CYKL PRZEMIAN CHEMICZNYCH
Metaliczna miedź zostanie poddana następującym przemianom:
Cu → Cu(NO3)2 → Cu(OH)2 → CuO → CuCl2 → Cu3(PO4)2 → CuSO4 → Cu
Doświadczenia te oprócz aspektów poznawczych mają również na celu opanowanie techniki laboratoryjnej, a w szczególności takich operacji jak nalewanie odczynników z butelek, dekantację czyli oddzielanie cieczy od ciała stałego przez zlewanie cieczy znad powierzchni osadu, zakładanie sączka z bibuły do lejka, sączenie, przelewanie roztworu ze zlewki na sączek przy pomocy bagietki, rozpuszczanie osadu na soczku, przemywanie i suszenie osadu, ważenie.
Operacje te powinny być wykonane jak najdokładniej, tak aby ilość miedzi odzyskana w ostatnim etapie ćwiczeń była bliska początkowej. Procentowy odzysk miedzi po przeprowadzeniu jej przez cały cykl przemian będzie podstawa oceny wykonanej pracy. W tym celu każdy z ćwiczących otrzyma próbkę metalicznej miedzi, której masa zostanie podana dopiero po przedstawieniu końcowego wyniku tj. masy odzyskanej miedzi.
Uzyskanie dobrej wydajności wymaga więc nie tylko dokładnego postępowania według instrukcji, ale również dobrego zrozumienia sensu i zasad przeprowadzanych operacji oraz unikania wszelkich czynności mogących prowadzić do nawet niewielkich strat miedzi lub jej związków. Szczególnie chodzi tutaj o ostrożne przelewanie i mieszanie roztworów, uważną dekantację, czy przenoszenie osadów. Ogólnie mówiąc, trzeba sobie cały czas zdawać sprawę, gdzie i w jakiej formie znajduje się miedź oraz uniknąć jej rozproszenia (np. bagietka używana do mieszania lub przelewania powinna cały czas znajdować się w zlewce z roztworem. Nie wolno jej odkładać na stół bez uprzedniego spłukania wodą destylowaną). Unikanie tego oraz podobnych błędów, dokładne przestrzeganie podanych przepisów, jak również ogólnych zasad pracy w laboratorium chemicznym przyczyni się. niewątpliwie do prawidłowego wykonania ćwiczenia.
Etap 1: Otrzymywanie azotanu (V) miedzi (II)
Otrzymana próbkę, metalicznej miedzi umieścić w zlewce o pojemności 250 cm3 i dodać po kropli około 3 cm3 stężonego kwasu azotowego (pod wyciągiem!). Następnie zlewkę, postawić na płytce umieszczonej na trójnogu i delikatnie ogrzewać płomieniem palnika. W trakcie nalewania kwasu z butelki do zlewki można posłużyć się pipetą miarową lub odmierzyć wymaganą ilość przy pomocy cylindra, czy też probówki miarowej. Jeśli po 2-3 min. miedź nie roztworzy się całkowicie, należy dodać jeszcze około 1 cm3 kwasu i kontynuować ogrzewanie. Po całkowitym roztworzeniu metalu dodać do zlewki około 20 cm3 wody destylowanej. Zlewkę, wraz z zawartością ostudzić do temperatury pokojowej przez zanurzenie w zimnej wodzie.
Zanotować obserwacje dokonane w trakcie wykonywania doświadczenia i napisać równanie reakcii roztwarzania, miedzi w kwasie azotowym (V).
Etap 2: Otrzymywanie wodorotlenku miedzi (II) z azotanu (V) miedzi (II)
Do niebieskiego, ostudzonego roztworu azotanu miedzi (II) dodawać po kropli, ciągle mieszając roztwór bagietką, około 5 cm3 6M NaOH. Aby sprawdzić czy cała miedź przeszła w formę wodorotlenku, gdy wytracony, błękitny osad nieco opadnie dodać jeszcze kroplę NaOH. Jeżeli w miejscu, gdzie kropla odczynnika wpadła do roztworu nie wytraci się osad, można przyjąć, że reakcja została zakończona, tj. wytracenie jest całkowite. W przypadku, gdy opisana próba da wynik pozytywny należy dodać NaOH małymi porcjami, aż do osiągnięcia całkowitego wytrącenia. Roztwór nad osadem powinien być alkaliczny, co należy sprawdzić uniwersalnym papierkiem wskaźnikowym (zanurzyć w roztworze koniec bagietki, a następnie dotknąć nim papierka wskaźnikowego).
Zanotować obserwacje i równanie reakcji chemicznej.
Etap 3: Otrzymywanie tlenku miedzi (II) przez rozkład termiczny wodorotlenku miedzi (II)
Do zlewki z osadem wodorotlenku miedzi (II) należy dodać tyle wody destylowanej, aby objętość roztworu wraz z osadem wynosiła około 100 cm3. Zlewkę z zawartością ogrzewać na płytce, utrzymywać w stanie łagodnego wrzenia przez około 3 minuty ciągle mieszając.
Zanotować obserwacje i równanie reakcji chemicznej.
Umyć dokładnie lejek do sączenia i założyć do niego sączek z bibuły. Przystąpić do sączenia wydzielonego czarnego osadu nalewając po bagietce na sączek tyle zawiesiny, aby poziom cieczy nie sięgał wyżej niż 5 mm od górnej krawędzi sączka. Resztę, osadu pozostałego w zlewce przenieść na sączek strumieniem wody destylowanej z tryskawki. Pozostałości osadu, silnie przywierające do ścianek zlewki można zebrać małym kawałkiem bibuły filtracyjnej, który należy dołączyć do osadu na sączku. Cały zebrany osad przemyć jednokrotnie 10-15 cm3 gorącej wody destylowanej. Woda powinna całkowicie pokryć przemywany osad. Odczekać, aż woda zupełnie ścieknie z sączka.
Etap 4: Otrzymywanie chlorku miedzi (II) z tlenku miedzi (II)
W małej zlewce przygotować około 10 cm3 6M HCI. Pod lejek z osadem CuO podstawić czystą zlewkę, najlepiej o pojemności 250 cm3. Roztworzyć CuO na sączku polewając osad małymi porcjami (pipetka) 6M HCI. Jeżeli osad nie roztworzy się całkowicie po dodaniu całej porcji kwasu, to należy użyć przesączu, dodając go ponownie pipetką do osadu na sączku. Po zakończeniu roztwarzania użyć sączek, przemyć niewielkimi porcjami wody destylacyjnej do zaniku zielonego zabarwienia. Przesącz z przemywania sączka zawiera resztki chlorku miedzi (II), należy więc zbierać go w tej samej zlewce, co przesącz otrzymany podczas roztwarzania CuO.
Zapisać obserwacje i równanie reakcji chemicznej.
Etap 5: Otrzymywanie ortofosforanu (V) miedzi (II) z chlorku miedzi (II)
Ze względu na rozpuszczalność Cu3(PO4)2 w kwasach, wytrącanie tego osadu należy prowadzić w roztworze słabo kwaśnym (tak aby uniknąć jednoczesnego wytracania się. Cu(OH)2). Ponieważ otrzymany w poprzednim etapie roztwór CuCl2 jest silnie kwaśny, gdyż zawiera na ogół nadmiar kwasu, trzeba go najpierw częściowo zobojętnić. Posługiwanie się papierkiem wskaźnikowym jest w tym przypadku utrudnione ze wzglądu na barwę związków miedzi. Można jednak wykorzystać do tego celu własności samego roztworu, a konkretnie tworzenie się osadu Cu(OH)2 w momencie gdy roztwór staje się lekko alkaliczny. Dodanie następnie niewielkiej ilości kwasu niezbędnej do rozpuszczania śladów powstałego wodorotlenku pozwala uzyskać odczyn wymagany do wytracania Cu3(PO4)2.
Dla przeprowadzenia opisanej procedury, do ostudzonego roztworu CuCl2, intensywnie mieszając za pomocą bagietki, dodawać po kropli 6M roztwór NaOH, aż do pojawienia się lekkiego zmętnienia o błękitnym zabarwieniu - Cu(OH)2. Następnie, ciągle mieszając roztwór bagietką, dodać po kropli 6M HCl do momentu, gdy zmętnienie znika od pojedynczej kropli kwasu. (Jeżeli istnieje podejrzenie, że dodano zbyt wiele kwasu, całe postępowanie można powtórzyć, tzn. dodać kilka kropli NaOH do pojawienia się zmętnienia, a następnie ponownie wkraplać HCl). Do tak przygotowanego, klarownego roztworu dodać powoli, ciągle mieszając około 15 cm3 nasyconego tworu Na3PO4. Gdy otrzymany osad nieco opadnie, sprawdzić całkowitość wytracenia przez dodanie kropli odczynnika strącającego. Jeżeli w trakcie wytracania ilość powstającego osadu jest tak duża, że tworzy się gęsta zawiesina, należy dodać wody destylowanej, aby osad mógł swobodnie sedymentować. Po uzyskaniu całkowitego wytracenia, ciecz z osadem należy wolno ogrzewać prawie do wrzenia (nie gotować!). Ogrzewanie sprzyja koagulacji osadu: przekształca się on w bardziej zwartą, postać co znacznie ułatwi i przyśpieszy późniejsze sączenie. Przesączyć gorącą zawiesinę przez sączek z bibuły. Resztki osadu usunąć ze zlewki, tak jak w przypadku CuO. Osad przemyć na sączku gorącą wodą destylowaną.
Zanotować obserwacje i równanie reakcji chemicznej.
Etap 6: Otrzymywanie siarczanu (VI) miedzi (II) z ortofosforanu (V) miedzi (II)
Roztworzyć osad ortofosforanu (V) miedzi (II) na sączku używając około 30 cm3 2M H2SO4 i zbierając przesącz w czystej zlewce. Jeżeli osad nie roztworzy się całkowicie należy zawracać kolejne porcje przesączu. Po przeprowadzeniu osadu do roztworu, przemyć sączek 2 M kwasem siarkowym (VI) do zaniku niebieskiego zabarwienia. Otrzymany roztwór uzupełnić ewentualnie 2M H2SO4 do objętości około 50 cm3.
Zanotować obserwacje i równanie reakcji chemicznej.
Etap 7: Otrzymywanie metalicznej miedzi z siarczanu (VI) miedzi (II)
Do wydzielenia metalicznej miedzi z roztworu CuSO4 wykorzystana zostanie właściwość wypierania z roztworu metali bardziej szlachetnych przez mniej szlachetne - w tym przypadku przez cynk. Do otrzymanego w poprzednim etapie kwaśnego roztworu CuSO4 wrzucić około 0,5 g wiórek metalicznego cynku. Roztwór pozostawić, mieszając od czasu do czasu, do momentu w którym będzie zupełnie bezbarwny. Ewentualna, obecność niewielkich ilości jonów Cu2+ w roztworze można również sprawdzić przy pomocy NH4OH. W tym celu, pipetką przenieść kilka, kropel roztworu, z którego wydzielana jest miedź do małej probówki i dodać około dwa razy większą objętość stężonego NH4OH. Jeżeli pojawi się nawet mało intensywne niebieskie zabarwienie oznacza to, że miedź nie została jeszcze całkowicie wydzielona i należy kontynuować redukcję cynkiem. Jeżeli natomiast test z NH4OH nie wykazuje obecności jonów Cu2+, roztwór można podgrzać dla przyśpieszenia roztworzenia nadmiaru cynku. Kiedy ustanie wydzielanie się pęcherzyków wodoru, zdekantować możliwie największą, część roztworu uważając przy tym, aby nie zgubić cząstek wydzielonej miedzi. Przemyć przez dekantację osad miedzi małymi porcjami wody destylowanej, tak długo, aż zlewana ciecz będzie mieć odczyn obojętny (sprawdzić papierkiem uniwersalnym). Przenieść osad (wraz z resztą wody przemywającej) na zważone z dokładnością do 0,001 g szkiełko zegarkowe. Zdekantować ostrożnie wodę ze szkiełka, przemyć alkoholem metylowym i umieścić je na zlewce z gotująca woda. (ogrzewanie na łaźni parowej) lub w suszarce o temperaturze około 110 °C. Otrzymany proszek miedzi powinien być barwy czerwono-brunatnej, suchy, sypki i bez śladów białego nalotu. Po odczekaniu, aż osad wraz ze szkiełkiem ostygną do temperatury pokojowej, zważyć całość z dokładnością do 0,001 g i obliczyć masę miedzi. Po zatwierdzeniu wyniku przez prowadzącego ćwiczenia i uzyskaniu pierwotnej masy miedzi, obliczyć procentową wydajność cyklu przemian chemicznych.
Zanotować obserwacje i równanie reakcji chemicznej.
Zakres materiału:
Właściwości fizyczne i chemiczne miedzi i jej związków
Literatura:
Podstawy chemii nieorganicznej, A. Bielański