ĆWICZENIE 4

STRĄCANIE OSADÓW. OCZYSZCZANIE

SUBSTANCJI PRZEZ KRYSTALIZACJĘ

ODCZYNNIKI

- Kwas benzoesowy

- 1 M H₂SO₄ (aq)

- 20% NaOH (aq)

- Ba(NO₃)₂⋅2H₂O

- Pb(NO₃)₂

- K₂CrO₄

- CuSO₄⋅5H₂O

- 2M HCl (aq)

- węgiel aktywny

APARATURA

- Kolba okrągłodenna o poj. 500 cm³

- Chłodnica powietrzna

- Lejek szklany

- Kolba ssawkowa

- Lejek Büchnera

- wirówka

- Bagietka

- Zlewki

- Probówki

- Cylinder miarowy

1. CEL ĆWICZENIA

1. Zapoznanie z rodzajami osadów.

2. Poznanie zjawiska krystalizacji.

3. Określenie czystości substancji na podstawie jej własności fizykochemicznych.

4. Konstruowanie zestawów eksperymentalnych.

2. WSTĘP TEORETYCZNY:

1. OSADY ANALITYCZNE

Osady występujące w analizie chemicznej można podzielić na dwie podstawowe grupy: osady koloidalne i osady krystaliczne. W procesie tworzenia się osadu koloidalnego cząsteczki trudno rozpuszczalnej substancji łączą się w zespoły (aglomeraty). Utworzone cząstki są obdarzone jednoimiennymi ładunkami elektrycznymi, które odpychając się wzajemnie tworzą zol, czyli tzw. pseudoroztwór. Pod wpływem odpowiedniego elektrolitu ładunki cząstek koloidalnych zostają zobojętnione i następuje koagulacja zolu w żel, czyli strącanie się osadu koloidalnego odpowiedniego do odsączenia, odwirowania i do przemycia.

W przypadku strącania osadów krystalicznych postać drobnokrystaliczna, czy grubokrystaliczna zależy w znacznej mierze od sposobu strącania. W procesie strącania najpierw tworzą się, po przekroczeniu iloczynu rozpuszczalności, zarodki krystaliczne, które następnie wzrastają do rozmiarów właściwych kryształów. Jeśli podczas strącania istnieją warunki umożliwiające powstanie niewielkiej liczby zarodków, które następnie mogą wzrastać, to otrzymuje się osad grubokrystaliczny, czysty, o prawidłowej sieci krystalicznej, pozbawionej obcych inkluzji. Warunki powstawania czystych, grubokrystalicznych osadów zapewnia mały nadmiar jonów strącających, dobre mieszanie roztworu, powolne dodawanie odczynnika strącającego i wysoka temperatura.

Osady krystaliczne są zanieczyszczone znajdującymi się w roztworze obcymi jonami wskutek adsorpcji, okluzji i w wyniku tworzenia się kryształów mieszanych. Ze względu na znacznie mniejszą powierzchnię osadów krystalicznych zanieczyszczenia tych osadów spowodowane adsorpcją są mniejsze niż osadów koloidalnych. Okluzja polega na mechanicznym zamykaniu obcych jonów, z roztworu macierzystego, przez szybko rosnący kryształ.

Strącaniu osadów towarzyszą zjawiska wtórne, które mogą mieć istotny wpływ na analityczne wykorzystanie reakcji strącania do celów rozdzielania i wydzielania substancji. Zjawiskami tymi są: starzenie osadu, postrącanie (postprecypitacja, strącanie następcze), współstrącanie (koprecypitacja).

Starzenie osadu polega na przechodzeniu osadu drobnokrystalicznego w osad o większych kryształach podczas dłuższego pozostawania osadu w styczności z roztworem macierzystym.

Postrącanie polega na powolnym strącaniu się na otrzymanym osadzie osadu soli innego jonu, który w zasadzie powinien pozostawać w roztworze.

Współstrącanie jest zjawiskiem złożonym. W wyniku współstrącania osad strącany zatrzymuje jony, które powinny ilościowo pozostawać w roztworze macierzystym. Współstrącanie jest wynikiem różnych procesów: adsorpcji powierzchniowej i tworzenia się kryształów mieszanych (roztworów stałych). Niekiedy współstrącanie tłumaczy się jako mechaniczne zatrzymywanie obcych jonów przez strącany osad.

2. OCZYSZCZANIE SUBSTANCJI PRZEZ KRYSTALIZACJĘ

Najważniejszym sposobem oczyszczania ciał stałych jest krystalizacja. Krystalizacja opiera się głównie na różnicy rozpuszczalności substancji oczyszczanej i zanieczyszczenie w danym rozpuszczalniku. Surowy produkt rozpuszcza się na gorąco w takiej ilości odpowiednio dobranego rozpuszczalnika z dodatkiem niewielkich ilości węgla aktywnego, aby otrzymać roztwór nasycony. Następnie odsącza się na gorąco węgiel aktywny z zaadsorbowanymi zanieczyszczeniami i pozostawia roztwór do oziębienia. Substancja krystalizuje z roztworu w czystej postaci. Z wyjątkiem kilku przypadków, rozpuszczalność związku w rozpuszczalniki wzrasta znacznie ze wzrostem temperatury. (patrz Rys.12.12 str. 565 L.Jones, P. Atkins, Chemia ogólna).

Rozpuszczalnik używany do krystalizacji powinien mieć następujące cechy:

a). dużą zdolność rozpuszczania krystalizowanej substancji w temperaturze podwyższonej i stosunkowo niewielką w temp pokojowej lub poniżej tej temperatury

b). rozpuszczać zanieczyszczenia bardzo dobrze lub tylko w nieznacznym stopniu

c). sprzyjać powstawaniu dobrze wykształconych kryształów oczyszczanego związku

d). być łatwy do usunięcia z powierzchni kryształów (mieć niską temperaturę wrzenia)

Rozpuszczalnik do krystalizacji dobiera się doświadczalnie. Rozpuszczalność substancji oczyszczanej nie może być zbyt duża. Jeżeli rozpuszczalność związku jest zbyt duża nawet po ochłodzeniu, to część rozpuszczalnika należy oddestylować i dodać drugi rozpuszczalnik, w którym związek jest słabiej rozpuszczalny.

Rozpuszczalność związków organicznych zależy od względnej polarności rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej, a oprócz tego od energii rozrywania sieci krystalicznej. Wskazówką w doborze rozpuszczalnika może być stara reguła doświadczalna, którą można stosować głównie w przypadku związków o prostszej budowie. W myśl tej reguły substancje rozpuszczają się dobrze w rozpuszczalnikach o podobnej budowie chemicznej.

Wskazówki w doborze rozpuszczalnika może dać poniższe zestawienie:

Klasa substancji Węglowodory Chlorowcopochodne węglowodorów Etery Aminy Estry Związki nitrowe Nitryle Ketony Aldehydy Fenole Aminy Alkohole Kwasy karboksylowe Kwasy sulfonowe Sole

Hydrofobowe Hydrofilowe

Dobrze rozpuszczalne w: Węglowodory, etery, chlorowcopochodne węglowodorów Estry Alkohol, dioksan, kwas octowy Alkohol, woda woda

Jeżeli dwa związki krystalizują jednocześnie jako dwie odrębne fazy krystaliczne, to można je rozdzielić przez krystalizację frakcjonowaną. Proces ten polega na sukcesywnym odbieraniu frakcji różniących się składem i ponownej krystalizacji.

Jako kryterium czystości substancji rekrystalizowanej stosuje się temperaturę topnienia.

Temperatura topnienia - jest to temperatura, w której następuje ustalenie się równowagi między stanem stałym a ciekłym substancji. Czyste substancje mają ostrą temperaturę topnienia.

3. WYKONANIE ĆWICZENIA

A). OCZYSZCZANIE KWASU BENZOESOWEGO

8 g kwasu benzoesowego przenieść do kolby o pojemności 500 ml. Wsypać szczyptę węgla aktywnego. Następnie wlać 300 ml wody destylowanej i wrzucić kamyczek wrzenny. Kolbę zamknąć chłodnicą powietrzną. Mieszaninę ogrzewać do całkowitego rozpuszczenia kwasu benzoesowego i utrzymywać w stanie lekkiego wrzenia przez dziesięć minut. Roztwór przesączyć na gorąco na lejku. Przesącz ochłodzić. Wykrystalizowany kwas benzoesowy odsączyć na lejku Büchnera i przemyć trzema porcjami zimnej wody. Produkt przenieść na bibułę i suszyć na powietrzu, pozostawiając do następnych zajęć. Po wysuszeniu produkt zważyć i obliczyć wydajność.

Zmierzyć temperaturę topnienia oczyszczonego kwasu.

B). WYTRĄCANIE OSADU WODOROTLENKU MIEDZI (II)

Odważyć 1,5 g CuSO₄ ⋅ 5H₂O i rozpuścić na zimno w możliwie najmniejszej ilości wody. Do klarownego roztworu dodać po bagietce 20% roztwór NaOH, aż do wytrącenia koloidalnego osadu wodorotlenku miedzi (II). Następnie zlewkę z roztworem ogrzewać przez kilka minut, obserwując zachodzące zmiany. Powstały osad pozostawić do sedymentacji, a po opadnięciu osadu zdekantować roztwór. Do pozostałego w zlewce osadu dodać niewielką ilość wody (ok. 20 cm³), zamieszać i odsączyć na sączku. Pozostawić osad do wyschnięcia.

C). WYTRĄCANIE OSADU SIARCZANU(VI) BARU

Odważyć 0,25 g Ba(NO₃)₂ ⋅ 2H₂O i rozpuścić w zlewce w 100 cm³ wody. Klarowny roztwór ogrzać do wrzenia. Po ogrzaniu dodać pipetą około 5 cm³ H₂SO₄ o stężeniu 1mol/dm³ (po bagietce) aż do całkowitego strącenia białego, drobnokrystalicznego osadu BaSO₄. Zlewkę pozostawić do ostygnięcia, a następnie przesączyć przez sączek. Uzyskany osad przemyć dwukrotnie wodą destylowaną.

D). WYTRĄCANIE OSADU CHROMIANU(VI) OŁOWIU(II) ORAZ JODKU

OŁOWIU(II)

Do dwóch probówek dodać po 10 kropli roztworu Pb(NO₃)₂. Następnie do pierwszej dodawać kroplami roztwór K₂CrO₄, a do drugiej roztwór KI do całkowitego wytrącenia osadu. Probówkę pierwszą ogrzać ostrożnie w płomieniu palnika i pozostawić do ochłodzenia. Do probówki drugiej dodać 2 krople 1 M CH₃COOH i ostrożnie w płomieniu palnika aż do całkowitego rozpuszczenia, a następnie pozostawić do powolnego ochłodzenia.

ORACOWANIE WYNIKÓW

Wyniki opracować zgodnie ze wzorem sprawozdania i wytycznymi prowadzącego.

Literatura

1. J.A. Moore, D.L. Dalrymple, Ćwiczenia z chemii organicznej, PWN, Warszawa 1976.

2. B. Bochwic, Preparatyka organiczna, PWN, Warszawa 1975.

3. A.I. Vogel, Preparatyka organiczna, WNT, Warszawa 1984.

4. J. Minczewski, Z. Marczenko, Chemia analityczna, PWN, Warszawa 2004.

6

---