Instrukcja Analiza jakościowa jonów biologicznie i ekologicznie ważnych

Transkrypt

1 Instrukcja Analiza jakościowa jonów biologicznie i ekologicznie ważnych Analiza jakościowa ma na celu określenie składu chemicznego badanych substancji lub roztworów. Analiza wodnych roztworów związków chemicznych polega na oznaczeniu w nich kationów oraz anionów. 1. Analiza kationów wybranych metali Pierwszym etapem analizy jest przyporządkowanie kationów do określonej grupy, poprzez wykonanie reakcji z tzw. odczynnikiem grupowym. Odczynnik ten z kationami danej grupy wytrąca osad, a z kationami innych grup - nie. Oddzielenie kationów różnych grup polega więc obserwacji reakcji z odczynnikiem grupowym danej grupy. Dalszy rozdział kationów następuje już w ramach danej grupy, co ułatwia analizę. Biologicznie ważne jony należą do dwóch grup kationów: a) kationy Ca 2+, Sr 2+ i Ba 2+ zalicza się do grupy, która w reakcji z węglanem amonu (NH4)2CO3 wytrąca ; b) kationy Mg 2+, NH4 +, K +, Na + - należą do grupy, dla której brak odczynnika grupowego (nie strącają osadów z odczynnikami grupowymi innych grup). I. Reakcje kationów Ca 2+, Sr 2+, Ba 2+ Odczynnik grupowy: węglan amonu (NH4)2CO3. Kation wapniowy Ca 2+ W wodzie rozpuszczają się chlorek wapnia CaCl2 i azotan(v)wapnia Ca(NO3)2. Odczynnik grupowy (NH4)2CO3 wytrąca węglanu wapnia: CaCl2 + (NH4)2CO3 CaCO3 + 2NH4C1 A. Kwas siarkowy wytrąca tylko ze stężonych roztworów siarczanu wapnia: CaCl2 + H2SO4 CaSO4 + 2HC1 B. Szczawian amonu wytrąca szczawianu wapnia CaCl2 + (NH4)2C2O4 CaC2O4 + 2NH4Cl C. Lotne sole wapnia zabarwiają płomień palnika na kolor ceglastoczerwony. Kation strontowy Sr 2+ W wodzie rozpuszczają się chlorek strontu SrCl2 i azotan(v) strontu Sr(NO3)2. Odczynnik grupowy (NH4)2CO3 wytrąca węglanu strontu: SrCl2 + (NH4)2CO3 SrCO3 + 2NH4C1 A. Kwas siarkowy wytrąca, galaretowaty osad siarczanu strontu: SrCl2 + H2SO4 SrSO4 + 2HC1 B. Szczawian amonu wytrąca szczawianu strontu SrCl2 + (NH4)2C2O4 SrC2O4 + 2NH4Cl C. Sole strontu barwią płomień na kolor karminowy. Kation barowy Ba 2+ W wodzie rozpuszczają się chlorek baru BaCl2 i azotan(v) baru Ba(NO3)2. Odczynnik grupowy (NH4)2CO3 wytrąca węglanu baru: BaCl2 + (NH4)2CO3 BaCO3 + 2NH4C1

2 A. Kwas siarkowy wytrąca, drobnokrystaliczny osad siarczanu baru: BaCl2 + H2SO4 BaSO4 + 2HC1 B. Szczawian amonu wytrąca szczawianu baru: BaCl2 + (NH4)2C2O4 BaC2O4 + 2NH4Cl C. Dwuchromian(VI) potasu wytrąca żółty osad chromianu(vi) baru: 2BaCl2 + K2Cr2O7 + H2O 2BaCrO4 + 2KC1 + 2HC1 Uwaga: Chromian(VI) baru jest rozpuszczalny w mocnych kwasach, a ponieważ w czasie reakcji powstaje kwas solny, to w celu pełnego wytrącania osadu dodaje się roztworu octanu sodu wiążącego jony wodorowe: CH3COO - + H + CH3COOH D. Sole baru barwią płomień na kolor seledynowy. II. Reakcje kationów Mg 2+, NH4 +, K + Dla tych kationów nie ma odczynnika grupowego Kation magnezowy Mg 2+ W wodzie rozpuszczalne są następujące sole magnezu MgSO4, MgCl2, Mg(NO3)2. A. Węglan amonu wytrąca z roztworu kationów Mg 2+ węglanu dihydroksomagnezu Mg2(OH)2CO3, ale dopiero po podgrzaniu zawartości probówki! Osad ten nie powstaje na zimno, dlatego magnez nie jest zaliczany do tej grupy kationów, co Ba 2+,Sr 2+ i Ca 2+. 2MgSO4 + 2(NH4)2CO3 + H2O Mg2(OH)2CO3 + 2(NH4)2SO4 + CO2 B. Mocne zasady wytrącają galaretowaty, wodorotlenku magnezu Mg(OH)2: C. Sole magnezu barwią płomień na kolor ceglasty MgCl2 + 2NaOH Mg(OH)2 + 2NaCl Kation amonowy NH4 + Wszystkie sole amonowe są dobrze rozpuszczalne w wodzie. A. Przy ogrzewaniu roztworów soli amonowych z mocnymi zasadami wyczuwa się zapach amoniaku: NH4Cl + NaOH NH3aq + NaCl temp. NH3aq H2O + NH3 B. Wykrywanie NH4 + przy użyciu odczynnika Nesslera (alkaliczny roztwór jodortęcianu(ii) potasu). Sporządzanie odczynnika Nesslera Do probówki zawierającej około 2 cm 3 roztworu HgCl2 wlewać kroplami roztwór KI: HgCl2 + 2KI HgI2 + 2KCl różowy Po wytrąceniu się różowego osadu jodku rtęci(ii) i po dodaniu niewielkiego nadmiaru KI powstaje rozpuszczalny związek kompleksowy jodortęcian(ii) potasu: HgI2 + 2KI K2[HgI4] Następnie należy zalkalizować zawartość probówki dodając jednakową objętość stężonego roztworu NaOH.

3 Wykrywanie kationu NH4 + Do badanej próbki dodawać kroplami odczynnik Nesslera. Wytrącenie się żółtobrunatnego osadu jodku tlenoaminartęci(ii) świadczy o obecności jonu amonowego: NH4Cl + 2K2[HgI4] + 4NaOH OHg2NH2I + KCl + 7KJ + 3H2O C. Sole amonowe nie barwią płomienia palnika. żółtobrunatny Kation potasowy K + Niemal wszystkie sole potasowe są rozpuszczalne w wodzie. A. Kwas winowy wytrąca wodorowinianu potasu KCl + H2C4H4O6 KHC4H4O6 + HCl Uwaga: Wodorowinian potasu KHC4H4O6 jest rozpuszczalny w HCl, dlatego całkowite wytrącenie osadu jest możliwe dopiero po zobojętnieniu środowiska reakcji. W tym celu do probówki należy wprowadzić około 1cm 3 octanu sodu (sól, która hydrolizuje z odczynem zasadowym), a proces krystalizacji zapoczątkować poprzez potarcie bagietką ścianki probówki. B. Sole potasu barwią płomień palnika na różowo-fioletowo. Procedura analizy kationów w badanych próbkach Do czystej probówki przenieś ok. 0,5 cm 3 badanej próbki i dodaj ok. 0,5 cm 3 roztworu (NH4)2CO3. Zaobserwuj reakcję. Następnie postępuj zgodnie ze wskazówkami zawartymi w tabeli 1. Podsumowanie możliwych obserwacji znajdziesz w tabeli 2.

4 Tabela 1. Schemat analizy kationów Jeżeli powstanie CaCO3, BaCO3 lub SrCO3, próbka zawiera: Ca 2+, Ba 2+ lub Sr 2+ Celem ich rozróżnienia wykonaj reakcje charakterystyczne (z nowych porcji próbek): dla Ca 2+ a) z H 2SO 4 - nie wytrąci się osad CaSO 4, gdyż stężenie jonów Ca 2+ w roztworze badanym jest za niskie. b) z (NH 4) 2C 2O 4: CaCl 2 + (NH 4) 2C 2O 4 CaC 2O 4 + 2NH 4Cl c) z K 2Cr 2O 7 brak osadu d) zabarwienie płomienia palnika ceglastoczerwone dla Ba 2+ a) z H 2SO 4: b) z (NH 4) 2C 2O 4: BaCl 2 + H 2SO 4 BaSO 4 + 2HC1 drobnokrystaliczny BaCl 2 + (NH 4) 2C 2O 4 BaC 2O 4 + 2NH 4Cl c) z K 2Cr 2O 7: 2BaCl 2 + K 2Cr 2O 7 + H 2O 2BaCrO 4 +2KC1+ 2HCl żółty osad Uwaga: Chromian(VI) baru jest rozpuszczalny w HCl, zatem w celu pełnego wytrącania osadu dodaje się roztworu octanu sodu wiążącego jony wodorowe: CH3COO - + H + CH3COOH d) zabarwienie płomienia seledynowe Dla Sr 2+ a) z H 2SO 4: SrCl 2 + H 2SO 4 SrSO 4 + 2HC1 galaretowaty osad b) z (NH 4) 2C 2O 4: SrCl 2 + (NH 4) 2C 2O 4 SrC 2O 4 + 2NH 4Cl c) z K 2Cr 2O 7 brak osadu d) zabarwienie płomienia palnika karminowe Badana próbka + (NH4)2CO3 Jeżeli brak osadu: próbka zawiera kationy Mg 2+, K + lub NH4 + UWAGA! ogrzać probówkę w gorącej łaźni wodnej przez kilka minut Jeżeli po ogrzaniu wytrącił - próbka zawiera kationy Mg 2+ 2MgSO 4 + 2(NH 4) 2CO 3 + H 2O Mg 2(OH) 2CO 3 + 2(NH 4) 2SO 4 + CO 2 Celem potwierdzenia obecności Mg 2+ wykonaj (z nowej porcji próbki) reakcję charakterystyczną z NaOH: MgCl 2+2NaOH Mg(OH) 2 + 2NaCl galaretowaty, Jeżeli brak osadu próbka zawiera kationy K + lub NH4 + Celem ich rozróżnienia wykonaj reakcje charakterystyczne (z nowych porcji próbek): dla K + a) z NaOH, po podgrzaniu - brak zmian b) z kwasem winowym: KCl + H 2C 4H 4O 6 KHC 4H 4O 6 + HCl Uwaga: Wodorowinian potasu rozpuszcza się w HCl, dlatego należy zobojętnić środowisko reakcji dodając ok. 1cm 3 octanu sodu CH 3COONa, a proces krystalizacji zapoczątkować poprzez potarcie bagietką ścianki probówki. c) zabarwienie płomienia palnika różowo-fioletowe dla NH4 + a) z NaOH, po podgrzaniu: NH 4Cl + NaOH NaCl + NH 3 + H 2O zapach amoniaku b) z odczynnikiem Nesslera w środowisku zasadowym: NH 4+ + K 2[HgI 4] + NaOH OHg 2NH 2I żółtobrunatny osad odczynnik Nesslera

5 Tabela 2. Podsumowanie obserwacji podczas analizy kationów + (NH4)2CO3 + H2SO4 + (NH4)2C2O4 + K2Cr2O7 + NaOH + odczynnik Nesslera (+ NaOH) + kwas winowy płomień palnika Ca 2+ CaCO3, - CaC2O4 - ceglastoczerwony Sr 2+ SrCO3 galaretowaty osad SrSO4 SrC2O4 - karminowy Ba 2+ SrCO3 drobnokrystaliczny osad BaSO4 BaC2O4 żółty osad BaCrO4- seledynowy Mg 2+ brak osadu, ale po ogrzaniu Mg2(OH)2CO3 galaretowaty osad Mg(OH)2 ceglasty K KHC4H4O6 różowofioletowy NH4 + - po podgrzaniu zapach amoniaku żółto-brunatny osad OHg2NH2I

6 2. Analiza jakościowa wybranych anionów (SO4 2-, PO4 3-, Cl -, I -, CO3 2-, C2O4 2- ) Systematyczną analizę anionów przeprowadza się podobnie do analizy kationów. Wykonuje się reakcje, które pozwalają potwierdzić lub wykluczyć obecność danego anionu w próbce. Aniony przyporządkowuje się do danej grupy, obserwując ich zachowanie pod wpływem BaCl2 i AgNO3, które przez analogię do analizy kationów czasem nazywane są odczynnikami grupowymi. Jon siarczanowy SO4 2- A. Azotan srebra wytrąca tylko ze stężonych roztworów siarczanów siarczanu(vi) srebra: Na2SO4 + 2AgNO3 Ag2SO4 + 2NaNO3 B. Chlorek baru wytrąca siarczanu(vl) baru nierozpuszczalny w HNO3: Na2SO4 + BaCl2 BaSO4 + 2NaCl Biały Jon fosforanowy PO4 3- A. Azotan srebra strąca żółty osad ortofosforanu(v) srebra: Na2HPO4 + 3AgNO3 Ag3PO4 + 2NaNO3 + HNO3 żółty B. Chlorek baru wytrąca wodorofosforanu(v) baru: Na2HPO4 + BaCl2 BaHPO4 + 2NaCl C. Reakcja charakterystyczna Molibdenian amonu, zakwaszony HNO3 i użyty w nadmiarze, strąca z roztworów fosforanów na gorąco żółty krystaliczny osad fosforomolibdenianu amonu. Jon chlorkowy Cl - Na 2HPO (NH 4)2MoO HNO 3 21NH 4NO 3 + (NH 4) 3P(Mo 3O 10) 4 + 2NaNO H 2O żółty, krystaliczny A. Azotan srebra wytrąca, serowaty osad AgCl, ciemniejący pod wpływem światła. AgCl rozpuszcza się w amoniaku z utworzeniem związku kompleksowego - chlorku diaminasrebra(i)): Wykonanie NaCl + AgNO3 AgCl, + NaNO3 2AgCl 2Ag + Cl2 AgCl + 2NH3 aq [Ag(NH3)2]Cl + 2H2O Do probówki zawierającej 0,5 cm 3 badanego roztworu dodać kroplami azotan srebra. Zlać roztwór znad świeżo strąconego osadu, a następnie dodawać do niego kroplami 1-molowy roztwór amoniaku. Zaobserwować stopniowe rozpuszczenie się AgCl. B. Chlorek baru nie wytrąca osadu. Jon jodkowy I - A. Azotan srebra wytrąca jasnożółty osad jodku srebra z roztworów zawierających jodki. KI + AgNO3 AgI + KNO3 jasnożółty B. Chlorek baru nie wytrąca osadu C. Reakcja charakterystyczna: Octan ołowiu wytrąca żółty osad jodku ołowiu z roztworu jodków 2KI + (CH3COO)2Pb PbI2 + CH3COOK żółty hν, czarny

7 Jon węglanowy CO3 2- A. Azotan srebra wytrąca węglanu srebra, ciemniejący przy ogrzewaniu na skutek hydrolizy i rozkładu na tlenek srebra i ditlenek węgla: Na2CO3 + 2AgNO3 Ag2CO3 + 2NaNO3 temp. Ag2CO3 B. Chlorek baru wytrąca węglanu baru: Ag2O + CO2 Na2CO3 + BaCl2 BaCO3 + 2NaCl C. Reakcja charakterystyczna: Kwas siarkowy już na zimno wypiera z węglanów kwas węglowy, a ten jako nietrwały rozkłada się na wodę i ditlenek węgla, wydzielający się z roztworu w postaci pęcherzyków: Na2CO3 + H2SO4 Na2SO4 + H2O + CO2 Jon szczawianowy C2O4 2- A. Azotan srebra wytrąca serowaty osad szczawianu srebra, rozpuszczalny w rozcieńczonym HNO3 Na2C2O4 + 2AgNO3 Ag2C2O4 + 2NaNO3, serowaty B. Chlorek baru wytrąca szczawianu baru, rozpuszczalny w rozcieńczonym HNO3 Na2C2O4 + BaCl2 BaC2O4 + 2NaCl C. Reakcja charakterystyczna: Jony Ca 2+ wytrącają z roztworów zawierających jony szczawianowe szczawianu wapniowego. Sól ta jest najtrudniej rozpuszczalna ze wszystkich szczawianów. CaCl2 + (NH4)2C2O4 CaC2O4 + 2NH4Cl Procedura analizy anionów w badanych próbkach Z każdej badanej próbki odlej do dwóch probówek niewielkie porcje roztworu do pierwszej dodaj BaCl2, do drugiej - AgNO3. Zaobserwuj, czy wytrącają się osady i jakiej są barwy. Porównaj wyniki z opisami w tabeli 3 i określ, jaki anion zawierała badana próbka. Następnie wykonaj (o ile taka istnieje) reakcję charakterystyczną dla tych jonów celem potwierdzenia ich obecności. brunatnoczarny

8 Tabela 3. Schemat analizy anionów Anion BaCl2 Odczynniki grupowe AgNO3 Reakcja charakterystyczna SO4 2- BaSO PO4 3- BaHPO4 - Ag3PO4 - żółty Cl - - AgCl - ciemniejący molibdenian amonu wytrąca osad (NH 4) 3P(Mo 3O 10) 4 - żółty osad AgCl rozpuszcza się w amoniaku - powstaje kompleks [Ag(NH 3) 2]Cl I - - AgI - jasnożółty octan ołowiu wytrąca żółty osad PbI 2 CO3 2- BaCO3 - Ag2CO3 - bladożółty C2O4 2- BaC2O4 - Ag2C2O4 -, serowaty kwas siarkowy H 2SO 4 wypiera z węglanów CO 2 jony Ca 2+ wytrącają bardzo trudno rozpuszczalny CaC 2O 4 3. Reakcje analityczne kationów Fe 2+ i Fe 3+ A. Z jonami żelaza(iii) (Fe 3+ ) - sześciocyjanożelazian(ii) potasu (żelazocyjanek potasu) tworzy osad sześciocyjanożelazianu(ii) żelaza(iii) żelazocyjanku żelaza(iii) o ciemnoniebieskiej barwie, której zawdzięcza swą historyczną nazwę zwyczajową używaną czasami do dziś błękit pruski: 4FeCl3 + 3 K4[Fe(CN)6] Fe4[Fe(CN)6]3 + 12KCl B. Z jonami żelaza(ii) (Fe 2+ ) - sześciocyjanożelazian(ii) potasu tworzy sześciocyjanożelazianu(ii) żelaza(ii), który bardzo szybko utlenia się tlenem powietrza do błękitu pruskiego i zabarwia się na kolor niebieski: 2FeCl2 + K4[Fe(CN)6] Fe2[Fe(CN)6]3 + 4KCl Do dwóch probówek nalej po ok. 1 cm 3 do jednej FeCl3, a do drugiej FeCl2. Do obu dodaj po ok. 1 cm 3 żelazocyjanku potasu K4[Fe(CN)6]. Zaobserwuj tworzące się osady. 4. Wykrywanie jonów rodankowych SCN - w ślinie Największe stężenie jonów rodankowych stwierdzono w ślinie osób palących papierosy.jony te w obecności jonów żelazowych Fe 3+ tworzą rozpuszczalny rodanek żelazowy o charakterystycznym krwistoczerwonym zabarwieniu 3 SCN - + Fe 3+ Fe(SCN)3 Do ok. 1 cm 3 śliny dodać kroplę 5% roztworu FeCl3. Zaobserwować zmianę zabarwienia.

9 2. Kompleksowanie jonów metali na przykładzie działania EDTA EDTA to skrót nazwy kwasu wersenowego (z ang. ethylenediaminetetraacetic acid). Jest to kwas polikarboksylowy, który z mocnymi wodorotlenkami tworzy sole - werseniany. Związek ten, zwykle w postaci soli disodowej, jest stosowany jako czynnik kompleksujący. Wiele kationów metali, m.in. Ca 2+, Mg 2+, Fe 3+ oraz metali ciężkich, łączy się z EDTA tworząc stosunkowo trwałe kompleksy chelatowe, zwane też kleszczowymi. Związek ten łączy się z jonami metalami zawsze w stosunku 1:1, niezależnie od ich wartościowości. Na poniższym rysunku przedstawiono budowę kompleks EDTA z jonem metalu M EDTA stosowany jest często podczas pobierania próbek krwi do analizy jako antykoagulant (zapobiega krzepnięciu krwi poprzez wiązanie jonów wapnia). Bywa też wykorzystywany jako odtrutka w zatruciach metalami ciężkimi. Chelatowanie kationów metali w związki kompleksowe, pozwala zmniejszyć ich toksyczność i ułatwia wydalenie z ustroju. Wersenian sodowo-wapniowy (EDTA, Chelaton) stosowany jest najczęściej w zatruciach jonami ołowiu, ale także miedzi, cynku, niklu, chromu i in. Do probówki wprowadzić 1 cm 3 soli niklu (np. chlorku) a następnie dodać szczyptę mureksydu i dokładnie wymieszać przez wstrząsanie (wskaźnik tworzący z niklem kompleksy o barwie żółto-zielonej). Następnie dodać 1 cm 3 0,1 molowego roztworu EDTA i dokładnie wymieszać. EDTA ma silniejsze własności kompleksujące niż mureksyd, tworzy więc kompleksy z jonami niklu wypierając z nich wskaźnik. Dodanie kilku kropel 2 molowej zasady sodowej zmieni barwę roztworu na różowo-fioletową (wolny mureksyd w środowisku zasadowym ma taką właśnie barwę). 3. Osmoza Cząstki osmotycznie czynne (nie przechodzące przez błonę półprzepuszczalną) powodują przechodzenie cząsteczek rozpuszczalnika (wody) z ośrodka o niższym do ośrodka o wyższym stężeniu cząstek osmotycznie czynnych. Zjawisko to nazywamy osmozą. Do jednego woreczka dializacyjnego wprowadź 30 cm 3 40% roztworu sacharozy, a do drugiego 30 cm 3 wody destylowanej. Woreczki, po założeniu zacisku, umieść w dwóch oddzielnych zlewkach pierwszy w zlewce z wodą destylowaną, a drugi w zlewce z 40% roztworem sacharozy. Po ok. 2 godzinach wyjmij oba woreczki, dokonaj obserwacji i wyciągnij wnioski.