Εισαγωγή Ποιοτική ανάλυση ιόντων 1 ο Πείραμα Η ρύπανση του υδροφόρου ορίζοντα και των εδαφών από βιομηχανικά απόβλητα είναι ένα από τα καίρια περιβαλλοντικά προβλήματα της εποχής μας. Ειδικά η απόρριψη μη επεξεργασμένων, πολλές φορές και τοξικών ή και επικίνδυνων ρύπων, υπό μορφή υγρών αποβλήτων ή και στερεών βιομηχανικών καταλοίπων, είναι μια επικίνδυνη για την υγεία και για τα οικοσυστήματα πρακτική στις βιομηχανικές ζώνες. Πολλές βιομηχανίες (απορρυπαντικών-καθαριστικών, τροφίμων, οικοδομικών υλικών) χρησιμοποιούν ισχυρά οξέα για επεξεργασία των προϊόντων τους. Άλλες βιομηχανίες (εντομοκτόνων-λιπασμάτων, κλωστουφαντουργικές, μεταλλουργικές, κατασκευής συσσωρευτών, χρωμάτων, κ.ά.) χρησιμοποιούν άλατα μετάλλων και άλατα βαρέων μετάλλων, συνήθως τοξικών και επικίνδυνων για την υγεία και τα οικοσυστήματα. Έχετε μπροστά σας 5 αραιά διαλύματα άγνωστων ουσιών (Α - Β - Γ - Δ - Ε), που συλλέχθηκαν από περιβαλλοντικούς επιθεωρητές, σε υγρή μορφή, γύρω από 5 βιομηχανικές μονάδες: Η πρώτη - Ι, βιομηχανία οικιακών καθαριστικών προκαλεί όξινη ρύπανση, λόγω αποβολής διαλύματος γνωστού ισχυρού οξέος. Η δεύτερη ΙΙ, βιομηχανία εντομοκτόνων, απορρίπτει απόβλητα διαλύματος άλατος Cu +2. Η τρίτη ΙΙΙ, κατασκευής μπαταριών μολύβδου, απορρίπτει απόβλητα διαλύματος άλατος Pb +2. Η τέταρτη IV, μεταλλουργία αλουμινίου, απορρίπτει απόβλητα διαλύματος με κατιόντα Al +3 και ανιόντα Cl -. Τέλος, η πέμπτη - V, υφαντουργία με βαφές υφασμάτων, απορρίπτει απόβλητα που περιέχουν κατιόντα Fe +2 ή Fe+3 και ανιόντα Cl - ή SO 4. Η ταυτοποίηση χημικών ενώσεων από τις διαφορές που εμφανίζουν μεταξύ τους σε χημικές ή φυσικές ιδιότητες αποτελεί ένα σημαντικό τομέα της αναλυτικής Χημείας. Έτσι, το διαφορετικό ph ή χρώμα ενός διαλύματος, η δημιουργία έγχρωμου ιζήματος ή η έκλυση αερίου, με τα κατάλληλα αντιδραστήρια, αποτελούν κριτήρια ταυτοποίησης ιόντων και ενώσεων (ποιοτική ανάλυση). Απαιτούμενα όργανα: 1. Στατώ δοκιμαστικών σωλήνων και 10 δοκιμαστικοί σωλήνες 2. Πεχαμετρικά χαρτιά Απαιτούμενα αντιδραστήρια: 1. Διάλυμα AgNO 3 0,1M - αντιδραστήριο ανίχνευσης Cl -, Διάλυμα BaCl 2 0,1Μ - αντιδραστήριο ανίχνευσης SO 4, Διάλυμα KI 0,1Μ - αντιδραστήριο ανίχνευσης Pb 2+, Διάλυμα NaOH 1M - αντιδραστήριο ανίχνευσης Cu 2+, Al 3+, Fe 2+, Fe 3+ 2. Άγνωστα διαλύματα Α, Β, Γ, Δ, Ε. 1
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Η αποστολή σας είναι να αντιστοιχήσετε σε ποια βιομηχανική μονάδα (Ι - ΙΙ - ΙΙΙ -IV - V) αντιστοιχούν τα διαλύματα Α - Β - Γ - Δ - E και να βρείτε τους χημικούς τύπους των αντιδραστηρίων που περιέχονται στα σταγονομετρικά φιαλίδια. Με πεχαμέτρηση μπορείτε να βρείτε το σταγονομετρικό φιαλίδιο που περιέχει το ισχυρό οξύ (ψάχνετε το αντιδραστήριο με το μικρότερο ph). Ακολούθως η ποιοτική ανάλυση, δηλαδή το χρώμα του διαλύματος ή/και η καταβύθιση έγχρωμων χαρακτηριστικών ιζημάτων, θα σας οδηγήσει στην ταυτοποίηση κατιόντων και ανιόντων, άρα και στον προσδιορισμό των χημικών τύπων των ενώσεων. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι: - Τα ανιόντα Χλωρίου (Cl - ) σχηματίζουν λευκό ίζημα με κατιόντα Αργύρου (Αg + ) - Τα Θειϊκά ιόντα (SO 4 ) σχηματίζουν λευκό ίζημα με τα κατιόντα Βαρίου (Ba 2+ ) - Τα κατιόντα Μολύβδου (Pb 2+ ) σχηματίζουν έντονο κίτρινο ίζημα με τα ιόντα Ιωδίου (Ι - ) - Τα κατιόντα Χαλκού (Cu 2+ ) είναι γαλάζια στα διαλύματά τους και σχηματίζουν γαλάζιο-μπλε κολλοειδές ίζημα με τα ιόντα Υδροξυλίου (ΟΗ - ) - Τα κατιόντα Αργιλίου (Al 3+ ) σχηματίζουν λευκό ίζημα με τα ιόντα Υδροξυλίου (ΟΗ - ), το οποίο επαναδιαλύεται όμως σε περίσσεια βάσης - Τα κατιόντα του Σιδήρου (Fe 2+ ) σχηματίζουν πράσινο κολλοειδές ίζημα με τα ιόντα Υδροξυλίου (ΟΗ - ), ενώ τα κατιόντα του Σιδήρου (Fe 3+ ) σχηματίζουν κεραμιδί κολλοειδές ίζημα με τα ιόντα Υδροξυλίου (ΟΗ - ) 2
Α. Χρησιμοποιήστε ετικέτες για τους δοκιμαστικούς σωλήνες και μην μπερδεύετε τα καπάκια των σταγονομετρικών φιαλιδίων. Β. Για κάθε ανίχνευση χρησιμοποιήστε 20 σταγόνες από το προς εξέταση διάλυμα και λίγες σταγόνες από το κατάλληλο αντιδραστήριο. Γ. Μην αγγίζετε με γυμνά χέρια τα διαλύματα στα σταγονομετρικά φιαλίδια. 1) Πρώτα μετρήστε το ph των διαλυμάτων σας, στάζοντας σταγόνες διαλυμάτων από τα σταγονομετρικά φιαλίδια απευθείας στα χαρτάκια. 2) Στο αντιδραστήριο με το χαμηλότερο ph ταυτοποιήστε την ύπαρξη HCl ή Η 2 SO 4 οξέος. 3) Ακολούθως, προσδιορίστε το φιαλίδιο που περιέχει τα κατιόντα Cu 2+ και επιβεβαιώστε την επιλογή με το κατάλληλο αντιδραστήριο ανίχνευσης. 4) Κατόπιν προσδιορίστε ποιο από τα εναπομείναντα τρία διαλύματά σας, περιέχει τα ιόντα Pb 2+. 5) Στα δύο εναπομείναντα δείγματα προσδιορίστε ποιο κατιόν περιέχεται σε αυτά, χρησιμοποιώντας το κατάλληλο αντιδραστήριο. 6) Τέλος, σε 2 δοκιμαστικούς σωλήνες, στο δείγμα που περιέχει τα ιόντα σιδήρου, προσδιορίστε και το κατιόν που περιέχεται σε αυτό. Επιλέξτε ποια σταγονομετρικά φιαλίδια (Α-Β-Γ-Δ-Ε) αντιστοιχούν στις 5 βιομηχανίες (Ι-ΙΙ-ΙΙΙ-ΙV-V). Τεκμηριώστε σύντομα βάσει των αποτελεσμάτων της ποιοτικής ανάλυσης (πχ. ph, χρώμα διαλύματος, χρώμα και τύπος ιζήματος). Τέλος, γράψτε τους χημικούς τύπους του οξέος και των αλάτων, αφού προσδιορίσατε και το ανιόν στο δείγμα που περιέχει σίδηρο (στα υπόλοιπα άλατα δίνονται τα ανιόντα) στον παρακάτω πίνακα: Βιομηχανία (ρύποι) Ι Οικιακών καθαριστικών Όξινη Ρύπανση ΙΙ - Εντομοκτόνων Ιόντα Cu 2+ και SO 4 ΙΙΙ - Μπαταριών Ιόντα Pb 2+ και CH 3 COO - Φιαλίδιο Τεκμηρίωση - Παρατηρήσεις Χημικοί τύποι ΙV - Μεταλλουργία Ιόντα Al 3+ και Cl - V - Υφαντουργία Άλας σιδήρου Πηγή: Πανελλαδικός διαγωνισμός EUSO 3
2 ο Πείραμα Η ποιοτική ανάλυση, δηλαδή η καταβύθιση έγχρωμων χαρακτηριστικών ιζημάτων, ή η απελευθέρωση κάποιου αέριου προϊόντος, θα σας οδηγήσει στην ανίχνευση/ ταυτοποίηση των υπαρχόντων ιόντων στο διάλυμα μιας χημικής ένωσης και τελικά στην ταυτοποίηση και στον προσδιορισμό των χημικών τύπων των αλάτων που περιέχονται σε καθένα από τα πέντε φιαλίδια. Απαιτούμενα όργανα/ αντιδραστήρια: 1. Δώδεκα δοκιμαστικοί σωλήνες και στατώ 2. Υδροβολέας 3. Άγνωστα διαλύματα Δ1, Δ2, Δ3, Δ4 και Δ5 4. Διάλυμα H 2 SO 4 2Μ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 1) Σας δίνονται πέντε αριθμημένα φιαλίδια (Δ1, Δ2, Δ3, Δ4 και Δ5). Σε κάθε φιαλίδιο περιέχεται ένα από τα ακόλουθα άλατα: BaCl 2, Na 2 CO 3, KI, Na 2 SO 4, Pb(NO 3 ) 2 2) Αφού σκεφτείτε την διαδικασία που θα ακολουθήσετε, πραγματοποιήστε πειράματα για να προσδιορίσετε το περιεχόμενο καθενός από τα αριθμημένα φιαλίδια. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μόνο αποσταγμένο νερό, το διάλυμα H 2 SO 4 και τα διαλύματα των άγνωστων αλάτων που θα βρείτε στη θέση εργασίας σας. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι: Τα ανθρακικά ιόντα (CO 3 ) απελευθερώνουν αέριο CO 2 με τα θειϊκά ιόντα (SO 4 ). Τα κατιόντα βαρίου (Ba 2+ ) και τα κατιόντα μολύβδου (Pb 2+ ) σχηματίζουν λευκό ίζημα με τα θειϊκά ιόντα (SO 4 ). Τα κατιόντα μολύβδου (Pb 2+ ) σχηματίζουν κίτρινο ίζημα με τα ιόντα ιωδίου (Ι - ). Σχεδιασμός πειραμάτων: 4
3) Γράψτε τους χημικούς τύπους των αλάτων, που περιέχονται στα αριθμημένα φιαλίδια (Δ1, Δ2, Δ3, Δ4 και Δ5), στον παρακάτω πίνακα: Φιαλίδιο Άλας που περιέχει Αιτιολόγηση Χημική αντίδραση Δ1 Δ2 Δ3 Δ4 Δ5 5
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Σχηματισμός ιζημάτων Ενώσεις Na +, K +, NH 4 + ΕΥΔΙΑΛΥΤΕΣ Οξικά (CH 3 COO - ) και νιτρικά (ΝΟ 3- ) άλατα Άλατα Cl -, Br -, I - Άλατα θειικά (SO 4 ) Ανθρακικά άλατα (CO 3 ) Φωσφορικά άλατα (PO 4-3 ) Θειούχα άλατα (S ) Υδροξείδια (ΟΗ - ) ΕΥΔΙΑΛΥΤΑ ΕΥΔΙΑΛΥΤΑ AgCl (λευκό), ΑgBr (υποκίτρινο), AgI (κίτρινο) PbCl 2, PbBr 2, PbI 2 (κίτρινο) ΕΥΔΙΑΛΥΤΑ CaSO 4 (λευκό), PbSO 4, BaSO 4 (λευκό), Ag 2 SO 4 Na +, K + +, NH 4 Na +, K + +, NH 4 Na +, K + +, NH 4 Na +, K +, Ca +2, Ba +2 Ανίχνευση ανιόντων στο διάλυμα Ανθρακικό (CO 3 ): με προσθήκη οξέος παρατηρείται αφρισμός (ελευθέρωση αερίου CO 2 ) Χλωριούχο (Cl - ), βρωμιούχο (Br - ), ιωδιούχο (I - ): με προσθήκη AgNO 3 σχηματίζεται ίζημα (AgCl λευκό, AgBr υποκίτρινο, AgI κίτρινο) Θειικό (SO 4 ): με προσθήκη BaCl 2 σχηματίζεται λευκό ίζημα (BaSO 4 ) Θειούχο (S ): με προσθήκη Pb(NO 3 ) 2 σχηματίζεται μαύρο ίζημα (PbS) 6
7