4. Laboratóriumi gyakorlat A laborgyakorlatok anyagát összeállította: dr. Pasinszki Tibor egyetemi tanár

Átírás

1 4. Laboratóriumi gyakorlat A laborgyakorlatok anyagát összeállította: dr. Pasinszki Tibor egyetemi tanár A bevezető előadáson bemutatott kísérletek: 1. termit reakció Fe 2 O 3 + Al MnO 2 + Al 2. ammónium-bikromát bomlása 3. alumínium és jód reakciója A laborgyakorlaton bemutatott kísérletek: 1. nátrium reakciója vízzel 2. az ón kemilumineszcenciája 3. aranyeső próba 4. alkáli és alkáliföldfémek, valamint a réz lángfestése A jegyzőkönyv tartalmazza a készülékrajzot, a megfigyeléseket és a reakcióegyenletet! Lumineszcencia teszt (az SnH 4 kemilumineszcenciája). Ez a teszt azon alapszik, hogy az ón oldható vegyületeit savas közegben a cink ón-tetrahidriddé SnH 4 redukálja: Sn Zn + 4 H + SnH Zn 2+ Az SnH 4 a Bunsen-égő lángjában elbomlik ónra és hidrogénre, miközben jellegzetes kék fényt bocsát ki: SnH 4 Sn + 2 H 2 1

2 Lángfestés Számos fémsó, pl. alkálifém, alkáliföldfém (triád), réz, tallium, elpárologtatható és elbontható a nem világító Bunsen égő lángjával és ezek a sók a fémre jellemző színűre festik a lángot. Ez felhasználható a fém illetve fémion azonosítására. A fizikai-kémiai folyamat, mely a jellegzetes színt szolgáltatja a következőképpen foglalható össze: 1. a só elpárolog 2. a molekula elbomlik összetevőire pl. NaCl Na + Cl 3. a fématom vegyértékelektronjának gerjesztődése termikus ütközések folytán: Na Na* 4. a gerjesztett állapot megszűnése fotonemisszióval: Na* Na + h Ha a kibocsátott fotonok a látható tartományba esnek, a lángot a fotonoknak megfelelő színűre festik. A kloridok az alkálifémek legillékonyabb vegyületei közé tartoznak, továbbá homolitikusan elbomlanak a Bunsen égő lángjában, ezért a legjobb módszer a lángfestés elvégzésére az, ha a vizsgált anyagot kevés koncentrált sósavval összekeverjük, és így in situ állítjuk elő a kloridokat a lángfestés elvégzése előtt. A lángfestést a következőképpen hajtjuk végre: néhány kristályt, vagy az anyag oldatának néhány cseppjét egy porcelántégelybe tesszük, sósavat adunk hozzá, majd végül cink darabkákat. A cink és a sósav reakciója során keletkező hidrogén gáz az oldat apró cseppjeit magával ragadja és a lángba viszi, ahol elpárolognak. A következő szín észlelhető: lítium kárminvörös nátrium aranysárga kálium fakó ibolya rubídium sötétvörös cézium kék 2

3 1. Feladat: Egy ismeretlen nátriumsó azonosítása (az anion meghatározása). Egyetlen anion azonosítása oldatban Az alábbiakban egy olyan módszert ismertetünk, ami az anionok alábbi csoportosításán alapszik: I. csoport II. csoport III. csoport IV. csoport reagál HCl -el gázfejlődés, vagy csapadékképződés Ba 2+ ph= 7 AgNO 3 + HNO nem reagál KI vagy I 2 oldattal csapadék Ag + ionokkal CO 3 SiO 3 csapadék Ba 2+ ionokkal CO 3 SiO 3 SO 4 PO 4 3- F - BO 3 3- Cl - Br - I - NO 3 - elszinteleníti az I 2 oldatot S SO 3 S 2 O 3 SO 3 S 2 O 3 I 2 -t szabadít fel KI oldatból (NO 2 - ) NO 2 - Készítsen oldatot a kémcsőben kapott ismeretlen anyaggal. Jegyezze fel az ismeretlen azonosítószámát a jegyzőkönyvben! A jegyzőkönyv tartalmazza az összes elvégzett kísérletet, a megfigyeléseket és, ha volt reakció, akkor a reakcióegyenletet! A következő anionok egyike lehet az oldatban: CO 3 2, SiO3 2, S 2, SO3 2, S2 O 3 2, SO4 2, PO4 3, F, BO3 3, Cl, I, Br, NO 2, NO3. Ha az aniont azonosította, további, az anionra jellemző reakciókkal meg kell győződni feltételezése helyességéről! Az ismeretlen anyag oldatának kis részletével végezze el az alábbi reakciókat! Minden új kísérlethez vegyen új oldatot! Szigorúan sorrendben haladjon! 3

4 Mérje meg az ismeretlen anyag oldatának ph-ját! (1) I. csoport anionjai Adjon az oldathoz híg sósavat feleslegben. Ha nincs látható változás, folytassa a (2) pontnál. Ha fehér csapadék és/vagy gázfejlődés észlelhető, a következő ionok egyike lehet az oldatban: CO 3 2, SiO3 2, S 2, SO3 2, S2 O 3 2. Ha fehér, kocsonyás csapadék keletkezik gázfejlődés nélkül: SiO 3 2 ion Ha fehér csapadék és SO 2 gáz keletkezik. A gáz kimutatását kálium-jodáttal és keményítőoldattal megnedvesített szűrőpapírral végezhetjük. 2 A szűrőpapíron kék folt lesz: S 2 O 3 -ion volt az oldatban. Ha nincs csapadék, csak gázfejlődés: -Vizsgálja meg a fejlődő gázt ólom-acetátos szűrőpapírral. fekete folt: S 2 -ion volt az oldatban -Vizsgálja meg a fejlődő gázt kálium-jodáttal és keményítőoldattal megnedvesített szűrőpapírral. 2 kék folt: SO 3 -ion -Vezesse a fejlődő gázt baritvízbe: 2 fehér csapadék: CO 3 -ion volt az oldatban. (2) II. csoport anionjai Semlegesítse az oldatot és adjon hozzá BaCl 2 oldatot. Ha nincs csapadék, folytassa a (3) pontnál. Ha fehér csapadék keletkezik, ha SO 4 2, PO4 3, F, vagy BO3 3 -ion volt az eredeti oldatban. Adjon tömény kénsavat és etanolt a csapadékhoz, vagy az eredeti mintáhozegy porcelán tálban és gyújtsa meg: 3 zöld színű láng: BO 3 ion Vegyen friss mintát és adjon hozzá AgNO 3 oldatot 3 a leváló csapadék sárga: PO 4 -ion VAGY: Vegyen friss mintát és adjon hozzá friss ammónium-molibdát reagenst. 3 sárga, kristályos csapadék: PO 4 -ion Öntse le a BaCl 2 -oldattal leválasztott csapadékról az oldat tisztáját (dekantálás) és adjon a csapadékhoz híg HCl oldatot: 2 a csapadék nem oldódik: SO 4, vagy F -ion Készítsen Fe(SCN) 3 oldatot, majd adjon hozzá a szilárd ismeretlen anyagából feleslegben: az oldat vörös színe eltűnik: F 3 -ion. (PO 4 -ion is elszinteleníti!) 4

5 (3) III. csoport anionjai Savanyítsa meg az oldatot híg salétromsavval és adjon hozzá AgNO 3 oldatot. Ha nincs csapadék, folytassa a (4)-es pontnál. Vizsgálja meg a csapadék színét. -Sárga és sárgásfehér csapadék I -, vagy Br -ion jelenlétére utal. Egy friss mintához adjon 1-2 ml szén-tetrakloridot, majd klórosvizet cseppenként és rázza intenzíven a kémcsövet: -ibolya színű szerves fázis, amely elszintelenedik, ha a klórosvizet feleslegben adjuk: I ion -vöröses-barna szerves fázis, amely sárga lesz klórosvíz feleslegére: Br ion -Fehér csapadék Cl jelenlétére utal: kizárásos alapon: Cl ion volt az oldatban. ellenőrzés: a csapadék oldódik reagens ammónniaoldatban (4) IV. csoport anionjai A következő ionok egyike lehet az oldatban: NO 2, vagy NO3. Savanyítson meg egy friss mintát ecetsavval, majd adjon hozzá KI oldatot: barna színeződés: NO 2 -ion VAGY: Savanyítson meg egy friss mintát ecetsavval, és adjon hozzá FeSO 4 oldatot: barna színeződés: NO 2 -ion Ha az eddigiek közül egyszer sem volt látható változás: Kizárásos alapon: NO 3 -ion Ellenőrizze barna gyűrű teszttel! 5

6 2. Feladat: Végezze el az alábbi reakciókat! Lítium ionok jellemző reakciói, Li + A lítium ion reakcióinak tanulmányozásához használjon egy 1 M lítium-klorid oldatot. 1. Nátrium-foszfát oldat: lítium-foszfát csapadék válik ki az oldatból. A kicsapódás nem teljes semleges oldatból, de csaknem teljes lúgos közegben. 3 Li + + PO 4 3 Li3 PO 4 2. Nátrium-karbonát oldat: tömény oldatból fehér lítium-karbonát csapadék válik ki: 2 Li + + CO 3 2 Li2 CO 3 5. Lángfestés: kárminvörös szín észlelhető. Nátrium ionok, Na + Használjon 1 M nátrium-klorid oldatot a nátriumionok jellemző reakcióinak tanulmányozásához. 1. Cink-uranil-acetát oldat: sárga, kristályos nátrium-cink-uranil-acetát, NaZn(UO 2 ) 3 (CH 3 COO) 9.9H 2 O csapadék keletkezik: Na + + Zn UO CH3 COO NaZn(UO 2 ) 3 (CH 3 COO) 9 2. Lángfestés: intenzív sárga szín észlelhető. 6

7 Kálium ionok, K + Azon reakciók tanulmányozásához, melyek vízben oldhatatlan, illetve kevéssé oldódó káliumsót eredményeznek, használjon viszonylag tömény, 1M kálium-klorid oldatot. A K + és NH 4 + ionok mérete és töltése csaknem azonos, ezért a két ion reakciója általában igen hasonló. 1. Perklórsav oldat (HClO 4 ): töményebb és hideg oldatokból fehér, kristályos kálium-perklorát, KClO 4 csapadék válik ki. Célszerű koncentrált perklórsav oldatot használni. K + + ClO 4 KClO4 2. Lángfestés: fakó ibolya. Magnézium ionok, Mg 2+ jellemző reakciói A magnéziumionok reakcióinak vizsgálatához használjon 0,1 M magnézium-klorid, vagy magnézium-szulfát oldatot. 1. Nátrium-karbonát oldat: bázisos magnézium-karbonát csapadék keletkezik: 5 Mg CO H2 O 4 MgCO 3.Mg(OH) 2.5 H 2 O + 2 HCO 3 2. Nátrium-hidroxid oldat: magnézium-hidroxid csapadék: Mg OH Mg(OH) 2 3. Lángfestés: színtelen! 7

8 Kalcium ionok, Ca 2+ A Ca 2+ ionok jellemző reakcióinak vizsgálatához használjon 0,1 M kalcium-klorid oldatot. 1. Ammónium-karbonát oldat: semleges, vagy NH 3 oldattal gyengén meglúgosított oldatból amorf kalcium-karbonát csapadék keletkezik, oldhatósági szorzat: L(25C)= 4,96x10 9 : Ca 2+ + CO 3 2 CaCO3 A csapadék oldódik savakban, még ecetsavban is CaCO 3 + H + Ca 2+ + HCO 3 és HCO 3 + H + H 2 CO 3 CO 2 + H 2 O 2. Híg kénsav: kalcium-szulfát csapadék, oldhatósági szorzat: L(25C)= 7,10x10 5 : Ca 2+ + SO 4 2 CaSO4 3. Lángfestés: sárgás-vörös, vagy téglavörös színűre festi a Bunsen égő lángját. Stroncium ionok, Sr 2+ A Sr 2+ ionok jellemző reakcióinak vizsgálatához használjon 0,1 M stroncium-klorid vagy stroncium-nitrát oldatot. 1. Ammónium-karbonát oldat: semleges, vagy gyengén lúgos oldatból stronciumkarbonát csapadék válik le, oldhatósági szorzat: L(SrCO 3, 25C)= 5,60x10 10 (a csapadék oldódik savakban, még ecetsavban is): Sr 2+ + CO 3 2 SrCO3... 8

9 2. Híg kénsav: hidegen lassan, melegítésre gyorsabban stroncium-szulfát csapadék válik le, L(SrSO 4, 25C)= 3,44x10 7 : Sr 2+ + SO 4 2 SrSO4 3. Telített kalcium-szulfát oldat: hidegen lassan, de az oldatot forralva gyorsan stroncium-szulfát csapadék keletkezik: Sr 2+ + SO 4 2 SrSO4 4. Kálium-kromát oldat: semleges, vagy gyengén ammóniás oldatból forralás hatására lassan stroncium-kromát csapadék keletkezik. (A csapadék valamennyire oldódik vízben, így híg stronciumion tartalmú oldatból csapadék nem válik ki.) Sr 2+ + CrO 4 2 SrCrO4 5. Lángfestés: kármin-vörös színű a Bunsen égő lángja. Bárium ionok, Ba 2+ A Ba 2+ ionok jellemző reakcióinak vizsgálatához használjon 0,1 M bárium-klorid vagy bárium-nitrát oldatot. 1. Ammónium-karbonát oldat: semleges, vagy gyengén lúgos közegből báriumkarbonát csapadék válik le, oldhatósági szorzat: L(BaCO 3, 25C)= 2,58x10 9 (a csapadék oldódik savakban, még ecetsavban is): Ba 2+ + CO 3 2 BaCO3... 9

10 2. Híg kénsav: porszerű bárium-szulfát csapadék keletkezik, oldhatósági szorzat: L(BaSO 4, 25C)= 1,07x10 10 :A csapadék a legoldhatatlanabb szulfát-csapadék, nem oldódik tömény sósavban sem. Ba 2+ + SO 4 2 BaSO4 3. Telített kalcium-szulfát oldat: azonnal bárium-szulfát csapadék keletkezik. Ba 2+ + SO 4 2 BaSO4 4. Telített stroncium-szulfát oldat: lassan bárium-szulfát csapadék keletkezik. Ba 2+ + SO 4 2 BaSO4 5. Kálium-kromát oldat: semleges, vagy ecetsavas oldatból bárium-kromát csapadék válik le, mely gyakorlatilag vízben oldhatatlan, oldhatósági szorzat: L(BaCrO 4, 25 C)= 1,17x10 10 : Ba 2+ + CrO 4 2 BaCrO4 6. Lángfestés: sárgás- vagy halvány-zöld színű a Bunsen égő lángja. Aluminium(III) ionok, Al3+ Az alumínium(iii) ionok jellemző reakcióinak tanulmányozásához használjon 0,1 M alumínium-klorid vagy 0,1 M alumínium-szulfát oldatot. 1. Nátrium-hidroxid oldat: alumínium-hidroxid csapadék válik le. Al OH Al(OH) 3 A csapadék feloldódik a reagens feleslegében tetrahidroxo-aluminát ionok keletkezése közben. (A reakció reverzibilis és ha az OH ion koncentráció csökken, a reakció jobbról balra megy.) Al(OH) 3 + OH Al(OH) 4 10

11 3. Ammónia oldat: kocsonyás alumínium-hidroxid csapadék keletkezik. A csapadék csak nagyon kis mértékben oldódik a reagens feleslegében és az oldhatóság ammóniumsók jelenlétében még kisebb. Al NH H 2 O Al(OH) NH 4 + Ón(II) ionok, Sn2+ Az ón(ii) ionok jellemző reakcióinak tanulmányozásához használjon 0,1 M ón(ii)- klorid, SnCl 2.2H 2 O oldatot. Az oldat néhány százalék sósavat tartalmaz a hidrolízis visszaszorítására. 1. Kénhidrogén: gyengén savanyú oldatból ón(ii)-szulfid csapadék keletkezik, oldhatósági szorzat L(SnS, 25 C)= 3,25x10 28 : Sn 2+ + H 2 S SnS + 2 H + 2. Nátrium-hidroxid oldat: ón(ii)-hidroxid csapadék keletkezik, L(Sn(OH) 2, 25 C)= 5,45x10 27 : Sn OH Sn(OH) 2 A csapadék oldódik a reagens feleslegében Sn(OH) OH Sn(OH) 4 2 (NaOH oldat helyett ammónia oldattal reagáltatva ón(ii)-hidroxid csapadék keletkezik, mely nem oldódik a reagens feleslegében.) 11

12 3. Higany(II)-klorid oldat: higany(i)-klorid (kalomel) csapadék keletkezik, ha a reagenst gyorsan, feleslegben adjuk az oldathoz: Sn HgCl 2 Hg 2 Cl 2 + Sn Cl Ha az ón(ii) ionok feleslegben vannak, a csapadék megfeketedik, mert a higany(i) tovább redukálódik elemi higannyá (Standard elektródpotenciálok: Sn 2+ /Sn 4+ = +0,15 V; Hg 2 2+ /Hg 2+ = +0,92 V; Hg/Hg2 2+ = +0,80 V) Sn 2+ + Hg 2 Cl 2 2 Hg + Sn Cl 4. Bizmut-nitrát és nátrium-hidroxid oldat: fém bizmut válik ki az oldatból: 3 Sn OH + 2 Bi 3+ 2 Bi + 3 Sn(OH) Lumineszcencia teszt (az SnH 4 kemilumineszcenciája). Porceláncsészében lévő ónsó oldathoz fölös mennyiségű koncentrált sósavat adunk, kevés cinkreszeléket szórunk bele, majd félig vízzel telt kémcsővel megkeverjük. A kémcsövet Bunsen-lángba tartva, külső felületén kéken lumineszkáló láng észlelhető. Ón(IV) ionok, Sn4+ Az ón(iv)-ionok jellemző reakcióinak tanulmányozásához használjon megsavanyított 0,1 M ón(iv)-klorid, vagy pinksó, (NH 4 ) 2 SnCl 6 oldatot. 1. Kénhidrogén: híg savas oldatból ón(iv)-szulfid, SnS 2 csapadék válik le: Sn H 2 S SnS H + 2. Nátrium-hidroxid oldat: kocsonyás, ón(iv)-hidroxid csapadék válik ki: Sn OH Sn(OH) 4 A csapadék oldódik a reagens feleslegében Sn(OH) OH Sn(OH)

13 3. Lumineszcencia teszt (az SnH 4 kemilumineszcenciája észlelhető). (lásd az előző oldalon) Ólom(II)-ionok, Pb2+ Használjon 0,1 M ólom-nitrát, vagy ólom-acetát oldatot az ólom(ii)-ionok jellemző reakcióinak vizsgálatához. 1. Híg sósav (vagy vízoldható kloridok oldata): nem túl híg oldatokból, hidegen csapadék válik ki, oldhatósági szorzat: L(PbCl 2, 25 C)= 1,17x10 5 : Pb Cl PbCl 2 A csapadék oldódik forró vízben, de újra kiválik hosszú, tűs kristályok alakjában, ha az oldat lehűl (a PbCl 2 oldhatósága vízben 100 C és 20 C-on 33,4 g/l, illetve 9,9 g/l). 2. Kénhidrogén: híg savas, vagy semleges közegben ólom-szulfid keletkezik, L(PbS, 25 C)= 9,04x10 29 : Pb 2+ + H 2 S PbS + 2 H + 3. Nátrium-hidroxid oldat: ólom-hidroxid csapadék keletkezik oldhatósági szorzat: L(Pb(OH) 2, 25 C)= 1,42x10 20 : Pb OH Pb(OH) 2 A csapadék oldódik a reagens feleslegében tetrahidroxo-plumbát(ii)-ionok keletkezése közben: Pb(OH) OH Pb(OH) 4 2 Ha a tetrahidroxo-plumbát(ii)-ionok oldatához hidrogén-peroxidot adunk, ólom(iv)- oxid keletkezik: Pb(OH) H 2 O 2 PbO H 2 O + 2 OH 13

14 3. Ammónia oldat: ólom-hidroxid csapadék keletkezik, (nem oldódik a reagens feleslegében): Pb NH H 2 O Pb(OH) NH Híg kénsav (vagy szulfátok oldata): ólom-szulfát csapadék keletkezik, oldhatósági szorzat: L(PbSO 4, 25 C)= 1,82x10 8 : Pb 2+ + SO 4 PbSO 4 6. Kálium-jodid: ólom-jodid csapadék keletkezik, oldhatósági szorzat: L(PbI 2, 25 C)= 8,49x10 9 : Pb I PbI 2 A csapadék oldódik forró vízben szintelen oldat keletkezése közben, de lehüléskor az ólom-jodid újra kiválik csillogó, sárga lemezek formájában (aranyeső próba). A bizmut(iii) ionok reakciói, Bi 3+ Használjon 0,1 M Bi(NO 3 ) 3 oldatot, mely 3-4 % salétromsavat tartalmaz, a bizmutionok reakcióinak vizsgálatához. 1. Kénhidrogén: híg savas oldatból bizmut-szulfid csapadék válik ki: 2 Bi H 2 S Bi 2 S H + 2. Nátrium-hidroxid: bizmut(iii)-hidroxid csapadék keletkezik: Bi OH Bi(OH) 3 Ha a csapadékos oldatot forraljuk, a csapadék vizet veszít és sárgásfehérre változik: Bi(OH) 3 BiO.OH + H 2 O 14

15 3. Kálium-jodid oldat: ha a reagenst lassan, cseppenként adjuk az oldathoz, bizmut(iii)-jodid csapadék keletkezik. Bi I BiI 3 A csapadék könnyen oldódik a reagens feleslegében tetrajodo-bizmutát ionok keletkezése közben: BiI 3 + I [BiI 4 ] Ha a BiI 3 csapadékot vízzel együtt hevítjük, színe narancssárgára változik bizmutiljodid keletkezése következtében: BiI 3 + H 2 O BiOI + 2 H I 4. Nátrium-tetrahidroxo-sztannát(II) (frissen készített): hideg oldatban a bizmut(iii)-ionokat elemi bizmuttá redukálja, amely fekete csapadékként kiválik az oldatból. Először a reagensben lévő nátrium-hidroxid reagál a bizmutionokkal és fehér bizmut-hidroxid keletkezik, majd a bizmut-hidroxidot redukálják a tetrahidroxosztannát(ii)-ionok elemi bizmuttá, miközben tetrahidroxo-sztannát(iv)-ionok keletkeznek: Bi OH Bi(OH) 3 2 Bi(OH) [Sn(OH) 4 ] 2 2 Bi + 3 [Sn(OH) 6 ] 2 Standard redoxpotenciálok: HCl oldatban: Bi/[BiCl 4 ] : +0,16 V Sn 2+ /Sn 4+ : +0,15 V NaOH oldatban: Bi/BiO + : +0,32 V [Sn(OH) 4 ] 2 /[Sn(OH) 6 ] 2 : 0,93 V 5. Higítás vízzel: ha egy bizmution tartalmú oldatot nagy mennyiségű vízbe öntünk, csapadék keletkezik, amely a megfelelő bázikus bizmutsó. Bi 3+ + NO 3 + H2 O BiO(NO 3 ) + 2 H + Bi 3+ + Cl + H 2 O BiO.Cl + 2 H + Ez a bázikus só rendszerint oldódik ásványi savakban, de nem oldódik lúgokban. pl. BiO(NO 3 ) + 2 H + Bi 3+ + NO 3 + H2 O 15