopnia hydrolizy roztoru ykorzystuje się tylko stałą hydrolizy pierszego stopnia. ydroliza AII. ation Al pochodzący z dysocjacji odnego roztoru AII hydrolizuje następująco: Al O Al(O) Al(O) O Al(O) Al(O) O Al(O) Z reguły kolejne stałe hydrolizy różnią się co najmniej o 5 rzędó, óczas [ >> [ >> [. Wartość p roztoru tej soli obliczamy tak jak dla roztoró odnych soli słabych kasó i silnych zasad oraz słabych zasad i silnych kasó ykorzystując tylko pierszą stałą hydrolizy: [ [ s (9) b gdzie b jest stałą dysocjacji trzeciego stopnia odorotlenku glinu AI(O) jak przedstaia rónanie: AI(O) Al O - Podobnie jak dla innych typó soli hydrolizę można cofnąć przez dodanie do roztoru All roztoru mocnego kasu. Gdy stężenie mocnego kasu X, c X, jest dużo iększe od [ ; co najmniej o da rzędy, óczas [ c X. Jeżeli stężenie mocnego kasu jest porónyalne z [ to do zoru (9) za [ podstaiamy yrażenie: [ X [. Stężenia jonó odoroych pochodzących z dalszych stopni hydrolizy, jako bardzo małe nie uzględniamy obliczeniach. Natomiast dodanie ziązku chemicznego iążącego jony odoroe spooduje przesunięcie rónoagi reakcji hydrolizy prao i postanie białego osadu odorotlenku glinu. Np. proadzenie do roztoru odnego AIl ęglanu sodu spooduje ytrącenie osadu: AI O - O AI(O) O Identyczna reakcja zachodzi rónież dla innych trialentnych kationó jak Fe czy r. W przypadku kationó dialentnych np. u, Ni, o, ęglany strącają osady będące mieszaniną ęglanó metali i soli zasadoych. ydroliza Na O. Jony O - pochodzące z dysocjacji odnego roztoru np. ęglanu sodu hydrolizują edług reakcji: O - O O - O - O - O O O - Stałe hydrolizy anionu ęglanoego mają postać: O O O a O O O a Z poodó przedstaionych dla hydrolizy AII, rónież pierszy stopień hydrolizy Na O jest o kilka rzędó iększy niż drugi stopień hydrolizy. ydrolizę tej soli można cofnąć przez dodanie do roztoru ęglanu mocnej zasady. Dodanie mocnego kasu przesunie rónoagę reakcji hydrolizy prao.. ydroliza soli słabych kasó i słabych zasad typu OON, N N.

5 hemia laboratorium Geologia I rok studia inżynierskie ćiczenia nr, W przypadku soli, której kation i anion pochodzą od słabych elektrolitó roztorach odnych, oba jony postające yniku dysocjacji ulegają hydrolizie. Dla octanu amonu: OON OO - N OO - O OO O - oraz N O N O Dla cyjanku amonu: N N N N - N - O N O - oraz N O N O Stałą rónoagi sumarycznej dla reakcji cyjanku amonu: N - N O N N O yraża zależność: h [ N O [ N [ N [ N Wykonując odpoiednie przekształcenia, otrzymujemy następujące zależności: h (0) ab a [ () b β () ab Z przedstaionych zależności (0) ynika, że artość stałej hydrolizy soli słabej zasady i słabego kasu jest tym iększa im mniejsze są artości stałych dysocjacji słabego kasu i słabej zasady tzn. im słabsza jest zasada i kas torzących sól. Rónania () i () ykazują, że artość p oraz stopień hydrolizy soli słabego kasu i słabej zasady roztorze odnym nie zależą od stężenia początkoego soli a jedynie od artości stałych dysocjacji słabego kasu (a) i słabej zasady (b) i podobnie jak dla soli typu N I czy OONa, od temperatury (gdyż artość stałej hydrolizy każdej soli ulegającej hydrolizie zależna jest od temperatury). Jednocześnie roztorze musi być zachoana zależność [ [O -. W roztorach tego typu soli artości stężeń jonó [ i [O - zależą jedynie od stosunku a / b. a nie zależą od stężenia soli: a b [ [ O Jeżeli artości stałych dysocjacji słabego kasu i słabej zasady torzących sól są do siebie zbliżone to odczyn kasoości roztoru odnego tej soli będzie bliski obojętnego. Jeżeli natomiast artości stałych dysocjacji a i b różnią się znacznie to odczyn roztoru odnego będzie różny od obojętnego. Jeśli a > b roztór będzie miał odczyn kaśny, a gdy b > a roztór będzie miał odczyn alkaliczny.. ydroliza z ydzieleniem osadu. Rozpuszczalne odzie ziązki chemiczne bizmutu(iii), antymonu(lll), antymonu(v), cyny(ll) hydrolizują z ydzieleniem osadó. W przypadku chlorku bizmutu(iii) zachodzą następujące reakcje: Bi O Bi(O) Bi(O) O Bi(O) Bi(O) l - BiOI O W yniku reakcji postaje osad chlorku tlenku bizmutu(lll). Podobnie zachodzi hydroliza jonó Sb. Natomiast jony Sb 5 hydrolizują z ydzieleniem osadu SblO. ationy Sn, odnych roztorach chlorkó, yniku hydrolizy torzą osad Sn(O)I. 5

6 hemia laboratorium Geologia I rok studia inżynierskie ćiczenia nr, Przez dodanie mocnego kasu do tak ytrąconego osadu następuje roztorzenie osadu yniku silnego zrostu stężenia jonó odoroych przesuających rónoagę dóch pierszych etapó hydrolizy leo. Fakt ten ykorzystyany jest chemii do sporządzania roztoró odnych ziązkó cyny, bizmutu i antymonu. Do przygotoanych roztoró soli tych metali dodaje się mocnego kasu (kasu solnego, azotoego lub siarkoego, zależnie od rodzaju soli) co zapobiega hydrolizie jonó tych metali i przecidziała ytrącaniu się osadó. Literatura: A. Bielański, Podstay chemii nieorganicznej, PWN, Warszaa 00. I.Barycka,.Skudlarski, Podstay chemii,. Oficyna Wydanicza Pol. Wr.. Wrocła 00. T.Lipiec, Z.S.Szmal, hemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej, PZWL, Warszaa 996. A. Jabłoński. T.Paleski, L.Palak, W.Walkoiak, B.Wróbel, B.Ziółek, W.Żyrnicki, Obliczenia chemii nieorganicznej, Oficyna Wydanicza P.Wr., Wrocła 00. 6

7 hemia laboratorium Geologia I rok studia inżynierskie ćiczenia nr, OPIS DOŚWIADZEŃ Ćiczenie. Badanie p soli. ęglan sodu (NaO) chlorek sodu (NaI) chlorek amonu (NI) siarczan(iv) sodu (NaSO) siarczan(vi) sodu (NaSO) odorofosforan(v)sodu (NaPO ) octan sodu (OONa) papierki skaźnikoe probóki statyie. Opis ćiczenia: W ponumeroanych probókach przygotoać roztory / soli rozpuszczając nieielką ich ilość (jedną mikroszpachelkę) około ml ody destyloanej. Za pomocą uniersalnego papierka skaźnikoego określić odczyn otrzymanych roztoró soli (zanurzyć szklaną bagietkę roztorze i zilżyć papierek). Obliczyć p roztoró tych soli, których jony ulegają hydrolizie przyjmując stężenie soli c0, M, yniki przedstaić formie tabelki: Roztór NaO NaI NI NaSO NaSO NaPO OONa Zabarienie papierka skaźnikoego Wartość p odczytana ze skali Obliczona artość p Ćiczenie. Dysocjacja elektrolitó słabych obecności mocnych kasó lub zasad. Opis ćiczenia: 0, M roztór amoniaku (N O) 0, M roztór kasu solnego-(l) 0, M roztór odorotlenku sodu (NaO) 0, M roztór kasu octoego ( OO) 0, M roztór octanu sodu ( OONa) probóki statyie elem dośiadczenia jest określenie płyu mocnego elektrolitu (I, NaO) na p słabej zasady (N O) oraz roztoru buforoego (N O N l). a) Do trzech probóek lać po ml 0, M roztoru N O. Do jednej z probóek dodać 0,5 ml O, do drugiej 0,5 ml 0, M roztoru I a do trzeciej 0,5 ml 0, M roztoru NaO. Po 7

8 hemia laboratorium Geologia I rok studia inżynierskie ćiczenia nr, ymieszaniu zaartości z każdej z probóek pobrać kroplę roztoru i zilżyć papierek skaźnikoy (na zakres skaźnikoy p 9,5 -,0). Porónać obseroane bary papierkó skaźnikoych ze skalą p. Określić p badanych roztoró. Napisać zachodzące roztorach reakcje. b) Do trzech probóek lać po ml0, M roztoru N O i ml 0, M roztoru N l. Następnie do jednej z probóek dodać 0,5 ml O, do drugiej 0,5 ml 0, M roztoru I, a do trzeciej 0,5 ml0, M roztoru NaO. Po ymieszaniu zaartości każdej z probóek pobierz kroplę roztoru i zilż nią papierek skaźnikoy (na zakres skaźnikoy p,5-6,8). Określić p badanych roztoró za pomocą papierkó skaźnikoych. Napisz zachodzące roztorach reakcje. Jak płya dodatek mocnego kasu lub mocnej zasady na p roztoru buforoego? Ćiczenie. ydroliza z ydzieleniem osadu. 0, M azotan(v) bizmutu(lll) (Bi(NO ) ) nasycony roztór chlorku sodu (NaI) M kas solny (I). probóki statyie Opis ćiczenia: Do probóki proadzić około 0,5 ml roztoru 0, M Bi(NO ), dodać 5 ml ody destyloanej i - kropli nasyconego roztoru NaI*. Do otrzymanego ten sposób roztoru z osadem dodaać kroplami M roztór I aż do całkoitego roztorzenia osadu. Otrzymany klarony roztór rozcieńczyć - -krotnie odą destyloaną. (* - Dodanie chlorku sodoego do roztoru Bi(NO ) pooduje ziększenie stopnia hydrolizy) Analiza dośiadczenia i nioski Wyjaśnić przyczynę postaania osadu i jego roztorzenie się po dodaniu kasu solnego. Napisać, jonoo rónania reakcji. Roztór po ykonaniu ćiczenia ylać do pojemnika na metale ciężkie! Ćiczenie. Wpły temperatury na hydrolizę Opis ćiczenia: 0,5 M amid kasu tiooctoego SN (AT) 0, M azotan(v) srebra(l) (AgNO ) 0,5 M roztoru octanu sodu roztór fenoloftaleiny probóki statyie a) Do dóch probóek o pojemności ok. 0 ml proadzić po około 5 kropli 0,5 M roztoru amidu kasu tiooctoego, dodać ml ody destyloanej. Jedną probókę ogrzeać na rzącej łaźni odnej przez około 0 minut. Następnie u ylotu probóki umieścić kaałek bibuły zilżonej 0, M roztorem AgNO. Nad drugą, nie ogrzeaną probóka, umieścić rónież kaałek bibuły zilżonej roztorem AgNO. Wyjaśnić dlaczego bibuła uległa zaczernieniu. 8

9 hemia laboratorium Geologia I rok studia inżynierskie ćiczenia nr, ydroliza AT: Napisać rónania zachodzących reakcji. SN O OO - S N b) Do dóch szklanych probóek proadzić około 5,0 ml0,5 M roztoru octanu sodu oraz po krople roztoru fenoloftaleiny. Jedną z tych probóek ogrzeać na łaźni odnej a drugą probókę zostaić celach porónaczych. Wyjaśnić zaobseroane różnice zabarienia roztoru obu probókach Ćiczenie. Wpły p na hydrolizę. stały chlorek cyny(ll) (SnI ) probóki statyie Opis ćiczenia: Do probóki proadzić ok. 0, g stałego SnIi ok. ml ody destyloanej. Roztór dokładnie ymieszać. Postały biały osad jest zasadoą solą SnOI. Analiza dośiadczenia i nioski W yniku jakiego procesu otrzymano ten osad? Napisz jonoo rónanie reakcji z ydzieleniem osadu Sn(O)I. Jakiego ziązku chemicznego należy dodać do ytrąconego osadu celu jego roztorzenia? Wniosek skontroloać dośiadczalnie. Ćiczenie 5. ydroliza jonó Fe. 0,0 M chlorek żelaza(lll) (Fel ) 0, M ęglan sodu (Na O ) roztór oranżu metyloego probóki statyie Opis ćiczenia: a) Do dóch szklanych probóek proadzić po ok. 5,0 ml0,0m roztoru Fel oraz 0.5 ml roztoru oranżu metyloego. Na podstaie zabarienia roztoru określić jego odczyn. Jedną z probóek ogrzać łaźni odnej. Dlaczego podczas ogrzeania zmienia się intensyność zabarienia roztoru? Napisać jonoo reakcje hydrolizy jonó Fe. W jaki sposób można zmniejszyć stopień hydrolizy jonó Fe? b) ydroliza Fel obecności Na O. Do probóki proadzić,0 ml 0,0 M FeI i dodaać kroplami 0, M roztór ęglanu sodu. Jaki osad się ytrąca? Jaki gaz się ydziela? Napisz jonoo rónania zachodzących reakcji. Jak płya dodanie Na O na hydrolizę Fe? Po ykonaniu ćiczenia zaartość probóek ylać do pojemnika na metale. 9