2 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΧΗΜΕΙΑΣ A ΛΥΚΕΙΟΥ "Πυροχημική ανίχνευση μεταλλοϊόντων" Απαιτούμενα Όργανα Ράβδος χρωμονικελίνης (ή μαγνησίας ή λευκοχρύσου) λύχνος Bunsen ύαλος ωρολογίου ποτήρι ζέσεως υδροβολέας Αντιδραστήρια Πυκνό διάλυμα HCl Διάλυμα NaCl Μία σειρά στερεών αλάτων: NaCl, Na 2 CO 3, CaCO 3, CaCl 2, BaCO 3, BaCl 2 2Η 2 Ο, CuSO 4 5H 2 O, CuCl 2 2H 2 O, Sr(NO 3 ) 2, KCl, Ομάδα μαθητών: 1. 2. 3. 4.
ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Κατά τη θέρμανση μιας ουσίας στη φλόγα του λύχνου προσφέρεται σ αυτήν ενέργεια, η οποία αυξάνεται αυξανομένης της θερμοκρασίας 1. Τα αποτελέσματα της θέρμανσης αυτής ποικίλλουν. Ένα από τα φαινόμενα που περιμένουμε είναι η διάσπαση της ουσίας στα στοιχεία που την αποτελούν και η απελευθέρωση τους σε μορφή ατόμων ή ιόντων. Πρώτα η ένωση θα περάσει τα στάδια της τήξης και της εξαέρωσης και εφόσον η πηγή ενέργειας είναι ικανή, γίνεται διέγερση ατόμων, η οποία εκδηλώνεται με άλματα ηλεκτρονίων σε στιβάδες μεγαλύτερης ενέργειας. Η διέγερση αυτή διαρκεί κλάσματα του δευτερολέπτου 2. Τα ηλεκτρόνια, καθώς επιστρέφουν στην αρχική τους ενεργειακή στάθμη, εκπέμπουν την επιπλέον ενέργεια με μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που χρωματίζει τη φλόγα του λύχνου. Για παράδειγμα, όταν μια ένωση του νατρίου πχ. το χλωριούχο νάτριο (NaCl), εξαερωθεί στη φλόγα της λύχνου, λόγω της προσφοράς ενέργειας, τα ζεύγη ιόντων μετατρέπονται σε άτομα στην αέρια κατάσταση. Τα άτομα νατρίου, Na (g), διεγείρονται σε ανώτερες ενεργειακές στάθμες και, καθώς τα διεγερμένα άτομα νατρίου (Na*) επιστρέφουν στην αρχική τους ενεργειακή κατάσταση, εκπέμπουν ακτινοβολία χαρακτηριστικού χρώματος. Na + Cl - (g) Na (g) + Cl (g) Na + Ενέργεια Na* Na* Na + ακτινοβολία (κίτρινο φως) Εκείνα τα στοιχεία τα οποία διεγείρονται ευκολότερα είναι τα μέταλλα και μάλιστα τα ελαφρά, όπως τα αλκάλια και οι αλκαλικές γαίες. Επειδή δε η ηλεκτρονιακή δομή καθενός από αυτά είναι μοναδική, αναμένεται και ο χρωματισμός της φλόγας να ταυτοποιεί το διεγειρόμενο στοιχείο. Η ιδιότητα αυτή των αλκαλιμετάλλων και των αλκαλικών γαιών χρησιμεύει στην ανίχνευση των στοιχείων αυτών από τις ενώσεις τους και αναφέρεται ως πυροχημική δοκιμή (ή ανίχνευση). Πρέπει να τονισθεί ότι το χρώμα της φλόγας οφείλεται αποκλειστικά στο μεταλλικό ιόν. Το ανιόν δηλαδή, με το οποίο είναι συνδεδεμένο το μεταλλικό ιόν στη στερεά κατάσταση, δεν επηρεάζει το χρώμα της φλόγας. 1 Με τη λύχνο είναι δυνατό να επιτευχθούν θερμοκρασίες που μπορεί να φθάσουν μέχρι τους 1600 o C. 2 Οι διεγέρσεις διαρκούν για χρονικά διαστήματα μερικών νανοδευτερολέπτων (1ns=10-9 s) Πατέρας Νίκος, Χημικός Σελίδα 2
Στον Πίνακα που ακολουθεί αναφέρονται ορισμένα χαρακτηριστικά μεταλλοϊόντα που μπορούν να ανιχνευθούν πυροχημικά. Ιόν Λίθιο, Li + Νάτριο, Na + Κάλιο, Κ + Ασβέστιο, Ca 2+ Βάριο, Ba 2+ Στρόντιο, Sr 2+ Χαλκός, Cu 2+ Χρώμα Φλόγας κόκκινο έντονο κίτρινο ιώδες κεραμιδί πρασινοκίτρινο βυσσινί γαλαζοπράσινο Πίνακας 1: Πυροχηµική ανίχνευση µεταλλοϊόντων. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 1. Αρχικά πρέπει να καθαριστεί η ράβδος της χρωμονικελίνης 1 (ή της μαγνησίας 2 ). 2. Εμβαπτίζετε τη ράβδο στο πυκνό υδροχλωρικό οξύ, HCl (aq), που έχει προστεθεί στην ύαλο ωρολογίου. Ξεπλένετε με τον υδροβολέα και ακολούθως σκουπίζετε με μαλακό χαρτί. 3. Η διαδικασία αυτή του καθαρισμού επαναλαμβάνεται μετά από κάθε δοκιμασία 4. Βυθίζετε την άκρη της εμβαπτισμένης ράβδου στο στερεό υπό εξέταση δείγμα και το φέρνετε στη φλόγα. 5. Παρατηρήστε το χρώμα της φλόγας και συμπληρώστε τον Πίνακα 2. 6. Συγκρίνετε το χρώμα συσχετίζοντας τη φύση κάθε ιόντος με το χρώμα της φλόγας, όπως προκύπτει από τον Πίνακα 1. 7. Επαναλάβετε η διαδικασία με όλα τα δείγματα και με το άγνωστο δείγμα, οπότε από το χρώμα της φλόγας γίνεται μία ποιοτική εκτίμηση της σύστασής του. 8. Επαναλάβατε τη δοκιμή και παρατηρήστε το χρώμα των ιόντων Βa 2+ χρησιμοποιώντας το μπλε φίλτρο. 1 Η χρωµινικελίνη είναι ένα κράµα Ni-Fe-Cr που αντέχει σε ψηλές θερµοκρασίες και δεν οξειδώνεται στο αέρα. 2 Η µαγνησία είναι οξείδιο του µαγνησίου (MgO). Πατέρας Νίκος, Χημικός Σελίδα 3
1 NaCl (s) 2 NaCl (aq) 3 CaCO 3(s) 4 CaCl 2(s) 5 BaCO 3(s) 6 BaCl 2 2Η 2 Ο (s) 7 KCl (s) 8 Sr(NO 3 ) 2(s) 9 CuCl 2 2H 2 O (s) 10 CuSO 4 5H 2 O (s) 11 Άγνωστο Δείγμα ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΥΡΟΧΗΜΙΚΗΣ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΠΙΝΑΚΑΣ 2 Δείγμα Είδος Μεταλλικού Ιόντος Χρώμα ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Το Άγνωστο Δείγμα χρωμάτισε τη φλόγα. Συνεπώς περιέχει ιόντα 2. Γιατί η ράβδος χρωμονικελίνης ή μαγνησίας μετά από κάθε μέτρηση εμβαπτίζεται σε διάλυμα HCl; 3. Το πέρασμα ενός ηλεκτρονίου από την στιβάδα Μ στην Ν είναι διέγερση ή αποδιέγερση; 4. Παίζει ρόλο στο χρώμα της φλόγας η φυσική κατάσταση του δείγματος που φέρνετε στη φλόγα; 5. Η ποσότητα του άλατος που πυρώνεται επηρεάζει το χρώμα της φλόγας, αν όχι, ποιον παράγοντα αυτής επηρεάζει; 6. Αν κατά την παρατήρηση της φλόγας φορούσατε μπλε γυαλιά (ή χρησιμοποιούσατε μπλε φίλτρο) τι διαφορές πιθανόν θα παρατηρούσατε στο χρώμα της φλόγας; Πατέρας Νίκος, Χημικός Σελίδα 4
7. Γιατί διαφορετικές χημικές ενώσεις προκαλούν διαφορετικό χρωματισμό της φλόγας; 8. Πως αυτή η διαφορετική συμπεριφορά των διαφόρων στοιχείων θα μπορούσε να αξιοποιηθεί στην Αστρονομία; 9. Όπως προαναφέρθηκε, καθώς ένα διεγερμένο άτομο επιστρέφει στην αρχική του ενεργειακή κατάσταση εκπέμπει ακτινοβολία χαρακτηριστικού χρώματος (δηλαδή, συγκεκριμένου μήκους κύματος λ), ή, ακτινοβολίες συγκεκριμένων μηκών κύματος. Το σύνολο όλων αυτών των απλών ακτινοβολιών αποτελεί το λεγόμενο φάσμα εκπομπής του συγκεκριμένου στοιχείου. Ανατρέξτε στο Διαδίκτυο και βρείτε εικόνες των φασμάτων εκπομπής των στοιχείων Na, Ne, Hg, Fe. Υπόδειξη: Αρκετά φάσματα μπορείτε να βρείτε στην en.wikipedia.org θέτοντας ως λήμματα τα: spectrum, emission spectrum, flame test κλπ. ή ακόμα στη διεύθυνση: http://astro.ustrasbg.fr/~koppen/discharge/index.html. Επίσης ένα καλό applet για την κατανόηση των φασμάτων βρίσκεται στη διεύθυνση: http://phys.educ.ksu.edu/vqm/html/emission.html E 2 E 1 =h Εικόνα 1: Κατά τη µετάπτωση από την ενεργειακή στάθµη 2 στην ενεργειακή στάθµη 1 εκπέµπεται ακτινοβολία µήκους κύµατος λ. ( h=σταθερά του Planck και c=ταχύτητα του φωτός) Πατέρας Νίκος, Χημικός Σελίδα 5
ΧΗΜΕΙΑ ΚΑΙ ΠΡΑΞΗ: ΠΥΡΟΤΕΧΝΗΜΑΤΑ Η τέχνη της ανάμειξης χημικών ουσιών προς δημιουργία εκρηκτικών μιγμάτων έχει τις ρίζες της στα αρχαία χρόνια. Για παράδειγμα, η μαύρη πυρίτιδα (μπαρούτι), ένα μίγμα νιτρικού καλίου (KNO 3 ), σκόνης άνθρακα και θείου, ήταν γνωστή στην Κίνα πριν από το 1000π.Χ., ενώ έχει χρησιμοποιηθεί σε πολέμους, σε λατομεία και σε πυροτεχνήματα. Με την ανάπτυξη της Χημείας, τα πυροτεχνήματα εμπλουτίσθηκαν με χημικές ενώσεις που πρόσθεσαν φανταχτερά χρώματα και εκτυφλωτικές λάμψεις. Για να προκύψει ένα έγχρωμο πυροτέχνημα προστίθεται Εικόνα 2: Πυροτεχνήµατα μια χημική ένωση η οποία παρέχει φάσμα εκπομπής στην ορατή περιοχή. Ενώ, η όλη διεργασία στηρίζεται σε μια πολύ εξώθερμη αντίδραση, όπου ένα οξειδωτικό σώμα, όπως το υπερχλωρικό κάλιο (KClO 4 ), οξειδώνει ένα καύσιμο, όπως τα μείγματα Al/S, Mg/S, Sb 2 S 3 ή οργανικές ενώσεις. Χημική ένωση Οπτικό αποτέλεσμα Sr(NO 3 ) 2, SrCO 3 Ερυθρή λάμψη Ba(NO 3 ) 2, Ba(ClO 3 ) 2 Πράσινη λάμψη CuCO 3, CuSO 4, CuO Κυανή λάμψη Na 2 C 2 O 4, Na 3 AlF 6 Κίτρινη λάμψη CsNO 3 Λουλακή (indigo) λάμψη KNO 3 Βιολετή λάμψη Mg, Al Λευκή λάμψη Al, Mg, κράμα Λευκές σπίθες Al/Mg, Ti, Fe, C Χρυσίζουσες σπίθες Εικόνα 3: Νιτρικό βάριο και πυροτεχνήµατα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ/ΠΗΓΕΣ 1. Στ. Λιοδάκης & Δ. Γάκης, Εργαστηριακός οδηγός Χημείας Α Λυκείου, ΟΕΔΒ, 2001. 2. «Πυροχημική ανίχνευση μεταλλικών ιόντων», Εργαστηριακή άσκηση για την Α Λυκείου, πρόταση της Σχολικής Συμβούλου Τ. Γεωργιάδου. 3. Θ. Χατζηϊωάννου, Εργαστηριακές ασκήσεις Ποσοτικής Αναλυτικής Χημείας, Αθήνα, 1980. 4. Ε. Μάνεση-Ζούπα, Τα Αντιπροσωπευτικά Στοιχεία και οι Ενώσεις τους, ΕΑΠ, Πάτρα, 2000 5. http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/teachers/lessons/xray_spectra/studentworksheet-flame.html. Πατέρας Νίκος, Χημικός Σελίδα 6