ostrĆwiczenie nr 2

dr Anna Bielenica

Analiza jakościowa związków nieorganicznych

Repetytorium

1. Sposoby wyrażania stężeń.

2. Wzajemne przeliczanie stężeń.

3. Dawki substancji, sposoby wyrażania i przeliczania.

4. Pierwiastki występujące w płynach ustrojowych.

5. Omówienie metod analizy jakościowej.

Część praktyczna

1. Analiza systematyczna I grupy kationów: Ag⁺, Pb²⁺.

2. Identyfikacja soli na podstawie wybranych reakcji charakterystycznych.

Repetytorium

1. Sposoby wyrażania stężeń

Roztwory są to układy jednofazowe (fizycznie jednorodne) dwu- lub wieloskładnikowe, których składniki nie reagują ze sobą. Umownie rozpuszczalnikiem nazywa się ten składnik roztworu, który w porównaniu
z pozostałymi jest w dużym nadmiarze.

Stężenie roztworu określa liczba jednostek wagowych substancji (mg, g, kg, mol) rozpuszczonej w jednostkowej masie lub objętości rozpuszczalnika lub roztworu. Istnieje wiele sposobów wyrażania stężenia roztworów. Różnią się one między sobą tylko jednostkami, w których podaje się ilości substancji rozpuszczonej, rozpuszczalnika lub roztworu.

Procent objętościowy Cv_i (% obj.) - wyraża liczbę części objętościowych substancji zawartej w 100 częściach objętościowych roztworu, odnosi się zatem tylko do roztworów ciekłych.

Procent wagowy Cp_i (% wag.) - wyraża liczbę gramów substancji zawartej w 100 jednostkach wagowych roztworu. Jest to więc stosunek masy m_i składnika do masy całego roztworu pomnożony przez 100.

∑ m_i - suma mas wszystkich składników roztworu.

Miligram procent (mg%) - oznacza liczbę mg substancji rozpuszczonej w 100g roztworu.

Mikrogram procent (µg %) - oznacza liczbę mikrogramów substancji rozpuszczonej w 100g roztworu.

Parts per milion (ppm) - to przyjęty na świecie sposób wyrażania stężenia bardzo rozcieńczonych roztworów związków chemicznych. Stężenie to jest pochodną ułamka molowego i określa ile cząsteczek związku chemicznego przypada na 1 milion cząsteczek roztworu.

1 ppm= 1/10⁶= 10^-4%

Jednostka ppm jest też czasem stosowana jako sposób wyrażenia ułamka wagowego -ppm (wagowo) i oznacza liczbę części wagowych substancji zawartej
w milionie części wagowych roztworu, tzn. 1 mg/kg = 1 μg/g = 10 ^-4% = 1 ppm.

Parts per bilion (ppb) - to przyjęty na świecie sposób wyrażania stężenia skrajnie rozcieńczonych roztworów związków chemicznych. Stężenie to jest pochodną ułamka molowego i określa ile cząsteczek związku chemicznego przypada na 1 miliard (ang. billion - 10⁹) cząsteczek roztworu.

Jednostka ppb jest też czasem stosowana jako sposób wyrażenia ułamka wagowego- ppb (wagowo) i oznacza liczbę części wagowych substancji zawartej
w miliardzie części wagowych roztworu, tzn. 1 µg/kg = 1 ng/g = 10 ^-7% = 1 ppb.

Stężenie molowe Cm (mol/dm³) - jest to liczba moli substancji rozpuszczona
w 1dm³ roztworu. Roztwór 1 molowy (1M) jest to jeden mol substancji rozpuszczony
w 1dm³ roztworu.

Stężenie molarne - molalność (mol/kg) - jest to liczba moli substancji rozpuszczona w 1kg rozpuszczalnika. Roztwór 1 molalny jest to 1 mol substancji rozpuszczony w 1kg rozpuszczalnika.

Ułamek molowy roztworu (N_i) - określa stosunek liczby moli danego składnika (n_i) roztworu do ogólnej liczby moli wszystkich składników tworzących roztwór (∑n_i). Na przykład ułamek molowy N_i = 0,2 oznacza, że składnik „i” stanowi dwie dziesiąte ogólnej liczby moli roztworu. Zależność między ułamkiem molowym składnika (N_i), liczbą moli tego składnika (n_i) oraz ogólną liczbą moli wszystkich składników roztworu (∑n_i) jest następująca:

Suma ułamków molowych wszystkich składników roztworu jest zawsze równa 1.

2. Wzajemne przeliczanie stężeń

W praktyce często zachodzi konieczność przeliczania stężenia roztworu
z jednych jednostek na inne, np. zamiana stężenia procentowego roztworu na stężenie molowe itp.

Związek między stężeniem molowym i procentowym roztworu można wyprowadzić w następujący sposób:

Cp % = (m_s/m_r) · 100%

Cp % = (n ·M/V ·1000d) · 100%

ponieważ Cm = n/V,

więc

Cm = 1000·d·Cp/100·M = 10·d·Cp/M

Gdzie Cm, d, Cp, M oznaczają odpowiednio stężenie molowe, gęstość (w g/cm₃), stężenie procentowe roztworu oraz masę molową substancji rozpuszczonej w roztworze.

Roztwory przygotowuje się często przez rozcieńczanie bardziej stężonych płynów lub mieszanie roztworów o różnych stężeniach. Duże udogodnienie
w obliczaniu stężenia powstałego ze zmieszania dwóch roztworów tej samej substancji, ale o różnych stężeniach, lub podczas rozcieńczania roztworu, daje schemat krzyżowy:

Po lewej stronie wpisuje się stężenia roztworów wyjściowych, w środku żądane stężenie roztworu, a po prawej stronie różnice stężeń, przy czym należy zawsze odejmować od większej wartości stężenia wartość mniejszą. Rozwinięcie schematu krzyżowego jest następujące: aby otrzymać roztwór o stężeniu C należy zmieszać (C-B) czyli a_A jednostek wagowych roztworu o stężeniu A
z (A-C) czyli b_B jednostek wagowych roztworu o stężeniu B.

3. Dawki substancji, sposoby wyrażania i przeliczania

Reakcje chemiczne przebiegają między atomami albo cząsteczkami, ale bada się je w skali makroskopowej, obejmującej olbrzymie liczby tych podstawowych składników materii.

Podstawowymi jednostkami ilości substancji są:

Masa atomowa A_x- jest masą atomu wyrażoną w jednostkach masy atomowej [u]

A_x = m_x/u, gdzie u = 1.66* 10 ^-27 kg („u” odpowiada 1/12 masy atomu węgla izotopu ¹²C).

Masa cząsteczkowa M_z - jest masą cząsteczki wyrażoną w jednostkach masy atomowej. Jest ona sumą mas atomowych atomów wchodzących w skład cząsteczki.

M_z = m_z/u

Mol - określa liczbę atomów, cząsteczek, jonów, wolnych rodników, cząstek elementarnych (np. elektronów) lub grup atomów (wchodzących w skład związku chemicznego) równą liczbie atomów zawartych w dokładnie 0,012 kg czystego izotopu ¹²C. Liczbę atomów znajdujących w 0,012 kg węgla, a tym samym liczbę cząstek w molu materii określa liczba Avogadro: N_A = 6,02 * 10²³ mol^-1.

4. Pierwiastki występujące w płynach ustrojowych

Żywe organizmy są zbudowane z wody, związków organicznych oraz nieorganicznych. Do głównych jonów nieorganicznych budujących organizm człowieka zaliczamy: Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Cl^-, HCO₃^-, HPO₄^2-, SO₄^2-. Wykrywanie tych jonów polega na wytrącaniu ich w postaci związków trudno rozpuszczalnych, tworzeniu barwnych roztworów lub wydzielaniu się gazów.

Pierwiastki niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania organizmu to:

Sód

Stężenie sodu w płynie wewnątrzkomórkowym wynosi ok. 35 mmol/dm³, zaś w płynie pozakomórkowym ok. 140 mmol/dm³. Różnica stężeń powstaje na skutek aktywnego transportu (pompa sodowo-potasowa). U osobnika wagi 70 kg całkowita ilość sodu w organizmie wynosi około 90 g. Sód wydalany jest przez nerki; regulacja wydalania zależy od filtracji kłębkowej (I czynnik) i wpływu mineralo-kortykosterydów (II czynnik). Postuluje się jeszcze obecność III czynnika hipotetycznego, który miałby hamować resorpcję sodu i wody w cewkach nerkowych. Poziom sodu w organizmie zależny jest od gospodarki wodnej ustroju. Nadmiar sodu powoduje nadciśnienie tętnicze, niedomiar m.in. zaburzenia pracy nerek, zaburzenia neurologiczne, zaburzenia przewodnictwa nerwowo-mięśniowego, obrzęki.

Potas

Ogólna ilość potasu w organizmie wynosi ok. 140 g, z czego 98 % stanowi potas wewnątrzkomórkowy. Potas wydalany jest przez nerki, a regulacja poziomu tego pierwiastka w ustroju związana jest z funkcją dystalnych cewek nerkowych. Potas odgrywa rolę w skurczu mięśnia; zarówno jego nadmiar, jak i niedobór powoduje porażenie. Zapewnia również prawidłową czynność nerwową, a także elektroujemność środowiska wewnętrznego komórki, osmolarność i aktywność poszczególnych enzymów. Jego niedobór powoduje osłabienie oraz porażenie czynności mięśni, a także splątanie. Nadmiar - zatrzymanie czynności serca, co wykorzystywane jest w operacjach na otwartym sercu. Metabolizm potasu regulowany jest przez aldosteron.

Wapń

Zawartość wapnia w ustroju wynosi ok. 1 kg. Występuje w 99 % w kościach i zębach. Odgrywa duża rolę w prawidłowej czynności kości i mięśni. Gospodarka wapniowa podlega wpływom hormonalnym i witaminy D. Wapń odgrywa ważną rolę w aktywacji niektórych enzymów, zwłaszcza w procesie krzepnięcia krwi. Sam jest czynnikiem IV w kaskadzie krzepnięcia. Poziom wapnia w surowicy krwi wynosi około 10 mg %. Zaburzenia gospodarki wapniowej występują przeważnie na skutek niedoborów witaminy D lub jej pochodnych oraz na skutek omyłkowo usuniętych przytarczyc w czasie operacji wola tarczycy. Niedobór wapnia prowadzi do krzywicy u dzieci oraz tężyczki, nadmiar do kamicy nerkowej lub choroby Recklinghausena (nerwiako-włókniakowatość i zmiany w strukturze kości). Tylko wapń zjonizowany odgrywa rolę biologiczną w procesie krzepnięcia krwi, wpływa na przepuszczalność błon komórkowych, regulację pobudliwości układu nerwowego, jak również pobudliwość mięśni z mięśniem sercowym na czele. Stężenie jonów wapnia w przestrzeni pozakomórkowej jest ponad tysiąckrotnie większe niż wewnątrz komórki. Należy wspomnieć, że niedobory wapnia mogą być przyczyną osteoporozy.

Magnez

Zawartość magnezu w organizmie wynosi 0,1 - 0,4 % masy ciała. Jony magnezu są aktywatorami wielu enzymów, są niezbędne w procesie biosyntezy (łączą ze sobą cząsteczki różnych kwasów nukleinowych). W komórce jony magnezu tworzą kompleksy metalonukleotydowe:

Ponadto jony Mg²⁺ regulują procesy oksydoredukcyjne, mają wpływ na gospodarkę lipidową, na poziom amin katecholowych oraz na przepuszczalność błon komórkowych. Niedobór magnezu prowadzi do dysfunkcji metabolicznej głównie komórek mięśni gładkich i mięśnia sercowego oraz sprzyja rozwojowi miażdżycy. Spełnia istotną rolę w profilaktyce i terapii różnych chorób, w tym nadpobudliwości nerwowej i depresji. Magnez jest w pewnym sensie antagonistą wapnia. Wstrzykniecie dużych ilości wapnia prowadzi do niedoboru magnezu, a podanie dużych ilości magnezu do zwiększonego wydalania wapnia z moczem.

Żelazo

Żelazo występuje w organizmie w stosunkowo dużej ilości, od 3 do 5 g. Znaczna część (około 70%) całkowitej puli żelaza związana jest z hemoglobiną i mioglobiną. 0,1 % znajduje się w osoczu, gdzie żelazo transportowane jest przez białko surowicy krwi, transferrynę. 25 % żelaza jest zmagazynowane w komórkach jako ferrytyna (połączenie białka apoferrytyny z Fe(OH)₃) i w mniejszym stopniu jako hemosyderyna (połączenie białka z Fe₂(SO₄)₃). Ferrytyna jest rozpuszczalna w wodzie i łatwo może być zmobilizowana w wypadku braku żelaza w surowicy, hemosyderyna jest nierozpuszczalna i trudno ulega mobilizacji. Niedobory żelaza u ludzi są częste i na ogół wynikają z niskiej zawartości przyswajalnych form tego pierwiastka w pożywieniu. Drugą ważną przyczyną niedoboru żelaza są straty krwi, zwłaszcza przewlekłe krwawienia z przewodu pokarmowego. Klinicznie niedobór żelaza objawia się niedokrwistością, cienkimi kruchymi paznokciami (koichylonychia), pęknięciami skóry w kącikach ust oraz ograniczeniem wzrostu.

Cynk

Zawartość cynku w organizmie dorosłego człowieka wynosi około 2 g, z czego 80% przypada na mięśnie i kości. Jony cynku znajdują się w centrach aktywnych wielu enzymów. Cynk obecny jest także w wielu białkach wiążących kwasy nukleinowe i regulujących działanie genów. Cynk ulega magazynowaniu w tkance kostnej i włosach, z innych narządów jest szybko eliminowany. Niedobór cynku powoduje zahamowanie wzrostu, zaniki gonad oraz zapalenia skóry z nadmiernym rogowaceniem. W marskości wątroby, nowotworach i białaczce szpikowej poziom cynku jest obniżony, w niedokrwistości złośliwej podwyższony.

Miedź

Należy do typowych pierwiastków śladowych o dużym znaczeniu biologicznym. Po wchłonięciu z przewodu pokarmowego łączy się z αa₂ globuliną tworząc ceruloplazminę, w której cząsteczce znajduje się 8 atomów miedzi. Stężenie tego kompleksu wzrasta w chorobach zakaźnych, zawale serca, nadczynności tarczycy, marskości wątroby, niektórych nowotworach i ciąży. Obniżenie stężenia ceruloplazminy spotyka się u wcześniaków, w hypoproteinemiach, nerczycy, a przede wszystkim w chorobie Wilsona (zwyrodnienie soczewkowate wątroby). Przyczyna choroby Wilsona leży w genetycznie uwarunkowanym niedoborze syntezy ceruloplazminy. Miedź jest składnikiem wielu enzymów biorących udział w procesach oksydacyjno-redukcyjnych. Między miedzią a cynkiem występuje antagonizm, natomiast między miedzią a żelazem synergizm, co ma korzystny wpływ szczególnie przy syntezie hemoglobiny. Miedź jest niezbędna do prawidłowego metabolizmu tkanki łącznej i keratynizacji włosów. Pierwiastek ten wpływa także na metabolizm lipidów i cholesterolu oraz na właściwości osłonek mielinowych włókien nerwowych. Niedobór miedzi może objawiać się ograniczeniem wzrostu i płodności, zaburzeniami układu nerwowego oraz krwionośnego, anemią, a także wpływa na rozwój osteoporozy.

Mangan

Największa ilość manganu występuje w wątrobie i mięśniach. Mangan nie wiąże się na stałe z żadnym składnikiem ustrojowym. W doświadczeniach na zwierzętach niedobór manganu powoduje bezpłodność, zaburzenia wzrostu, niedokrwistość i wole. U ludzi niedobór manganu nie jest znany. Nadmiar manganu powoduje uszkodzenie pnia mózgu. Mangan należy do aktywatorów szeregu niezmiernie ważnych enzymów. Odgrywa tez rolę w syntezie lipidów.

Kobalt

Niedobór kobaltu w pożywieniu powoduje niedokrwistość, co stało się zrozumiałe po wykryciu witaminy B_12. Kobalt występuje także jako aktywator lub inhibitor enzymów.

Selen

W organizmie selen jest składnikiem enzymów oksydacyjno-redukcyjnych i cytochromów. Selen tworzy słabo rozpuszczalne selenki z metalami toksycznymi, takimi jak Cd, Pb, Hg, które mogą być odkładane w narządach miąższowych. Dzięki tworzeniu selenków metale toksyczne są eliminowane z obiegu, dlatego ich ostre toksyczne działanie może być ograniczone.

Peroksydaza glutationowa - enzym, którego integralnym składnikiem jest selen, stanowi ważną linię obrony organizmu przed nadtlenkami. Tak więc witamina E i selen uzupełniając się wzajemnie działają synergistycznie w reakcjach niszczących nadtlenki lipidów. Niedobór selenu powoduje uszkodzenie mięśnia sercowego, choroby układu kostnego, spadek odporności Zwiększa także ryzyko choroby nadciśnieniowej i nowotworowej. Nadmiar selenu jest toksyczny. Wywołuje zespół zwany ogólnie selenozą. Objawami są niedokrwistość, atrofia narządów miąższowych wewnętrznych, wypadanie włosów.

Chlor

Należy do najczęściej spotykanego anionu ustroju. U osobnika o ciężarze 70 kg ogólna ilość chloru wynosi 80 g. W płynie pozakomórkowym występuje około 88 % chlorków, a w płynie wewnątrzkomórkowym 12 %. Stężenie chlorków w surowicy krwi wynosi ok. 101 mmol/dm³, a w płynie pozakomórkowym ok. 114 mmol/dm³. Różnicę powoduje membranowa równowaga Donanna - im mniej płyn zawiera białka, tym więcej zawiera chlorków. Rola chlorków polega na utrzymaniu osmolarnej izotonii (wspólnie z sodem), a z drugiej strony na udziale w regulacji równowagi kwasowo-zasadowej.

Fosfor

Fosfor w postaci wolnej jest silnie trujący, natomiast fosforany (głównie ortofosforany) stanowią niezbędny składnik odżywczy. Niezwykle ważne zadanie spełnia fosfor jako składnik wysokoenergetycznych związków w ustroju. Poza tym do ważnych związków fosforowych należą nukleotydy - źródło informacji genetycznej oraz fosfolipidy - składnik błon komórkowych. Fosfor jest także składnikiem kości i zębów. Niedobory fosforu powodują u dzieci krzywicę, u dorosłych osteomalację (rozmiękanie kości). Nadmiar fosforu powoduje niski iloraz Ca/P, co jest przyczyną wtórnej nadczynności przytarczyc i może być przyczyną utraty masy kostnej.

Jod

Jest jednym z najlepiej poznanych oligoelementów. Jego ilość u dorosłego człowieka wynosi około 20 - 50 mg. 80 % jodu znajduje się w tarczycy, gdzie jest konieczny do biosyntezy hormonów tarczycy. Fizjologiczna rola jodu w organizmie wynika z funkcji hormonów tarczycowych. Jod nie podlega kumulacji w organizmie, dlatego należy dostarczać go w sposób ciągły. Dzienne zapotrzebowanie wynosi 150 μg. Niedobór jodu powoduje zaburzenia czynności tarczycy oraz powstanie wola tarczycy, osłabienie ogólnego metabolizmu, funkcji rozrodczych i umysłowych. Wole endemiczne spowodowane jest niedoborem jodu w pożywieniu. Występuje wśród ludności południowej części kraju - szczególnie rejonów górskich.

Fluor

W niskim stężeniu jest pierwiastkiem niezbędnym, natomiast w wyższym jest toksyczny dla ssaków. Fizjologiczna rola fluoru polega na jego uczestnictwie w procesach wiązania wapnia, magnezu i fosforu podczas mineralizacji tkanek kostnych. Fluor w hydroksyapatycie Ca(OH)₂ x 3Ca₃(PO₄)₂ łatwo podstawia grupę hydroksylową tworząc fluoroapatyt CaF₂ x 3Ca₃(PO₄)_2, który jest bardziej stabilny i odporny na działanie kwasów od hydroksyapatytu. Nadmiar fluoru powoduje u dzieci zaburzenia rozwojowe oraz wpływa niekorzystnie na pobieranie i metabolizm jodu. Brak fluoru zaburza wiązanie wapnia, magnezu i fosforu w tkankach kostnych, formowanie zębów i osłabia szkliwo zębów.

Na ogół wchłanianie składników mineralnych wymaga białek transportowych. Wchłanianie rzadko jest całkowite. Wpływ mają inne składniki pokarmowe. Transport i magazynowanie składników mineralnych także wymaga swoistych białek. Nadmiar pierwiastków nieorganicznych wydalany jest z kałem (nie wchłonięte składniki pokarmowe), moczem lub żółcią. Nadmierna podaż pierwiastków nieorganicznych wywołuje objawy toksyczne, charakteryzujące się nudnościami, biegunką, zaburzeniami osobowości. Zapotrzebowanie organizmu na składniki mineralne pokrywane jest przez spożywanie odpowiednich ilości produktów zbożowych (niepolerowane ziarna zbóż), warzyw strączkowych, zielonych i liściastych jarzyn, mięsa oraz produktów mlecznych.

Zestawienie zawartości kationów i anionów w cytoplazmie komórki i w płynie pozakomórkowym organizmu ludzkiego przedstawia Schemat 1.

Schemat 1. Zestawienie zawartości jonów w płynie komórkowym i poza-komórkowym organizmu ludzkiego.

5. Omówienie metod analizy jakościowej

W celu usprawnienia procesu analizy jakościowej wszystkie jony podzielono na grupy analityczne. Podstawą podziału kationów są reakcje strąceniowe
z odczynnikami grupowymi. Klasyczny podział kationów obejmuje pięć grup. Jako odczynniki grupowe stosuje się kolejno:

1. rozcieńczony HCl (2M)

2. H₂S w obecności rozcieńczonego HCl

3. (NH₄)₂S w obecności NH₃·H₂O i NH₄Cl

4. (NH₄)₂CO₃ w obecności NH₃·H₂O i NH₄Cl

Odczynniki te strącają z roztworu kationy należące odpowiednio do grupy: I, II, III, IV. W przesączu po oddzieleniu osadu grupy IV, pozostają metale grupy V, których nie strąca żaden z wymienionych odczynników grupowych.

I. grupę analityczną stanowią kationy: Ag⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺, które tworzą
w reakcji z rozcieńczonym kwasem solnym trudno rozpuszczalne chlorki.

II. grupę analityczną metali stanowią kationy: Hg²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Bi³⁺, Cd²⁺, As³⁺, Sb³⁺, Sn²⁺. Strącają się w postaci siarczków pod wpływem H₂S
w środowisku rozcieńczonego HCl.

III. grupę analityczną metali stanowią kationy: Zn²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, Cr³⁺, które tworzą z (NH₄)₂S w środowisku NH₃·H₂O i NH₄Cl trudno rozpuszczalne siarczki i wodorotlenki.

IV. grupę analityczną metali tworzą kationy: Ca²⁺, Ba²⁺, Sr²⁺, które tworzą
z (NH₄)₂CO₃ trudno rozpuszczalne węglany w środowisku obojętnym lub słabo alkalicznym.

V. grupę analityczną stanowią kationy metali: Mg²⁺, K⁺, Na⁺ oraz NH₄⁺, które pozostają w roztworze po kolejnym oddzieleniu odczynnikami grupowymi kationów metali I-IV grupy.

Rozdział kationów na grupy analityczne przedstawia Schemat 2.

Podział anionów na grupy oparty jest na różnicach w rozpuszczalności soli barowych i srebrowych odpowiednich kwasów. Nie jest on jednoznacznie ustalony, gdyż różni autorzy dzielą aniony na różną liczbę grup.

Jakościowej analizy pierwiastków można dokonać również metodą spektrograficzną.

Metoda spektrograficzna

W metodzie spektrograficznej (spektralnej analizie emisyjnej, AES) analizowane pierwiastki są wzbudzane w płomieniu palnika, łuku lub iskry elektrycznej. Umożliwia to dokonanie analizy wszystkich metali oraz wielu niemetali, m.in. Se, Te, Si, B, C, P i fluorowców. Analiza jakościowa opiera się na wykrywaniu obecności pierwiastków na podstawie długości fali linii emitowanych przez badaną próbkę. Metoda ta umożliwia jednoczesne wykrywanie kilku pierwiastków, bez potrzeby ich rozdzielania.

Najprostszym przykładem wykorzystania w analizie zdolności emitowania przez atomy pierwiastków charakterystycznego promieniowania jest barwienie płomienia palnika gazowego przez lotne związki niektórych metali. Drucik platynowy oczyszcza się przez kilkakrotne zanurzanie go w kwasie solnym i wyprażenie w nieświecącym płomieniu palnika. Następnie oczyszczonym drucikiem dotyka się sproszkowanej próbki i wprowadza drucik do płomienia, najpierw do części mniej gorącej, potem do najgorętszej (w pobliżu świecącego stożka). Z kolei drucik zanurza się w kwasie solnym, aby przeprowadzić trudno lotne związki znajdujące się w próbce w lotne chlorki, i znowu wprowadza się go do nieświecącego płomienia. Próbę wykonuje się kilkakrotnie, uważnie obserwując pojawiające się w płomieniu zabarwienia.

Intensywnie żółte, trwałe zabarwienie płomienia wskazuje na obecność sodu, zabarwienie fiołkowe - na obecność potasu, ceglastoczerwone - wapnia, karminowoczerwone - strontu, zielone - baru. Poza tym czerwone zabarwienie wskazuje na obecność litu, fioletoworóżowe - rubidu lub cezu, zielone - miedzi lub boru, a niebieskie - ołowiu, cyny, arsenu lub antymonu.

Część praktyczna

Wykonanie ćwiczenia obejmuje:

1. Przeprowadzenie analizy systematycznej I grupy kationów.

Do probówki pobrać pipetą 2cm³ mieszaniny kationów grupy I, po czym dodawać

kroplami 2M roztwór HCl aż do całkowitego strącenia. Następnie przeprowadzić

analizę jakościową wykonując reakcje opisane poniżej.

2. Identyfikację soli na podstawie wybranych reakcji charakterystycznych.

Wszystkie przeprowadzone reakcje należy zapisać w formie jonowej.

1. Rozdział kationów I grupy

Jony Ag⁺ i Pb²⁺

Kwas solny i inne rozpuszczalne chlorki strącają osad chlorków.

Ag⁺ + Cl^- → ↓AgCl (biały, serowaty, czerniejący na świetle osad)

Pb²⁺ + 2Cl^- → ↓PbCl₂ (biały, krystaliczny osad)

Wytrącony osad chlorków należy odsączyć na sączku z bibuły, następnie osad przemyć gorącą wodą, w której rozpuszcza się PbCl₂, przechodząc do przesączu. Przesącz dzielimy na dwie części. Do jednej dodajemy roztworu KI, wytrąca się żółty osad PbI₂.

Pb²⁺ + 2I^- → ↓PbI₂

Osad AgCl pozostały na sączku zalać roztworem wodnym NH₃. Chlorek srebra w tych warunkach ulega rozpuszczeniu tworząc chlorek diaminosrebra.

↓AgCl + 2 (NH₃·H₂O) → [Ag(NH₃)₂]⁺ + Cl^- + 2H₂O

Aby sprawdzić obecność w przesączu jonów Ag⁺, przesącz zakwaszamy HNO₃ - zachodzi ponowne wytrącenie osadu AgCl.

[Ag(NH₃)₂]⁺ + Cl^- + 2 H⁺ → ↓AgCl + 2 NH₄⁺

Osad AgCl pod wpływem światła ciemnieje, rozkładając się na wolne srebro
i chlor (reakcja fotochemiczna): hν

2 AgCl →2Ag + Cl₂

2a. Reakcje charakterystyczne wybranych kationów

Jony Ag⁺

1. Kwas solny i inne rozpuszczalne chlorki strącają osad chlorków.

Ag⁺ + Cl^- → ↓AgCl (biały, serowaty, czerniejący na świetle osad)

2. Jodek potasu strąca żółty osad AgI.

Ag⁺ + I^- → ↓AgI (żółty, zieleniejący na świetle osad)

Jony Pb²⁺

1. Kwas solny i inne rozpuszczalne chlorki strącają osad chlorków.

Pb²⁺ + 2Cl^- → ↓PbCl₂ (biały, krystaliczny osad)

2. Jodek potasu strąca żółty osad PbI₂.

Pb²⁺ + 2I^- → ↓PbI₂

Jony Ca²⁺

1. Stężony kwas siarkowy strąca biały osad siarczanu wapnia.

Ca²⁺ + SO₄^2- → ↓CaSO₄

2. Węglan amonu strąca biały osad węglanu wapnia rozpuszczalny w kwasach.

Ca²⁺ + CO₃^2- → ↓CaCO₃

Jony Ba²⁺

1. Węglan amonu strąca biały osad węglanu baru rozpuszczalny w kwasach.

Ba²⁺ + CO₃^2- → ↓BaCO₃

2. Rozcieńczony kwas siarkowy strąca biały osad siarczanu baru.

Ba²⁺ + SO₄^2- → ↓BaSO₄

Zawiesiny BaSO₄ używa się w diagnostyce rentgenowskiej przewodu pokarmowego. Pochłania on promienie rentgenowskie, jest praktycznie nierozpuszczalny
w kwasach i zasadach, dlatego jest nietoksyczny.

Jony Fe²⁺

1. Wodny roztwór amoniaku z obojętnych roztworów wytrąca zielonkawy osad wodorotlenku żelaza (II), który na powietrzu przechodzi w Fe(OH)_3.

Fe²⁺ + 2 NH₃ + 2 H₂O → ↓Fe(OH)₂ + 2 NH₄⁺

2. Heksacyjanożelazian (III) potasu) K₃[Fe(CN)₆] tworzy z jonami Fe²⁺ ciemnoniebieski osad heksacyjanożelazianu (III) żelaza (II), zwanego „błękitem Turnbulla”.

2 [Fe(CN)₆]^3- + 3 Fe²⁺ → ↓Fe₃[Fe(CN)₆]₂

Jony Fe³⁺

Związki żelaza (III) mają zabarwienie żółte lub czerwono-brunatne.

1. Mocne zasady NaOH, KOH a także NH₃ tworzą z jonami Fe³⁺ brunatno-czerwony osad wodorotlenku żelazowego.

Fe³⁺ + 3OH^- → ↓Fe(OH)₃

2. Heksacyjanożelazian (II) potasu K₄[Fe(CN)₆] tworzy z jonami Fe³⁺ ciemnoniebieski osad „błękitu pruskiego” - heksacyjanożelazian (II) żelaza (III).

3 [Fe(CN)₆]^4- + 4 Fe³⁺ → ↓ Fe₄[Fe(CN)₆]₃

Jony Mg²⁺

1. Wodorotlenki alkaliów oraz wapnia i baru strącają biały, bezpostaciowy osad wodorotlenku magnezu.

Mg²⁺ + 2OH^- → ↓Mg(OH)₂

Rozcieńczone roztwory węglanów alkaliów strącają podwójny osad wodorotlenku magnezu i węglanu magnezu:

2Mg²⁺ + 2CO₃^2- + H₂O → ↓Mg(OH)₂ + ↓MgCO₃ + CO₂↑

Węglan amonu nie wytrąca magnezu z rozcieńczonych roztworów jego soli. Tylko podczas długiego stania lub po ogrzewaniu obserwuje się wydzielenie osadu (lub zmętnienie). W wodnym roztworze (NH₄)₂CO₃ hydrolizuje w znacznym stopniu (74%) wg. schematu:

NH₄⁺ + CO₃^2- + H₂O ↔ NH₃·H₂O + HCO₃^-

W roztworze stężenie jonów CO₃^2- jest nieznaczne i niewystarczające dla całkowitego wydzielania się jonów Mg²⁺ w postaci osadu.

Jony NH₄⁺

Roztwory mocnych zasad z roztworów soli amonowych wypierają amoniak.

NH₄⁺ + OH^- → NH₃↑ + H₂O

Do badanej próbki dodać kilka kropli roztworu wodorotlenku sodu,
a następnie probówkę ostrożnie ogrzać. U wylotu probówki trzymać wilgotny papierek lakmusowy. Wydzielający się NH₃ o charakterystycznym zapachu powoduje zmianę zabarwienia papierka na kolor niebieski.

2b. Reakcje charakterystyczne wybranych anionów

Jony Cl^-

1. Azotan srebra wytrąca z roztworów chlorków biały osad chlorku srebra.

Ag⁺ + Cl^- → ↓AgCl

Jony CO₃^2-

Kwas węglowy jest słabym kwasem znanym tylko w rozcieńczonych roztworach wodnych.

1. Kwasy rozkładają węglany z wydzieleniem dwutlenku węgla (syczenie
i burzenie się roztworu).

CO₃^2- + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O

Wydzielanie dwutlenku węgla możemy stwierdzić za pomocą wody wapiennej Ca(OH)₂ lub barytowej Ba(OH)₂, które w obecności CO₂ mętnieją wskutek powstawania osadów węglanu wapnia lub węglanu baru.

2. Azotan srebra wytrąca biały osad węglanu srebra, rozpuszczalny
w kwasach (z wyjątkiem HCl), ciemniejący zwłaszcza po ogrzaniu.

CO₃^2- + 2 Ag⁺ → ↓ Ag₂CO₃

Jony HPO₄^2-

Kwas fosforowy jest kwasem średniej mocy, tworzy sole I, II i III-rzędowe. Rozpuszczalne są sole potasowe, sodowe, amonowe.

1. Azotan srebra wytrąca żółty osad fosforanu srebra rozpuszczalny w HNO₃ i wodnym roztworze NH₃.

2HPO₄^2- + 3 Ag⁺ → ↓ Ag₃PO₄ + H₂PO₄^-

Jony SO₄^2-

Kwas siarkowy jest mocnym kwasem.

1. Chlorek baru oraz azotan baru wytrącają z roztworów zawierających jony SO₄^2- biały osad siarczanu baru nierozpuszczalny w mocnych kwasach i zasadach.

SO₄^2- + Ba²⁺ → ↓ BaSO₄

2. Sole ołowiu (II) wytrącają biały osad siarczanu ołowiu (II) rozpuszczalny
w mocnych zasadach.

SO₄^2- + Pb²⁺ → ↓ PbSO₄

Jony NO₃^-

Kwas azotowy jest mocnym kwasem. Wszystkie jego sole są dobrze rozpuszczalne w wodzie.

Reakcja z siarczanem żelaza (II): do roztworu FeSO₄ dodajemy nieco roztworu badanego na zawartość azotanów i mieszamy. Następnie nachyliwszy probówkę wlewamy stężony H₂SO₄ ostrożnie po ściance, tak aby ciecze możliwie się nie mieszały. Na granicy zetknięcia warstw H₂SO₄ i FeSO₄ powstaje brunatna obrączka.

3Fe²⁺ + NO₃^- + 4H⁺ → 3Fe³⁺ + NO + 2H₂O

Nadmiar jonów Fe²⁺ reaguje z tlenkiem azotu NO tworząc jon kompleksowy [Fe(NO)]²⁺ o brunatnym zabarwieniu.

1

---