ANALIZA CHEMICZNA. dr Sylwester A. Stępniak. Katedra Chemii, SGGW Zakład Chemii Żywności. Gmach nr 23, pok. 0100

Transkrypt

1 ANALIZA CHEMICZNA dr Sylwester A. Stępniak Katedra Chemii, SGGW Zakład Chemii Żywności Gmach nr 2, pok

2 PRGRAM WYKŁADÓW W_1. Analiza kationów wg R. Freseniusa W_2. Analiza anionów wg R. W. Bunsena W_. 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. znaczanie 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_1. Masa molowa, kriometria, ebuliometria, refraktometria, polarymetria W_14. Wiskozymetria, nefelometria, kalorymetria, adsorpcja W_15. Spektroskopia. Chromatografia. Ekstrakcja

3 Jakie znamy metody analizy chemicznej? I. ANALIZA JAKŚCIWA II. ANALIZA ILŚCIWA A. ANALIZA STECHIMETRYCZNA B. ANALIZA NIESTECHIMETRYCZNA 1. Analiza związków organicznych 2. Analiza związków nieorganicznych 1. Analiza kationów 2. Analiza anionów Analiza wagowa Analiza objętościowa: -Redoksometria -Alkacymetria -Kompleksometria -Argentometria 1. Metody elektrochemiczne: Jakie wielkości fizykochemiczne - Potencjometria wykorzystywane są w tych metodach analizy - Konduktometria - Elektroforeza kapilarna niestechiometrycznej? - Polarografia 2. Metody spektroskopowe: - Spektroskopia emisyjna γ, X, UV, VIS, IR, MW, NMR - Spektroskopia absorpcyjna. Metody chromatograficzne: - Chromatografia podziałowa - Chromatografia adsorpcyjna 4. Inne: - Refraktometria - Nefelometria - Wiskozymetria GC, TLC, HPLC

4 Nr ćw. Temat ćwiczenia Część teoretyczna Zadanie kontrolne 1. Analiza kationów mówienie programu, zasady BHP w pracowni chemicznej. Reakcje chemiczne (Problemy do samodzielnego rozwiązania: 1, 2,, 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.). Analiza anionów Kolokwium I (analiza kationów), (15 pkt.) Reakcje chemiczne (Problemy do samodzielnego rozwiązania: 11, 12, 1, 14, 15, 16, 17, 18, 19) *. Analiza anionów: kryterium podziału anionów na grupy analityczne, reakcje charakterystyczne anionów I - VII grupy analitycznej. I - VII grupa analityczna anionów, (2 probówki), (2 pkt.) 4. Identyfikacja soli Kolokwium II (analiza anionów), ( 15 pkt.) Reakcje chemiczne (Problemy do samodzielnego rozwiązania: 20, 21) *. Identyfikacja substancji stałych: podział substancji chemicznych, nomenklatura związków nieorganicznych. Analiza soli (faza st.) (2 probówki) (2 pkt.) 5. Analiza ilościowa stechiometryczna. Redoksometria Analiza ilościowa. Wprowadzenie do analizy ilościowej. Substancje podstawowe, roztwory mianowane, zadania rachunkowe na stężenia. Przygotowanie roztworów H 2 C 2 4 i KMn 4 6. Redoksometria (c.d.) Manganometria. znaczanie Ca metodą manganometryczną. znaczanie Cu metodą jodometryczną. Zadania rachunkowe z redoksometrii. Ilościowe oznaczanie Fe 2+ (2 pkt.) 7. Alkacymetria Kolokwium III (redoksometria), (15 pkt.) Zadania rachunkowe z alkacymetrii. Ilościowe oznaczanie NaH (2 pkt.) 8. Alkacymetria Typy zadań na ph roztworów: ph mocnych i słabych elektrolitów. Ilościowe oznaczanie HCl (2 pkt.) 9. Metody instrumentalne w analizie Kolokwium IV (alkacymetria), (10pkt.) Krzywe miareczkowania. ph roztworów buforowych. ph roztworów soli hydrolizujących. Wg harmonogramu ćwiczeń z chemii fizycznej (2 pkt.) 10. Metody instrumentalne w analizie Kolokwium V (metody instrumentalne analizy), (10 pkt.) Wg harmonogramu ćwiczeń z chemii fizycznej (2 pkt.)

5 + H- ANALIZA JAKŚCIWA KATINÓW Podział kationów na grupy analityczne wg R. Freseniusa Nr grupy III V KATIN Y I Ag, Hg 2, Pb II Cu, Hg, As IV Fe, Fe, Co, Mn, Zn, Al Ca, Ba H C-C AKT: Amid kwasu tiooctowego K, NH, Mg 4 H C-C S NH 2 S NH H DCZYNNI K GRUPWY AKT+ HCl aq AKT + HCl aq, bufor amonowy, 2- bufor C + amon owy 2 - H H C-C + H H C-C Prod ukt reakcji z odczynnikiem grupo wym AgCl, Hg Cl, PbCl CuS, H gs, As 2 S FeS, Fe2S, CoS MnS, ZnS, Al(H) H CaC, BaC - + NH + H S NH H + S 2-4

6 Schemat systematycznej analizy I i II grupy kationów Badany roztwór 1 + HCl aq Wytrąca się osad: AgCl, Hg 2 Cl 2,PbCl 2 biały biały biały becność kationów I grupy analitycznej 1 a + NH 4 H [Ag(NH ) 2 +, (HgNH 2 Cl), PbCl 2 czarny osad biały osad Badany roztwór Reakcje charakterystyczne kationów I grupy analitycznej W jakim przypadku reakcja z odczynnikiem grupowym jest jednocześnie reakcją charakterystyczną? H C-C S NH H Wytrąca się osad: CuS, HgS, As 2 S czarny czarny żółty becność kationów II grupy analitycznej Brak osadu Badany roztwór nie zawiera kationów I grupy analitycznej 1 b 2 a 2 H 2 + AKT, ogrzewanie H C-C H + NH + H S Badany roztwór Reakcje charakterystyczne kationów II grupy analitycznej 4 2

7 Aparat Kippa W aparacie Kippa można otrzymać: Wodór (H 2 ) Amoniak (NH ) Chlorowodór (HCl) Siarkowodór (H 2 S) Tlenek siarki (IV) (S 2 ) Tlenek azotu (IV) (N 2 ) Tlenek węgla (IV) (C 2 ) Chlor (Cl 2 ) Cyjanowodór (HCN) Przykładowe reakcje zachodzące w aparacie Kippa: Zn + H 2 S 4 = ZnS 4 + H 2 FeS + 2HCl = FeCl 2 + H 2 S CaC + 2HCl = CaCl 2 + C 2 + H 2 NaCl + H 2 S 4 = NaHS 4 + HCl Cu + 2H 2 S 4 = CuS 4 + S H 2

8 Reakcje charakterystyczne kationów I grupy analitycznej : AgCl + 2 NH 4 H = [Ag(NH ) Cl + 2 H 2 Hg 2 Cl NH 4 H = HgNH 2 Cl + Hg + NH 4+ + Cl + 2 H 2 Jak w analizie kationów wykorzystuje się reakcje tworzenia jonów kompleksowych? NaH (nadmiar odczynnika) K 2 Cr 2 7 KI Ag + Ag + + 2H - = Ag 2 + H 2 brunatny osad Ag + + Cr = Ag 2 Cr 2 7 czerwonobrunatny osad Ag + + I - = AgI żółty osad Hg 2 2+ Hg H - = Hg 2 + H 2 czarny osad Hg Cr 4 2- = Hg 2 Cr 4 * brunatny osad Hg I - = Hg 2 I 2 żółtozielony osad Pb H - = Pb(H) 2 Pb 2+ biały osad Pb2+ + Cr 2-4 = PbCr 4 * Pb(H) 2 + 2H - = [Pb(H) 4 2- żółty osad Pb I - = PbI 2 żółty osad * - Reakcję przeprowadza się po dodaniu roztworu octanu sodu (CH CNa), w którym w wyniku reakcji hydrolizy: CH C + H 2 = CH CH + H środowisko alkalizuje się i jony Cr 2 7 przechodzą w jony Cr 4 : Cr H = 2Cr 4 + H 2. Reakcja z jonami Cr 4 przebiega łatwiej niż z jonami Cr 2 7, gdyż chromiany są trudniej rozpuszczalnymi w wodzie solami niż dichromiany.

9 Jony kompleksowe [AL n x Ligand NH 2 F Cl Br I 2 H S Ligandy anionowe Nazwa ligandu Amido- Fluoro- Chloro- Bromo- Jodo- kso- Perokso- Hydrokso- Tio- n - Liczba ligandów w jonie kompleksowym x - Ładunek elektryczny jonu kompleksowego. Wzór związku Nazwa związku [Ag(NH ) 2 Cl Chlorek diaminasrebra Na 2 [Pb(H) 4 Tetrahydroksoołowian(II) sodu Na[Al(H) 4 Tetrahydroksoglinian sodu [Zn(NH ) 6 Cl 2 Dichlorek heksaaminacynku(ii) K Heksacyjanożelazian(III) potasu K 4 Heksacyjanożelazian(II) potasu Fe 2 Heksacyjanożelazian(III) żelaza(ii) Fe 4 Heksacyjanożelazian(II) żelaza(iii) S 2 Disulfido- Co 2 Heksacyjanożelazian(II) kobaltu(ii) CN Cyjano- Mn 2 Heksacyjanożelazian(II) manganu(ii) SCN Tiocyjaniano- Zn 2 Heksacyjanożelazian(II) cynku(ii) C 2 4 H 2 Szczawiano- Ligandy obojętne Akwa- K 2 [HgI 4 [Fe(C) 5 K 4 [Co(CN) 4 Tetrajodortęcian(II) potasu Pentakarbonylżelazo(0) Tetracyjanokobaltan(0) potasu NH Amina- N Nitrozyl- C Karbonyl-

10 Reakcje charakterystyczne kationów II grupy analitycznej: AKT: H C-C S NH H 2 H H C-C H + NH + H S 4 2 Hg 2+ + H 2 S = HgS + 2 H + Cu 2+ + H 2 S = CuS + 2 H + 2 As + + H 2 S = As 2 S + 6 H + Jak w analizie kationów wykorzystuje się zjawisko amfoteryczności? Wybrane reakcje charakterystyczne kationów II grupy analitycznej NaH KI (nadmiar odczynnika) NaH + AgN Hg 2+ Hg H - = Hg + H 2 Żółty osad Cu 2+ Cu H - = Cu(H) 2 * Niebieski osad As + As + + 6H - = As - + H 2 ** - Hg I - = HgI 2 Czerwony osad HgI 2 + 2I - = [HgI Cu I - = CuI 2 Żółty osad - As + + 6H - = As - + H 2 As - + Ag + = Ag As Żółty osad * - W wyniku podgrzewania niebieski osad Cu(H) 2 przechodzi w czarny osad Cu. ** - Reakcja, w której wykorzystuje się właściwości amfoteryczne As(III). Powstający w wyniku tej reakcji jon As - z jonami Ag + daje charakterystyczny żółty osad.

11 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 Pb 2+ Pb(H) 2 H 2 Pb 2 Pb 2-2 Tlenek zasadowy 1. Pb + H 2 S 4 = PbS) 4 + H 2 2. Pb + 2 NaH = Na 2 Pb 2 + H 2 Jak w analizie kationów wykorzystuje się amfoteryczność? 1. Pb H - = Pb(H) 2 ; Pb(H) H - = Pb H 2 2. As H - = As - + H 2 ; As - + Ag + = Ag As. Zn H - = Zn(H) 2 ; Zn(H) H - = Zn H 2 4. Al + + H - = Al(H) ; Al(H) + H - = nie reaguje

12 Amfoteryczność: Amfoteryczność jest to właściwość substancji chemicznej (cząsteczek lub jonów) przejawiająca się tym, że może ona reagować zarówno z kwasami, jak i zasadami. HC + H + aq = H 2 + H 2 C HC + H = H 2 + C z 1 k 2 z 2 k 1 k 1 z 2 k 2 z 1 Przyjmuje kation (H + ) ddaje kation (H + ) Przyjmuje kation (H + ) ddaje kation (H + ) ddaje kation (H + ) Przyjmuje kation (H + ) ddaje kation (H + ) Przyjmuje kation (H + ) Pb 2+ aq + 4H = [Pb(H) 4 + H 2 [Pb(H) 4 + 4H + aq = Pb 2+ aq + 4H 2 k 1 z 2 k 2 z 1 ddaje kation (Pb 2+ ) Przyjmuje kation (Pb 2+ ) ddaje kation (Pb 2+ ). Przyjmuje kation (Pb 2+ ) z 1 Przyjmuje k 2 k 1 z 2 kation (H + ) ddaje ddaje kation (H + ) kation (H + ) W formie kationowej lub anionowej mogą występować w roztworze wodnym następujące pierwiastki (w nawiasach podano ich stopień utlenienia): Przyjmuje kation (H + ) 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).

13 Schemat systematycznej analizy kationów III grupy analitycznej Bufor amonowy Badany roztwór AKT: H C-C S NH 2 + H H C-C + NH H + S 2-4 Roztwór NH 4 H o stężeniu 1 mol dm - i roztwór NH 4 Cl o stężeniu mol dm - w stosunku objętościowym 1: Brak osadu Badany roztwór nie zawiera kationów III grupy analitycznej Etapy reakcji z odczynnikiem grupowym III grupy: 1. Do 0,5 cm badanego roztworu dodać 0,5 cm buforu amonowego 2. Dodać 0,5 cm roztworu AKT. grzewać przez 10 minut Badany roztwór a Wytrąca się osad: FeS, Fe 2 S, CoS, Czarny Czarny Czarny MnS, ZnS, Al(H) Cielisty Biały Biały becność kationów III grupy analitycznej Reakcje charakterystyczne kationów III grupy analitycznej

14 Jaka jest procedura sprawdzania, czy w badanym roztworze znajdują się kationy III grupy analitycznej, a jaka przy sprawdzaniu czy są kationy IV grupy analitycznej? Bufor amonowy Roztwór NH 4 H o stężeniu 1 mol dm - i roztwór NH 4 Cl o stężeniu mol dm - w stosunku objętościowym 1: Etapy reakcji z odczynnikiem grupowym III grupy: 1. Do 0,5 cm badanego roztworu dodać 0,5 cm buforu amonowego 2. Dodać 0,5 cm roztworu AKT. grzewać przez 10 minut 1 cm (NH 4 ) 2 C cm NH 4 Cl 1 cm NH 4 H 1 cm buforu amonowego 1 cm badanego roztworu 1 cm (NH 4 ) 2 C Etapy reakcji z odczynnikiem grupowym IV grupy: 1. Do 0,5 cm badanego roztworu dodać 0,5 cm buforu amonowego 1 cm buforu amonowego 1 cm badanego roztworu 2. Dodać 0,5 cm roztworu (NH 4 ) 2 C

15 Reakcje charakterystyczne kationów III grupy analitycznej: H C-C S NH 2 + H H C-C + NH H + S 2-4 Fe 2+ FeS Podgrupa A Podgrupa B Fe + Co 2+ Mn Zn Al + H S 2- Który związek jest trudniej rozpuszczalny? Fe S 2 CoS MnS ZnS Al(H) 1. Al(H) czy Al 2 S 2. Fe(H) czy Fe 2 S

16 Jony kompleksowe w analizie kationów : Jak w analizie kationów wykorzystuje się reakcje tworzenia jonów kompleksowych? 1. AgCl + 2 NH 4 H = [Ag(NH ) 2 + Kation diaminasrebrowy 2. Hg I - = HgI 2 ; HgI I - = [HgI 4 2- Anion tetrajodortęci(ii). Zn NH 4 H = Zn(H) NH 4+ ; Zn(H) NH 4 H = [Zn(NH ) H - Kation heksaminacynku(ii)

17 Jony kompleksowe w analizie kationów : Jak w analizie kationów wykorzystuje się reakcje z jonami kompleksowymi? III II II III Fe 2+ = Fe 2 (niebieski osad) Anion heksacyjanożelaza(iii) II III III Heksacyjanożelazian(III) żelaza(ii) Fe + = Fe 4 (niebieski osad) Anion heksacyjanożelaza(ii) Co 2+ = Co 2 (zielony osad) Heksacyjanożelazian(II) żelaza(iii) Heksacyjanożelazian(II) kobaltu(ii) Zn 2+ = Zn 2 (białokremowy osad) Heksacyjanożelazian(II) cynku(ii) Mn 2+ = Mn 2 (biały osad) II Heksacyjanożelazian(II) manganu(ii)

18 Reakcje charakterystyczne kationów III grupy analitycznej Podgrupa A: Jak w analizie kationów wykorzystuje się reakcje z jonami kompleksowymi? III NaH K K 4 II Fe 2+ Fe H - = Fe(H) 2 Brązowzielony osad Fe = Fe 2 Niebieski osad - Fe + Fe + + H - = Fe(H) Czerwono-brązowy osad - 4Fe = Fe 4 Niebieski osad Co 2+ Co H - = Co(H) 2 Różowy osad - 2Co = Co 2 Zielony osad

19 Reakcje charakterystyczne kationów III grupy analitycznej Podgrupa B: Jak w analizie kationów wykorzystuje się reakcje z jonami kompleksowymi? NaH (nadmiar) NH 4 (H) (nadmiar) II K 4 Mn 2+ Mn H - = Mn(H) 2 Różowy osad Mn NH 4 H = Mn(H) 2 + 2NH 4 + Różowy osad Mn = Mn 2 Biały osad Zn 2+ Zn H - = Zn(H) 2 Biały osad Zn(H) 2 + 2H - = [Zn(H) 4 2- Zn NH 4 H = = Zn(H) 2 + 2NH 4 + Biały osad Zn(H) 2 + 6NH 4 H = [Zn(NH ) H - + 6H 2 2Zn = Zn 2 Białokremowy osad Al + Al+ + H- = Al(H) Biały osad Al(H) + H - = [Al(H) 4 - Al + + NH 4 H = Al(H) + NH 4 + Biały osad -

20 Schemat systematycznej analizy kationów IV i V grupy analitycznej Roztwór NH 4 H o stężeniu 1 mol dm - i roztwór NH 4 Cl o stężeniu mol dm - w stosunku objętościowym 1: Badany roztwór + Bufor amonowy + (NH 4 ) 2 C 4 Etapy reakcji z odczynnikiem grupowym IV grupy: 1. Do 1 cm badanego roztworu dodać1 cm buforu amonowego 2. Dodać 1 cm roztworu (NH 4 ) 2 C Brak osadu Badany roztwór nie zawiera kationów IV grupy analitycznej Badany roztwór 1 cm (NH 4 ) 2 C 1 cm buforu amonowego 1 cm badanego roztworu Wytrąca się osad: CaC, BaC becność kationów IV grupy analitycznej Badany roztwór Reakcje charakterystyczne kationów V grupy analitycznej Reakcje charakterystyczne kationów IV grupy analitycznej

21 Reakcje charakterystyczne kationów IV grupy analitycznej: NaH K 2 Cr 2 7 H 2 S 4 Ca 2+ Ca H - = Ca(H) 2 Biały osad - - Ba 2+ - Ba 2+ + Cr 4 2- = BaCr 4 * Żółty osad Ba 2+ + S 4 2- = BaS 4 Biały osad * - W roztworze K 2 Cr 2 7 znajdują się również jony Cr 2-4. Sole baru hydrolizują alkalizując środowisko i zachodzi reakcja: Cr H = 2Cr 4 + H 2. Ponieważ BaCr 4 jest trudniej rozpuszczalny niż BaCr 2 7, to wytrąca się BaCr 4.

22 Reakcje charakterystyczne kationów V grupy analitycznej: Jak w analizie kationów V grupy analitycznej wykorzystuje się reakcje z jonami kompleksowymi? NaH dczynnik Nesslera K 2 [HgI 4 + NaH HCl 4 Mg 2+ Mg H - = Mg(H) 2 Biały osad NH 4 + NH 4+ + H - = NH + + H NH [HgI H - = (Hg 2 NH 2 )I I - + H 2 Czerwonobrunatny osad - K K + + Cl 4- = KCl 4 * Biały osad * Po dodaniu odczynnika reakcji charakterystycznej należy potrzeć wewnętrzną ściankę próbówki bagietką. Ułatwia to wytrącanie osadu KCl 4.