Grupa III II rok chemii (para V)	Kubicka Katarzyna Krzok Mariola	Data doświadczenia : 15.03.2010
Temat: Chemia związków wanadu. Synteza i analiza chemiczna otrzymanych izopoliwanadów.

SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA 13

I. CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest synteza triwanadu amonu NH₄V₃O₈ i dekawanadu amonu (NH₄)₆V₁₀O₂₈* 2H₂O oraz ilościowe oznaczenie wanadu w otrzymanych tri- i deka- wanadach.

II. WSTĘP TEORETYCZNY :

Najtrwalszymi połączeniami wanadowców z tlenem są pięciotlenki. Pentatlenek di wanadu V₂O₅ , otrzymuje się w wyniku rozkładu termicznego metawanadu amonu, NH₄VO₃.

2NH₄VO₃ = 2NH₃ + H₂O + V₂O₅

Jest to proszek o barwie pomarańczowej, bez smaku, silnie trujący. Topi się w temperaturze 931 K. W wodzie rozpuszcza się tylko w małych ilościach (0,07 g w 100 g H₂O). Roztwór ma barwę żółtą i odczyn kwasowy w stosunku do lakmusu. W alkaliach rozpuszcza się z utworzeniem wanadów. W kwasach siarkowych i azotowych rozpuszcza się na gorąco, przy czym powstaje kation oksywanadu (VO₂⁺). W kwasie solnym ulega redukcji i przechodzi z równoczesnym wydzieleniem chloru w chlorek wanadylu, VOCl₂.

Znacznie lepiej poznane i łatwiejsze do wydzielenia w stanie czystym są liczne wanady, sole wywodzące się od nieznanych w stanie czystym kwasów poliwanadowych, a więc produkty kondensacji najprostszego kwasu ortowanadowego H₃VO₄, zachodzącej z odszczepieniem cząsteczek wody. Rodzaj anionów poliwanadowych obecnych w roztworze zależy w decydujący sposób od pH roztworu oraz od jego stężenia. Proste aniony ortowanadowe [VO₄ ]^{3 –} pojawiają się tylko w roztworach bardzo silnie alkalicznych o pH > 12. W miarę obniżania pH w roztworach o zawartości 1-0,1 moli V₂O₅ na 1 litr aniony te ulegają kondensacji. W zakresie pH 12-10,6 ustala się równowaga

2[VO₄]^3- + 2H⁺ = [V₂O₇]^4- + H₂O

Wanad na stopniu utlenienia +5 tworzy liczne aniony, które mogą zawierać od jednego do dziesięciu atomów wanadu w cząsteczce. Wiele z nich udało się wyizolować z roztworu w postaci krystalicznej. Do najprostszych soli należą: MVO₃ – metawanady, M₃VO – ortowanady, M₄V₂O₇ – pirowanady( gdzie M – kation metalu alkalicznego lub NH₄⁺ ). Aniony te zawierają tetraedryczne koordynacyjne atomy wanadu, np. bezwodny metawanad potasu KVO₃ jest zbudowany z nieskończonych liniowych łańcuchów złożonych z tetraedrów VO₄ połączonych atomami tlenu. Bardziej złożone wanady powstają przez zakwaszenie roztworów metawanadów, przy czym proces kondensacji na aniony poiwanadowe zależy od stężenia i kwasowości roztworu. Zakwaszenie roztworów metawanadów poniżej pH= 6 prowadzi do otrzymania pomarańczowych roztworów, zawierających anion dekawanadowy [V₁₀O₂₈]^6-. Anion ten składa się z dziesięciu oktaedrów VO₆ połączonych krawędziami. W gorących lub przechowywanych przez dłuższy czas roztworach dekawanadów możliwe jest strącenie brązowo-pomarańczowych soli triwanadowych. Sole te mają empiryczny wzór MV₃O₈, lecz są czasami zapisywane jako M₂V₆O₁₆ i nazywane „heksawanadami”.

III. OPRACOWANIE WYNIKÓW :

1. Reakcje zachodzące w trakcje otrzymywania tri- i dekawanadanu amonu :

- triwanadan amonu :

3NH₄VO₃ + H⁺ → NH₄V₃O₈ + 2NH₃ + H₂O

- dekawanadan amonu :

10 NH₄VO₃ + 6H⁺ → (NH₄)₆V₁₀O₂₈ × 6H₂O + 4NH₃

1. Możliwe jony wanadowe w środowiskach :

- silnie alkalicznym : VO₄^3-, V₂O₇^4-, HVO₄^2-,

- kwaśnym : VO₃^-, V₁₀O₂₈^6-, HV₁₀O­₂₈^5-

- silnie kwaśnym : VO₂⁺, H₂V₁₀O₂₈^4-

1. Wydajność syntez poliwanadów wraz z obliczeniami :

M NH₄VO₃ = 116 g/mol

M NH₄V₃O₈ = 298 g/ mol

M (NH₄)₆ V₁₀O₂₈ × 6H₂O =1174,12 g/mol

- triwanadan amonu 3 x NH₄VO₃ → NH₄V₃O₈

3 g → X g

X = $\frac{3\ g\ \times \ \ 298\ g/\text{mol}}{3 \times 116\ g/\text{mol}}$ = 2,57 g

W = $\frac{1,45}{2,57}\ \ \times 100\ \%\ = \mathbf{56}\mathbf{,\ }\mathbf{42}\mathbf{\ \%}$

- dekawanadan amonu 10 × NH₄VO₃ → (NH₄)₆ V₁₀O₂₈ × 6H₂O

3 g → x g

X = $\frac{3g\ \ \times \ \ 1174,\ \ 12\ g/\text{mol}}{10\ \ \times \ \ 116\ g/\text{mol}}$ = 3,03 g

W = $\frac{1,35}{3,03}\ \times 100\ \ \%$ = 44, 55 %

1. Względna rozpuszczalność badanych wanadów w oparciu o znajomość struktury tych połączeń :

Metawanadan amonu jest praktycznie nie rozpuszczalny, jedynie w podwyższonej temperaturze (ogrzewanie) ulega rozpuszczeniu. Dekawanadan amonu rozpuszcza się już na zimno, natomiast triwanadan amionu nie rozpuszcza się nawet pod wpływem ogrzewania. Rozpuszczalność izopoliwanadanów i metawanadanów związana jest z ich strukturą. Aniony metawanadanu zawierają tetraedryczne koordynacyjne atomy wanadu, np. bezwodny metawanadan potasu KVO₃ jest zbudowany z nieskończonych liniowych łańcuchów złożonych z tetraedrów VO₄ połączonych atomami tlenu. Anion dekawanadanu składa się z oktaedrów VO₆ połączonych krawędziami.

1. Reakcje zachodzące w czasie oznaczania wanadanów :

- triwanadan amonu:

V₃O₈^- 4H⁺ → 3 VO₂⁺ + 2H₂O

2 VO₂⁺ 2H⁺ SO₃^2- → 2VO²⁺ + H₂O + SO₄^2-

SO₃^2- + 2H⁺ → SO₂ + H₂O

5 VO²⁺ + H₂O + MnO₄^- → 5 VO₂⁺ + 2H⁺ + Mn²⁺

- dekawanadan amonu:

V₁₀O₂₈^6- + 16H⁺ → 10 VO₂⁺ + 8H₂O

2VO₂⁺ 2H⁺ + SO₃^2- → 2VO²⁺ + H₂O + SO₄^2-

SO₃^2- + 2H⁺ → SO₂ + H₂O

5 VO²⁺ + H₂O + MnO₄^- → 5VO₂⁺ + 2H⁺ + Mn²⁺

WYNIKI ANALIZ NA ZAWARTOŚĆ WANADU

IZOPOLIWANAD	NAWAŻKA [g]	OBIĘTOŚĆ KMnO4	ZAWARTOŚĆ WANADU dośw. %	ZAWARTOŚĆ WANADU teoret. %	BŁĄD WZDLĘDNY %
NH4V3O8	I – 0,3040 II – 0,3003	28 cm^3 31,2 cm^3	56, 42 %	60,08 %	6,09 %
(NH4)V10O28* 6H2O	I – 0,3103 II – 0,3064	28,1 cm^3 30,1 cm^3	44, 55 %	50 %	10,9 %

- triwanadan amonu

1 mol V₃O₈^- → 3 mole VO₂⁺

z MnO₄ reaguje 5 moli VO₂

5/3 mola VO₂⁺ → 1 mol V₃O₈^-

m V₃O₈^- = 298 g

5/3 m VO₂⁺ = m V₃O₈⁺

298 × $\frac{5}{3}$ = 496 g

W = $\frac{298\ g\ }{496\ g\ }\ \ \ \times 100\ \%\ = \mathbf{60\ ,\ 08\ \%}\ $

- dekawanadan amonu :

1 mol V₁₀O₂₈^6- → 10 moli VO₂⁺

z Mno₄^- reaguje 5 moli VO₂⁺

5/10 mola VO₂⁺ → 1 mol V₁₀O₂₈^6-

m V₁₀O₂₈^6- = 1174,12 g

5/10 m VO₂⁺ = m V₁₀O₂₈^6-

1174,12 × $\frac{5}{10}$ = 587,06 g

W = $\frac{587\ ,\ \ 06\ g\ \ }{1174,12\ g\ \ }\ \ \times \ \ 100\ \%\ = \ $ 50 %

Obliczanie błędu względnego :

60,08 - 56,42 = 3,66

$\frac{60,08 - \ \ 56,\ 42}{60,08}\ \times 100\ \%\ = \ $ 6, 09 %

50 – 44, 55 = 5,45

$\frac{50 - 44,\ 55}{50\ }\ \ \times 100\ \%\ \ $= 10,9 %