Chemia, 2 rok studiów		Kielce 01.12.2009
Nr. 39	Chemia fluorowców Wykorzystanie metody chromatograficznej i analitycznej do rozdzielenia anionów halogenkowych w roztworze wodnym. Badanie właściwości połączeń miedzyhalogenkowych. Otrzymywanie i termiczny rozkład chlorku jodu(III).	Ocena:

Wstęp teoretyczny:

Fluor, chlor, brom, jod oraz astat są to pierwiastki należące do grupy fluorowców. Ta grupa zwana jest również jako halogenki, a czasami chlorowce. Atomy owych pierwiastków w stanie podstawowym posiadają konfiguracje s²p⁵, więc posiadają 7 elektronów walencyjnych. Co oznacza, że brakuje im jednego elektronu do oktetu, który posiadają gazy szlachetne. Atomy pierwiastków należących do grupy fluorowców mają dużą tendencję do akceptacji elektronu i dzięki temu przechodzą w anion X^- .Jednak, gdy niewielka jest różnica elektroujemności fluorowca i pierwiastka, który wchodzi z nim w związek dochodzi wtedy do uwspólniania elektronów i powstania wiązania kowalencyjnego.

Fluorowce cechuje duża reaktywność. Są jednymi z najaktywniejszych pierwiastków pod względem chemicznym. Przez co ulegają gwałtownie, a często wybuchowo reagują z innymi pierwiastkami oraz w temperaturze pokojowej reagują z dużą ilością związków.

Kolejną, jakże ważną, cechą halogenków jest to, że posiadają silne właściwości utleniające. Najsilniejszym utleniaczem w owej grupie jest fluor. Ma on potencjał +2,866 V, przez co, jest on najsilniejszym utleniaczem wśród wszystkich pierwiastków.

Halogenki w przyrodzie nie występują w postaci wolnej, a jedynie w związkach. Chlor jest najbardziej rozpowszechniony spośród nich. Kolejne miejsce zajmuje fluor, następnie jod i brom. Astat jest otrzymywany wyłącznie sztucznie i nie występuje w przyrodzie.

Fluorowce między sobą tworzą kilkanaście połączeń, które możemy opisać wzorem AX_n, w którym n może mieć wartości 1,3,5,7. Otrzymuje się je podczas bezpośredniej reakcji łączenia się pierwiastków, jak i podczas działania odpowiedniego halogenku na związki fluorowca o większej liczbie atomowej. Otrzymany produkt zależy od warunków prowadzonej reakcji.

Znane są liczne chemiczne i fizykochemiczne metody rozdzielania jonów. Do fizykochemicznej zalicza się metoda chromatograficzna. Opara się ona na różnicy w prędkościach migracji składników, które rozdzielamy, względem dwóch faz. Pierwsza faza to nieruchoma warstwa substancji o rozwiniętej powierzchni. Drugą jest przepływający przez nią strumień gazu lub cieczy, tzw. faza ruchoma. Istnieje bardzo dużo rodzajów chromatografii.

Cel ćwiczenia:

Poznanie właściwości chemicznych jonów halogenkowych oraz ich możliwości rozdzielenia ich przy zastosowaniu metody chromatografii cienkowarstwowej.

Otrzymanie chlorku jodu (III) , oznaczenie ilościowe
oraz poznanie właściwości chlorku jodu (III).

Wykrywanie anionów halogenkowych metodami analitycznymi:

Równania reakcji, które mogą służyć do identyfikacji jonów:

Reakcje jonu Cl^-

1. Jony
:

Biały, serowaty osad, rozpuszczalny w stężonym amoniaku:

Ag⁺ +Cl^- AgCl_↓

AgCl+ 2 NH₃∙H₂O [Ag(NH₃)₂]⁺ + Cl^- + 2H₂O

Po dodaniu stężonego kwasu azotowego (V) wytraca się ponownie osad:

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

2. Roztwór manganianu(VII) potasu
:

W środowisku kwaśnym ulega redukcji do
, jony chlorkowe utleniają się do wolnego chlor:

Jon chlorkowe jako słaby reduktor odbarwiają
w środowisku kwaśnym na gorąco.

Reakcje jonu Br^-

1.Jony
:

Żółtawy osad rozpuszczalny w stężonym amoniaku:

Ag⁺ + Br^- AgBr_↓

2. Roztwór manganianu(VII) potasu
:

Jon bromkowy jest silniejszym reduktorem od jonu chlorkowego i wobec tego reakcja zachodzi na zimno.

2MnO₄^- + 10 Br^- + 16 H⁺ Br₂^↑ + 2 Mn²⁺ + H₂O

3. Woda chlorowa (chloramina T):

Roztwór zakwaszamy kwasem siarkowym (VI), wlewa się kilka kropki chloroformu a następnie ostrożnie po kropli roztworu chloraminy T. Probówkę wstrząsamy. Zabarwienie warstwy chloroformowej od żółtego do brunatno-czerwonego świadczy o obecności jonów bromkowych.

Reakcje jonu I^-

1.Jony
:

Żółty osad nierozpuszczalny w stężonym amoniaku i rozcieńczonym HNO₃:

Ag⁺ +I^- AgI_↓

2.Jony
:

Ceglastoczerwony osad:

Hg²⁺ + I^- HgI_2↓

Rozpuszczalny w nadmiarze KI z utworzeniem kompleksowego jonu tetrajodortęcianu (II):

3. Roztwór manganianu(VII) potasu
:

Jon jodkowy jest silniejszym reduktorem od jonu chlorkowego i bromkowego, reakcja zachodzi na zimno.

4. Woda chlorowa (chloramina T):

Roztwór zakwaszamy kwasem siarkowym (VI), wlewa się kilka kropki chloroformu a następnie ostrożnie po kropli roztworu chloraminy T. Probówkę wstrząsamy. Zabarwienie warstwy chloroformowej fioletowe świadczy o obecności jonów jodkowych.

Wykrywanie obok siebie jonów
:

Do badanego roztworu dodajemy kroplę kwasu siarkowego (VI), kilka kropli chloroformu i kilka kropel wody chlorowej. Obserwujemy tutaj zabarwienie warstwy chloroformowej. Przejście barwy fioletowej w żółtą dowodzi obecności jonów jodkowych i bromkowych. Woda chlorowa utlenia najpierw jodek do wolnego jodu - warstwa chloroformowa zabarwia się na fioletowo, następnie jod do bezbarwnego jodanu (V). W następnej fazie woda chlorowa utlenia bromek do wolnego bromu- warstwa chloroformowa zabarwia się na żółto lub brunatno zależnie od stężenia wydzielanego bromu.

Po wykonaniu ślepych prób, dostajemy probówki (1 i 2) z mieszaniną anionów.

W celu ustalenia składu mieszaniny wykonujemy następujące reakcje rozdzielenia składników roztworu otrzymanego do analizy:

Jony
:

Biały, serowaty osad, rozpuszczalny w stężonym amoniaku:

Ag⁺ +Cl^- AgCl_↓

Wykrywanie obok siebie jonów
:

Warstwa chloroformowa miała zabarwienie czerwono-brunatne (duża zawartość bromków)

Jony
:

Dla sprawdzenia czy występuje anion
reakcja nie zaszła.

W probówce 1 i 2 znajdowały się aniony
.

Rozdzielanie jonów halogenkowych przy zastosowaniu chromatografii cienkowarstwowej:

Sposób wykonania:

Na płytce chromatograficznej zaznaczamy linie startu w odległości od 1-1,5cm od dolnego brzegu płytki. Za pomocą kapilarek wzdłuż linii nanieść odpowiednią ilość kropli (średnica kropli nie może przekroczyć 2-3mm):

• 1M KCl - 6 kropli

• 1M KI - 3 krople

• 1M KBr - 4 krople

Za każdym razem naniesioną krople suszyć suszarką, po czym w to samo miejsce nanieść następna krople. Czynność powtarzać podaną wyżej krotność.

Płytkę z naniesionymi kroplami wstawiamy do komory chromatograficznej (płytka musi stać pionowo), w której znajduje się uprzednio nalany rozpuszczalnik. Komorę przykrywamy. Gdy rozpuszczalnik przesunie się na odległość 1cm od górnego brzegu płytki wyjmujemy płytkę z komory zaznaczamy czoło rozpuszczalnika i suszymy płytkę suszarka do wyschnięcia. W celu wywołania chromatografu płytkę spryskujemy
. Suszymy płytkę kwarcową. Mierzymy odległość przebytą przez każdy anion i odległość przebytą przez czoło rozpuszczalnika.

Wyniki pomiarów zestawiamy w tabeli 1.

Po wykonaniu prób dostajemy mieszaninę jonów halogenkowych o nieznanym składzie.

W celu ustalenia składu mieszaniny wykonujemy czynności jak wyżej. Po wykonaniu wszystkich etapów sposobów wykonywania wywnioskowaliśmy ze otrzymaliśmy aniony :
.

W tabeli 2 zestawiliśmy wartości R_F jonów halogenkowych otrzymanych przy rozdzielaniu i wykrywaniu mieszaniny o nieznanym składzie.

W tabeli 3 zestawiamy niektóre właściwości fizykochemiczne fluorowców.

Otrzymywanie chlorku jodu(III):

Sposób wykonania:

Chloran(V) potasu i krystaliczny jod utarty za pomocą moździerza, odważamy na wadze technicznej. Do zlewki o pojemności 50 cm³ przenosimy KClO₃ (2,5 g), a potem układamy na nim warstwę utartego jodu( 4,5g) i dodajemy 5 cm³ wody destylowanej. Następnie niewielkimi porcjami dodajemy 9 cm³, podczas tego intensywnie mieszamy. Zlewkę po całkowitym rozpuszczeniu substratów przenosimy do miseczki, w której znajduje się mieszanina wody z lodem na czas ok. 1h. Po tym czasu otrzymany chlorek jodu (III) mający postaci żółtych igiełkowatych kryształków, odsączamy na lejku Büchnera przez twardy sączek. Wysuszony w ten sposób związek ważymy i przenosimy w słoiczka z ciemnego szkła.

Termiczny rozkład chlorku jodu(III):

Sposób wykonania:

Niewielka ilości chlorku jodu (III) umieszczamy w ampułce szklanej zatapiamy ją w płomieniu palnika. Zatopiona ampułkę ogrzewamy nad płomieniem. Obserwujemy rozkład substancji na zielony gaz (chlor) oraz pozostającą na dnie ciemnopomarańczową substancję (jod). Po odstawieniu na chłodny blat gazy opadają i substancja wraca do stanu pierwotnego.

Wnioski:

Chlorek jodu (III) rozkłada się na jod i chlor, świadczy o tym pojawienie się w ampułce zielonego gazu-chlor i ciemnopomarańczową substancję-jod. Reakcja ta jest reakcją odwracalną, o czym świadczy po odstawieniu na blat ampułki powrót do pierwotnego stanu.

Opracowanie wyników:

1. Równanie reakcji zachodzącej podczas otrzymywania chlorku jodu:

KClO₃ + I₂ + 6 HCl → 2 ICl₃ + KCl + 3 H₂O

2. Dlaczego syntezę chlorku jodu(III) należy przeprowadzić w niewielkiej ilości wody?

Chlorek jodu(III) jest związkiem bardzo dobrze rozpuszczalnym w wodzie, dlatego też jego syntezę należy przeprowadzać w niewielkiej ilości wody. Można to zilustrować równaniem:

ICl₃ + 2H₂O → HIO + 3HClO

3. Jakie zmiany zachodzą podczas ogrzewania i chłodzenia chlorku jodu(III)?

Podczas ogrzewania ampułki nad płomieniem palnika w ampułce zachodzą następujące zmiany chlorek jodu (III) rozkłada się na jod i chlor, świadczy o tym pojawienie się w ampułce zielonego gazu-chlor i ciemnopomarańczową substancję-jod. Podczas chłodzenia ampułki następuje powrót do stanu poprzedniego, jest to reakcja odwracalna.

4. Opisać typ geometryczny dla chlorku jodu(III), oraz do jakiej grupy symetrii należy ta cząsteczka?

kształt cząsteczki: litera T

Geometria wolnych par elektronowych i par elektronowych wiązań wokół atomu centralnego odpowiada kształtowi bipiramidy trygonalnej (hybrydyzacja
) z niewiążącymi parami elektronowymi w podstawie piramidy, a kształt cząsteczki po pominięciu niewiążących par elektronowych przypomina literę T. Jeden atom orbitalu s, trzy orbitale p i jeden orbital d atomu centralnego tworzą hybrydyzację sp³d w przypadku, której wiązania wytworzone przez orbitale hybrydyzowane są skierowane ku narożom bipiramidy trygonalnej w kształcie litery T. Spośród 5 orbitali zhybrydyzowanych trzy nakładają się z orbitalami 2p_x trzech atomów jodu i wytwarzają 3 zlokalizowane orbitale cząsteczkowe σ₁ σ₂ σ₃ oraz 3 orbitale cząsteczkowe antywiążące σ₁^* σ₂^* σ₃^*.Pozostałe dwa orbitale hybrydyzowane t₁ i t₂ o osiach tworzących między sobą kąt 120 stopni nie zostaną wykorzystane do utworzenia wiązania.

5. Przykłady związków miedzyhalogenkowym oraz przewidywalną budowę i typ hybrydyzacji:

Stałe:

• ICl

L _{elektr. wal.}=14

L _{elekt. ligand.}=8

L _{wolnych par elektr.}=(14-8)/2=3

Lp=1+3=4

Hybrydyzacja: sp³

Kształt: liniowy

• IF₃

Hybrydyzacja: sp³d ,

Kształt: litera T

Ciekłe:

• BrF5

Hybrydyzacja: sp³d² ,

Kształt: bipiramida kwadratowa

• ICl₃

Hybrydyzacja: sp³d ,

Kształt: litera T

Gazowe:

• ClF₃

Hybrydyzacja: sp³d ,

Kształt: litera T

• IF5

Hybrydyzacja: sp3d2 ,

Kształt: bipiramida kwadratowa

6. Wartości liczbowe promieni kowalencyjnych kationów halogenkowych:

Promień kowalencyjny pierwiastka związanego wiązaniem pojedynczym, Tkow, określa udział tego pierwiastka w długości wiązania o dominującym charakterze kowalencyjnym. Promień kowalencyjny [Pm]

• Fluor- 70,9

• Chlor- 99

• Brom- 114,2

• Jod- 133,3

• Objętości atomowe fluorowców:

Objętości atomowe fluorowców, przedstawiają się następująco:

F: 17,1


Cl: 18,7


Br: 23,5

I: 25,7


Wraz ze wzrostem liczby atomowej objętość atomowa rośnie.

8. Równanie reakcji, dla której zmiana entalpi jest równa standardowej entalpi tworzenia chlorku jodu(III):

KClO₃ + I₂ + 6HCl → 2 ICl ₃+ KCl + 3 H₂O

1

ew- elektrony walencyjne

ep- ilość elektronów podstawników

wpe- ilość wolnych par elektronowych

LP- liczba przestrzenna

---