Ćwiczenie 13 Analiza jakościowa wybranych kationów występujących w preparatach kosmetycznych Literatura: Minczewski J., Marczenko Z.: Chemia analityczna. T.1. Podstawy teoretyczne i analiza jakościowa. Wyd. 10. PWN, Warszawa 2009 Kocjan R.: Chemia analityczna. Analiza jakościowa. Analiza klasyczna; tom 1, Wyd.1 PZWL, Warszawa, 2000. Skrypt do ćwiczeń z chemii ogólnej, nieorganicznej i analitycznej, Białystok 2010, pod redakcją E. Skrzydlewskiej. Szmal Z., Lipiec T.: Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej. Wyd. VII poprawione i unowocześnione PZWL, Warszawa, 1997. Zakres materiału obowiązującego na ćwiczenie: Znajomość warunków strącania osadów kationów grup I-V z odczynnikiem grupowym. Umiejętność zapisywania równań reakcji chemicznych charakterystycznych dla kationów grup I-V i reakcji rozpuszczania trudno rozpuszczalnych osadów powstałych w wyniku w/w reakcji w dobrze rozpuszczalne sole. Znajomość poszczególnych etapów identyfikacji kationów grupy I-V wraz ze znajomością równań reakcji Znajomość podstawowych obliczeń chemicznych (umiejętność obliczania/przeliczania stężeń procentowych i molowych w oparciu o wzory). Zagadnienia z wykładu dotyczącego elementów chemii nieorganicznej. Analiza chemiczna jest to nauka stosowana zajmująca się odkrywaniem i formułowaniem praw, kryteriów i metod, pozwalających ustalić z określoną precyzją i dokładnością jakościowy i ilościowy skład wszelkiego rodzaju materiałów spotykanych w przyrodzie lub wytwarzanych przez człowieka. Analiza chemiczna jest nauką interdyscyplinarną, łączącą i wykorzystującą wiedzę innych dziedzin chemii, fizyki, biologii i matematyki. Wielki wkład w rozwój nowoczesnej chemii analitycznej wniosły dziedziny nowoczesnej techniki elektronika, automatyka i informatyka. Analiza chemiczna dzieli się na: analizę jakościową zajmującą się ustaleniem składu chemicznego badanej substancji; podaje sposoby wykrywania pierwiastków, z jakich składa się substancja, analizę ilościową zajmującą się oznaczaniem składu ilościowego substancji; podaje sposoby oznaczania ilości (zawartości) pierwiastków wchodzących w skład badanego związku. Klasyczną analizę jakościową można podzielić na analizę kationów i analizę anionów, co w konsekwencji pozwala na ustalenie wszystkich składników nieorganicznych w mieszaninie. W celu ułatwienia/usystematyzowania analizy jakościowej, zarówno kationy jak i aniony podzielono na grupy. Podział kationów oparty jest o reakcje z odczynnikami grupowymi, w wyniku których powstają trudno rozpuszczalne osady (Tabela 1). Podział anionów oparty jest natomiast o reakcje anionów z jonami srebra (Ag + ) i baru (Ba 2+ ) i rozpuszczalności tych osadów w kwasach mineralnych. 1
Tabela 1 Podział kationów na grupy analityczne wg BUNSENA Nr grupy Kationy Odczynnik grupowy Osady kationów z odczynnikiem grupowym Uwagi I Ag +, Pb 2+, Hg 2 2 HCl AgCl, PbCl 2, Hg 2 Cl 2 chlorki nierozpuszczalne - w zimnej wodzie - w rozcieńczonym HCl IIA Hg 2+,Pb 2+, Cu 2+,Bi 3+, Cd 2+ H 2 S [AKT] * środowisko słabo kwaśne (HCl) CuS, Bi 2 S 3, CdS HgS, PbS siarczki nierozpuszczalne - w siarczku i wielosiarczku amonu, - w zasadach, - w rozcieńczonych kwasach IIB Sb 3+, Sb 5+ Sn 2+, Sn 4+ As 3+, As 5+ H 2 S [AKT] środowisko słabo kwaśne (HCl) Sb 2 S 3, Sb 2 S 5, SnS, SnS 2, As 2 S 3, As 2 S 5 siarczki rozpuszczalne - w siarczku i wielosiarczku amonu, - w zasadach siarczki nierozpuszczalne - w rozcieńczonych kwasach III Ni 2+,Co 2+, Fe 2+, Fe 3+, Mn 2+, Zn 2+, Al 3+, Cr 3+ (NH 4 ) 2 S [AKT] środowisko zasadowe CoS, NiS FeS, Fe 2 S 3, MnS, ZnS, Al(OH) 3, Cr(OH) 3 siarczki lub wodorotlenki - nierozpuszczalne w H 2 O, - rozpuszczalne w rozcieńczonych kwasach IV Ca 2+, Sr 2+, Ba 2+ (NH 4 ) 2 CO 3 środowisko zasadowe (NH 3 H 2 O, NH 4 Cl) CaCO 3, SrCO 3, BaCO 3 węglany rozpuszczalne w rozcieńczonych kwasach mineralnych V Mg 2+, K +, Na +, NH 4 brak odczynnika grupowego brak osadów nie wytrącają się z poprzednimi odczynnikami grupowymi *AKT amid kwasu tiooctowego 2
ANALIZA KATIONÓW I GRUPY Kationy I grupy: Ag +, Pb 2+, Hg 2 2 Kationy tej grupy są bezbarwne, nie barwią też płomienia palnika. Odczynnik grupowy HCl Kationy I grupy z jonami Cl - (chlorkowymi) tworzą nierozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych kwasach białe osady chlorków: AgCl, PbCl 2, Hg 2 Cl 2. Rozpuszczalność chlorków tej grupy jest różna. AgCl, Hg 2 Cl 2 praktycznie są nierozpuszczalne w wodzie, natomiast PbCl 2 w zimnej wodzie rozpuszcza się słabo, w gorącej bardzo łatwo. Z powodu rozpuszczalności PbCl 2, jon Pb 2+ zaliczany jest także do II grupy kationów, gdzie strąca się w postaci siarczku. Chlorki kationów pozostałych grup analitycznych są łatwo rozpuszczalne w wodzie. Poza azotanem (V) i siarczanem (VI) srebra również sole kationów I grupy są w większości nierozpuszczalne. Metale tej grupy są mało aktywne, a więc tworzą połączenia nietrwałe, łatwo ulegające rozkładowi. 3
Odczynnik HCl NH 3 H 2 O Na 2 S 2 O 3 0,5M NH 3 H 2 O HNO 3 Równania reakcji Ag + + Cl AgCl AgCl + 2NH 3 [Ag(NH 3 ) 2 ] + + Cl AgCl + 2S 2 O [Ag(S 2 O 3 ) 2 ] 3 + Cl ANALIZA WYBRANYCH KATIONÓW Reakcje charakterystyczne jonu Ag + [0,1M AgNO 3 ] 2Ag + + 2OH 2AgOH Ag 2 O + H 2 O Ag 2 O + 4(NH 3 H 2 O)2[Ag(NH 3 ) 2 ] + +2OH +3H 2 O Ag 2 O + 2H + 2Ag + + H 2 O NH 3 H 2 O Ag + + NH 3 H 2 O AgOH + NH 4 + 2AgOH 2 3 Ag 2 O + H 2 O Efekt reakcji chlorku srebra (I) fioletowieje pod wpływem światła; rozpuszcza się w amoniaku tworząc jon diaminasrebra (I), AgCl rozpuszcza się również w roztworach tiosiarczanów wodorotlenku srebra (I), nierozpuszczalny w nadmiarze zasady, przechodzi w brunatny osad tlenku srebra (I), który rozpuszcza się w amoniaku i kwasach dając bezbarwny roztwór; z amoniakalnego roztworu tlenku srebra (I) po pewnym czasie wydziela się czarnobrunatny osad łatwo wybuchający srebra piorunującego (NH 3 )Ag-O-Ag(NH 3 ) wodorotlenku srebra, który przechodzi w brunatny osad tlenku srebra(i), rozpuszczalny w amoniaku i kwasach Na 2 HPO 4 0,5M 3Ag + 2 + HPO 4 Ag 3 PO 4 + H + żółty osad fosforanu (V) srebra (I); rozpuszczalny w rozcieńczonym kwasie azotowym (V), kwasie octowym i amoniaku Symbol oznacza, że reakcja zachodzi na gorąco Zastosowanie srebra w kosmetologii Srebro ma działanie bakteriobójcze, bakteriostatyczne, antyseptyczne, sterylizujące i konserwujące. Związki srebra wykazują działanie lecznicze w chorobach skóry takich jak trądzik, czy łojotokowe zapalenie skóry. Stosując srebro w określonych technikach masażu zaobserwowano pozytywne efekty wygładzania naskórka. Ponadto srebro dodaje się do preparatów kosmetycznych w celu uzyskania perłowej barwy. Nanokoloidy srebra wykorzystywane są jako: komponenty przy produkcji kosmetyków, składniki kremów, składniki płynów do płukania jamy ustnej, żeli antybakteryjnych, toników antybakteryjnych, płynów i żeli do kąpieli i po goleniu, szamponów, składniki wody kolońskiej, wód toaletowych, składniki chusteczek antybakteryjnych, chusteczek do demakijażu, chusteczek do higieny intymnej, kosmetyki do walki z trądzikiem. 4
ANALIZA KATIONÓW II GRUPY Kationy II grupy: IIA: Cu 2+, Hg 2+, Pb 2+, Bi 3+, Cd 2+ IIB: As 3+, As 5+, Sb 3+, Sb 5+, Sn 2+, Sn 4+ Sole kationów tej grupy, z wyjątkiem Cu 2+, są bezbarwne. Odczynnik grupowy H 2 S lub AKT (tioacetamid) w środowisku kwaśnym (HCl) Wytrącanie siarczków kationów II grupy przeprowadza się w środowisku słabo kwaśnym. Większe stężenie kwasu może spowodować niewytrącenie lub też niecałkowite wytrącenie siarczków łatwiej rozpuszczalnych: CdS, SnS. Przy mniejszym natomiast stężeniu kwasu może się wytrącić ZnS (z trzeciej grupy analitycznej). Środowisko kwaśne może być wywołane tylko kwasem solnym, ponieważ kwas siarkowy wytrąciłby osady siarczanów IV grupy, natomiast kwas azotowy utleniłby siarkowodór do wolnej siarki. Siarczki kationów II grupy analitycznej wykazują różny charakter kwasowozasadowy, dzięki temu można je rozdzielić na podgrupy A i B. Siarczki podgrupy II A, HgS, PbS, CuS, Bi 2 S 3, CdS posiadają charakter zasadowy i nie rozpuszczają się w siarczku (NH 4 ) 2 S i wielosiarczku amonu [(NH 4 ) 2 S 2 ] oraz w zasadach, rozpuszczają się natomiast w HNO 3, oprócz HgS, który rozpuszcza się tylko w wodzie królewskiej: 2 3HgS 12HCl 4HNO3 3[HgCl 4 ] 3S 4NO 8H 2O Siarczki podgrupy II B As 2 S 3, As 2 S 5, Sb 2 S 3, Sb 2 S 5, SnS, SnS 2 są amfoteryczne i rozpuszczają się w [(NH 4 ) 2 S 2 ] i KOH z utworzeniem siarkosoli. SnS nie rozpuszcza się w (NH 4 ) 2 S 2 i KOH. Zamiast siarkowodoru do analizy kationów grup II i III można stosować roztwór amidu kwasu tiooctowego (tioacetamid) CH 3 CSNH 2 (AKT). Związek ten rozpuszcza się dobrze w wodzie i jest w roztworze trwały; ogrzany natomiast w środowisku kwaśnym lub zasadowym hydrolizuje i rozkłada się z wydzieleniem H 2 S, który w chwili powstawania wytrąca charakterystyczne osady właściwych siarczków. Reakcja hydrolizy przebiega następująco: siarczki: CH 3 CSNH 2 + 2H 2 O CH 3 COO + NH 4 + + H 2 S CH 3 CSNH 2 wytrąca ze słabo kwaśnych roztworów kationów II grupy, następujące HgS, PbS, CuS Bi 2 S 3, SnS Sb 2 S 3, Sb 2 S 5 SnS 2, CdS, As 2 S 3, As 2 S 5 osady czarne osady brunatne osady pomarańczowe osady żółte 5
Reakcje charakterystyczne jonu Cu 2+ [0, CuSO 4 ] Odczynnik Równania reakcji Efekt reakcji AKT* (odczynnik grupowy) + HCl HNO 3 HCl Cu 2+ + H 2 S CuS + 2H + 3CuS + 2NO 3 + 8H + Cu 2+ + 2OH Cu(OH) 2 3S + 3Cu 2+ + 2NO + 4H 2 O Cu(OH) 2 + 2H + Cu 2+ + 2H 2 O CuO + H 2 O NH 3 H 2 O 2Cu 2+ + SO 4 + 2(NH 3 H 2 O) Cu 2 (OH) 2 SO 4 + 2NH 4 Cu 2 (OH) 2 SO 4 +8(NH 3 H 2 O) 2[Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ +2OH +SO 2 2 4 + 8H 2 O brunatnoczarny osad siarczku miedzi (II); rozpuszcza się na gorąco w HNO 3 niebieski osad wodorotlenku miedzi (II), podczas gotowania przechodzący w czarny osad CuO; osad wodorotlenku jest rozpuszczalny w kwasie solnym i amoniaku jasnoniebieski osad hydroksosoli, rozpuszczalny w nadmiarze amoniaku z powstaniem jonu kompleksowego aminamiedzi (II) (roztwór niebieskofioletowy) Zastosowanie miedzi w kosmetologii Miedź katalizuje utlenianie grup tiolowych prokeratyny, tworząc mostki disiarczkowe charakterystyczne dla keratyny. Bierze ona także udział w syntezie melaniny, naturalnego barwnika skóry i włosów. Miedź w kosmetyce znalazła zastosowanie stosunkowo niedawno. Pierwiastek ten wchodzi w skład dysmutazy ponadtlenkowej (SOD), uczestniczącej w obronie antyoksydacyjnej przed działaniem wolnych rodników. Charakteryzuje się właściwościami przeciwstarzeniowymi, uelastyczniającymi i dotleniającymi komórki skóry. Z tego też powodu znajduje zastosowanie w preparatach przeznaczonych do pielęgnacji cery dojrzałej i zmęczonej. Ponieważ reguluje wydzielanie sebum, wykorzystywana jest w kosmetykach przeznaczonych do pielęgnacji skóry tłustej. Wspomaga także pielęgnację skóry mieszanej, zapewniając matowienie miejsc z tendencją do przetłuszczania się. Miedź nanokoloidalna stosowana w kosmetyce: wywiera działanie przeciwutleniające, zwalczając wolne rodniki i zapobiegając procesom starzenia naskórka, poprawia wygląd skóry i włosów oraz wzmacnia system odpornościowy, wpływa korzystnie na syntezę elastyny i kolagenu, jest składnikiem dezodorantów, doskonale się sprawdza w kosmetykach przeciwgrzybicznych, np. w zastosowaniu do stóp, może być stosowana jako dodatek dezynfekujący wodę w basenach kąpielowych. 6
ANALIZA KATIONÓW III GRUPY Kationy III grupy: Fe 2+, Fe 3+, Mn 2+, Zn 2+, Al 3+, Cr 3+, Ni 2+, Co 2+ Odczynnik grupowy - (NH 4 ) 2 S lub AKT w środowisku zasadowym Pod wpływem działania odczynnika grupowego w obecności amoniaku i chlorku amonu, przy ph 8 9 wytrącane są siarczki lub wodorotlenki kationów III grupy: CoS, NiS, FeS, Fe 2 S 3 ZnS, Al(OH) 3 MnS Cr(OH) 3 osady czarne osady białe osad cielisty osad zielonkawy Siarczki i wodorotlenki III grupy są nierozpuszczalne w wodzie, natomiast łatwo rozpuszczają się w rozcieńczonych kwasach mineralnych. Siarczki te mogą wytrącić się w środowisku kwaśnym. Dodatek salmiaku (NH 4 Cl) podczas wytrącania siarczków i wodorotlenków kationów III grupy zapobiega powstawaniu roztworów koloidowych, jednocześnie zmniejsza stężenie jonów OH - powstających w wyniku dodanego amoniaku, co powinno zapobiec wytrąceniu się osadu Mg(OH) 2 a ułatwia wytrącanie się Al(OH) 3 i Cr(OH) 3, które, ze względu na swój charakter amfoteryczny w obecności nadmiaru jonów OH mogłyby ulec rozpuszczeniu.. 7
Reakcje charakterystyczne jonu Fe 3+ [0, FeCl 3 ] Odczynnik Równania reakcji Efekt reakcji AKT*(odczynnik grupowy) 2Fe 3+ + 3S 2 Fe 2 S 3 czarny osad siarczku żelaza (III), łatwo rozpuszczalny w kwasach, NH 3 H 2 O+NH 4 Cl również w kwasie octowym; HCl HCl Fe 2 S 3 + 6H + 2Fe 3+ + 3H 2 S 3Fe 2 S 3 + 12H + 6Fe 2+ + 6H 2 S+ 3S 2Fe 3+ + 6OH 2Fe(OH) 3 Fe(OH) 3 + 3H + Fe 3+ + 3H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 O podczas reakcji rozpuszczania może zajść redukcja Fe 3+ do Fe 2+ i utlenienie S 2 do S (wydzielanie koloidalnej siarki) rdzawobrunatny osad wodorotlenku żelaza (III); wodorotlenek żelaza jest nierozpuszczalny w nadmiarze odczynnika; łatwo rozpuszcza się w kwasach; podczas prażenia traci wodę przechodząc w tlenek żelaza (III) NH 3 H 2 O Fe 3+ + 3NH 3 H 2 O Fe(OH) 3 + 3NH 4 rdzawobrunatny osad wodorotlenku żelaza (III) nierozpuszczalny w nadmiarze amoniaku, osad wytrąca się ilościowo nawet w obecności soli amonowych cofających dysocjację zasady amonowej, w przeciwieństwie do wodorotlenków żelaza (II), cynku, manganu (II), kobaltu (II) i niklu (II) Na 2 HPO 4 0,5M Fe 3+ + HPO 4 2 FePO 4 + H + żółtawy osad ortofosforanu (V) żelaza (III), rozpuszczalny w kwasach nieorganicznych, nierozpuszczalny w kwasie octowym Zastosowanie żelaza w kosmetologii Żelazo jest składnikiem hemoglobiny, bierze udział w procesach przenoszenia tlenu do wszystkich komórek organizmu. Uczestniczy w procesach detoksykacji organizmu oraz regeneracji skóry właściwej. Żelazo jest niezbędnym składnikiem w syntezie kolagenu. Niedobór tego pierwiastka wiąże się z niedotlenieniem organizmu, prowadzi do anemii, powoduje wypadanie włosów i kruchość paznokci. W preparatach kosmetycznych żelazo wspomaga regenerację skóry; tlenek żelaza stosowany jest w pigmentach podkładów do makijażu, pudrów, cieni do powiek, korektorów. 8
Reakcje charakterystyczne jonu Zn 2+ [ 0,1M ZnSO 4 ] Odczynnik Równania reakcji Efekt reakcji AKT*(odczynnik grupowy) NH 3 H 2 O + NH 4 Cl HCl HNO 3 Zn 2+ + S 2 ZnS ZnS + 2H + Zn 2+ + H 2 S Zn 2+ + 2OH Zn(OH) 2 Zn(OH) 2 + 2OH [Zn(OH) 4 ] 2 Zn(OH) 2 + 2H + Zn 2+ + 2H 2 O NH 3 H 2 O Zn 2+ + 2(NH 3 H 2 O) Zn(OH) 2 + 2NH 4 Zn(OH) 2 + 4NH 3 [Zn(NH 3 ) 4 ] 2+ + 2OH siarczku cynku; rozpuszczalny w kwasach mineralnych, nie rozpuszcza się w kwasie octowym amfoterycznego wodorotlenku cynku, rozpuszcza się w kwasach i zasadach wodorotlenku cynku łatwo rozpuszczalny w nadmiarze amoniaku z utworzeniem jonów kompleksowych tetraaminacynku Zastosowanie cynku w kosmetologii Cynk jest bardzo aktywnym pierwiastkiem, jego sole są trujące i mają właściwości bakteriobójcze. Jony cynku wpływają korzystnie na budowę włosów i skóry. Jego niedobór powoduje zmiany skórne: łojotok i trądzik. Działa złuszczająco i wspomaga procesy leczenia. Do kosmetyków cynk wprowadzany jest w postaci bioaktywnych kompleksów. Wpływa korzystnie na metabolizm kolagenu, odpowiada za wzrost włosów, paznokci i regenerację tkanek. Pierwiastek ten uczestniczy w wytwarzaniu substancji regulujących między innymi funkcje wydzielnicze skóry, odpowiedzialne za ilość wytwarzanego sebum. Preparaty na jego bazie ułatwiają oczyszczanie skóry z nagromadzonego łoju, przywracają jej naturalne ph, ściągają nadmiernie rozszerzone pory, łagodzą stany zapalne, zmniejszają skłonność skóry do powstawania zaskórników. Związki cynku stosuje się: w przypadku trądziku i łysienia plackowatego, jako składnik maści, zasypek i past, jest składnikiem kremów i maseczek kosmetycznych. 9
Reakcje charakterystyczne jonu Al 3+ [0, Al(NO 3 ) 3 ] Odczynnik Równania reakcji Efekt reakcji AKT* +NH 3 H 2 O + NH 4 Cl HCl (odczynnik grupowy) 2 M 2Al 3+ + 3S 2 + 6H 2 O 2Al(OH) 3 + 3H 2 S Al 3+ + 3OH Al(OH) 3 ( ) 4 Al(OH) 3 + OH Al OH Al( OH) 4 + H + Al(OH) 3 + H 2 O Al(OH) 3 + 3H + Al 3+ + 3H 2 O NH 3 H 2 O Al 3+ + 3(NH 3 H 2 O) Al(OH) 3 + 3NH 4 stężenie jonów OH powstałych w reakcji hydrolizy siarczku amonu jest wystarczające do przekroczenia iloczynu rozpuszczalności Al(OH) 3 i powstaje biały galaretowaty osad wodorotlenku glinu (III); siarczek glinu można otrzymać tylko w warunkach bezwodnych biały galaretowaty osad wodorotlenku glinu (III) jest amfoteryczny, nie rozpuszcza się w amoniaku (odróżnienie od cynku); rozpuszcza się w kwasach i mocnych zasadach; po lekkim zakwaszeniu lub dodaniu NH 4 Cl (zmniejsza stężenie OH ) ponownie wytrąca się wodorotlenek, który rozpuszcza się w nadmiarze kwasu biały galaretowaty osad wodorotlenku glinu (III) Na 2 HPO 4 0,5M Al 3+ + HPO 4 2 AlPO 4 + H + biały galaretowaty osad fosforanu (V) glinu rozpuszczalny w kwasach mineralnych i roztworach wodorotlenków alkalicznych, nierozpuszczalny w kwasie octowym Zastosowanie glinu w kosmetologii W kosmetykach stosuje się wyłącznie związki glinu, które nie przenikają przez naskórek, co warunkuje minimalną biodostępność glinu. Glin jest składnikiem: kremów do opalania oraz dezodorantów, produktów ochrony przeciwsłonecznej. 10
Reakcje charakterystyczne jonu Mn 2+ [0,25M MnCl 2 ] Odczynnik Równania reakcji Efekt reakcji AKT* (odczynnik grupowy) +NH 3 H 2 O+NH 4 Cl O 2 (z powietrza) HCl HCl Mn 2+ + S 2 MnS 4MnS + 3O 2 + 6H 2 O 4 Mn(OH) 3 + 4S MnS + 2H + Mn 2+ + H 2 S Mn 2+ + 2OH Mn(OH) 2 Mn(OH) 2 + 2H + Mn 2+ + 2H 2 O cielisty osad siarczku manganu (II), który na powietrzu utlenia się do brązowego Mn(OH) 3 ; dodatek NH 4 Cl sprzyja powstawaniu grubokrystalicznego osadu; MnS jest rozpuszczalny w rozcieńczonych kwasach mineralnych i w kwasie octowym wodorotlenku manganu (II) nierozpuszczalny w nadmiarze odczynnika, rozpuszczany w kwasach NH 3 H 2 O Mn 2+ + 2 NH 3 H 2 O Mn(OH) 2 + 2NH 4 + wodorotlenku manganu (II) Na 2 CO 3 1M Mn 2+ + CO 2-3 MnCO 3 MnCO 3 + H 2 O Mn(OH) 2 + CO 2 węglanu manganu (II) rozpuszczalny w kwasach, po ogrzaniu ulega hydrolizie z powstaniem wodorotlenku Pb 3 O 4 + st.hno 3 (reakcja Cruma) Na 2 HPO 4 n 2+ + 5PbO 2 + 4H + no 4 + 5Pb 2+ + 2H 2 O** po rozcieńczeniu wodą i ogrzaniu pojawia się fioletowe zabarwienie roztworu na skutek utleniania w środowisku kwaśnym jonów Mn 2+ do manganu (VII) 0,5M 3Mn 2+ + 2HPO Mn 3 (PO 4 ) 2 + 2H + fosforanu (V) manganu (II), rozpuszczalny w kwasie octowym 2 4 * odczynnik używa się tylko pod wyciągiem **wykonanie: do probówki wprowadza się kroplę badanej substancji i dodaje się 3 krople stężonego HNO 3, ogrzewa i do gorącego dodaje się niewielką ilość PbO 2, wstrząsa się; jeśli nie zauważy się zmiany zabarwienia ponownie należy dodać PbO 2, ogrzewać i wstrząsnąć; roztwór można rozcieńczyć wodą. Zastosowanie manganu w kosmetologii Mangan stosowany w preparatach kosmetycznych wspomaga działanie filtrów promieniochronnych. W połączeniu z biogenną dla naszego organizmu adenozyną zaliczany jest do układów typu botox-like, które docierając do głębszych warstw skóry, hamują działanie impulsów nerwowych. Konsekwencją tego jest rozluźnienie naprężonej skóry i ograniczony proces tworzenia się zmarszczek mimicznych w procesie tzw. miostarzenia. 11
12
ANALIZA KATIONÓW IV GRUPY Kationy IV grupy: Ca 2+, Sr 2+, Ba 2+ Kationy tej grupy są bezbarwne. Odczynnik grupowy (NH 4 ) 2 CO 3 w środowisku zasadowym Odczynnikiem grupowym jest (NH 4 ) 2 CO 3 w środowisku zasadowym, który w obecności amoniaku i chlorku amonu wytrąca z roztworów tych kationów białe osady węglanów, nierozpuszczalne w wodzie a rozpuszczalne w rozcieńczonych kwasach. Natomiast chlorki i siarczki kationów IV grupy dobrze rozpuszczają się w wodzie. Chlorki wapnia, strontu i baru barwią płomień w sposób charakterystyczny dla każdego pierwiastka. Lotne sole wapnia, wprowadzone (na druciku platynowym) do płomienia palnika gazowego, barwią płomień palnika na kolor ceglastoczerwony, strontu na kolor karmazynowoczerwony, a baru na kolor żółtozielony Związki sodu i potasu barwią płomień palnika: sole wapnia [Ca 2+ ] - kolor ceglastoczerwony, sole strontu [Sr 2+ ] - kolor karmazynowoczerwony sole baru [Ba 2+ ] kolor żółtozielony 13
Reakcje charakterystyczne jonu Ca 2+ [0,1M CaCl 2 ] Odczynnik Równania reakcji Efekt reakcji (NH 4 ) 2 CO 3 (odczynnik grupowy) 1M + NH 3 aq.+ NH 4 Cl HCl Na 2 CO 3 1M Ca 2+ + CO 3 Ca 2+ + CO 3 2 CaCO 3 Na 2 HPO 4 0,5M Ca 2+ + HPO 4 H 2 SO 4 stężony (NH 4 ) 2 SO 4 nasycony CaCO 3 + 2H + Ca 2+ + CO 2 + H 2 O biały bezpostaciowy osad węglanu wapnia, który przy ogrzewaniu przechodzi w krystaliczny, rozpuszczalny w rozcieńczonych kwasach; najtrudniej rozpuszczalny w wodzie ze wszystkich węglanów wapniowców; osad rozpuszcza się w mocnych kwasach 2 CaCO 3 węglanu wapnia CaCO 3 2 CaHPO 4 biały kłaczkowaty osad wodorofosforanu (V) wapnia Ca 2+ 2 + SO 4 CaSO 4 * NH CaSO 4 + (NH 4 ) 2 SO 4 2 4 + 2 Ca(SO 4 ) 2 pręcik platynowy * w celu całkowitego zajścia reakcji należy potrzeć bagietą ściankę probówki Zastosowanie wapnia w kosmetologii (środowisko obojętne) rozpuszczalny w kwasach; w obecności NH 3 wytrąca się Ca 3 (PO 4 ) 2 rozpuszczalny w kwasach mineralnych, nierozpuszczalny w kwasie octowym strąca się siarczanu wapnia CaSO 4 2H 2 O rozpuszczalny w kwasach mineralnych, w kwasie octowym i stężonym (NH 4 ) 2 SO 4 z utworzeniem jonu kompleksowego (w odróżnieniu od BaSO 4 ) płomień palnika barwi się na kolor ceglastoczerwony Wapń działa antyalergicznie, koi podrażnioną skórę, hamuje stany zapalne. Niedobór wapnia objawia się zwyrodnieniem kości, próchnicą zębów, zaburzeniami ukrwienia, bladością skóry, egzemą, wypadaniem włosów. Podawany doustnie lub w preparatach kosmetycznych (w postaci mleczanu lub wodoroasparaginianu) wspomaga leczenie chorób alergicznych skóry, stanów zapalnych, niektórych egzem. Pierwiastek ten wykorzystywany jest również do regeneracji skóry suchej i zniszczonej. Wapń jest składnikiem: past do zębów, kremów, podkładów i pudrów. 14
ANALIZA KATIONÓW V GRUPY Kationy V grupy: Mg 2+, K +, Na +, NH 4 Kationy tej grupy są bezbarwne. Odczynnik grupowy brak Kationy V grupy są bezbarwne, brak odczynnika grupowego. Chlorki, węglany i siarczki sodu, potasu oraz amonu są rozpuszczalne w wodzie i dlatego nie strącają się w żadnej innej grupie kationów. Wyjątek stanowi MgCO 3, który jakkolwiek nie rozpuszcza się w wodzie, został również zaliczony do V grupy analitycznej, ponieważ w warunkach strącania IV grupy nie zostaje strącony. Związki sodu i potasu barwią płomień palnika: sole sodu [ Na+] - kolor żółty, sole potasu [K + ] - kolor różowofioletowy. Ponieważ brakuje odczynnika grupowego, wykrywanie poszczególnych pierwiastków polega na stosowaniu reakcji charakterystycznych dla każdego z nich. 15
Reakcje charakterystyczne jonu Mg 2+ [0,1M MgCl 2 ] Odczynnik Równania reakcji Efekt reakcji Na 2 CO 3 1M powstają sole o zmiennym składzie mmgco 3 nmg(oh) 2 H 2 O np. 5Mg 2+ + 5CO 3 + H 2 O 4MgCO 3 Mg(OH) 2 + CO 2 NH 3 H 2 O Mg 2+ + 2NH 3 H 2 O Mg(OH) 2 * + 2NH 4 NH 4 Cl *strącenie niecałkowite 2 Mg 2+ + 2OH Mg(OH) 2 Mg(OH) 2 + 2NH 4 Mg 2+ + 2NH 3 H 2 O tetrawęglanu (IV) wodorotlenku magnezu (II) rozpuszczalny w rozcieńczonych kwasach i nadmiarze soli amonowych biały galaretowaty osad wodorotlenku magnezu, w obecności jonów amonowych osad nie powstaje (nie zostaje przekroczony iloczyn rozpuszczalności Mg(OH) 2 ) biały galaretowaty osad wodorotlenku magnezu, nierozpuszczalny w nadmiarze odczynnika, rozpuszczalny w rozcieńczonych kwasach i nadmiarze soli amonowych Zastosowanie magnezu w kosmetologii Magnez wykazuje właściwości przeciwzapalne, antystresowe, przeciwdepresyjne. Regeneruje skórę, stanowi skuteczną barierę dla wolnych rodników. Działa tonizująco, opóźnia procesy starzenia się, wspomaga przemianę materii. Jest skutecznym antyseptykiem, usuwa nieprzyjemny zapach potu. Magnez jest składnikiem: pudrów, podkładów, cieni, dezodorantach i zasypkach przeciwpotowych, kremów, pomadek, róży. 16
Reakcje charakterystyczne jonu NH 4 + [0,5M NH 4 Cl] Odczynnik Równania reakcji Efekt reakcji 4M Hg 2 (NO 3 ) 2 0,1M NH 4 + OH NH 3 + H 2 O 4NH 3 + 2Hg 2 (NO 3 ) 2 + H 2 O [OHg 2 NH 2 ]NO 3 +2Hg + 3NH 4 NO 3 1) charakterystyczny zapach amoniaku 2) zmiana barwy zwilżonego wodą papierka lakmusowego z różowej na niebieską 3) czernienie bibuły nasyconej azotanem (V) rtęci (I) na skutek wydzielania metalicznej rtęci 17
IDENTYFIKACJA KATIONÓW Cześć praktyczna: Należy przeprowadzić reakcje charakterystyczne z odczynnikami grupowymi dla poszczególnych kationów zawartych w Tabeli 2a, a następnie z wybranymi odczynnikami zawartymi w tabeli 2b. W tym celu każdą reakcję należy przeprowadzić w oddzielnej probówce, poprzez wlanie kilku kropli badanego kationu i dodanie w przybliżeniu równoważną objętość odpowiedniego odczynnika. Należy zwrócić uwagę na barwę wytrącającego się osadu lub inne objawy zachodzenia reakcji np. zapach, wydzielające się pęcherzyki gazu. 18
Tabela 2a. Reakcje kationów z odczynnikami grupowymi Odczynnik grupowy grupa I grupa II grupa III grupa IV grupa V Ag + Cu 2+ Fe 3+ Mn 2+ Zn 2+ Al 3+ Ca 2+ Mg 2+ HCl AgCl, ciemnieje na świetle, rozp. w NH 3 H 2 O brak osadu brak osadu brak osadu brak osadu brak osadu brak osadu brak osadu AKT + HCl brak osadu CuS czarny osad rozp. w gorącym HNO 3 brak osadu brak osadu brak osadu brak osadu brak osadu brak osadu AKT +NH 3 H 2 O+NH 4 Cl brak osadu brak osadu Fe 2 S 3 czarny osad MnS cielisty osad ZnS rozp.w HNO 3 Al(OH) 3 i brak osadu brak osadu (NH 4 ) 2 CO 3 1M +NH 3 H 2 O+NH 4 Cl brak osadu brak osadu brak osadu brak osadu brak osadu brak osadu CaCO 3 brak osadu 19
Tabela 2b. Reakcje kationów z wybranymi odczynnikami Odczynnik charakterystyczny grupa I grupa II grupa III grupa IV grupa V Ag + Cu 2+ Fe 3+ Mn 2+ Zn 2+ Al 3+ Ca 2+ Mg 2+ Ag 2 O brunatny osad i NH 3 H 2 O Cu(OH) 2 niebieski osad i NH 3 H 2 O Fe(OH) 3 rdzawobrunatny osad Mn(OH) 2, Zn(OH) 2 rozp. w i HNO 3 Al(OH) 3 i Ca(OH) 2 słabo rozp. w wodzie Mg(OH) 2 i NH 4 Cl NH 3 H 2 O Ag 2 O brunatny osad rozp. w nadmiarze NH 3 H 2 O Cu 2 (OH) 2 SO 4 jasnoniebieski osad rozp. w nadmiarze NH 3 H 2 O Fe(OH) 3 rdzawonobrunatny osad nierozp. w NH 3 H 2 O Mn(OH) 2 Zn(OH) 2 rozp. w NH 3 H 2 O Al(OH) 3 nierozp. w NH 3 H 2 O brak osadu Mg(OH) 2 Na 2 HPO 4 0,5M Ag 3 PO 4 żółty osad Cu 3 (PO 4 ) 2 FePO 4 żółto- Mn 3 (PO 4 ) 2 Zn 3 (PO 4 ) 2 rozp. w AlPO 4 nierozpuszczalny w CH 3 COOH i CaHPO 4 biały kłaczkowaty osad rozp. w kwasach Mg 3 (PO 4 ) 2 nierozpuszczalny w NH 3 H 2 O Barwa płomienia brak barwy zielona brak barwy brak barwy brak barwy brak barwy ceglastoczerwona brak barwy 20