CHEMIA OGÓLNA I NIEORGANICZNA, BIOTECHNOLOGIA I ROK

ĆWICZENIE NR 8

ĆWICZENIE: Reakcje charakterystyczne wybranych kationów z V grupy analitycznej (Mg²⁺, NH₄⁺, K⁺, Na⁺)

Do grupy V kationów należą: kation magnezu (II) - Mg , amonu - NH₄⁺, potasu - K⁺ i sodu - Na⁺. Chlorki, siarczki i węglany tych kationów są rozpuszczalne w wodzie i dlatego nie wytrącają się w żadnej z poprzednich grup analitycznych. Grupa V kationów nie ma odczynnika grupowego. Do wykrywania kationów tej grupy przystępujemy po stwierdzeniu braku kationów z czterech poprzednich grup analitycznych. Badania mające na celu wykrywanie kationów V grupy rozpoczynamy od reakcji z wodorotlenkiem sodu lub potasu. Jeżeli w roztworze znajdują się kationy magnezu (II) - Mg²⁺, to jony wodorotlenkowe (OH^-) wytrącają bezbarwny, galaretowaty osad wodorotlenku magnezu (II). W przypadku braku osadu badany roztwór z dodanym wodorotlenkiem ogrzewamy w celu stwierdzenia, czy w roztworze znajdują się kationy amonu. Po stwierdzeniu braku tych dwóch kationów wykonujemy reakcje charakterystyczne na kationy K⁺ i Na⁺.

KATION MAGNEZU (II) - Mg²⁺

Magnez należy do rodziny berylowców - grupy IIA układu okresowego. Atomy magnezu w połączeniach z innymi pierwiastkami występują na stopniu utlenienia +2. Magnez z wodą w temperaturze pokojowej reaguje słabo, natomiast z parą wodną w temp. 373 K reaguje bardzo energicznie, zgodnie z równaniem:

Mg⁰ + 2H₂O → ↓Mg(OH)₂ + ↑H₂

Magnez, podobnie jak i pozostałe metale grupy IIA układu okresowego, przejawia silne własności redukujące. Redukuje on kationy wodorowe do wolnego wodoru, nawet z roztworu wodnego dwutlenku węgla:

Mg⁰ + 2CO₂ + 2H₂O → Mg(HCO₃)₂ + ↑H₂

Wodorotlenek magnezu jest słabą zasadą, nie wykazującą własności amfoterycznych.

1. Reakcja z wodorotlenkiem sodu lub potasu.

Jony OH^- wytrącają z roztworów zawierających kationy magnezu biały, galaretowaty osad wodorotlenku magnzu:

Mg²⁺ + 2OH^- → ↓Mg(OH)₂

MgCl₂ + 2NaOH → ↓Mg(OH)₂ + 2NaCl

Wodorotlenek magnezu jest nierozpuszczalny w nadmiarze wodorotlenku sodu, natomiast rozpuszcza się w rozcieńczonych kwasach i w roztworach soli amonu:

↓Mg(OH)₂ + 2NH₄^- → Mg²⁺ + 2NH₃·H₂O

↓Mg(OH)₂ + 2NH₄Cl → MgCl₂ + 2NH₃·H₂O

Wodorotlenek magnezu rozpuszcza się przy dużym stężeniu kationów amonu, gdyż one trwałej wiążą grupy wodorotlenowe od kationów magnezu.

2. Reakcja z dwuwodorofosforanem sodu - Na₂HPO₄.

Jony HPO₄^- wytrącają z roztworów zawierających kationy magnezu biały, kłaczkowaty osad drugorzędowego fosforanu magnezu:

Mg²⁺ + HPO₄^- → ↓MgHPO₄

MgCl₂ + Na₂HPO₄ → ↓MgHPO₄ + 2NaCl

Jeżeli reakcję powyższą przeprowadzimy w obecności amoniaku, to wówczas wytrąca się biały, krystaliczny osad fosforanu amonowo-magnezowego:

Mg²⁺ + NH₄⁺ + HPO₄^- → ↓MgNH₄PO₄ + H⁺

MgCl₂ + NH₄OH + Na₂HPO₄ → ↓MgNH₄PO₄ + 2NaCl + H₂O

3. Reakcja z węglanem sodu lub potasu.

Węglany metali I grupy A alkalicznych (Na₂CO₃, K₂CO₃) wytrącają z obojętnych roztworów zawierających kationy magnezu biały osad soli zasadowej o zmiennym składzie, np.:

5Mg²⁺ + 5CO₂^3- + H₂O → 4↓MgCO₃·Mg(OH)₂ + CO₂

5MgCl₂ + 5Na₂CO₃ + H₂O → 4↓MgCO₃·Mg(OH)₂ + CO₂

KATION AMONU - NH₄⁺

Kation amonu jest prostym kationem kompleksowym, powstającym podczas reakcji cząsteczek amoniaku (NH3) z kationami wodorowymi:

NH₃⁰ + H⁺ → NH₄⁺

1. Reakcja z wodorotlenkiem sodu lub potasu.

Kationy amonu reagują z mocnymi zasadami zgodnie z równaniem:

NH₄⁺ + OH^- NH₃ + H₂O

NH₄Cl + NaOH → NH₃ + NaCl + H₂O

Powstający w reakcji NH₃ można stwierdzić po zapachu lub zmianie zabarwienia zwilżonego różowego papierka lakmusowego, który w zetknięciu z NH₃ barwi się na niebiesko.

2. Reakcja z odczynnikiem Nesslera.

Głównym składnikiem tego odczynnika jest czterojodortęcian (II) potasu o wzorze K₂(HgI₄). Odczynnik Nesslera wytrąca z obojętnych lub zasadowych roztworów soli amonu czerwonobrunatny osad:

3. Reakcja z wodorowinianem sodu - NaHC₄H₄O₆.

Jony [HC₄H₄O₆]^- wytrącają kationy amonu w postaci białego osadu wodorowinianu amonu:

[HC₄H₄O₆]^- + NH₄⁺ → ↓NH₄HC₄H₄O₆

NaHC₄H₄O₆ + NH₄Cl → ↓NH₄HC₄H₄O₆ + NaCl

KATION POTASU - K⁺

Potas należy do rodziny litowców - grupy IA układu okresowego. Atomy potasu w reakcjach chemicznych utleniają się do kationów potasu (K⁺). Potas w zetknięciu z tlenem utlenia się do tlenku potasu (K₂O). Tlenek potasu po rozpuszczeniu w wodzie tworzy roztwór mocnego wodorotlenku potasu:

K₂O + H₂O → 2K⁺ + 2OH^-

Potas, jako aktywny metal, bardzo energicznie rozkłada wodę, zgodnie z równaniem:

2K⁰ + 2H₂O → 2K⁺ + 2OH^- + ↑H₂

Większość soli potasu dobrze rozpuszcza się w wodzie. Do tej grupy należą między innymi: chlorki, azotany, siarczany, węglany. Do soli trudno rozpuszczal¬nych w wodzie należą: wodorowinian potasu (KHC₄H₄O₆), sześcioazotynokobaltan (III) potasu - K₃[Co(NO₂)₆], nadchloran potasu - KClO₄.

1. Reakcja z kwasem winowym lub wodorowinianem sodu.

Kwas winowy jest dwuzasadowym kwasem organicznym, dysocjującym zgodnie z równaniem:

Przeprowadzając reakcję z kwasem winowym, należy dodać octanu sodu w celu obniżenia stężenia jonów wodorowych, które utrudniają wytrącenie osadu:

K⁺ + H₂C₄H₄O₆ → ↓KHC₄H₄0₆ + ↑H⁺

CH₃COO^- + H⁺ → CH₃COOH

Wytrącenie osadu KHC₄H₄O₆ można przyspieszyć przez wstrząsanie reagującej mieszaniny lub pocieranie wewnętrznej ścianki probówki bagietką szklaną.

2. Reakcja z sześcioazotynokobaltanem (III) sodu.

Sześcioazotynokobaltan (III) sodu - Na₃[Co(NO₂)₆] wytrąca z roztworów zawierających kationy potasu żółty osad sześcioazotynokobaltanu (III) potasu:

3K⁺ + [Co(NO₂)₆]^3- → ↓K₃[Co(NO₂)₆]

3KCl + Na₃Co(NO₂)₆ → ↓K₃[Co(NO₂)₆] + 3NaCl

3. Reakcja z kwasem nadchlorowym.

Kwas nadchlorowy (HClO₄) wytrąca z roztworu zawierającego kationy potasu biały krystaliczny osad nadchloranu potasu:

K⁺ + ClO₄^- → ↓KClO₄

KCl + HClO₄ → ↓KClO₄ + HCl

4. Zabarwienie płomienia.

Lotne sole potasu zabarwiają płomień na kolor fioletowy, dobrze widoczny przez szkło kobaltowe. Zabarwienie to można wyraźniej obserwować przez niebieskie szkło kobaltowe, które absorbuje żółtą barwę płomienia.

Identyfikację kationów V grupy ułatwia zestawienie wyżej omówionych reakcji.

Tabela 1. Przegląd reakcji chemicznych do wykrywania kationów V grupy

Dodawany odczynnik	Kationy
	Mg^2+	NH4^+	K^+
NaOH lub KOH	Mg(OH)2 biały bezpostaciowy osad	NH3 po podgrzaniu intensywnie ulatnia się NH3
NaHC4H4O6		NH4HC4H4O6 osad biały krystaliczny	KHC4H4O6 osad biały krystaliczny
Na3[Co(NO2)6]		(NH4)3Co(NO2)6 osad żółty krystaliczny	K3Co(NO2)6 osad żółty krystaliczny
Odczynnik Nesslera K2[Hgl4]	osad czerwonobrunatny
Na2HPO4 w obecności NH3·H2O i NH4C1	MgNH4PO4 osad biały krystaliczny
Zabarwienie płomienia			fioletowe

Ćwiczenie 7: Analiza jakościowa kationów V grupy analitycznej

Celem ćwiczeń jest zapoznanie się z praktycznymi metodami wykrywania kationów (V 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, NaHC₄H₄O_6, Na₃[Co(NO₂)₆], Na₂HPO₄, K₂(HgI₄)

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 7: (ANALIZA JAKOŚCIOWA KATIONÓW V) - BIOTECHNOLOGIA I ROK

1. Reakcje z odczynnikiem grupowym, barwy i postać osadów/roztworów

2. Reakcje odróżniające od siebie kationy grupy V analitycznej; barwy i postać osadów/roztworów

3. Barwienie płomienia

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.

6

---