Instrukcja Analiza jakościowa jonów biologicznie i ekologicznie ważnych

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

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.

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.

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

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

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 4 + 12(NH 4)2MoO 4 + 23HNO 3 21NH 4NO 3 + (NH 4) 3P(Mo 3O 10) 4 + 2NaNO 3 + 12H 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

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

Tabela 3. Schemat analizy anionów Anion BaCl2 Odczynniki grupowe AgNO3 Reakcja charakterystyczna SO4 2- BaSO 4 - - - 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.

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.