Χημικές αντιδράσεις και ποιοτική ανάλυση ιόντων.

Transcript

1 ΒΑΘΜΟΛΟΓΙΑ ΟΜΑΔΑΣ ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 3 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΧΗΜΕΙΑΣ Α ΛΥΚΕΙΟΥ Χημικές αντιδράσεις και ποιοτική ανάλυση ιόντων. ΣΧΟΛΕΙΟ 1 ο ΓΕΛ ΑΜΠΕΛΟΚΗΠΩΝ ΤΜΗΜΑ Α ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΟΜΑΔΑ ΜΑΘΗΤΩΝ Ορίστε συντονιστή ομάδας. Συνεργαστείτε σύγχρονα ή ασύγχρονα δια ζώσης ή εξ αποστάσεως και απαντήστε στις προκαταρκτικές ερωτήσεις. Ετοιμαστείτε για να δουλέψετε συνεργατικά στο εργαστήριο. Διαβάστε το στόχους και την εισαγωγή στο θέμα πριν να ξεκινήσετε το εργαστήριο, στο σπίτι. Στόχοι Στο τέλος του πειράματος αυτού θα πρέπει να μπορείς : 1. Να αναγνωρίζεις τις μεταθετικές χημικές αντιδράσεις ή αντιδράσεις διπλής αντικατάστασης. Ιδιαίτερα αυτές με συνένωση ιόντων προς δημιουργία ιζήματος. 2. Να αναγνωρίζεις ότι οι αντιδράσεις αυτές γίνονται μέσα σε υδατικά διαλύματα και κυρίως, ότι το ίζημα σε πολλές περιπτώσεις επιτρέπει την ταυτοποίηση ενός αντιδρώντος σώματος ή καλύτερα του ιόντος. 3. Να αναλύεις ποιοτικά ορισμένα ιόντα. Εισαγωγή στο θέμα Όπως είναι ήδη γνωστό, τα χημικά στοιχεία συνδυάζονται και σχηματίζουν τις χημικές ενώσεις. Για παράδειγμα συναντά κανείς το θείο ελεύθερο, σαν ένα κίτρινο στερεό, αλλά και σε ενώσεις του, όπως είναι το H 2 S, H 2 SO 4, CaSO 4, κ.λπ.. Σε κάθε μάλιστα ένωση εμφανίζει και άλλες ιδιότητες, διαφορετικές από εκείνες του ελεύθερου στοιχείου. Αυτό κάνει την αναζήτηση των στοιχείων από τα οποία αποτελείται μία ένωση (ποιοτική ανάλυση) όχι ιδιαίτερα εύκολη υπόθεση. Για τις ενώσεις εκείνες που διαλυόμενες στο νερό διίστανται σε ιόντα, δηλαδή τους ηλεκτρολύτες (οξέα, βάσεις και άλατα) ο «παραδοσιακός» τρόπος ταυτοποίησης των ιόντων είναι κυρίως οι μεταθετικές αντιδράσεις. Απ' αυτές, επιλέγουμε εκείνες που οδηγούν σε ιζήματα με χαρακτηριστικές ιδιότητες. Στις ιδιότητες αυτές περιλαμβάνονται το χρώμα του ιζήματος, η διαλυτότητά του (όχι βέβαια στο νερό, αλλά σε οξέα ή βάσεις ή άλλους διαλύτες) και σε δεύτερη μοίρα πιο εξειδικευμένες ιδιότητες. Τέλος, θα πρέπει να διευκρινίσουμε ότι οι αντιδράσεις αυτές είναι χαρακτηριστικές των ιόντων και όχι των ενώσεων που τα περιέχουν. H ένωση της οποίας το διάλυμα χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό ενός ιόντος ονομάζεται αντιδραστήριο. Αν για παράδειγμα σε τρία διαλύματα που περιέχουν αντίστοιχα NaCl, CaCl 2 και HCl προστεθούν σταγόνες από διάλυμα AgNO 3 (αντιδραστήριο των χλωροϊόντων), τότε η «καθαρή» αντίδραση που λαμβάνει χώρα είναι: Συντάκτης: Τζαμτζής Αθανάσιος Σελίδα 1

2 Cl - + Ag + > AgCI (ιοντική μορφή) και όχι η NaCl + AgNO 3 NaNO3 + AgCI (μοριακή μορφή) (για το πρώτο από τα διαλύματα) η οποία είναι κατάλληλη για στοιχειομετρικούς υπολογισμούς. O παραγόμενος χλωριούχος άργυρος είναι ένα λευκό ίζημα αδιάλυτο σε οξέα (π.χ. πηνο 3 ), αλλά διαλυτό σε αραιή NH 3. Επιπλέον, το ίζημα αυτό είναι φωτοπαθές και αν εκτεθεί σε ηλιακό φως μαυρίζει. Αν αναζητήσει κανείς άλλα χλωριούχα ιζήματα, θα βρει τα PbCl 2 και Hg 2 Cl 2 τα οποία όμως δεν διαλύονται στην NH 3 ούτε είναι φωτοπαθή. Γι' αυτό και διακρίνονται από το AgCl. Συνεπώς, η παραπάνω αντίδραση μπορεί να αποτελέσει τη βάση για την ταυτοποίηση των ιόντων Ag +. Με ανάλογο τρόπο, μπορούν να ανιχνευτούν και τα άλλα ιόντα των αλογόνων (Br - και Ι - με προσθήκη Ag +. O σχηματιζόμενος λευκός AgCl, θα πρέπει να διαφοροποιηθεί από τον λευκοκίτρινο και διαλυτό στην πυκνή NH 3, AgBr, καθώς και από τον κίτρινο και αδιάλυτο και στην πυκνή NH 3, AgI. H αναζήτηση τέτοιων αντιδράσεων και ιδιοτήτων οδήγησε τελικά σε ταξινόμηση των κατιόντων και των ανιόντων σε αναλυτικές ομάδες και σε μία πορεία ανάλυσης η οποία είναι η, υγροχημική, ποιοτική ανάλυση. H εξέλιξη έφερε την ενόργανη ποιοτική ανάλυση, όπου με τη βοήθεια οργάνων γίνεται ανάλυση πολύπλοκων δειγμάτων ταχύτατα, ακριβέστατα και αν χρειαστεί εξ αποστάσεως. Στα πειράματα που θα κάνετε θα ταυτοποιήσετε μερικά από τα συνήθη ιόντα, τα οποία συναντά κανείς συχνά, ακόμα και στις ετικέτες των εμφιαλωμένων νερών. Αυτά είναι τα Cl - και τα SO4-2 από τα ανιόντα και τα Al +3, και Fe +3 από τα κατιόντα. Προκαταρτικές ερωτήσεις (Μονάδες 5) 1. Ποια ιόντα θα δημιουργηθούν αν σε ποσότητα νερού διαλυθούν NaCl, K 2 CO 3, Al(NO 3 ) 3 ; NaCl Να + + Cl - K 2 CO 3 2K + + CO 3-2 Al(NO 3 ) 3 Al NO Το Γράψτε την ιοντική αντίδραση η οποία αντιπροσωπεύει την μοριακή μορφή: NaOH + HCl > NaCl + H 2 O H + + OH - H 2 O 3. Συμπληρώστε τις ιοντικές αντιδράσεις: Ag + + Br - AgBr Zn OH - Zn(OH) 2 Al(OH) 3 + 3H + Al H 2 O 4. Από ένα "πίνακα ιζημάτων" βρείτε ποια θειικά άλατα είναι ιζήματα.; BaSO 4, CaSO 4 και PbSO 4 5. Ένα "άγνωστο" στερεό είναι ή AgNO 3 ή Cu(NO 3 ) 2. Μπορείτε να προτείνετε μια απλή δοκιμασία για να το ταυτοποιήσετε; Προσθέτουμε λίγο από το στερεό σε διάλυμα NaCl. Αν σχηματιστεί ίζημα AgCl τότε το στερεό είναι AgNO 3, διαφορετικά αν το στερεό διαλυθεί αυτό είναι Cu(NO 3 ) 2. Συντάκτης: Τζαμτζής Αθανάσιος Σελίδα 2

3 Όργανα και χημικές ουσίες Για την εκτέλεση του πειράματος απαιτούνται: 1) 3 δοκιμαστικοί σωλήνες με το στήριγμά τους. 2) Ογκομετρικός κύλινδρος των 10 ml. 3) Απιοντισμένο νερό σε υδροβολέα. 4) Διαλύματα 100 ppm από: NaCl και AlCl 3. 5) Διαλύματα: AgNO 3 0,1M, Na 2 SO 4 2% w/v (0,15 Μ), Ba(NO 3 ) 2 0,01 Μ, AlCl 3 0,1 M και FeCl 3 0,1 M. 6) Διαλύματα οξέων: HCl 0,01 Μ, HCl 1M, πυκνό HNO 3 και H 2 SO 4 0,01 Μ. 7) Διαλύματα βάσεων: NH 3 1Μ και NaOH 1Μ. Πειραματική διαδικασία και παρατηρήσεις Πείραμα 1 ο Ανίχνευση ιόντων χλωρίου (Μονάδες 3) Σε τρεις δοκιμαστικούς σωλήνες εισάγονται από 5 ml των διαλυμάτων NaCl (100 ppm), AlCl 3 (100 ppm) και HCl 0,01M. Σε καθένα τώρα από τους τρεις δοκιμαστικούς σωλήνες, προστίθενται με το σταγονόμετρο δύο σταγόνες από το διάλυμα του AgNO 3 (0,1M). Στον πρώτο από τους δοκιμαστικούς σωλήνες, προστίθενται (από τον καθηγητή σας) σταγόνες από πυκνό HNO 3. Γράψτε τις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στο δοκιμαστικό σωλήνα και τις NaCl + AgNO 3 NaNO 3 + AgCl (Παρατηρώ λευκό θόλωμα) NaNO 3 + HNO 3 OXI Δεν παρατηρώ να διαλύεται το ίζημα του AgCl με το ΗNO 3. Άρα δεν γίνεται η αντίδραση. AgCl + ΗNO 3 AgNO 3 + HCl, γίνεται η αντίθετη αντίδραση AgCl + ΗNO 3 AgNO 3 + HCl Ο AgCl δεν διαλύεται σε π HNO 3 (Χατζηιωάννου σελ. 288 Χημική ισορροπία και ανόργανη ποιοτική ημιμικροανάλυση και Βασιλικιώτης σελ. 37) Στο δεύτερο προστίθεται 1mL από το διάλυμα NH 3 1M και αναταράσσεται ο σωλήνας. Γράψτε τις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στο δοκιμαστικό σωλήνα και τις AlCl 3 + 3AgNO 3 Al(NO 3 ) 3 + 3AgCl (1) (Παρατηρώ λευκό θόλωμα) Παρατηρώ ότι το ίζημα διαλύεται. Άρα ο AgCl διαλύεται στην NH 3. AgCl +2 NH 3 Ag(NH 3 ) 2 Cl (ευδιάλυτο) Θα περίμενα να δω ίζημα (θόλωμα) από την αντίδραση του Al(NO 3 ) 3 με την ΝΗ 3. Al(NO 3 ) 3 + 3ΝΗ 3 +3Η 2 Ο + 3NH 4 NO 3 (2) Το ίζημα δεν παρατηρείται γιατί Al(OH) 3 είναι σε πολύ μικρή συγκέντρωση. Διάλυμα 100 ppm AlCl 3 είναι περίπου 7,5*01-4 Μ. Τα 5 ml αυτού περιέχουν n=cv περίπου 4*10-6 mol. Αυτά θα δώσουν λόγω της (1) και (2) περίπου 4*10-6 mol Al(OH) 3. Προσθέτοντας και 1mL NH 3 1M η συγκέντρωση σε Al(OH) 3 γίνεται περίπου 5*10-5 Μ. Σύμφωνα με τον Βασιλικιώτη (σελ. 207) η διαλυτότητα του Al(OH) 3 σε διάλυμα ΝΗ 3 1 Μ είναι 4*10-2 Μ. Άρα σε αυτή τη συγκέντρωση στο διάλυμά δεν μπορεί να σχηματιστεί ίζημα. Στον τρίτο σωλήνα εκθέτουμε το διάλυμα στο άμεσο ηλιακό φως. Γράψτε τις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στο δοκιμαστικό σωλήνα και τις HCl + AgNO 3 HNO 3 + AgCl (Παρατηρώ λευκό θόλωμα) Παρατηρούμε ότι διάλυμα μαυρίζει διότι: Ag + +e Ag Συντάκτης: Τζαμτζής Αθανάσιος Σελίδα 3

4 Πείραμα 2 ο Ανίχνευση θειικών (Μονάδες 2) Σε δύο δοκιμαστικούς σωλήνες προστίθενται 10 ml διαλύματος Na 2 SO 4 2% w/v (0,15 Μ) και H 2 SO 4 0,01 M, αντίστοιχα. Στη συνέχεια προστίθενται σε κάθε σωλήνα από δύο σταγόνες διαλύματος Ba(NO 3 ) 2 0,01 M το οποίο είναι το αντιδραστήριο των SO 4-2. Στον πρώτο προστίθεται σταγόνες διαλύματος HCl 0,01 Μ. Γράψτε τις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στο δοκιμαστικό σωλήνα και τις Na 2 SO 4 + Ba(NO 3 ) 2 2NaNO 3 + BaSO 4 (Παρατηρώ λευκό θόλωμα) NaNO 3 + HCl OXI (κανένα ίζημα ή αέριο) BaSO 4 + HCl OXI (κανένα ίζημα ή αέριο) Δεν παρατηρώ μεταβολές το ίζημα παραμένει. Στο δεύτερο προστίθεται σταγόνες από το διάλυμα NH 3 1M και αναταράσσεται ο σωλήνας. Γράψτε τις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στο δοκιμαστικό σωλήνα και τις H 2 SO 4 + Ba(NO 3 ) 2 2HNO 3 + BaSO 4 (Παρατηρώ λευκό θόλωμα) HNO 3 + NH 3 + H 2 O NH 4 NO 3 (δεν παρατηρώ μεταβολή Το NH 4 NO 3 είναι ευδιάλυτο) BaSO 4 + NH 3 + H 2 O OXI (κανένα ίζημα ή αέριο) Δεν παρατηρώ μεταβολές το ίζημα παραμένει. Πείραμα 3 ο Ανίχνευση ιόντων αργιλίου, Al +3 (Μονάδες 3) Σε τρεις δοκιμαστικούς σωλήνες εισάγονται από 10 ml του διαλύματος του AlCl 3 0,1 M. Στη συνέχεια προστίθενται από δύο σταγόνες από το διάλυμα του NaOH 1 M. Στον πρώτο από τους δοκιμαστικούς σωλήνες, προστίθενται περίσσεια από το αντιδραστήριο του NaOH 1 Μ και το μείγμα αναταράσσεται. Γράψτε τις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στο δοκιμαστικό σωλήνα και τις AlCl 3 + 3NaOH 3NaCl + Al(OH) 3 (Παρατηρώ λευκό θόλωμα) NaCl + NaOH OXI H 3 AlO 3 + NaOH Na 3 AlO 3 + H 2 O (Το NaOH είναι ισχυρή βάση) Επαναδιαλύεται το ίζημα στο δοκιμαστικό σωλήνα. (Βασιλικιώτης σελ. 207) Στο δεύτερο προστίθεται σταγόνες από το διάλυμα HCl 1M και αναταράσσεται ο σωλήνας. Γράψτε τις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στο δοκιμαστικό σωλήνα και τις AlCl 3 + 3NaOH 3NaCl + Al(OH) 3 NaCl + HCl OXI Al(OH) 3 + 3HCl AlCl 3 + 3H 2 O (Το HCl είναι ισχυρό οξύ) Επαναδιαλύεται το ίζημα στο δοκιμαστικό σωλήνα. (Βασιλικιώτης σελ. 204) Στον τρίτο σωλήνα προστίθενται σταγόνες από το διάλυμα NH 3 1 M. Γράψτε τις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στο δοκιμαστικό σωλήνα και τις AlCl 3 + 3NaOH 3NaCl + Al(OH) 3 NaCl + NH 3 + H 2 O OXI (κανένα ίζημα ή αέριο) Δεν επαναδιαλύεται το ίζημα. (Βασιλικιώτης σελ. 205) Al(OH) 3 + NH 3 + H 2 O OXI (Λόγω της περίσσειας των ΟΗ - το ίζημα γίνεται περισσότερο) Η NH 3 είναι ασθενής βάση. Εντονότερη η εμφάνιση του ιζήματος στο δοκιμαστικό σωλήνα. Το Al(OH) 3 έχει επαμφοτερίζοντα χαρακτήρα. Αντιδρά ως βάση Al(OH) 3 όταν βρεθεί με ισχυρά οξέα (HCl) αλλά και οξύ H 3 AlO 3 όταν αντιδρά με ισχυρές βάσεις (ΝαΟΗ)). Συντάκτης: Τζαμτζής Αθανάσιος Σελίδα 4

5 Πείραμα 4 ο Ανίχνευση ιόντων Fe +3 (Μονάδες 2) Σε δύο δοκιμαστικούς σωλήνες εισάγονται από 10 ml του διαλύματος του FeCl 3 0,1 M. Στη συνέχεια προστίθενται από δύο σταγόνες από το διάλυμα του NaOH 1 M. Στον πρώτο από τους δοκιμαστικούς σωλήνες, προστίθενται περίσσεια από το αντιδραστήριο του NaOH 1 Μ και το μείγμα αναταράσσεται. Γράψτε τις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στο δοκιμαστικό σωλήνα και τις FeCl 3 + 3NaOH Fe(OH) 3 + 3NaCl (Παρατηρώ καφέ ίζημα) NaCl + NaOH OXI Με την προσθήκη της περίσσειας του NaOH tο ίζημα γίνεται περισσότερο. Στο δεύτερο προστίθεται περίσσεια από το διάλυμα HCl 0,01M και αναταράσσεται ο σωλήνας. Γράψτε τις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στο δοκιμαστικό σωλήνα και τις FeCl 3 + 3NaOH Fe(OH) 3 + 3NaCl (Παρατηρώ καφέ ίζημα) NaCl + HCl OXI Fe(OH) 3 + 3HCl FeCl 3 + 3H 2 O Επαναδιαλύεται το ίζημα στο δοκιμαστικό σωλήνα. Ερωτήσεις (Μονάδες 5) 1. Ποιο είναι το αντιδραστήριο για την ανίχνευση των Ag + ; Τα χλωριούχα ιόντα Cl -. Μπορεί να προέρχονται από NaCl ή AlCl 3 ή HCl κ.α.. 2. Όμοια ποιο είναι το αντιδραστήριο για τα ιόντα Ba +2 ; Τα θειικά ιόντα SO 4-2. Μπορεί να προέρχονται από Na 2 SO 4 ή H 2 SO 4 κ.α.. 3. Για την ποιοτική ανίχνευση όπως είδατε, εκτός από το χρώμα του ιζήματος εξετάζονται και άλλοι παράγοντες. Ποιοι είναι αυτοί; Η διαλυτότητά τους (όχι βέβαια στο νερό, αλλά σε οξέα ή βάσεις ή άλλους διαλύτες) και σε δεύτερη μοίρα πιο εξειδικευμένες ιδιότητες. 4. Συμπληρώστε τις αντιδράσεις: FeCl 3 + 3NaOH Fe(OH) 3 + 3NaCl Fe(OH) 3 + 3HCl FeCl 3 + 3H 2 O FeCl 2 + 2NaOH Fe(OH) 2 2NaCl AlCl 3 + 3NaOH 3NaCl + Al(OH) 3 Al(OH) 3 + HCl AlCl 3 + 3H 2 O 5. Με την λογική που είδατε της ποιοτικής ανάλυσης, ποια είναι τα αντιδραστήρια ανίχνευσης H + και OH - ; Δηλαδή ποιο αντιδραστήριο θα χρησιμοποιήσετε για να ανιχνεύσετε αν σε ένα διάλυμα έχετε H + ή OH - ; Για το ΟΗ - σκεφτόμαστε ότι θα πρέπει να σκεφτούμε μία ένωση του που να είναι ίζημα. Π.χ. ίζημα είναι το Al(OH) 3. Άρα θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε AlCl 3. Επομένως, αν θέλουμε να δούμε ποιοτικά αν σε ένα διάλυμα έχουμε ΟΗ - ή Η + μπορούμε να προσθέσουμε στο διάλυμα αυτό Συντάκτης: Τζαμτζής Αθανάσιος Σελίδα 5

6 διάλυμα AlCl 3. Αν σχηματιστεί λευκό ίζημα συμπεραίνουμε ότι υπάρχουν ΟΗ -, διαφορετικά θα υπάρχουν κατιόντα υδρογόνου. 6. Μην ξεχνάτε ότι σε ένα διάλυμα συνήθως συνυπάρχουν πολλά ιόντα, κατιόντα και ανιόντα. Τι θα καλούσατε εκλεκτικότητα ενός αντιδραστηρίου; Εκφράζει την έλλειψη παρεμπόδισης στον προσδιορισμό ενός κατιόντος σε ένα δείγμα, από τα άλλα κατιόντα του δείγματος. Μια μέθοδος είναι εκλεκτική όταν δίνει ορθά αναλυτικά αποτελέσματα για το κατιόν που ψάχνουμε, χωρίς να υπάρχει αλληλεπίδραση από τα άλλα. Σημείωση Οι επισημάνσεις του κειμένου με γκρι χρώμα που αναφέρονται σε συγγραφείς βιβλίων και οι παραπομπές δεν αφορούν τους μαθητές. Συντάκτης: Τζαμτζής Αθανάσιος Σελίδα 6