CHEMIA OGÓLNA I NIEORGANICZNA, BIOTECHNOLOGIA I ROK
ĆWICZENIE NR 6
ĆWICZENIE: Reakcje charakterystyczne wybranych kationów z III grupy analitycznej (Al3+, Zn2+, Mn2+, Fe3+, Fe2+, Co2+)
Do kationów III grupy analitycznej zaliczamy następujące jony: Al3+, Cr3+, Zn2+, Mn2+, Fe3+, Ni2+, Co2+. Odczynnikiem grupowym stosowanym do wykrywania kationów III grupy jest siarczek amonu - (NH4)2S w obecności roztworu wodnego amoniaku i chlorku amonu. Pod wpływem odczynnika grupowego z roztworu wodnego zawierającego kationy III grupy wytrącają się siarczki (lub wodorotlenki w przypadku Al3+ i Cr3+) nierozpuszczalne w wodzie, natomiast łatwo rozpuszczalne w rozcieńczonych roztworach kwasów.
Ponieważ wodne roztwory soli kationów III grupy wykazują odczyn słabo kwaśny (są to sole słabych zasad i mocnych kwasów), należy przed podziałaniem siarczkiem amonu dodać około l cm3 wodorotlenku amonu. Natomiast w celu uniknięcia wytrącania kationu magnezu (II), należącego do V grupy kationów, należy zastosować duży nadmiar (ok. 6 cm) roztworu chlorku amonu.
KATION GLINU (III) - A13+
Glin należy do rodziny borowców - grupy IIIA układu okresowego. Atomy glinu w reakcjach chemicznych oddają po 3 elektrony, utleniając się do kationów glinu (III) - A13+. Glin z wodą o temp. 373K reaguje z wydzieleniem wodoru:
2Al0 + 6H2O → 2↓Al(OH)3 + 3↑H2
Podobnie wydziela się wodór podczas reakcji glinu z kwasem solnym lub rozcieńczonym kwasem siarkowym:
2Al0 + 6H+ → 2Al3+ + 3↑H2
2Al0 + 6HCl → 2AlCl3 + 3↑H2
Kwasy utleniające, takie jak HNO3 lub stężony H2SO4, nie rozpuszczają glinu wskutek utworzenia się na powierzchni metalu warstewki tlenku, która chroni metal przed dalszym działaniem kwasu.
Glin wskutek własności amfoterycznych reaguje z mocnymi zasadami, tworząc hydroksogliniany oraz wolny wodór:
2Al0 + 2NaOH + 6H2O → 2NaAl(OH)4 + 3↑H2
1. Reakcja Al3+ z odczynnikiem grupowym.
Siarczek amonu - (NH4)2S w obecności chlorku amonu (NH4Cl) i wodnego roztworu amoniaku (NH3·H2O) wytrąca z roztworów zawierających kationy glinu nie siarczek, lecz wodorotlenek glinu w postaci bezbarwnego, galaretowatego osadu. Ponieważ rozpuszczalność wodootlenku glinu jest znacznie mniejsza niż siarczku glinu, kationy glinu (III) w obecności anionów siarczkowych (S2-) i jonów wodorotlenowych (OH-) wytrącają się w postaci Al(OH)3:
Al3+ + 3OH → ↓Al(OH)3
AlCl3 + 3(NH3·H2O) → ↓Al(OH)3 + 3NH4Cl
2. Reakcja z wodorotlenkiem sodu lub potasu.
Jony OH- wytrącają z roztworów zawierających kationy glinu galaretowaty, amfoteryczny wodorotlenek glinu - Al(OH)3:
Al3+ + 3OH → ↓Al(OH)3
AlCl3 + 3NaOH → ↓Al(OH)3 + 3NaCl
Wodorotlenek glinu rozpuszcza się w nadmiarze wodorotlenku sodu lub potasu z utworzeniem kompleksowego jonu czterohydroksoglinianu (III) o wzorze Al(OH)-4:
↓Al(OH)3 + OH- → [Al(OH)4]-
↓Al(OH)3 + NaOH -> Na[Al(OH)4]
3. Reakcja z wodnym roztworem amoniaku.
Uwodniony amoniak (NH3·H2O) wytrąca z roztworu zawierającego kationy glinu (III) galaretowaty osad wodorotlenku glinu - Al(OH)3:
Al3+ + NH3·H2O → ↓Al(OH)3 + 3NH4+
AlCl3 + 3(NH3·H2O) → ↓Al(OH)3 + 3NH4Cl
Osad Al(OH)3 praktycznie biorąc nie rozpuszcza się w nadmiarze wodnego roztworu amoniaku.
KATION CYNKU (II) - Zn2+
Cynk należy do rodziny cynkowców - podgrupy IIB układu okresowego. W połączeniu z tlenem oraz innymi pierwiastkami cynk wykazuje stopień utlenienia +2. Jest metalem amfoterycznym, łatwo reagującym zarówno z kwasami, jak i zasadami:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2Zn(OH)4 + H2
czterohydroksocynkan (II) sodu
1. Reakcja z odczynnikiem grupowym.
Siarczek amonu w obecności chlorku amonu i wodnego roztworu amoniaku wytrąca z roztworu, zawierającego kationy cynku (II), biały osad siarczku cynku (II):
Zn2+ + S2- → ↓ZnS
ZnCl2 + (NH4)2S → ↓ZnS + 2NH4Cl
2. Reakcja z wodorotlenkiem sodu lub potasu.
Jony OH- wytrącają z roztworu zawierającego kationy cynku (II) biały osad amfoterycznego wodorotlenku cynku (II):
Zn2+ + 2OH- → ↓Zn(OH)2
ZnCl2 + 2NaOH → ↓Zn(OH)2 + 2NaCl
Osad Zn(OH)2 rozpuszcza się w nadmiarze wodorotlenku sodu lub wodorotlenku potasu z utworzeniem kompleksowego anionu czterohydroksocynku (II):
↓Zn(OH)2 + 2OH- → [Zn(OH)4]2-
3. Reakcja z wodnym roztworem amoniaku.
Wodny roztwór amoniaku (NH3·H2O) wytrąca z roztworu zawierającego kationy cynku (II) biały osad wodorotlenku cynku (II):
Zn2+ + 2OH- → ↓Zn(OH)2
ZnCl2 + 2NH3·H2O → ↓Zn(OH)2 + 2NH4Cl
Obecność grup OH- w wodnym roztworze amoniaku jest wynikiem reakcji amoniaku z wodą:
NH3 + HOH = NH4+ + OH-
Osad Zn(OH)2 rozpuszcza się w dużym nadmiarze roztworu wodnego amoniaku z utworzeniem jonów kompleksowych: [Zn(NH3)4]2+, tj. kationu czteroaminocynku (II) lub [Zn(NH3)6]2+, tj. kationu sześcioaminocynku (II):
↓Zn(OH)2 + 6NH3·HOH → [Zn(NH3)4]2+ + 2OH- + 6H2O
4. Reakcja z sześciocyjanożelazianem (II) potasu - K4[Fe(CN)6].
Jony sześciocyjanożelazianu (II) - [Fe(CN)6]4- wytrącają z roztworu zawierającego kationy cynku (II) białokremowy osad sześciocyjanożelazianu (II) cynku:
2Zn2+ + [Fe(CN)6]4- = Zn2[Fe(CN)6]
2ZnCl2 + K4Fe(CN)6] = Zn2[Fe(CN)6] + 4KCl
Reakcja z sześciocyjanożelazianem (II) potasu umożliwia odróżnienie kationu cynku (II) od kationu glinu (III), gdy kation glinu (III) nie daje osadu z tym odczynnikiem.
KATION MANGANU (II) - Mn2+
Mangan należy do rodziny manganowców - grupy VIIB układu okresowego. Atomy manganu mają po siedem elektronów walencyjnych. Mangan w związkach wykazuje następujące stopnie utlenienia: Mn2+, Mn3+, Mn4+, Mn6+ i Mn7+. Znane są następujące tlenki manganu: MnO, Mn2O3, MnO2, MnO3 i Mn2O7.
Wraz ze wzrostem stopnia utlenienia manganu zmieniają się własności kwasowe jego tlenków, co obrazuj ą następujące dane:
MnO - jest bezwodnikiem zasady manganu (II) - Mn(OH)2,
Mn2O3 - jest tlenkiem o słabych własnościach zasadowych, odpowiednikiem tego tlenku jest wodorotlenek manganu (III) - Mn(OH)3,
MnO2 - ma własności amfoteryczne,
MnO3 - jest bezwodnikiem kwasu manganowego - H2MnO4,
Mn2O7 - jest bezwodnikiem mocnego kwasu nadmanganowego - HMnO4.
Do najtrwalszych połączeń manganu należą sole manganu (II), w których mangan występuje w postaci kationu Mn +, oraz nadmanganiany, czyli sole kwasu nadmanganowego (HMnO4).
1. Reakcje z odczynnikiem grupowym.
Siarczek amonu w obecności wodorotlenku amonu i chlorku amonu wytrąca z roztworu zawierającego kationy manganu (II) cielisty osad siarczku manganu (II):
Mn2+ + S2- → ↓MnS
MnCl2 + (NH4)2S → ↓MnS + 2NH4Cl
Pod wpływem tlenu atmosferycznego osad MnS w roztworze wodnym ulega utlenieniu do wodorotlenku manganu (III), zmieniając cieliste zabarwienie na brązowe:
4MnS + 3O2 + 6H2O → ↓4Mn(OH)3 + 4S0
2. Reakcja z wodorotlenkiem sodu i potasu.
Jony OH- wytrącają z roztworu zawierającego kationy manganu (II) cielisty osad wodorotlenku manganu (II):
Mn2+ + 2OH- → ↓Mn(OH)2
MnCl2 + 2NaOH- → ↓Mn(OH)2 + 2NaCl
Wodorotlenek manganu (II) w zetknięciu z tlenem atmosferycznym utlenia się do wodorotlenku manganu (III), wskutek czego ciemnieje:
2Mn(OH)2 + O2 + H2O → ↓Mn(OH)3
KATION ŻELAZA (III) - Fe3+ i ŻELAZA (II) - Fe2+
Żelazo znajduje się w podgrupie VIIIB układu okresowego. Elektrony walencyjne żelaza, tak jak i innych pierwiastków należących do bloku d, znajdują się w zewnętrznej i przedostatniej powłoce elektronowej. W najbardziej powszechnie spotykanych związkach żelazo jest dwu- i trójdodatnie. Tlenkowi żelaza (II) - FeO odpowiada wodorotlenek żelaza (II) - Fe(OH)2, zaś tlenkowi żelaza (III) - Fe2O3 - wodorotlenek żelaza (III) - Fe(OH)3. Wodorotlenki Fe(OH)2 i Fe(OH)3 nie są wodorotlenkami amfeterycznymi.
Wykrywanie kationu żelaza (III) - Fe3+
1. Reakcja z odczynnikiem grupowym.
Siarczek amonu w obecności roztworu wodnego amoniaku i chlorku amonu wytrąca z roztworu zawierającego kationy żelaza (III) czarny osad siarczku żelaza (III):
2Fe3+ + 3S2- → ↓Fe2S3
2FeCl3 + 3(NH4)2S → Fe2S3 + 6NH4Cl
Siarczek żelaza (III) łatwo rozpuszcza się w rozcieńczonych kwasach.
2. Reakcja z wodorotlenkiem sodu lub potasu.
Jony OH- wytrącają z roztworu, zawierającego kationy żelaza (III), czerwonobrunatny osad wodorotlenku żelaza (III):
Fe3+ + 3OH- → ↓Fe(OH)3
FeCl3 + 3NaOH → ↓Fe(OH)3 + 3NaCl
Wodorotlenek żelaza (III) nie rozpuszcza się w nadmiarze zasady sodowej lub potasowej, czyli nie ma własności amfeterycznych.
3. Reakcja z sześciocyjanożelazianem (II) potasu - K4[Fe(CN)6].
Jony sześciocyjanożelazianu (II) - [Fe^lSOg]4" wytrącają z roztworu, zawierającego kationy żelaza (III), ciemnoniebieski osad sześciocyjanożelazianu (II) żelaza (III), zwanego błękitem pruskim:
4Fe3+ + 3[Fe(CN)6]4- → ↓Fe4[Fe(CN)6]3
4FeCl3 + 3K4[Fe(CN)6] → ↓Fe4[Fe(CN)6]3 + 12KCl
4. Reakcja z sześciocyjanożelazianem (III) potasu - K3[Fe(CN)6].
Jony sześciocyjanożelazianu (III) nie wytrącają osadu z roztworu zawierającego kationy żelaza (III), w odróżnieniu od jonów żelaza (II). Sześciocyjanożelazian (III) potasu dodany do roztworu soli żelaza (III) tworzy rozpuszczalny w wodzie sześciocyjanożelazian (III) żelaza (III) - Fe[Fe(CN)6], barwy ciemnobrunatnej:
FeCl3 + K3[Fe(CN)6] → Fe[Fe(CN)6] + 3KCl
Wykrywanie kationu żelaza (II) - Fe2+
1.Reakcja z odczynnikiem grupowym.
Siarczek amonu w obecności roztworu wodnego amoniaku i chlorku amonu wytrąca z roztworu zawierającego kationy żelaza (II) czarny osad siarczku żelaza (II):
Fe2+ + S2- = ↓FeS
FeCl2 + (NH4)2S = ↓FeS + 2NH4Cl
Siarczek żelaza (II), tak jak siarczek żelaza (III), łatwo rozpuszcza się w rozcieńczonych roztworach kwasów:
↓FeS + 2HCl = FeCl2 + H2S
2. Reakcja z wodorotlenkiem sodu i potasu.
Jony OH- wytrącają z roztworu zawierającego kationy żelaza (II) brudnozielony osad wodorotlenku żelaza (II):
Fe2+ + 2OH- → ↓Fe(OH)2
FeCl2 + 2NaOH → ↓Fe(OH)2 + 2NaCl
Osad Fe(OH)2 w zetknięciu z tlenem atmosferycznym utlenia się do czer-wonobrunatnego wodorotlenku żelaza (III):
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4↓Fe(OH)3
3. Reakcja z sześciocyjanożelazianem (III) potasu.
Anion sześciocyjanożelazianu (III) - [Fe(CN)6]3- wytrąca z roztworu zawierającego kationy żelaza (II) ciemnobłękitny osad sześciocyjanożelazianu (III) żelaza (II), zwanego błękitem Turnbulla:
3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3- → ↓Fe3[Fe(CN)6]2
3FeCl2+ 2K3[Fe(CN)6] → ↓Fe3[Fe(CN)6]2 + KCl
KATION KOBALTU (II) - Co2+
Kobalt znajduje się w podgrupie VIIIB układu okresowego, tworząc razem z żelazem i niklem triadę żelazowców. Kobalt, podobnie jak żelazo, jest szarym, błyszczącym metalem, łatwo reagującym z rozcieńczonymi kwasami (HCl, H2SO4) z wydzieleniem wodoru. W najbardziej rozpowszechnionych połączeniach kobalt, podobnie jak żelazo, występuje na stopniu utlenienia +2 i +3. Roztwory wodne soli kobaltu (II) - Co + mają zabarwienie różowe. Wodorotlenki Co(OH)2 i Co(OH)3 nie wykazują własności amfoterycznych.
1. Reakcja z odczynnikiem grupowym.
Siarczek amonu w obecności roztworu wodnego amoniaku i chlorku amonu wytrąca z roztworu zawierającego kationy kobaltu (II) czarny osad siarczku kobaltu (II):
Co2+ + S2- → ↓CoS
CoCl2 + (NH4)2S → ↓CoS + 2NH4Cl
Osad CoS, w odróżnieniu od siarczków FeS i Fe2S3, nie rozpuszcza się w HCl o stężeniu 2 mol/dm3 oraz w kwasie octowym, natomiast rozpuszcza się w kwasie azotowym na gorąco:
3CoS + 8NO3- + 8H+ → ↓3S0 + 3Co2+ + 6NO3- + 2NO + 4H2O
2. Reakcja z wodorotlenkiem sodu lub potasu.
Jony OH- wytrącają z roz¬tworów zawierających kationy kobaltu (II) niebieski osad hydroksokobaltu (II):
Co2+ + OH- → ↓Co(OH)+
CoCl2 + NaOH → ↓Co(OH)Cl + NaCl
Chlorek hydroksokobaltu (II) po ogrzaniu przechodzi w różowy osad wodorotlenku kobaltu (II):
Co(OH)+ + OH- → ↓Co(OH)2
Co(OH)Cl + NaOH → ↓Co(OH)2 + NaCl
Na powietrzu wodorotlenek kobaltu (II) utlenia się do brunatnego wodorotlenku kobaltu (III):
4↓Co(OH)2 + 2H2O + O2 → ↓4Co(OH)3
Identyfikację kationów III grupy ułatwia podane w tabeli 2 zestawienie omówionych wyżej reakcji, wykorzystywanych do wykrywania tych jonów.
Tabela 2. Przegląd reakcji chemicznych do wykrywania kationów I grupy
Kationy |
Dodawany odczynnik |
||
|
(NH4)2S |
NaOH lub KOH |
K4[Fe(CN)6] |
Al3+ |
bezbarwny galaretowaty osad |
bezbarwny |
brak osadu |
Zn2+ |
biały osad |
bezbarwny galaretowaty osad |
białokremowy osad |
Mn2+ |
cielisty osad |
cielisty osad |
biały osad |
Fe3+ |
czarny osad rozpuszczalny w HCl |
czerwonobrunatny osad |
niebieski osad |
Fe2+ |
czarny osad rozpuszczalny w HCl |
brudnozielony osad |
brak osadu |
Co2+ |
czarny osad rozpuszczalny w HCl |
niebieski osad |
zielony osad |
Ćwiczenie 6: Analiza jakościowa kationów III grupy analitycznej
Celem ćwiczeń jest zapoznanie się z praktycznymi metodami wykrywania kationów (III grupa) w roztworach oraz wykształcenie nawyków pracy w laboratorium oraz wyciąganie wniosków z obserwacji.
Sprzęt:
statywy na probówki,
probówki,
pipety/zakraplacze,
rękawiczki gumowe
Odczynniki:
Badane jony w oznakowych probówkach,
roztwory NaOH, K4[Fe(CN)6], K3[Fe(CN)6], NH3·H2O
Wykonanie:
Do czystej probówki pobierz ok. 1 cm3 badanej próbki i wykonaj reakcje charakterystyczne. Zapisz obserwacje w tabeli. Na jej podstawie zidentyfikuj badane kationy, napisz zachodzące reakcje.
Nr probówki z badanym kationem |
Dodany odczynnik |
Obserwacja |
Barwa powstałego osadu lub roztworu |
Postać osadu |
Uwagi |
|
|
|
|
|
|
Wykryty kation to... za pomocą reakcji: ....
ZAGADNIENIA NA KOLOKWIUM NR 5: (ANALIZA JAKOŚCIOWA KATIONÓW I) - BIOTECHNOLOGIA I ROK
Cel analizy jakościowej
Zapisywanie reakcji chemiczniej
Grupy analityczne kationów
Reakcje z odczynnikiem grupowym, barwy i postać osadów/roztworów
Reakcje odróżniające od siebie kationy grupy III analitycznej; barwy i postać osadów/roztworów
Literatura:
Skrypt
Drapała T., Kozakiewicz A., Ćwiczenia z chemii ogólnej
Minczewski, Marczenko, Chemia analityczna, t.1
Szmal Z, Lipiec T, Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej.
9