MINŐSÉGI KÉMIAI ANALÍZIS

Átírás

1 MINŐSÉGI KÉMIAI ANALÍZIS A minőségi analízis célja és feladata ismeretlen anyagok vegyületek, keverékek, ötvözetek, stb. összetételének meghatározása, annak megállapítása, hogy a különféle anyagok milyen atomokból, atomcsoportokból, ionokból, molekulákból, egyszóval milyen alkatrészekből vannak felépítve. Némely esetben, különösen homogén anyagoknál, már a minta fizikai sajátságaiból (sűrűség, olvadáspont, forráspont, szín, szag) is következtethetünk annak összetételére. Megbízható következtetést az anyag minőségi összetételére azonban csak kémiai viselkedése alapján vonhatunk le. Ezért a vizsgálandó anyagokon tudatosan hozunk létre olyan kémiai változásokat, amelyek jól megfigyelhetők, és egyértelműen jellemzők az illető anyagra. Másszóval, a vizsgálandó anyagot ismert összetételű vegyületekkel kémszerekkel, reagensekkel hozzuk össze, és megfigyeljük az ezek hatására bekövetkező kémiai változásokat. A reakciókat javarészt vizes oldatokban végezzük, mert szilárd állapotban nehezen mennek végbe reakciók. A szervetlen vegyületek többsége elektrolit, tehát vizes oldatban többé-kevésbe disszociált állapotban vannak jelen. Ezért a szervetlen analízis célja a vizes oldatban lévő ionok kimutatása. Az oldatban történő reakcióval járó feltűnő kémiai változás leggyakrabban abból áll, hogy a vizsgált anyag egyik alkotórésze a reagens valamelyik alkotórészével oldhatatlan vegyületté alakul és mint csapadék kiválik. A csapadék színéből és más kémszerekkel szemben tanúsított viselkedéséből következtethetünk a keresett alkotórész minőségére. Más esetben a reakció gázfejlődéssel jár. Ilyenkor a gáz fizikai és kémiai tulajdonságait figyeljük meg. Néha a reagens színváltozást hoz létre az oldatban, ami bizonyos alkotórészek jelenlétére utalhat. A keresett alkotórész felkutatása akkor sikerül gyorsan és kellő biztonsággal, ha az alkalmazott reakció gyors, jellemző, és érzékeny. Jellemzőnek nevezzük a kémiai reakciót akkor, ha a megfigyelhető változást csak egy bizonyos alkotórész okozza. Érzékeny a reakció, ha a vizsgálandó anyag nagyon kis mennyiségének, vagy igen híg oldatának alkalmazásakor is jól megfigyelhető változás áll elő. Csapadékképződés A csapadék (kémiai értelemben) vízben oldhatatlan (rossz oldékonyságú) szilárd halmazállapotú anyag, amely oldatokban lejátszódó kémiai reakció eredményeképpen jön létre. Annak megjóslásához, hogy két ionos vegyület oldatának összekeverésekor képződik-e csapadék, tudni kell, hogy a reakció bármely potenciális terméke oldódik-e vízben, vagy sem. 1

2 Ezért a vegyületeknek egyik fontos fizikai jellemzője vízoldhatóságuk. Az alábbi vázlatos összeállítás ad tájékoztatást a különböző ion-kombinációk várható oldhatósági viszonyairól: Vízben oldódnak Anion Állítás Kivételek NO - 3 minden nitrát oldható Cl - a legtöbb klorid oldható AgCl, Hg 2 Cl 2, PbCl 2 Br - a legtöbb bromid oldható AgBr, Hg 2 Br 2, HgBr 2 és PbBr 2 I - a legtöbb jodid oldható AgI, Hg 2 I 2, HgI 2 és PbI 2 SO 4 2- a legtöbb szulfát oldható CaSO 4, SrSO 4, BaSO 4, PbSO 4, Hg 2 SO 4, Ag 2 SO 4 ClO - 3 C 2 H 3 O - 2 minden klorát oldható minden acetát oldható Vízben nem oldódnak Anion Állítás Kivételek S 2- a legtöbb szulfid oldhatatlan alkáli-, alkáliföldfém- és ammónium-szulfidok OH - a legtöbb hidroxid oldhatatlan alkáli-hidroxidok CO 2-3 a legtöbb karbonát oldhatatlan alkálifém- és ammónium-karbonátok 2 SO - 3 a legtöbb szulfit oldhatatlan alkálifém- és ammónium-szulfitok PO 3-4 a legtöbb foszfát oldhatatlan alkálifém- és ammónium-foszfátok 2

3 Kationok kimutatása A minőségi analízis során az ismeretlen anyagot előbb kationokra vizsgáljuk, mert ezek ismeretében egyes anionok jelenléte kizárható. Mivel a kationok száma igen nagy, csak szisztematikus vizsgálattal lehet őket azonosítani. Az ismeretlen anyagot először a kationok egész csoportjára jellemző kémszerrel, az ún. osztályreagenssel kell megvizsgálni. Az osztályreakciók segítségével megállapítható, hogy az illető kation melyik osztályba tartozik, ezáltal a vizsgálat köre kisebb számú kationra szűkíthető. Az egyes osztályokon belül a kationok egymás melletti felismerése vagy megkülönböztetése különleges reagensekkel történik. A leggyakrabban előforduló kationokat szulfidjaik és karbonátjaik eltérő oldhatósága alapján öt osztályba sorolják. Az osztályreagensek: sósav, kénhidrogén, ammónium-szulfid és ammónium-karbonát. A gyakrabban előforduló kationok analitikai osztályai I. osztály II.osztály III. osztály IV. osztály V. osztály H 2 S-csoport (NH 4 ) 2 S Alkáliföldfémek Mg és alkálifémek csoport csoportja csoportja a. HCl-csoport As-csoport Ag + As 3+ Co 2+ Ca 2+ Mg 2+ Pb 2+ As 5+ Ni 2+ Sr 2+ Na + Hg 2 2+ Sb 3+ Fe 2+ Ba 2+ K + b. Cu-csoport Sb 5+ Fe 3+ NH 4 + Hg 2+ Sn 2+ Cr 3+ Li + Cu 2+ Sn 4+ Al 3+ H + Bi 2+ Zn 2+ Cd 2+ Mn 2+ Az egyes csoportok, majd az egyes ionok rendszerezett vizsgálata két gyakorlat időtartama alatt nem valósítható meg, valamint a fenti vizsgálatokban használt reagensek (kénhidrogén, ammónium szulfid) kellemetlen szagúak. Ezért egyrészt csökkentettük a vizsgálandó kationok számát, másrészt a periódusos rendszerben elfoglalt helyük alapján csoportosítottuk őket, és egyszerűsítettük az ismeretlen kation meghatározásának menetét. A reakciókat kémcsőben, a vizsgálandó oldat 1-2 cm 3 -ével végezzük. A reagenst cseppenként, rázogatás, esetleg melegítés közben adjuk a vizsgálandó mintához. Figyeljük meg és írjuk le a végbemenő változásokat. 3

4 1. Alkáli fémek reakciói (s-mező) 1.1. Alkáli fémek lángfestésének tanulmányozása A lángfestéshez az alkálifémek kloridjainak (LiCl, NaCl, KCl) 1 M oldatát használjuk. Az oldatba előzetesen kiizzított fém spirált mártunk, majd a Bunsen égő lángjába tartjuk. Lángfestés: Li + Na + K + Az alkálifém-ionok a gyakorlaton használt reagensekkel nem reagálnak. 2. Alkáli földfémek reakciói (s-mező) 2.1. A Ca 2+ ion reakciói CaCl 2 + H 2 SO 4 = CaSO HCl CaCl NaOH = Ca(OH) NaCl Lángfestés 2.2. A Ba 2+ ion reakciói BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO HCl BaCl NaOH = Ba(OH) NaCl Lángfestés 2.3. A Sr 2+ ion reakciói SrCl 2 + H 2 SO 4 = SrSO HCl SrCl NaOH = Sr(OH) NaCl Lángfestés 3. Átmeneti fémek reakciói (d-mező) 3.1. A Hg 2 2+ és Hg 2+ ionok reakciói (mérgező!) Hg 2 (NO 3 ) 2 + H 2 SO 4 = Hg 2 SO HNO Hg 2 (NO 3 ) NaOH = Hg + HgO + H 2 O + 2 NaNO Hg 2 (NO 3 ) KI = Hg 2 I KNO 3 (a reakció terméke a következő reakció kiindulási reagense) Hg 2 I KI = Hg + K 2 [HgI 4 ] Hg 2 (NO 3 ) HCl = Hg 2 Cl HNO HgCl NaOH = HgO + 2 NaCl + H 2 O HgCl KI = HgI KCl (a reakció terméke a következő reakció kiindulási reagense) HgI KI = K 2 [HgI 4 ] 3.2. Az Ag + ion reakciói 4

5 AgNO 3 + KCl = AgCl + KNO AgNO 3 + KBr = AgBr + KNO AgNO 3 + KI = AgI + KNO AgNO NaOH = 2 NaNO AgOH Ag 2 O + H 2 O AgNO 3 + K 2 CrO 4 = Ag 2 CrO KNO A Fe 2+ és Fe 3+ ionok reakciói FeSO NaOH = Fe(OH) 2 + Na 2 SO FeSO K 3 [Fe(CN) 6 ] = Fe 3 [Fe(CN) 6 ] K 2 SO FeSO KMnO H 2 SO 4 = 5 Fe 2 (SO 4 ) MnSO 4 + K 2 SO H 2 O FeCl NaOH = Fe(OH) NaCl FeCl K 4 [Fe(CN) 6 ] = Fe 4 [Fe(CN) 6 ] KCl FeCl KSCN = Fe(SCN) KCl 3.4. A Cd 2+ ion reakciói CdSO NaOH = Cd(OH) NaCl CdSO 4 + Na 2 S = CdS + Na 2 SO 4 4. A p-mező néhány kationjának reakciói 4.1. Az Al 3+ ion reakciói AlCl NaOH = Al(OH) NaCl (a reakció termékét ossza két részre a következő két reakcióhoz) Al(OH) 3 + NaOH = Na[Al(OH) 4 ] Al(OH) HCl = AlCl H 2 O 4.2. A Pb 2+ ion reakciói Pb(NO 3 ) 2 + H 2 SO 4 = PbSO HNO Pb(NO 3 ) KI = PbI KNO Pb(NO 3 ) NaOH = Pb(OH) NaNO 3 (a reakció termékét ossza két részre a következő két reakcióhoz) Pb(OH) HNO 3 = Pb(NO 3 ) H 2 O Pb(OH) NaOH = Na 2 [Pb(OH) 4 ] Pb(NO 3 ) 2 + K 2 CrO 4 = PbCrO KNO Az NH 4 + (ammónium) ion reakciói NH 4 Cl(sz) + NaOH = NaCl + NH 3 + H 2 O (NH 3 -szag) NH 4 Cl + Nessler reagens = HgO Hg NH 2 I + 7 KI + KCl + 3 H 2 O (Nessler reagens: 2 K 2 [HgI 4 ] + 4 KOH ) Anionok kimutatása 5

6 Az anionokat a kationokhoz hasonlóan, analitikai osztályokba sorolják. Az anionok egyes osztályainak jelzésére és egymástól való megkülönböztetésére osztályreagensül HCl-at, BaCl 2 -ot és AgNO 3 -ot használnak. Míg azonban a kationok egyes osztályait osztályreagensük segítségével egymástól elválaszthatók, addig az anionok elkülönítésére az osztálykémszerek nem alkalmasak. Az I. osztály anionjainak vizes oldatában erős savak gázfejlődést, vagy csapadékképződést okoznak. Ide tartoznak: CO 2-3, HCO3 -, SO3 2-, S2 O 2-3, S 2-, SiO 2-3, ClO -. A II. osztály anionjai erős savaktól észrevehetően nem változnak. Semleges oldatukból BaCl 2 vagy Ba(NO 3 ) 2 csapadékot választ le. Ide tartoznak: SO 2-4, PO4 3-, BO 3-3, F -, IO3 -, BrO3 -. A III. osztály anioinjai AgNO 3 -tal csapadékot adnak. Ide tartoznak: Cl -, I -, Br -, CN -, SCN -, [Fe(CN) 6 ] 4 -, [Fe(CN)6 ] 3-. A IV. osztály ionjait specifikus reakciókkal azonosítjuk. Ide tartoznak: NO - 3, NO - 2, ClO3 -, OH -, CH3 -COO -, (COO) Halogén csoport egyszerű és összetett ionjainak reakciói 5.1. A Cl (klorid) ion reakciói kémhatás: semleges NaCl + AgNO 3 = AgCl + NaNO Pb(NO 3 ) NaCl = PbCl NaNO A Br (bromid) ion reakciói kémhatás: semleges AgNO 3 + KBr = AgBr + KNO KBr + 2 csepp H 2 SO 4 + kevés klóros víz = Br KCl (Kloroformmal rázzuk össze!) 5.3. A I (jodid) ion reakciói kémhatás: semleges AgNO 3 + KI = AgI + KNO KI + 2 csepp H 2 SO 4 + kevés klóros víz = I KCl (Kloroformmal rázzuk össze!) Ismételjék meg az előző reakciót nagyobb mennyiségú klóros vízzel: I Cl H 2 O = 2 HIO HCl 6. Az oxigén csoport egyszerű és összetett ionjainak reakciói 6

7 6.1. Az OH - (hidroxid) ion reakciói kémhatás: erősen lúgos AgNO NaOH = 2 NaNO AgOH Ag 2 O + H 2 O 6.2. Az O 2 2- (peroxid) ion reakciói kémhatás: semleges H 2 O KI + H 2 SO 4 = 2 H 2 O + K 2 SO 4 + I H 2 O KMnO H 2 SO 4 = 2 MnSO 4 + K 2 SO H 2 O + 5 O Az SO 4 2 (szulfát) ion reakciói kémhatás: semleges BaCl 2 + Na 2 SO 4 = BaSO NaCl 7. A széncsoport egyszerű és összetett ionjainak reakciói 7.1. A CO 3 2 (karbonát) ion reakciói kémhatás: erősen lúgos Na 2 CO HCl = 2 NaCl + H 2 O + CO Na 2 CO AgNO 3 = Ag 2 CO NaNO A SiO 3 2 (szilikát) ion reakciói kémhatás: erősen lúgos Na 2 SiO HCl = 2 NaCl + H 2 SiO Na 2 SiO AgNO 3 = Ag 2 SiO NaNO 3 7

8 Az elvégzett reakciók megfigyelései alapján töltsék ki az alábbi két táblázatot: Kation reakciói H 2 SO 4 KI NaOH Speciális reakció Ca 2+ Ba 2+ Sr 2+ Hg 2 2+ Hg 2+ Ag + Fe 2+ Fe 3+ Cd 2+ Al 3+ Pb 2+ NH 4 + 8

9 Anionok reakciói AgNO 3 HCl kémhatás Speciális reakció Cl Br I OH H 2 O 2 SO 4 2 CO 3 2 SiO 3 2 9

10 Egyszerű kation- és anionanalízis Minden hallgató két kémcsövet kap, egyikben az ismeretlen kation 0,1M oldata, a másikban az ismeretlen anion 0,1M oldata van. Ismeretlen kation meghatározása Három kémcsőbe kb cm 3 ismeretlen kationt tartalmazó oldatot öntünk. Az elsőhöz 1 cm 3 30% kénsavat, a másodikhoz 1 cm 3 KI-oldatot, a harmadikhoz 1 cm 3 NaOH-oldatot adunk. A reagenst cseppenként, rázogatás, esetleg melegítés közben adjuk a vizsgálandó mintához és megfigyeljük a végbemenő változásokat. Miután a csapadékok színe alapján alapján megtaláltuk az ismeretlen iont, annak azonosságáról az speciális reakciója alapján is meg kell győződnünk! Az analízis menetéről készítsünk pontos jegyzőkönyvet! Ismeretlen anion meghatározása Három kémcsőbe kb cm 3 ismeretlen aniont tartalmazó oldatot öntünk. Az elsőhöz 1 cm 3 ezüstnitrátot, a másodikhoz 1 cm 3 sósavoldatot adunk, a harmadiknak ellenőrizzük a kémhatását. Miután a csapadékok színe alapján alapján megtaláltuk az ismeretlen iont, annak azonosságáról az speciális reakciója alapján is meg kell győződnünk! Az analízis menetéről készítsünk pontos jegyzőkönyvet! 10

11 Laboratóriumi jegyzőkönyv Név:... Csoport:... Dátum:... Szervetlen ionok kvalitatív kémiai analízise 1. Ismeretlen kation meghatározása: H 2 SO 4 KI NaOH Speciális reakció ismeretlen kation.. + H 2 SO 4 =.. + KI =.. + NaOH = Speciális reakció: A fenti reakciók alapján az ismeretlen kation: 2. Ismeretlen anion meghatározása kémhatás AgNO 3 HCl Speciális reakció ismeretlen anion.. + AgNO 3 =.. + HCl = Kémhatás: Speciális reakció: A fenti reakciók alapján az ismeretlen anion: 11