MINŐSÉGI KÉMIAI ANALÍZIS

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

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

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

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 2.1.1. CaCl 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + 2 HCl 2.1.2. CaCl 2 + 2 NaOH = Ca(OH) 2 + 2 NaCl 2.1.3. Lángfestés 2.2. A Ba 2+ ion reakciói 2.2.1. BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2 HCl 2.2.2. BaCl 2 + 2 NaOH = Ba(OH) 2 + 2 NaCl 2.2.3. Lángfestés 2.3. A Sr 2+ ion reakciói 2.3.1. SrCl 2 + H 2 SO 4 = SrSO 4 + 2 HCl 2.3.2. SrCl 2 + 2 NaOH = Sr(OH) 2 + 2 NaCl 2.3.3. Lángfestés 3. Átmeneti fémek reakciói (d-mező) 3.1. A Hg 2 2+ és Hg 2+ ionok reakciói (mérgező!) 3.1.1. Hg 2 (NO 3 ) 2 + H 2 SO 4 = Hg 2 SO 4 + 2 HNO 3 3.1.2. Hg 2 (NO 3 ) 2 + 2 NaOH = Hg + HgO + H 2 O + 2 NaNO 3 3.1.3. Hg 2 (NO 3 ) 2 + 2 KI = Hg 2 I 2 + 2 KNO 3 (a reakció terméke a következő reakció kiindulási reagense) 3.1.4. Hg 2 I 2 + 2 KI = Hg + K 2 [HgI 4 ] 3.1.4. Hg 2 (NO 3 ) 2 + 2 HCl = Hg 2 Cl 2 + 2 HNO 3 3.1.5. HgCl 2 + 2 NaOH = HgO + 2 NaCl + H 2 O 3.1.6. HgCl 2 + 2 KI = HgI 2 + 2 KCl (a reakció terméke a következő reakció kiindulási reagense) 3.1.7 HgI 2 + 2 KI = K 2 [HgI 4 ] 3.2. Az Ag + ion reakciói 4

3.2.1. AgNO 3 + KCl = AgCl + KNO 3 3.2.2. AgNO 3 + KBr = AgBr + KNO 3 3.2.3. AgNO 3 + KI = AgI + KNO 3 3.2.4. 2 AgNO 3 + 2 NaOH = 2 NaNO 3 + 2 AgOH Ag 2 O + H 2 O 3.2.5. 2 AgNO 3 + K 2 CrO 4 = Ag 2 CrO 4 + 2 KNO 3 3.3. A Fe 2+ és Fe 3+ ionok reakciói 3.3.1. FeSO 4 + 2 NaOH = Fe(OH) 2 + Na 2 SO 4 3.3.2. 3 FeSO 4 + 2 K 3 [Fe(CN) 6 ] = Fe 3 [Fe(CN) 6 ] 2 + 3 K 2 SO 4 3.3.3. 10 FeSO 4 + 2 KMnO 4 + 8 H 2 SO 4 = 5 Fe 2 (SO 4 ) 3 + 2 MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8 H 2 O 3.3.4. FeCl 3 + 3 NaOH = Fe(OH) 3 + 3 NaCl 3.3.5. 4 FeCl 3 + 3 K 4 [Fe(CN) 6 ] = Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 + 12 KCl 3.3.6. FeCl 3 + 3 KSCN = Fe(SCN) 3 + 3 KCl 3.4. A Cd 2+ ion reakciói 3.4.1 CdSO 4 + 2 NaOH = Cd(OH) 2 + 2 NaCl 3.4.2 CdSO 4 + Na 2 S = CdS + Na 2 SO 4 4. A p-mező néhány kationjának reakciói 4.1. Az Al 3+ ion reakciói 4.1.1. AlCl 3 + 3 NaOH = Al(OH) 3 + 3 NaCl (a reakció termékét ossza két részre a következő két reakcióhoz) 4.1.2. Al(OH) 3 + NaOH = Na[Al(OH) 4 ] 4.1.3. Al(OH) 3 + 3 HCl = AlCl 3 + 3 H 2 O 4.2. A Pb 2+ ion reakciói 4.2.1. Pb(NO 3 ) 2 + H 2 SO 4 = PbSO 4 + 2 HNO 3 4.2.2. Pb(NO 3 ) 2 + 2 KI = PbI 2 + 2 KNO 3 4.2.3. Pb(NO 3 ) 2 + 2 NaOH = Pb(OH) 2 + 2 NaNO 3 (a reakció termékét ossza két részre a következő két reakcióhoz) 4.2.4. Pb(OH) 2 + 2 HNO 3 = Pb(NO 3 ) 2 + 2 H 2 O 4.2.5. Pb(OH) 2 + 2 NaOH = Na 2 [Pb(OH) 4 ] 4.2.6. Pb(NO 3 ) 2 + K 2 CrO 4 = PbCrO 4 + 2 KNO 3 4.3. Az NH 4 + (ammónium) ion reakciói 4.3.1. NH 4 Cl(sz) + NaOH = NaCl + NH 3 + H 2 O (NH 3 -szag) 4.3.2. 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

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) 2 2-. 5. Halogén csoport egyszerű és összetett ionjainak reakciói 5.1. A Cl (klorid) ion reakciói kémhatás: semleges 5.1.1. NaCl + AgNO 3 = AgCl + NaNO 3 5.1.2. Pb(NO 3 ) 2 + 2 NaCl = PbCl 2 + 2 NaNO 3 5.2. A Br (bromid) ion reakciói kémhatás: semleges 5.2.1. AgNO 3 + KBr = AgBr + KNO 3 5.2.2. 2 KBr + 2 csepp H 2 SO 4 + kevés klóros víz = Br 2 + 2 KCl (Kloroformmal rázzuk össze!) 5.3. A I (jodid) ion reakciói kémhatás: semleges 5.3.1. AgNO 3 + KI = AgI + KNO 3 5.3.2. 2 KI + 2 csepp H 2 SO 4 + kevés klóros víz = I 2 + 2 KCl (Kloroformmal rázzuk össze!) 5.3.3. Ismételjék meg az előző reakciót nagyobb mennyiségú klóros vízzel: I 2 + 5 Cl 2 + 6 H 2 O = 2 HIO 3 + 10 HCl 6. Az oxigén csoport egyszerű és összetett ionjainak reakciói 6

6.1. Az OH - (hidroxid) ion reakciói kémhatás: erősen lúgos 6.1.1. 2 AgNO 3 + 2 NaOH = 2 NaNO 3 + 2 AgOH Ag 2 O + H 2 O 6.2. Az O 2 2- (peroxid) ion reakciói kémhatás: semleges 6.2.1. H 2 O 2 + 2 KI + H 2 SO 4 = 2 H 2 O + K 2 SO 4 + I 2 6.2.2. 5 H 2 O 2 + 2 KMnO 4 + 3 H 2 SO 4 = 2 MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8 H 2 O + 5 O 2 6.3. Az SO 4 2 (szulfát) ion reakciói kémhatás: semleges 6.3.1. BaCl 2 + Na 2 SO 4 = BaSO 4 + 2 NaCl 7. A széncsoport egyszerű és összetett ionjainak reakciói 7.1. A CO 3 2 (karbonát) ion reakciói kémhatás: erősen lúgos 7.1.1. Na 2 CO 3 + 2 HCl = 2 NaCl + H 2 O + CO 2 7.1.2. Na 2 CO 3 + 2 AgNO 3 = Ag 2 CO 3 + 2 NaNO 3 7.2 A SiO 3 2 (szilikát) ion reakciói kémhatás: erősen lúgos 7.2.1 Na 2 SiO 3 + 2 HCl = 2 NaCl + H 2 SiO 3 7.2.2 Na 2 SiO 3 + 2 AgNO 3 = Ag 2 SiO 3 + 2 NaNO 3 7

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

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

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. 1-1-1 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. 1-1-1 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

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