Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Szervetlen és Analitikai KémiaTanszék SZERVETLEN KÉMIAI LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK Munkafüzet Írta: WAGNER ÖDÖN 2013 1
TARTALOMJEGYZÉK I. Az ionok kimutatási reakciói a periódusos rendszer ALAPJÁN... 4 1.1.1. A lítiumionok jellemző reakciói, Li +... 5 1.1.2. A nátrium ionok jellemző reakciói, Na +... 5 1.1.3. A kálium ionok jellemző reakciói, K +... 6 1.1.4. Beadandó kérdések az Ia csoport elemeivel kapcsolatban... 7 1.2. A IIa csoport elemei (Be, Mg, Ca, Sr, Ba) és legfontosabb ionjaik (Me 2+ )... 8 1.2.1. A magnéziumionok, Mg 2+ jellemző reakciói... 8 1.2.2. A kalciumionok jellemző reakciói, Ca 2+... 9 1.2.3. Stronciumionok jellemző reakciói, Sr 2+... 10 1.2.4. Báriumionok jellemző reakciói, Ba 2+... 11 1.2.5. Beadandó feladatlap a IIa csoport elemeivel kapcsolatban... 13 1.3. A IIIa csoport elemei: bór és alumínium, valamint a belőlük levezethető legfontosabb ionok (B(OH) 4 és Al 3+ )... 15 1.3.1. Aluminium(III)ionok jellemző reakciói, Al 3+... 15 1.3.2. Borátok (BO 3 3, B 4 O 7 2, BO 2 ) jellemző reakciói... 16 1.3.3.Beadandó feladatlap a IIIa csoport elemeivel kapcsolatban... 18 1.4. A IVa csoport elemeinek (C, Si, Ge, Sn, Pb) legfontosabb ionjai... 19 1.4.1. Karbonátionok jellemző reakciói, CO 3 2... 19 1.4.2. Hidrogén-karbonát-ionok jellemző reakciói, HCO3... 20 1.4.3. Szilikátionok jellemző reakciói, SiO3 2... 21 1.4.4. Ón(II) ionok jellemző reakciói, Sn 2+... 22 1.4.5. Ón(IV) ionok jellemző reakciói, Sn(IV)... 24 1.4.6. Ólom(II)-ionok jellemző reakciói, Pb 2+... 25 1.4.7.Beadandó feladatlap a IVa csoport elemeivel kapcsolatban... 28 1.5. Az Va csoport elemeiből (N, P, As, Sb, Bi) levezethető legfontosabb anionok és kationok... 29 1.5.1. Ammóniumion jellemző reakciói, NH 4 +... 29 1.5.2. Nitritionok jellemző reakciói, NO 2... 30 1.5.3. Nitrátionok jellemző reakciói, NO 3... 32 1.5.4. Ortofoszfátionok jellemző reakciói, PO 4 3... 33 1.5.5. Az arzenitionok reakciói, AsO 3 3... 35 1.5.6. Arzenátionok reakciói, AsO 4 3... 36 1.5.7. Az antimon(iii)ionok reakciói, Sb 3+... 38 1.5.8. A bizmut(iii)ionok reakciói, Bi 3+... 39 1.6. A VIa csoport elemeiből (O, S) levezethető fontosabb anionok és vegyületek... 44 1.6.1. Szulfidionok jellemző reakciói, S 2... 44 1.6.2. Szulfitionok jellemző reakciói, SO 3 2... 44 1.6.3. Tioszulfátionok jellemző reakciói, S 2 O 3 2... 47 1.6.4. Szulfátionok jellemző reakciói, SO 4 2... 48 1.6.5. Beadandó feladatlap a VIa csoport elemeivel kapcsolatban... 49 1.7. A VIIa csoport elemei (F, Cl, Br, I) és a belőlük levezethető legfontosabb anionok... 50 1.7.1. Fluoridionok jellemző reakciói, F... 50 1.7.2. Kloridionok jellemző reakciói, Cl... 50 2
1.7.3. Bromid ionok jellemző reakciói, Br... 52 1.7.4. Jodidionok jellemző reakciói, I... 53 1.7.5. Klorát ionok jellemző reakciói, ClO 3... 55 1.7.6. Beadanndó feladatlap a VIIa csoport elemeivel kapcsolatban... 57 1.8. Az Ib csoport elemei (Cu, Ag, Au) és fontosabb ionjaik... 58 1.8.1. A réz(ii)-ionok reakciói, Cu 2+... 58 1.8.2. Az ezüst(i)-ionok reakciói, Ag +... 61 1.8.3.Beadandó feladatlap az Ia csoport elemeivel kapcsolatban... 64 1.9. A IIb csoport elemei (Zn, Cd, Hg) és fontosabb ionjaik... 66 1.9.1. A cink(ii)-ionok reakciói, Zn 2+... 66 1.9.2. A kadmium(ii)-ionok reakciói, Cd 2+... 68 1.9.3. A higany(i)-ionok reakciói, Hg 2 2+... 69 1.9.4. A higany(ii)ionok reakciói, Hg 2+... 72 1.9.5. Beadandó feladatlap a IIb csoport elemeivel kapcsolatban... 74 1.10. A króm (VIb csoport) és legfontosabb ionjai... 76 1.10.1. A króm(iii)-ionok reakciói, Cr 3+... 76 1.10.2. A kromát- (CrO 4 2 ) és a dikromát- (Cr 2 O 7 2 ) ionok reakciói... 78 1.11. Mangán (VIIb csoport) legfontosabb ionjai... 81 1.11.1. A mangán(ii)-ionok reakciói, Mn 2+... 81 1.11.2. Permanganátok, MnO 4... 83 1.11.3. Beadandó feladatlap a VIIb csoport elemeivel kapcsolatban... 84 1.12. A VIIIb csoport elemeinek (Fe, Co, Ni) fontosabb ionjai... 85 1.11.1. A vas(ii)-ionok reakciói, Fe 2+... 85 1.11.2. A vas(iii) ionok reakciói, Fe 3+... 87 1.11.3. A kobalt(ii)ionok reakciói, Co 2+... 89 1.11.4. A nikkel(ii)-ionok reakciói, Ni 2+... 91 1.11.5. Beadandó feladatlap a VIIIb csoport elemeivel kapcsolatban... 93 II. Elemzési Rendszerek... 95 2.1 A kationok Fresenius---féle elválasztási rendszere... 96 2.1.1. A kationok I. osztálya... 96 2.1.2 A kationok II. osztálya... 99 2.1.3. A kationok III. osztálya... 101 2.1.4. A kationok IV. osztálya... 104 2.1.5. A kationok V. osztálya... 106 2.2. A Bunsen-féle anionelemzési módszer... 107 2.1.1. Az anionok I. osztályának reakciói... 108 2.2.2. Az anionok II. osztályának reakciói... 110 2.2.3. Az anionok III. osztályának reakciói... 112 2.2.4. Az anionok IV. osztályának reakciói... 114 3
I. AZ IONOK KIMUTATÁSI REAKCIÓI A PERIÓDUSOS RENDSZER ALAPJÁN 4
1.1. Az Ia csoport elemei (Li, Na, K, Rb, Cs) és legfontosabb ionjaik (Me + ) 1.1.1. A lítiumionok jellemző reakciói, Li + A lítium-karbonát Li 2 CO 3, -foszfát Li 3 PO 4, és -fluorid LiF, rosszul oldódik vízben. Az oldhatóságuk egyértelműen sokkal kisebb, mint a megfelelő nátrium, vagy kálium sóé, így ebből a szempontból a lítium hasonlít az alkáliföldfémekre. A többi fontosabb szervetlen lítiumsó vízben oldódik. A lítiumion reakcióinak tanulmányozásához használjon egy viszonylag töményebb, 1 M lítium-klorid oldatot, amihez adjon cseppenként a következő oldatokból: 1. Nátrium-foszfát oldat: meglúgosított oldatból lítium-foszfát csapadék válik ki. A kicsapódás nem teljes semleges oldatból, de csaknem teljes lúgos közegben. 3 Li + + PO 4 3 Li 3 PO 4 2. Nátrium-karbonát oldat: tömény oldatból lítium-karbonát csapadék válik ki: 2 Li + + CO 3 2 Li 2 CO 3 4. Ammónium-fluorid oldat: gyengén lúgos (ammóniás) közegben lassan fehér, kocsonyás lítiumfluorid csapadék keletkezik töményebb oldatokból. Li + + F LiF 5. Lángfestés: kárminvörös szín észlelhető. 1.1.2. A nátrium ionok jellemző reakciói, Na + Csaknem valamennyi nátriumsó oldódik vízben. Van azonban néhány speciális reagens, amellyel a nátriumionok vízben rosszul oldódó kristályos csapadékot képeznek, ha a reagenst egy viszonylag töményebb nátriumsó oldatához adjuk. Használjon 1 M nátrium-klorid oldatot a nátriumionok jellemző csapadékos reakcióinak tanulmányozásához. 1. Cink-uranil-acetát oldat: 1-2 perc eltelte után sárga, kristályos nátrium-cink-uranil-acetát, NaZn(UO 2 ) 3 (CH 3 COO) 9 9H 2 O csapadék keletkezik: Na + + Zn 2+ + 3 UO 2 2+ + 9 CH 3 COO + 9 H 2 O NaZn(UO 2 ) 3 (CH 3 COO) 9 9H 2 O A reakciót óraüvegen végezzük el, 1 csepp nátrium-klorid és 2 csepp cink-uranil-acetát oldatot használjunk. A kivált apró kristályok UV-lámpa alatt élénken fluoreszkálnak. 2. Lángfestés: intenzív aranysárga szín észlelhető 5
1.1.3. A kálium ionok jellemző reakciói, K + A legtöbb szervetlen káliumsó oldódik vízben. Azon reakciók tanulmányozásához, melyek vízben oldhatatlan, illetve kevéssé oldódó káliumsót eredményeznek, használjon viszonylag tömény, 1 M kálium-klorid oldatot. A K + és NH 4 + ionok töltése azonos, méretük csaknem azonos, ezért a két ion reakciója általában igen hasonló. Az NH 4 + ion NH 3 formájában könnyen kimutatható, illetve elválasztható. 1. Perklórsav oldat (HClO 4 ): töményebb és hideg oldatokból fehér, kristályos kálium-perklorát, KClO 4 csapadék válik ki. Célszerű koncentrált perklórsav oldatot használni. A csapadék melegen jelentős mértékben oldódik. (Tömény oldatból az ammóniumionok is hasonló csapadékot adnak, habár az ammónium-perklorát oldhatósága körülbelül egy nagyságrenddel nagyobb, mint a kálium-perkloráté K + + ClO 4 KClO 4 2. Borkősav oldat (vagy nátrium-hidrogén-tartarát oldat): nem túl híg, szilárd nátrium-acetáttal pufferolt oldatból fehér kristályos kálium-hidrogén-tartarát csapadék válik ki: K + + H 2 C 4 H 4 O 6 KHC 4 H 4 O 6 + H + (A rendszerben ecetsav/nátrium-acetát puffer keletkezik.) A csapadék kissé oldódik vízben (3,26 g/l). 3. Nátrium- hexanitritokobaltát(iii) oldat, Na 3 [Co(NO 2 ) 6 ]: semleges vagy ecetsavas oldatból kálium- hexanitritokobaltát(iii) csapadék válik ki: 3 K + + [Co(NO 2 ) 6 ] 3 K 2 Na[Co(NO 2 ) 6 ] A csapadék nem oldódik híg ecetsavban, de oldódik ásványi savakban. Lúgos oldatban barna kobalt(iii)-hidroxid csapadék keletkezik. 4. Lángfestés: fakó ibolya. A lángfestés nem intenzív, így nátrium szennyezés erősen elnyomja. Kobaltüvegen át nézve a lángfestést (ami a nátrium által okozott sárga fényt elnyeli) az ibolya szín láthatóvá válik. 6
1.1.4. Beadandó kérdések az Ia csoport elemeivel kapcsolatban Rendezze és egészítse ki az alábbi egyenleteket! Li + + 3 PO 4 Li + + 2 CO 3 Li + + F K + + ClO 4 K + + H 2 C 4 H 4 O 6 K + + [Co(NO 2 ) 6 ] 3 Milyen színű lángfestése van az alábbi fémeknek? Li K Na Húzza alá a vízben oldhatatlan vegyületeket! Li 3 PO 4 LiCl KCl KClO 3 KClO 4 Na 2 CO 3 Melyik ion ad csapadékot borkősavval? K + Na + Li + Kategorizálj a lítium, nátrium és kálium fontosabb szervetlen sóinak oldhatóságát vízben: CO 3 2 PO 4 3 F Cl NO 3 SO 4 2 Li + Na + K + 7
1.2. A IIa csoport elemei (Be, Mg, Ca, Sr, Ba) és legfontosabb ionjaik (Me 2+ ) 1.2.1. A magnéziumionok, Mg 2+ jellemző reakciói A magnézium-oxid, -hidroxid, -karbonát és -foszfát nem oldódik vízben. A többi fontos szervetlen magnéziumsó vízoldható. A magnéziumionok reakcióinak vizsgálatához használjon 0,1 M magnézium-klorid, vagy magnézium-szulfát oldatot. 1. Ammónium-karbonát oldat: ha más ammóniumsó nincs az oldatban, fehér, bázisos magnéziumkarbonát csapadék keletkezik: 5 Mg 2+ + 6 CO 3 2 + 7 H 2 O 4 MgCO 3 Mg(OH) 2 5 H 2 O + 2 HCO 3 Ammóniumsók jelenlétében csapadék nem keletkezik, mert a karbonát-hidrogénkarbonát egyensúly a hidrogénkarbonát ionok képződésének irányába tolódik el (a magnéziumhidrogénkarbonát oldódik vízben): NH 4 + + H 2 O NH 3 + H 3 O + CO 3 2 + H 3 O + HCO 3 + H 2 O 2. Nátrium-karbonát oldat: fehér bázisos magnézium-karbonát csapadék keletkezik: 5 Mg 2+ + 6 CO 3 2 + 7 H 2 O 4 MgCO 3.Mg(OH) 2 5 H 2 O + 2 HCO 3 3. Ammónia oldat: a magnézium-hidroxid fehér, kocsonyás csapadék formájában kicsapódik, a csapadék a reagens feleslegében nem oldódik. Mg 2+ + 2 NH 3 + 2 H 2 O Mg(OH) 2 + 2 NH 4 + A csapadék ammóniumsók hozzáadására jól oldódik. 4. Nátrium-hidroxid oldat: fehér magnézium-hidroxid csapadékválik le, ami a reagens feleslegében nem oldódik. Mg 2+ + 2 OH Mg(OH) 2 5. Dinátrium-hidrogén-foszfát oldat: semleges oldatban fehér, pelyhes magnézium-hidrogénfoszfát csapadék keletkezik: Mg 2+ + HPO 4 2 MgHPO 4 Ammónium-klorid és ammónia jelenlétében fehér, kristályos magnézium-ammónium-foszfát, MgNH 4 PO 4 6H 2 O keletkezik: Mg 2+ + NH 3 + HPO 4 2 + 6 H 2 O MgNH 4 PO 4 6H 2 O A csapadék ecetsavban és ásványi savakban oldódik. 8
6. Titánsárga és magnezon reagensek: A titánsárga és a magnezon reagensek vízoldható festékek, melyeket a magnézium-hidroxid abszorbeál és titánsárgával mélyvörös, a magnezonnal kék szín keletkezik. A reakciókat óraüvegen végezzük. 2 csepp magnézium-oldathoz cseppentsen 1 csepp 30%-os nátrium-hidroxid oldatot, majd a levált csapadékra cseppentsen egy csepp reagenst. A kék (magnezon), illetve vörös (titánsárga) csapadék fehér alap felett igen jól megfigyelhető.. 1.2.2. A kalciumionok jellemző reakciói, Ca 2+ A kalcium-klorid, -bromid, -jodid és -nitrát jól oldódik vízben. A kalcium-oxid (hasonlóan a stroncium- és bárium-oxidhoz) hevesen reagál vízzel, miközben az oldat felmelegszik és a hidroxid képződik. A kalcium-szulfid (és más alkáliföldfém-szulfidok is) csak vízmentes körülmények között állíthatók elő, mivel vízben elhidrolizálnak. Mivel a Ca(OH) 2 vízben rosszul oldódik, a CaS vízzel való reakciója során nem kapunk tiszta oldatot. 2 CaS + 2 H 2 O 2 Ca 2+ + 2 SH + 2 OH A kalcium-karbonát, szulfát, foszfát és oxalát gyakorlatilag nem oldódik vízben. A Ca 2+ ionok jellemző reakcióinak vizsgálatához használjon 0,1 M kalcium-klorid oldatot. 1. Ammónium-karbonát oldat: semleges, vagy NH 3 -val gyengén meglúgosított oldatból fehér, amorf kalcium-karbonát csapadék keletkezik; oldhatósági szorzat: L(25 C) = 4,96 10 9. Ca 2+ + CO 3 2 CaCO 3 A csapadék oldódik savakban, még ecetsavban is. 2. Híg kénsav: A fehér kalcium-szulfát csapadék csak töményebb oldatból válik le, oldhatósági szorzata: L(25 C) = 7,10x10 5 : Ca 2+ + SO 4 2 CaSO 4 A csapadék 20%-os sósavban disszociálatlan hidrogén-szulfátionok képződése miatt oldódik: CaSO 4 + H + Ca 2+ + HSO 4 3. Ammónium-oxalát oldat: fehér kalcium-oxalát csapadék, oldhatósági szorzat: L(CaC 2 O 4 H 2 O, 25 C)= 2,34 10 9 (nem oldódik ecetsavban, de oldódik ásványi savakban): Ca 2+ + (COO) 2 2 Ca(COO) 2 4. Dinátrium-hidrogén-foszfát oldat: semleges oldatból fehér kalcium-hidrogén-foszfát csapadék keletkezik: Ca 2+ + HPO 4 2 CaHPO 4 Ammóniával előzetesen meglúgosított kalciumsó oldatából Ca 3 (PO 4 ) 2 összetételű csapadék válik le. 9
5. Kálium- hexaciano-ferrát(ii) oldat: semleges, igen gyengén ammóniás, vagy ecetsavas oldatból, melegítésre fehér csapadék keletkezik: Ca 2+ + 2 K + + [Fe(CN) 6 ] 4 K 2 Ca[Fe(CN) 6 ] Ammónium-klorid jelenlétében a teszt érzékenyebb. Ebben az esetben a káliumionok helyett ammóniumionok vannak a csapadékban. Ez a teszt jól használható a kalcium- és stronciumionok megkülönböztetésére (a csoportból a bárium- és magnéziumionok, illetve számos más, a későbbiekben tárgyalásra kerülő ion zavarja a reakciót ). 6. Kálium-kromát oldat: a reagens elszínezi a vizsgált oldatot, de sem melegítésre, sem metanol hatására nem következik be észlelhető változás. (Megkülönböztetés a stroncium-, illetve báriumionoktól.) 6. Lángfestés: sárgás-vörös, vagy téglavörös színűre festi a Bunsen égő lángját 1.2.3. Stronciumionok jellemző reakciói, Sr 2+ Stroncium-klorid, -bromid, -jodid és -nitrát jól oldódnak vízben. Stroncium-karbonát, -szulfát, -fluorid, -foszfát és -oxalát nem oldódnak vízben. A Sr 2+ ionok jellemző reakcióinak vizsgálatához használjon 0,1M stroncium-klorid vagy stroncium-nitrát oldatot. 1. Ammónium-karbonát oldat: semleges, vagy gyengén lúgos oldatból fehér stroncium-karbonát csapadék válik le, oldhatósági szorzat: L(SrCO 3, 25 C) = 5,60 10 10 (a csapadék oldódik savakban, még ecetsavban is): Sr 2+ + CO 3 2 SrCO 3 2. Híg kénsav: hidegen lassan, melegítésre, vagy metanol hozzáadására gyorsabban fehér stroncium-szulfát csapadék válik le, L(SrSO 4, 25 C) = 3,44 10 7 : Sr 2+ + SO 4 2 SrSO 4 3. Telített kalcium-szulfát oldat: hidegen lassan, de az oldatot forralva gyorsan fehér stronciumszulfát csapadék keletkezik: Sr 2+ + SO 4 2 SrSO 4 4. Ammónium-oxalát oldat: semleges, vagy gyengén lúgos közegből fehér stroncium-oxalát csapadék válik le: Sr 2+ + (COO) 2 2 Sr(COO) 2 5. Dinátrium-hidrogén-foszfát oldat: semleges oldatból fehér stroncium-hidrogén-foszfát csapadék válik ki: 1 0
Sr 2+ + HPO 4 2 SrHPO 4 NH 3 -val előzetesen meglúgosított stronciumsó oldatból Sr 3 (PO 4 ) 2 összetételû csapadék válik le. 6. Kálium-kromát oldat: semleges, vagy gyengén ammóniás oldatból forralás hatására lassan sárga stroncium-kromát csapadék keletkezik: Sr 2+ + CrO 4 2 SrCrO 4 A csapadék gyakran csak metanol hozzáadására válik le (eltérés a kalcium-, illetve báriumionoktól!). A metanolt csak a lehűtött oldathoz szabad hozzáadni! A csapadék kissé oldódik vízben, így híg stronciumion tartalmú oldatból csapadék nem válik ki. A csapadék oldódik ecetsavban és ásványi savakban is. Ha kálium-kromát oldathoz savat adunk, az oldat sárga színe narancssárga színűre változik a kromátionok dikromátionokká való átalakulása következtében. Ha ecetsavat, vagy ásványi savat adunk a kálium-kromát oldathoz, a CrO 4 2 ion koncentráció annyira lecsökken, hogy ebből az oldatból a SrCrO 4 csapadék nem választható le. 7. Lángfestés: kármin-vörös színű a Bunsen égő lángja. 1.2.4. Báriumionok jellemző reakciói, Ba 2+ A bárium-klorid, -bromid, -jodid és nitrát jól oldódik vízben. A bárium-karbonát, -szulfát, -fluorid, -foszfát és -oxalát rosszul oldódik vízben. A Ba 2+ ionok jellemző reakcióinak vizsgálatához használjon 0,1 M bárium-klorid vagy báriumnitrát oldatot. 1. Ammónium-karbonát oldat: semleges, vagy gyengén lúgos közegből fehér bárium-karbonát csapadék válik le, oldhatósági szorzat: L(BaCO 3, 25 C) = 2,58 10 9 (a csapadék oldódik savakban, még ecetsavban is): Ba 2+ + CO 2 3 BaCO 3 2. Híg kénsav: fehér, porszerű bárium-szulfát csapadék keletkezik, oldhatósági szorzat: L(BaSO 4, 25 C) = 1,07 10 10 : Ba 2+ + SO 4 2 BaSO 4 A leválasztott, öregített csapadék még tömény sósavban sem oldódik. 3. Telített kalcium-szulfát oldat: azonnal fehér bárium-szulfát csapadék keletkezik. Ba 2+ + SO 4 2 BaSO 4 4. Telített stroncium-szulfát oldat: lassan fehér bárium-szulfát csapadék keletkezik. Ba 2+ + SO 4 2 BaSO 4 5. Ammónium-oxalát oldat: fehér bárium-oxalát csapadék (jól oldódik forró híg ecetsavban és ásványi savakban): Ba 2+ + (COO) 2 2 Ba(COO) 2 1 1
6. Dinátrium-hidrogén-foszfát oldat: semleges oldatból fehér bárium-hidrogén-foszfát csapadék keletkezik: Ba 2+ + HPO 4 2 BaHPO 4 Ammóniás oldatból ugyancsak fehér Ba 3 (PO 4 ) 2 csapadék válik le: 3 Ba 2+ + 2 HPO 4 2 + 2 NH 3 Ba 3 (PO 4 ) 2 + 2 NH 4 + 7. Kálium-kromát oldat: semleges, vagy ecetsavas oldatból sárga bárium-kromát csapadék válik le, mely gyakorlatilag vízben oldhatatlan, oldhatósági szorzat: L(BaCrO 4, 25 C) = 1,17 10 10 : Ba 2+ + CrO 4 2 BaCrO 4 Kálium-dikromát oldattal elvégezve a reakciót szintén sárga bárium-kromát csapadék válik le, mivel a dikromát-kromát egyensúly következtében jelenlévő kromátion koncentrációja elég a bárium-kromát csapadék leválasztásához. (lásd: Szervetlen kémiai laboratóriumi gyakorlatok) A csapadék nem oldódik híg ecetsavban (különbség a stronciumtól), de oldódik ásványi savakban. 8. Nátrium-fluorid oldat: fehér, kocsonyás bárium-fluorid csapadék keletkezik. 2 F + Ba 2+ BaF 2 9. Lángfestés: sárgás- vagy halványzöld színű a Bunsen égő lángja. 1 2
1.2.5. Beadandó feladatlap a IIa csoport elemeivel kapcsolatban Rendezze és egészítse ki az alábbi egyenleteket: Mg 2+ + CO 2 3 + H 2 O Mg 2+ + NH 3 + H 2 O Mg 2+ + NH 3 + 2 HPO 4 Ca 2+ + 2 (COO) 2 Ca 2+ + K + + [Fe(CN) 6 ] 4 Sr 2+ + 2 CrO 4 Ba 2+ + HPO 2 4 + NH 4 OH Milyen színű lángfestése van az alábbi fémeknek Mg Ca Sr Ba Húzza alá a vízben oldhatatlan vegyületeket: MgNH 4 PO 4 CaCl 2 MgSO 4 SrSO 4 CaCrO 4 BaCrO 4 Melyik ion ad csapadékot kálium-kromáttal? Mg 2+ Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ Melyik ion ad csapadékot kálium-dikromáttal? Mg 2+ Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ Melyik ion nem ad ammónium-sók jelenlétében karbonátionokkal csapadékot? Mg 2+ Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ Számozza meg a szulfátokat oldhatóságuk sorrendjében (1 a legjobban, 4 a legkevésbé): MgSO 4 CaSO 4 SrSO 4 BaSO 4 Jelölje meg, melyik kromát oldódik ecetsavban CaCrO 4 SrCrO 4 BaCrO 4 Jelölje meg, melyik oxalát nem oldódik ecetsavban: Ca(COO) 2 Sr(COO) 2 Ba(COO) 2 1 3
Foglalja össze a Mg 2+, Ca 2+, Sr 2+ és Ba 2+ ionok reakcióit: NH 3 oldat Mg 2+ Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ NaOH Na 2 CO 3 (NH 4 ) 2 CO 3 + NH 4 Cl (NH 4 ) 2 CO 3 Na 2 HPO 4 (NH 4 ) 2 (COO) 2 b) csapadék + forró ecetsav K 2 CrO 4 Semleges oldat b) csapadék + ecetsav b) csapadék + ecetsav c) csapadék + ásványi sav híg H 2 SO 4 telített CaSO 4 oldat telített SrSO 4 oldat lángfestés 1 4
1.3. A IIIa csoport elemei: bór és alumínium, valamint a belőlük levezethető legfontosabb ionok (B(OH) 4 és Al 3+ ) 1.3.1. Aluminium(III)ionok jellemző reakciói, Al 3+ Oldhatóság: a legfontosabb szervetlen alumíniumvegyületek közül az alumínium-nitrát, - szulfát, -klorid, -bromid és -jodid jól oldódnak vízben. Az alumínium-fluorid rosszul oldódik vízben. Az oxid, hidroxid, foszfát és karbonát vízben gyakorlatilag oldhatatlan. Az alumínium-szulfid csak vízmentes körülmények között állítható elő, mivel vizes oldatban hidrolizál és alumínium-hidroxid keletkezik. Az alumínium(iii) ionok jellemző reakcióinak tanulmányozásához használjon 0,1 M alumínium-klorid vagy 0,1 M alumínium-szulfát oldatot. 1. Ammónium-szulfid oldat: fehér, kocsonyás alumínium-hidroxid csapadék keletkezik. S 2 + H 2 O HS + OH Al 3+ + 3 OH Al(OH) 3 2. Nátrium-hidroxid oldat: fehér alumínium-hidroxid csapadék válik le. A csapadék feloldódik a reagens feleslegében tetrahidroxo-aluminát ionok keletkezése közben. Al 3+ + 3 OH Al(OH) 3 Al(OH) 3 + OH Al(OH) 4 ] A képződött hidroxo-komplexből újra leválik az alumínium-hidroxid csapadék, ha az oldathoz szilárd ammónium-kloridot adunk. 3. Ammónia oldat: fehér, kocsonyás alumínium-hidroxid csapadék keletkezik. A csapadék csak nagyon kis mértékben (gyakorlatilag észrevehetetlen mértékben) oldódik a reagens feleslegében és az oldhatóság ammóniumsók jelenlétében még kisebb. NH 3 + H 2 O NH 4 + + OH Al 3+ + 3 OH Al(OH) 3 4. Nátrium-foszfát oldat: fehér, kocsonyás alumínium-foszfát csapadék keletkezik, oldhatósági szorzat: L(AlPO 4, 25 C) = 9,83 10 21 : Al 3+ + PO 4 3 AlPO 4 Erős savak és nátrium-hidroxid oldat is feloldják a csapadékot. 5. Morin reagens: Az aluminiumionokat tartalmazó oldat néhány cseppjét egy kémcsőben desztillált vízzel feltöltjük, majd 1-2 csepp morin oldatot adunk hozzá. Az oldat jellegzetes zöld fluoreszcenciát mutat UV fényben, mely a morinnak kolloidálisan oldott alumíniumsójától származik. A reakció óraüvegen és szűrőpapíron is érzékenyen elvégezhető. Mivel a morin számos más ionnal (Sn 2+, Sn 4+, Zn 2+ stb.) hasonló, bár kevésbbé intenzív fluoreszcenciát ad, a reakciót érdemes pozitív és negatív vakpróba mellett elvégezni. Szűrőpapírra cseppentsünk egymástól távol 3 csepp morin reagenst, és hagyjuk a foltot megszáradni. Ezt követően az első foltra egy csepp vizsgálandó 1 5
oldatot, a másodikra egy csepp desztillált vizet, a harmadikra egy csepp aluminium-klorid oldatot cseppentsünk, majd hagyjuk a foltokat ismét megszáradni. Végül a száraz foltokra cseppentsünk 1-1 csepp 2 M sósavat. Amennyiben a vizsgált oldatunk alumíniumot tartalmazott, az első és a harmadik folt fluoreszcenciájának intenzitása közel azonos kell, hogy legyen, míg a középső folt (negativ vakpróba) nem fluoreszkál UV-fényben. A cink ionoknak még 100-szoros feleslege sem zavarja a reakciót. Az ón ionok viszont erősen zavarnak, ezért azokat a morinos vizsgálat előtt el kell távolítani az oldatból (pl. savas közegben kénhidrogénnel). 7. Nátrium-fluorid: a fluoridionok az alumíniumionokkal nagyon stabil komplexeket képeznek: Szűrőpapírra cseppentsünk egy csepp alumínium-tartalmú oldatot, majd a nedves foltot tartsuk kinyitott, tömény ammóniát tartalmazó üveg szája fölé. 1 perc elteltével a szűrőpapírt alaposan szellőztessük ki, addig, míg az ammónia szagát már nem érezzük a nedves folt felett. Ezután cseppentsünk a folt mellé egy csepp fenolftalein oldatot, majd a két folt határára helyezzünk spatulahegynyi szilárd nátrium-fluoridot. A szilárd anyagra egy csepp desztillált vizet cseppentve a fenolftalein vörös színe jelzi az alumíniumionok jelenlétét. A vörös folt intenzív színű, és az idő előrehaladtával sem tűnik el. Az alumíniumionokat tartalmazó folt nedvességtartalmában oldódik az ammónia, és ennek hatására alumínium-hidroxid képződik, ami adszorbeálódik a szűrőpapír felületén. A kiszellőztetett folt kémhatása ilyenkor semleges, amit a fenolftalein színtelen foltja is jelez. A desztillált víz cseppjében oldódó nátrium-fluorid tömény oldatot képez, ennek hatására az alumínium-hidroxid alumínium fluorid-komplexionná alakul, miközben hidroxid-ionok szabadulnak fel. Az így kialakuló lúgos ph-t jelzi a fenolftalein vörös színe. 1.3.2. Borátok (BO 3 3, B 4 O 7 2, BO 2 ) jellemző reakciói Oldhatóság vízben: az alkálifém-borátok vízben jól oldódnak, de egyéb fémek borátjai általában igen rosszul. Jól oldódnak azonban a vízben rosszul oldódó borátok savakban és ammóniumklorid oldatban. A vízben oldódó borátok hidrolizálnak, és mivel a bórsav gyenge sav, az oldatuknak lúgos kémhatása van. A borátok reakcióinak tanulmányozásához használjon 0,1 M koncentrációjú nátrium-tetraborát oldatot (nátrium-piroborát, vagy bórax) Na 2 B 4 O 7 10H 2 O = Na(H 2 O) 4 2 B 4 O 5 (OH) 4. 1. Bárium-klorid oldat: töményebb oldatokból fehér színű bárium-metaborát csapadék válik ki: B 4 O 7 2 + 2 Ba 2+ + H 2 O 2 Ba(BO 2 ) 2 + 2 H + A csapadék oldódik a reagens feleslegében, híg savakban és ammóniumsó oldatokban is. 2. Ezüst-nitrát oldat: töményebb oldatokból fehér ezüst-metaborát válik ki: B 4 O 7 2 + 4 Ag + + H 2 O 4 AgBO 2 + 2 H + A csapadék oldódik híg ammónia oldatban és ecetsav oldatban is. Ha forraljuk a csapadékot vízzel, a csapadék elhidrolizál és barna ezüst-oxid keletkezik. AgBO 2 + 2 NH 3 + 2 H 2 O Ag(NH 3 ) 2 ] + + B(OH) 4 AgBO 2 + H + + H 2 O Ag + + H 3 BO 3 2 AgBO 2 + 3 H 2 O Ag 2 O + 2 H 3 BO 3 1 6
3. Koncentrált kénsav és alkohol Ha szilárd bóraxot összekeverünk 1 ml koncentrált kénsavval és 5 ml metanollal egy porcelán tálban és az alkoholt meggyújtjuk, az alkohol az illékony bórsav metilészter, B(OCH3)3 képződése és égése következtében zöld színű lánggal fog égni: B 4 O 7 2 + H 2 SO 4 + 5 H 2 O 4 H 3 BO 3 + SO 4 2 H 3 BO 3 + 3 CH 3 OH B(OCH 3 ) 3 + 3 H 2 O Ha bórax helyett bórsavat használunk a rekcióhoz, akkor elegendő az anyaghoz csak metanolt adni, kénsavra nincs szükség a reakció elvégéséhez 1 7
1.3.3.Beadandó feladatlap a IIIa csoport elemeivel kapcsolatban Rendezze és egészítse ki az alábbi egyenleteket: Al 3+ + S 2 + H 2 O Al 3+ + 3 PO 4 B 4 O 2 7 + Ba 2+ + H 2 O B 4 O 2 7 + H 2 SO 4 + H 2 O H 3 BO 3 + CH 3 OH Húzza alá a vízben oldhatatlan vegyületeket! Na 2 B 4 O 7 AlCl 3 Ag 2 BO 2 Al 2 (SO 4 ) 3 AlPO 4 Miben oldható fel az alumínium-hidroxid csapadék? NaOH NH 3 CH 3 OH CH 3 COOH Melyik ion nem ad csapadékot nátrium-tetraborát oldattal? Mg 2+ Ag + Ca 2+ Ba 2+ Milyen kémhatású az alumínium-klorid oldat? savas semleges lúgos Milyen kémhatású a nátrium-tetraborát oldat? savas semleges lúgos Milyen színű lesz a láng a bórsav észterképzési reakciójának elvégzése során? sárga zöld kék piros Mivél képez komplexet az alumíniumion? OH NH 3 F I PO 4 3 Miért barnul meg az ezüst-borát csapadék, ha forraljuk? (reakcióegyenletet is kérünk!) 1 8
1.4. A IVa csoport elemeinek (C, Si, Ge, Sn, Pb) legfontosabb ionjai 1.4.1. Karbonátionok jellemző reakciói, CO 3 2 Az alkálifém- (kivéve a lítium) karbonátok és az ammónium-karbonát oldódik vízben. Valamennyi egyéb normál karbonát vízben rosszul oldódik vagy oldhatatlan. A karbonátionok reakcióinak tanulmányozásához használjon 0,5 M nátrium-karbonát, Na 2 CO 3 oldatot. 1. Híg sósav: a karbonát protonálódik, elbomlik és szén-dioxid gáz fejlődik: CO 2 3 + H + HCO 3 HCO 3 + H + H 2 CO 3 H 2 CO 3 H 2 O + CO 2 Óraüvegre helyezett szilárd anyagra sósavat cseppentve heves pezsgést tapasztalunk. Kémcsőben végezve a reakciót a keletkező gázt úgy azonosíthatjuk, hogy azt telített kalcium-hidroxid, vagy bárium-hidroxid oldatba vezetve fehér csapadékot választ le, vagy az oldatot megzavarosítja CO 2 + Ca 2+ + 2 OH CO 2 + Ba 2+ + 2 OH CaCO 3 + H 2 O BaCO 3 + H 2 O Bármely sav, mely erősebb a szénsavnál, a karbonátot elbontja, különösen melegítésre. A karbonátot még az ecetsav is bontja, de a gyenge bórsav nem. 2. Bárium-klorid (vagy kalcium-klorid) oldat: fehér bárium- (vagy kalcium) karbonát csapadék keletkezik, oldhatósági szorzat: L(BaCO 3, 25 C)= 2,58 10 9 ; L(CaCO 3, 25 C) = 4,96 10 9 : CO 2 3 + Ca 2+ CaCO 3 CO 2 3 + Ba 2+ BaCO 3 Csak a karbonátok adnak csapadékot, a hidrogénkarbonátok nem. A csapadék oldódik savakban és "szénsavban" is. 3. Ezüst-nitrát oldat: fehér ezüst-karbonát csapadék válik ki, oldatósági szorzat: L(Ag 2 CO 3, 25 C) = 8,45 10 12 : CO 3 2 + 2 Ag + Ag 2 CO 3 A csapadék oldódik híg salétromsavban és ammónia-oldatban is. A csapadék megsárgul vagy megbarnul, ha a reagenst feleslegben adjuk, ezüst-oxid keletkezése következtében. Ugyanez történik, ha a csapadékos oldatot forraljuk: Ag 2 CO 3 Ag 2 O + CO 2 1 9
1.4.2. Hidrogén-karbonát-ionok jellemző reakciói, HCO3 Az alkálifémek és az ammónium hidrogénkarbonátjai oldódnak vízben, de a vízben való oldhatóságuk kisebb, mint a szabályos karbonátoké. Vizes közegben a kalcium-, stroncium-, bárium- és magnézium-hidrogén-karbonátok is léteznek, melyek akkor keletkeznek, ha szén-dioxidot vezetünk szabályos karbonátok vizes oldatába vagy vizes szuszpenziójába. CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca 2+ + 2 HCO 3 A hidrogén-karbonátok elbomlanak szabályos karbonátokká, ha oldatukat forraljuk. Vizes oldatban a következő egyensúlyok állnak fenn: CO 2 3 + H + HCO 3 HCO 3 + H + H 2 CO 3 H 2 CO 3 H 2 O + CO 2 Savas közegben a fenti egyensúlyok jobbra, lúgosban balra tolódnak. A hidrogén-karbonátok reakciói hasonlítanak a szabályos karbonátok reakcióira. Az alábbiakban azokat a reakciókat ismertetjük, melyekkel a hidrogén-karbonátok és a karbonátok megkülönböztethetők egymástól. A hidrogén-karbonát ionok jellemzõ reakcióinak tanulmányozásához használjon frissen elkészített 0,5 M NaHCO 3 oldatot. 1. Forralás. Ha oldatukat forraljuk, a hidrogén-karbonátok elbomlanak: 2 HCO 3 CO 3 2 + H 2 O + CO 2 A keletkező szén-dioxid azonosítható pl. bárium-hidroxid oldattal. A reakció alkalmas a karbonát-, és a hidrogén-karbonát-ion megkülönböztetésére is. Kémcsőben, kb 10 ml desztillált vízben oldjunk fel kevés előkísérleteink szerint karbonátot vagy hidrogén-karbonátot tartalmazó szilárd anyagot, majd az oldathoz cseppentsünk egy-két csepp fenolftalein indikátor oldatot. Az így kapott (esetleg már elszíneződött) oldat felét öntsük egy másik kémcsőbe, majd az egyik kémcső tartalmát forraljuk pár percig. A lehűtött oldat színét hasonlítsuk össze a másik kémcsőben lévő oldat színével. Ha nem tapasztalunk színmélyülést, az anyagunk karbonátot tartalmazott. Hidrogén-karbonát esetén a felforralt oldatunk színe sokkal mélyebb vörös, mint az eredeti oldatunké. A hidrogén-karbonátok oldata csak gyengén lúgos (ph=9 körüli), így a fenolftaleines oldat színtelen, vagy gyengén rózsaszínű lesz. A vízoldható, alkáli-karbonátok oldatának ph-ja 10 feletti, így a fenolftalein vörösre változtatja az oldat színét. 2. Magnézium-szulfát. Ha magnézium-szulfátot adunk hideg hidrogén-karbonát oldathoz, csapadék nem képződik, ellentétben a szabályos karbonátokkal, ahol fehér magnézium-karbonát csapódik ki. Ha forraljuk az oldatot, fehér magnézium-karbonát keletkezik, és a fejlődő szén-dioxid azonosítható pl. telített bárium-hidroxid oldattal: Mg 2+ + 2 HCO3 MgCO3 + H2O + CO2 3. Szilárd teszt: ha egy szilárd alkáli-hidrogén-karbonátot hevítünk kémcsőben, szén-dioxid gáz keletkezik, melyet azonosíthatunk pl. telített bárium-hidroxid oldattal: 2 NaHCO 3 Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 A reakcióhoz használjuk a karbonátion kimutatásához használt U -csöves készüléket. 2 0
1.4.3. Szilikátionok jellemző reakciói, SiO3 2 A kovasavak a következő általános képlettel jellemezhetõk: xsio 2 yh 2 O. A különböző kovasavak, az ortokovasav, H 4 SiO 4 (SiO 2 2H 2 O), metakovasav, H 2 SiO 3 (SiO 2 H 2 O) és dikovasav, H 2 Si 2 O 5 (2SiO 2 H 2 O) sói ismertek. A metakovasav sóit egyszerűen szilikátoknak nevezzük. Oldhatóság: csak az alkálifémek szilikátjai oldódnak vízben. Vízben oldva hidrolizálnak, ezért oldatuk lúgos kémhatású. SiO 3 2 + 2 H 2 O H 2 SiO 3 + 2 OH A szilikátionok reakcióinak vizsgálatához használjon 6-8 M nátrium-szilikát, Na 2 SiO 3 oldatot. 1. Híg sósav. Ha szilikát oldathoz híg sósavat adunk kocsonyás metakovasav válik ki. A kicsapódás gyorsabb, ha az oldatot melegítjük. SiO 3 2 + 2 H + H 2 SiO 3 2. Ammónium-klorid vagy ammónium-karbonát oldat: kocsonyás metakovasav csapódik ki az oldatból: SiO 2 3 + 2 NH + 4 H2SiO3 + 2 NH 3 3. Ezüst-nitrát oldat: sárga ezüst-szilikát csapadék keletkezik: SiO 2 3 + 2 Ag + Ag 2 SiO 3 A csapadék oldódik híg savakban és ammónia oldatban is. 4. Bárium-klorid oldat: fehér bárium-szilikát keletkezik, ami oldódik híg salétromsavban: SiO 3 2 + Ba 2+ BaSiO 3 5. Ammónium-molibdát oldat. Ha megsavanyított (NH 4 ) 2 MoO 4 oldatot adunk szilikátion tartalmú oldathoz, sárga színeződés keletkezik, mely a H 4 [SiMo 12 O 40 ] összetételű heteropolisav ammóniumsójának keletkezésére vezethető vissza: SiO 3 2 + 12 MoO 4 2 + 4 NH 4 + + 22 H + (NH 4 ) 4 [Si(Mo 3 O 10 ) 4 ] + 11 H 2 O A reakciót a következőképpen kell elvégezzük: kb. 2 cm 3 10%-os ammónium molibdát oldathoz cseppenként adagolva adjunk annyi 2 M salétromsavat, míg a kezdetben leváló sárgás-fehér csapadék teljesen fel nem oldódik. Az így kapott enyhén sárgás színű oldathoz szilikát ionokat tartalmazó oldatot adva, az oldatunk színe mélyebb sárgára változik. Redukáló anyagok jelenlétében az oldatunk molibdénkék képződése miatt megkékül. 2 1
1.4.4. Ón(II) ionok jellemző reakciói, Sn 2+ Az ón(ii) vegyületek vízben oldva hidrolizálnak, ezért a hidrolízis visszaszorítására az oldathoz savat (pl. sósavat) kell adni. Savas oldatban komplexált ón(ii)ionok, Sn 2+ találhatók, lúgos közegben tetrahidroxo-sztannát(ii) ionok, Sn(OH) 4 ] 2 vannak. Köztük a következő egyensúly áll fenn: Sn 2+ + 2 OH Sn(OH) 2 Sn(OH) 2 + 2 OH Sn(OH) 4 ] 2 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. Az ón(ii)ionok könnyen oxidálódnak (erős redukálószerek). 1. Kén-hidrogén: gyengén savanyú oldatból világosbarna ón(ii)-szulfid csapadék keletkezik, oldhatósági szorzat L(SnS, 25 C) = 3,25 10 28 : Sn 2+ + H 2 S SnS + 2 H + A csapadék nem oldódik ammónium-szulfidban, viszont lassan oldódik ammónium-poliszulfidban, ahol a poliszulfid-kén oxidáló hatást fejt ki és tiosztannát keletkezik. Ha a tiosztannát oldatot megsavanyítjuk sárga ón(iv)-szulfid csapadék keletkezik: SnS + S 2 2 SnS 3 2 SnS 3 2 + 2 H + SnS 2 + H 2 S Az ón(ii)-szulfid, SnS csapadék oldódik tömény sósavban (eltérés az arzén(iii) és higany(ii)- szulfidtól). 2. Nátrium-hidroxid oldat: fehér ón(ii)-hidroxid csapadék keletkezik, L(Sn(OH) 2, 25 C) = 5,45 10 27, mely oldódik a reagens feleslegében: Sn 2+ + 2 OH Sn(OH) 2 Sn(OH) 2 + 2 OH Sn(OH) 4 2 Ammónia oldattal fehér ón(ii)-hidroxid csapadék keletkezik, mely nem oldódik az ammónia feleslegében. 3. Higany(II)-klorid oldat: fehér higany(i)-klorid (kalomel) csapadék keletkezik, ha a reagenst gyorsan, feleslegben adjuk az oldathoz: Sn 2+ + 2 HgCl 2 Hg 2 Cl 2 + Sn 4+ + 2 Cl Ha az ón(ii) ionok feleslegben vannak, a csapadék megfeketedik, mert a higany(i) tovább redukálódik elemi higannyá: Sn 2+ + Hg 2 Cl 2 2 Hg + Sn 4+ + 2 Cl 2 2
4. Bizmut-nitrát és nátrium-hidroxid oldat: fekete csapadékként fém bizmut válik ki az oldatból: 3 Sn 2+ + 18 OH + 2 Bi 3+ 2 Bi + 3 Sn(OH) 6 2 5. Fém cink: szivacsos fém ón válik ki az oldatból, amely hozzátapad a cinkhez. Sn 2+ + Zn Sn + Zn 2+ Standard elektródpotenciálok: Sn/Sn 2+ = 0,14 V; Zn/Zn 2+ = 0,76 V. 6. Vas(III)-nitrát és ammónium-tiocianát oldat: a vörös Fe(SCN)3 oldat elszintelenedik, mivel az ón(ii)-ionok a vas(iii)-ionokat vas(ii)-ionokká redukálják. Az ón(ii)-ionoknak feleslegben kell lenniük. 2 Fe(SCN) 3 + Sn 2+ 2 Fe 2+ + Sn 4+ + 6 SCN 5. Lumineszcencia teszt (az SnH 4 kemilumineszcenciája). Ez a teszt azon alapszik, hogy az ón oldható vegyületeit savas közegben a cink ón-tetrahidriddé SnH4 redukálja: Sn 2+ + 3 Zn + 4 H + SnH 4 + 3 Zn 2+ Az SnH 4 a Bunsen-égõ lángjában elbomlik ónra és hidrogénre, miközben jellegzetes kék fényt bocsát ki: SnH 4 Sn + 2 H 2 Porceláncsészében lévő ónsó oldathoz fölös mennyiségű koncentrált sósavat adunk, kevés cinkreszeléket szórunk bele, majd félig vízzel telt kémcsővel megkeverjük. A kémcsövet Bunsenlángba tartva, külső felületén kéken lumineszkáló láng észlelhető. 2 3
1.4.5. Ón(IV) ionok jellemző reakciói, Sn(IV) Az ón(iv) sók vízben hidrolizálnak. Savas közegben a komplexált ón(iv) ionok (akva, hidroxo, kloro stb.), a továbbiakban Sn 4+, lúgos közegben a hexahidroxo-sztannát(iv) ionok Sn(OH) 6 2 stabilak. Vizes oldatban a következő egyensúlyok állnak fenn: Sn 2+ + 4 OH Sn(OH) 4 Sn(OH) 4 + 2 OH Sn(OH) 6 2 Az ón(iv)-ionok jellemző reakcióinak tanulmányozásához használjon megsavanyított 0,1 M ón(iv)-klorid, vagy pinksó, (NH 4 ) 2 SnCl 6 oldatot. 1. Kén-hidrogén: híg savas oldatból világos sárga ón(iv)-szulfid, SnS 2 csapadék válik le: Sn 4+ + 2 H 2 S SnS 2 + 4 H + A csapadék oldódik tömény sósavban (különbség az arzén(iii) és higany(ii) szulfidjától) és nátriumhidroxid oldatban. Oldódik ammónium-szulfidban és ammónium-poliszulfidban is, és sárga ón(iv)- szulfid csapódik ki, ha ezeket az oldatokat megsavanyítjuk: SnS 2 + S 2 SnS 3 2 SnS 2 + 2 S 2 2 SnS 3 2 + S 3 2 SnS 3 2 + 2 H + SnS 2 + H 2 S 2. Nátrium-hidroxid oldat: kocsonyás, fehér ón(iv)-hidroxid csapadék válik ki, ami oldódik a reagens feleslegében: Sn 4+ + 4 OH Sn(OH) 4 Sn(OH) 4 + 2 OH Sn(OH) 6 2 Ammónia, vagy nátrium-karbonát (a savas kémhatású oldathoz hozzáadva pezseg!) oldattal hasonló fehér ón(iv)-hidroxid csapadék keletkezik, mely azonban nem oldódik az ammónia, vagy nátrium-karbonát feleslegében. 3. Higany(II)-klorid oldat: csapadék nem észlelhetõ (különbség az ón(ii)-től). 4. Lumineszcencia teszt (kivitelezését lásd az Sn(II)-ionok reakcióinál a 1.4.4. fejezetben): az SnH 4 kemilumineszcenciája észlelhető. 2 4
1.4.6. Ólom(II)-ionok jellemző reakciói, Pb 2+ Az ólom-nitrát, -acetát, -klorát és -perklorát vízben oldódik. Valamennyi egyéb fontosabb szervetlen ólomsó vízben igen rosszul oldódik, vagy oldhatatlan. 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 fehér csapadék válik ki. Pb 2+ + 2 Cl PbCl 2 A csapadék oldódik forró vízben, de újra kiválik hosszú, tűs kristályok alakjában, ha az oldat lehül (a PbCl2 oldhatósága vízben 100 C és 20 C-on 33,4 g/l, illetve 9,8 g/l). A csapadék oldódik tömény sósavban vagy tömény kálium-klorid oldatban, tetrakloro-plumbát(ii)- ionok keletkezése közben: PbCl 2 + 2 Cl PbCl 4 2 Ha az PbCl 2 csapadékot dekantáljuk, majd híg ammónia oldatot adunk hozzá, látható változás nem történik, de csapadékcserés reakció megy végbe és ólom-hidroxid keletkezik. PbCl 2 + 2 NH 3 + 2 H 2 O Pb(OH) 2 + 2 NH 4 + + 2 Cl 2. Kén-hidrogén: híg savas, vagy semleges közegben fekete ólom-szulfid keletkezik..: Pb 2+ + H 2 S PbS + 2 H + A csapadékleválás nem teljes ásványi savak jelenlétében (2 M-nél töményebb erős savakban a csapadék oldódik). Ajánlatos az oldatot pufferolni kevés nátrium-acetát hozzáadásával. A csapadék elbomlik tömény salétromsavban és fehér, finom eloszlású kén keletkezik: PbS + 4 HNO 3 Pb 2+ + 2 NO 3 + S + 2 NO 2 + 2 H 2 O Ha az oldatot forraljuk, a salétromsav oxidálja a ként szulfáttá, mely azonnal fehér ólom-szulfát csapadékot képez. 3. Ammónia oldat: fehér ólom-hidroxid csapadék keletkezik, oldhatósági szorzat: Pb 2+ + 2 NH 3 + 2 H 2 O Pb(OH) 2 + 2 NH 4 + A csapadék nem oldódik a reagens feleslegében. 4. Nátrium-hidroxid oldat: fehér ólom-hidroxid csapadék keletkezik: Pb 2+ + 2 OH Pb(OH) 2 A csapadék oldódik a reagens feleslegében tetrahidroxo-plumbát(ii)-ionok keletkezése közben: Pb(OH) 2 + 2 OH Pb(OH) 4 2 Ha a tetrahidroxo-plumbát(ii)-ionok oldatához hidrogén-peroxidot adunk sötétbarna fekete ólom(iv)-oxid keletkezik: 2 5
Pb(OH) 4 2 + H 2 O 2 PbO 2 + 2 H 2 O + 2 OH 5. Híg kénsav (vagy szulfátok oldata): fehér ólom-szulfát csapadék keletkezik. Pb 2+ + SO 4 2 PbSO 4 A csapadék nem oldódik a reagens feleslegében. Oldódik viszont nátrium-hidroxidban és töményebb ammóniás ammónium-tartarát oldatban, ahol tetrahidroxo-plumbát(ii)-, illetve ditartaráto-plumbát(ii)- ionok keletkeznek: PbSO 4 + 4 OH Pb(OH) 4 2 + SO 4 2 PbSO 4 + 2 C 4 H 4 O 6 2 Pb(C 4 H 4 O 6 ) 2 2 + SO 4 2 Az ólomra jellemzővé válik a reakció, ha szűrőpapírra először egy csepp kénsavat, majd erre egy csepp ólomtartalmú oldatot cseppentünk. A képződött ólom-szulfátot pipettába felszívott desztillált vízzel jól kimossuk. Ezután a papíron rögzített ólom-szulfátot egy csepp ammónium-szulfiddal reagáltatjuk. A szűrőpapíron fekete PbS folt jelenik meg. 6. Kálium-kromát: semleges, ecetsavas, vagy ammóniás oldatban sárga ólom-kromát csapadék keletkezik: Pb 2+ + CrO 4 2 PbCrO 4 Salétromsav, vagy nátrium-hidroxid oldat oldja a csapadékot: 2 PbCrO 4 + 2 H + 2 Pb 2+ + Cr 2 O 7 2 + H 2 O PbCrO 4 + 4 OH Pb(OH) 4 2 + CrO 4 2 6. Kálium-jodid: sárga ólom-jodid csapadék keletkezik, oldhatósági szorzat: Pb 2+ + 2 I PbI 2 A csapadék oldódik forró vízben színtelen oldat keletkezése közben, de lehűléskor az ólom-jodid újra kiválik csillogó, sárga lemezek formájában. A csapadék szilárd KI adagolására is feloldódik és színtelen oldatot kapunk: PbI 2 + 2 KI 2 K+ + [PbI 4 ] 2 8. Nátrium-szulfit oldat: semleges oldatból fehér ólom-szulfit csapadék válik ki: Pb 2+ + SO 3 2 PbSO 3 A csapadék rosszabbul oldódik, mint a szulfát, de feloldható híg salétromsavban és nátrium-hidroxid oldatban is. PbSO 3 + 2 H + Pb 2+ + SO 2 + H 2 O PbSO 3 + 4 OH Pb(OH) 4 2 + SO 3 2 9. Nátrium-karbonát oldat: fehér csapadék keletkezik, ami gyakorlatilag az ólom-hidroxid és ólomkarbonát keveréke: 2 6
2 Pb 2+ + 2 CO 3 2 + H 2 O Pb(OH) 2 + PbCO 3 + CO 2 Forralásra nem észlelhető változás. A csapadék oldódik híg salétromsavban és ecetsavban is CO 2 gáz fejlődése közben. 10. Dinátrium-hidrogénfoszfát oldat: fehér ólom-foszfát csapadék keletkezik. 3 Pb 2+ + 2 HPO 4 2 Pb 3 (PO 4 ) 2 + 2 H + Erős savak és a nátrium-hidroxid is oldják a csapadékot. Ecetsavban nem oldódik. Pb 3 (PO 4 ) 2 + 12 OH 3 Pb(OH) 4 2 3 + 2 PO 4 2 7
1.4.7.Beadandó feladatlap a IVa csoport elemeivel kapcsolatban Rendezze és egészítse ki az alábbi egyenleteket! PbO 2 + HCl CO 2 + Ba 2+ + OH Sn 2+ + OH + Bi 3+ PbS + HNO 3 Pb(OH) 4 2 + H 2 O 2 PbCrO 4 + OH Pb 2+ + SO 3 2 Sn 2+ + Zn + H + Húzza alá a vízben rosszul oldódó vegyületeket! SnCl 4 PbCl 2 Ag 2 SiO 3 Na 2 CO 3 PbCrO 4 Melyik szulfid sárga színű? PbS SnS SnS 2 CS 2 Melyik színteleníti el a kálium-jodidos jód oldatot? SnCl 2 SnCl 4 Pb(NO 3 ) 2 PbO 2 Na 2 SiO 3 Melyik vegyület oldásakor figyelhetünk meg látható hidrolízist? SnCl 2 SnCl 4 Pb(NO 3 ) 2 Na 2 SiO 3 Na 2 CO 3 Melyik vegyület oldásakor figyelhetünk meg lúgos kémhatást? SnCl 2 SnCl 4 Pb(NO 3 ) 2 Na 2 SiO 3 Na 2 CO 3 Melyik vegyület nem vihető normál körülmények között redoxi-reakcióba? Na 2 CO 3 Na 2 SiO 3 PbO 2 SnCl 4 SnCl 2 Mely ion(ok)nak van hidroxo-komplexe? (Írja az ion alá a komplex képlelét!) Pb 2+ Sn 2+ Sn 4+ Ca 2+ Mg 2+ Melyik szulfid nem fekete? (Írja a vegyület képlete alá a színét is!) PbS SnS SnS 2 2 8
1.5. Az Va csoport elemeiből (N, P, As, Sb, Bi) levezethető legfontosabb anionok és kationok 1.5.1. Ammóniumion jellemző reakciói, NH 4 + A szervetlen ammóniumsók általában vízoldható vegyületek, melyek színtelen oldatokat képeznek, hacsak az anion nem színes. Az ammóniumionok reakciói általában igen hasonlítanak a káliumion reakcióira, aminek az az oka, hogy a kálium- és ammóniumionok mérete közel egyforma. 1. Nátrium-hidroxid oldat: melegítésre ammónia gáz fejlõdik. NH 4 + + OH NH 3 + H 2 O Az ammónia gáz a következőképpen azonosítható: a) Főzőpohárban vizet forral, majd a főzőpohár tetejére egy óraüveget helyez, melyre kevés vizsgált anyagot szór, majd az anyagra pár csepp 40%-os NaOH oldatot cseppent. Végül az óraüvegre egy megfordított tölcsérkét helyez, melynek ferdén levágott szárára egy megnedvesített indikátorpapírt helyez. Ha a lúg hatására ammónia szabadul fel a vizsgált anyagból az a melegítés hatására felfelé száll és az indikátor-papír víztartalmában oldódva lúgos kémhatást okoz, ami elszínezi az indikátort. b) a higany(i)-nitrát oldattal megnedvesített szűrőpapírt megfeketíti (igen megbízható teszt az ammónia kimutatására): 2 NH 3 + Hg 2 2+ + NO 3 Hg(NH 2 )NO 3 + Hg + NH 4 + c) a mangán(ii)-kloriddal és hidrogén-peroxiddal megnedvesített szűrőpapírt megbarnítja; a mangán oxidálódik az ammónia elnyelődése következtében kialakuló lúgos közegben: 2 NH 3 + Mn 2+ + H 2 O 2 + H 2 O MnO(OH) 2 + 2 NH 4 + 2. Nessler-reagens ( kálium-tetrajodo-merkurát(ii) lúgos oldata): Barna csapadék, vagy barna, illetve sárgásbarna színeződés keletkezik az ammónia vagy ammóniumionok mennyiségétől függően. A csapadék bázikus higany(ii)-amido-jodid: NH 4 + + 2 HgI 4 2 + 4 OH HgO Hg(NH 2 )I + 7 I + 3 H 2 O Igen érzékeny teszt, de szinte valamennyi fémion (kivéve a nátrium- és káliumiont) zavarja. A reakciót óraüvegen végezzük el. 3. Nátrium- hexanitrito-kobaltát(iii), Na 3 Co(NO 2 ) 6 : Sárga ammónium- hexanitrito-kobaltát(iii) csapadék keletkezik, ami hasonló ahhoz, mint ami káliumionokkal leválik: 3 NH 4 + + Co(NO 2 ) 6 3 (NH 4 ) 3 Co(NO 2 ) 6 4. Perklórsav, vagy nátrium-perklorát oldat: híg ammóniumion tartalmú oldattal nincs csapadék (eltérés a káliumionoktól). Töményebb, vagy metanolos oldatból azonban az ammónium-perklorát is kiválik. Oldhatóság: NH 4 ClO 4 : 10,9 g/100 g víz KClO 4 : 0,75 g/100 g víz 0 C-on. 2 9
1.5.2. Nitritionok jellemző reakciói, NO 2 Az ezüst-nitrit viszonylag rosszul oldódik vízben (1,363 g AgNO 2 /100 ml víz 60 C-on), de valamennyi egyéb fontos fém-nitrit vízben jól oldódik. Használjon 0,1 M KNO 2 oldatot a nitritionok reakcióinak vizsgálatához. 1. Sósav: Ha óvatosan, hidegen sósavat adunk szilárd nitrithez, világoskék folyadék keletkezik (a szabad salétromossav HNO 2, vagy anhidridje N 2 O 3 miatt) és barna színű nitrogén-oxidok fejlődnek. A barna színű nitrogén-dioxid főleg a nitrogén-monoxid és a levegő oxigénjének reakciójával keletkezik. Hasonló reakció észlelhető, ha sósavat tömény nitrit oldatba öntünk. Híg nitrit oldat esetén a gázfejlődés gyenge, gyakran nem észlelhető. NO 2 + H + HNO 2 3 HNO 2 HNO 3 + 2 NO + H 2 O 2 NO + O 2 2 NO 2 2. Bárium-klorid oldat: nem észlelhető csapadék. 3. Ezüst-nitrát oldat: tömény oldatból fehér, kristályos ezüst-nitrit csapadék válik ki. NO 2 + Ag + AgNO 2 4. Kálium-jodid oldat: ha nitrit oldatot adunk kálium-jodid oldathoz és megsavanyítjuk ecetsavval vagy híg kénsavval, elemi jód keletkezik, ami azonosítható szén-tetrakloridos kirázással vagy a keményítő oldat megkékülésével. 2 NO 2 + 2 I + 4 H + I 2 + 2 NO + 2 H 2 O 5. Ammónium-klorid. Ha nitrit oldatot feleslegben lévő szilárd ammónium-kloriddal forralunk, nitrogén keletkezik és a nitrit teljesen elbomlik: NO 2 + NH 4 + N 2 + 2 H 2 O 6. Karbamid: ha nitrit oldathoz karbamidot CO(NH2)2, adunk és a keveréket megsavanyítjuk híg sósavval, a nitrit elbomlik, és nitrogén, valamint szén-dioxid fejlõdik. 2 NO 2 + CO(NH 2 ) 2 + 2 H + 2 N 2 + CO 2 + 3 H 2 O 7. Megsavanyított kálium-permanganát oldat: elszintelenedik nitrit oldat hatására (a nitrit feleslegben kell, hogy legyen), de gázfejlődés nem észlelhető. 5 NO 2 + 2 MnO 4 + 6 H + 5 NO 3 + 2 Mn 2+ + 3 H 2 O 9. Kén-hidrogén: ha kén-hidrogént vezetünk kénsavval megsavanyított nitrit oldatba, kén válik ki és ammóniumionok keletkeznek: NO 2 + 3 H 2 S + 2 H + 3 S + NH 4 + + 2 H 2 O Erősen lúgosítsuk meg az oldatot és vizsgáljunk NH 3 -ra a kémcső szájához tartott nedves indikátorpapírral. 3 0
10. Nátrium-szulfit oldat: 2 M sósavval megsavanyított nitrit oldathoz adjunk nátrium-szulfit oldatot, majd vizsgáljunk SO 4 2 ionokra BaCl 2 oldattal: 2 NO 2 + SO 3 2 + 2 H + SO 4 2 + 2 NO + H 2 O 11. Szulfanilsav -naftilamin reagens. (Griess-Ilosvay teszt) A reakció két lépésből áll, az első a szulfanilsav diazotálása a savanyítás hatására keletkező salétromossavval, a második az így keletkezett diazóniumsó kapcsolása az -naftilaminnal vörös diazofestékké. A bruttó reakció: NH 2 + + NO 2 + HSO 3 NN NH 2 +2 H 2 O H + SO 3 HNH 2 Az oldat híg kell legyen, különben a második lépésben keletkező azofesték igyen gyorsan roncsolódik, az oldat vörös színe barnává változik. 12. FeSO 4 oldat: feleslege már ecetsavval megsavanyított oldatban is sötétbarna színeződést okoz a nitrozo-vas(ii) ionok keletkezése következtében: NO 2 + 2 Fe 2+ + 2 H + Fe(NO) 2+ + Fe 3+ + H 2 O A nitrátionok a reakciót csak tömény kénsavas oldatban adják (különbség a nitritionoktól). 13. Nitritek redukciója lúgos közegben. Ammónia gáz fejlődik, ha nitrit tartalmú oldatot nátriumhidroxiddal meglúgosítunk, majd cink porral forralunk. Az ammónia detektálható (i) szaga alapján, (ii) megnedvesített ph papírral vagy (iii) higany(i)-nitrát oldattal megnedvesített szűrőpapírral. NO 2 + 3 Zn + 5OH + 5 H 2 O NH 3 + 3 Zn(OH) 4 2 Az ammóniumionok zavarnak, ezért a vizsgálat előtt el kell távolítani őket. A nitrátok is hasonló reakciót adnak. 3 1
1.5.3. Nitrátionok jellemző reakciói, NO 3 Valamennyi szervetlen nitrát oldódik vízben. A higany és a bizmut nitrátja vízben hidrolizál, de feloldható híg salétromsavban. Használjon 0,1 M nátrium- vagy kálium-nitrát oldatot a nitrátionok reakcióinak vizsgálatához. 1. Redukció nitritionokká. A nitrátok ecetsavas közegben fém cinkkel nitritté redukálhatók, és a nitritionok kimutathatók Griess-Ilosvay-reagenssel. NH 2 NO 3 + Zn + 2 H + NO 2 + Zn 2+ + H 2 O + + NO 2 + HSO 3 NN NH 2 +2 H 2 O H + SO 3 HNH 2 A nitritek természetesen zavarnak, ezért ha ezt a tesztet használjuk nitrátionok kimutatására, a nitritionokat előzőleg el kell távolítani az oldatból a nitrit elroncsolásával (lásd 1.5.2. fejezet). 2. A nitrátok redukciója lúgos közegben. Ammónia gáz fejlődik, ha nitrát tartalmú oldatot nátriumhidroxiddal meglúgosítunk, majd cink porral forralunk, vagy alumínium porral gyengén melegítünk. Az ammónia detektálható (i) szaga alapján, (ii) megnedvesített ph papírral vagy (iii) higany(i)-nitrát oldattal megnedvesített szűrőpapírral. NO 3 + 4 Zn + 7 OH + 6 H 2 O NH 3 + 4 Zn(OH) 4 2 3 NO 3 + 8 Al + 5 OH + 18 H 2 O NH 3 + 8 Al(OH) 4 Az ammóniumionok zavarnak, ezért a vizsgálat előtt el kell távolítani őket. A nitritek is hasonló reakciót adnak. 3. Vas(II)-szulfát oldat és tömény kénsav (barna gyűrű teszt): Adjon 2 ml nitrát oldathoz 3 ml frissen készített telített vas(ii)-szulfát oldatot, majd folyasson a kémcső oldalán lassan 3-5 ml tömény kénsavat az oldathoz úgy, hogy a sav külön réteget képezzen az oldat alatt. A két réteg találkozásánál barna gyűrű keletkezik. A barna gyűrű az [Fe(NO)] 2+ keletkezése következtében áll elő. Rázásra és melegítésre a barna gyűrű eltűnik, nitrogén-monoxid fejlődik és az oldat megsárgul a vas(iii) ionok keletkezése következtében. 2 NO 3 + 4 H 2 SO 4 + 6 Fe 2+ 6 Fe 3+ + 2 NO + 4 SO 4 2 + 4 H 2 O Fe 2+ + NO [Fe(NO)] 2+ 3 2
1.5.4. Ortofoszfátionok jellemző reakciói, PO 4 3 Az ortofoszforsav (gyakran egyszerűen csak foszforsavnak nevezik) hárombázisú sav, ezért háromféle só vezethető le belőle: primér ortofoszfátok (vagy dihidrogénfoszfátok), pl. NaH 2 PO 4, szekunder ortofoszfátok (vagy hidrogénfoszfátok), pl. Na 2 HPO 4, tercier ortofoszfátok, pl. Na 3 PO 4. Az úgynevezett "nátrium-foszfát" tulajdonképpen a dinátrium-hidrogén-foszfátnak, Na 2 HPO 4 12H 2 O a hétköznapi elnevezése. Oldhatóság. Az alkálifémek (kivéve a lítiumot) és az ammóniumion foszfátjai (primér, szekunder és tercier) oldódnak vízben. Az alkáliföldfémek primér foszfátjai ugyancsak vízoldhatóak. A többi fém foszfátja, valamint az alkáliföldfémek szekunder és tercier foszfátjai vízben rosszul oldódnak vagy oldhatatlanok. A foszfátionok reakcióinak vizsgálatához használjon 0,1 M dinátrium-hidrogén-foszfát, Na 2 HPO 4 12H 2 O oldatot. 1. Híg sósav: nem észlelhető változás. 2. Ezüst-nitrát oldat: semleges oldatból sárga, tercier ezüst-ortofoszfát csapadék keletkezik. PO 4 3 + 3 Ag + Ag 3 PO 4 Amennyiben hidrogén-foszfáthoz adjuk az ezüst-nitrát oldatot, a gyengén lúgos oldat savassá, ha dihidrogén-foszfát oldathoz adjuk a reagenst, akkor az enyhén savas oldat erősen savassá válik a következő reakció miatt: HPO 4 2 + 3 Ag + Ag 3 PO 4 + H + H 2 PO 4 + 3 Ag + Ag 3 PO 4 + 2 H + A tercier ezüst-ortofoszfát csapadék oldódik híg ammónia oldatban és híg salétromsavban is: Ag 3 PO 4 + 6 NH 3 3 [Ag(NH 3 ) 2 ] + 3 + PO 4 Ag 3 PO 4 + 2 H + H 2 PO 4 + 3 Ag + 3. Bárium-klorid oldat: semleges oldatból fehér, amorf szekunder bárium-foszfát válik ki, amely oldódik híg ásványi savakban és töményebb ecetsavban is. HPO 4 2 + Ba 2+ BaHPO 4 Gyengén lúgos közegben (híg ammónia jelenlétében) a vízben roszabbul oldódó tercier foszfát válik ki az oldatból: 2 HPO 4 2 + 3 Ba 2+ + 2 NH 3 Ba 3 (PO 4 ) 2 + 2 NH 4 + 3 3