KVALI (2014-2015)
MINŐSÉGI KÉMIAI ANALÍZIS
A minőségi analízis célja és feladata ismeretlen anyagok ─ vegyületek, keverékek, ötvözetek, stb. ─ összetételének meghatározása, annak megállapítása, hogy a különféle anyagok milyen atomokból, atomcsoportokból, ionokból, molekulákból, egyszóval milyen alkatrészekből vannak felépítve. Némely esetben, különösen homogén anyagoknál, már a minta fizikai sajátságaiból (sűrűség, olvadáspont, forráspont, szín, szag) is következtethetünk annak összetételére. Megbízható következtetést az anyag minőségi összetételére azonban csak kémiai viselkedése alapján vonhatunk le. Ezért a vizsgálandó anyagokon tudatosan hozunk létre olyan kémiai változásokat, amelyek jól megfigyelhetők, és egyértelműen jellemzők az illető anyagra. Másszóval, a vizsgálandó anyagot ismert összetételű vegyületekkel ─ kémszerekkel, reagensekkel ─ hozzuk össze, és megfigyeljük az ezek hatására bekövetkező kémiai változásokat. A reakciókat javarészt vizes oldatokban végezzük, mert szilárd állapotban nehezen mennek végbe reakciók. A szervetlen vegyületek többsége elektrolit, tehát vizes oldatban többé-kevésbe disszociált állapotban vannak jelen. Ezért a szervetlen analízis célja a vizes oldatban lévő ionok kimutatása. Az oldatban történő reakcióval járó feltűnő kémiai változás leggyakrabban abból áll, hogy a vizsgált anyag egyik alkotórésze a reagens valamelyik alkotórészével oldhatatlan vegyületté alakul és mint csapadék kiválik. A csapadék színéből és más kémszerekkel szemben tanúsított viselkedéséből következtethetünk a keresett alkotórész minőségére. Más esetben a reakció gázfejlődéssel jár. Ilyenkor a gáz fizikai és kémiai tulajdonságait figyeljük meg. Néha a reagens színváltozást hoz létre az oldatban, ami bizonyos alkotórészek jelenlétére utalhat. A keresett alkotórész felkutatása akkor sikerül gyorsan és kellő biztonsággal, ha az alkalmazott reakció gyors, jellemző, és érzékeny. Jellemzőnek nevezzük a kémiai reakciót akkor, ha a megfigyelhető változást csak egy bizonyos alkotórész okozza. Érzékeny a reakció, ha a vizsgálandó anyag nagyon kis mennyiségének, vagy igen híg oldatának alkalmazásakor is jól megfigyelhető változás áll elő.
Csapadékképződés A csapadék (kémiai értelemben) vízben oldhatatlan (rossz oldékonyságú) szilárd halmazállapotú anyag, amely oldatokban lejátszódó kémiai reakció eredményeképpen jön létre. Annak megjóslásához, hogy két ionos vegyület oldatának összekeverésekor képződik-e csapadék, tudni kell, hogy a reakció bármely potenciális terméke oldódik-e vízben, vagy sem.
1
KVALI (2014-2015) Ezért a vegyületeknek egyik fontos fizikai jellemzője vízoldhatóságuk. Az alábbi vázlatos összeállítás ad tájékoztatást a különböző ion-kombinációk várható oldhatósági viszonyairól: Vízben oldódnak Anion NO -
Állítás
ClBr-
a legtöbb klorid oldható
AgCl, Hg2Cl2, PbCl2
a legtöbb bromid oldható
AgBr, Hg2Br2, HgBr2 és PbBr2
a legtöbb jodid oldható
AgI, Hg2I2, HgI2 és PbI2
a legtöbb szulfát oldható
CaSO4, SrSO4, BaSO4, PbSO4, Hg2SO4, Ag2SO4
3
ISO4
2-
Kivételek
minden nitrát oldható
ClO3-
minden klorát oldható
C2H3O2-
minden acetát oldható
Vízben nem oldódnak Anion
Állítás
Kivételek
S2-
a legtöbb szulfid oldhatatlan
alkáli-, alkáliföldfém- és ammónium-szulfidok
OH-
a legtöbb hidroxid oldhatatlan
alkáli-hidroxidok
CO32SO 2 -
a legtöbb karbonát oldhatatlan
alkálifém- és ammónium-karbonátok
a legtöbb szulfit oldhatatlan
alkálifém- és ammónium-szulfitok
a legtöbb foszfát oldhatatlan
alkálifém- és ammónium-foszfátok
3
PO4
3-
2
KVALI (2014-2015)
Kationok kimutatása A minőségi analízis során az ismeretlen anyagot előbb kationokra vizsgáljuk, mert ezek ismeretében egyes anionok jelenléte kizárható. Mivel a kationok száma igen nagy, csak szisztematikus vizsgálattal lehet őket azonosítani. Az ismeretlen anyagot először a kationok egész csoportjára jellemző kémszerrel, az ún. osztályreagenssel kell megvizsgálni. Az osztályreakciók segítségével megállapítható, hogy az illető kation melyik osztályba tartozik, ezáltal a vizsgálat köre kisebb számú kationra szűkíthető. Az egyes osztályokon belül a kationok egymás melletti felismerése vagy megkülönböztetése különleges reagensekkel történik. A leggyakrabban előforduló kationokat szulfidjaik és karbonátjaik eltérő oldhatósága alapján öt osztályba sorolják. Az osztályreagensek: sósav, kénhidrogén, ammónium-szulfid és ammónium-karbonát. A gyakrabban előforduló kationok analitikai osztályai I. osztály
II.osztály
H2S-csoport a. HCl-csoport
III. osztály
IV. osztály
(NH4)2S csoport
Alkáliföldfémek csoportja
V. osztály Mg és alkálifémek csoportja
As-csoport
+
As3+
Co2+
Ca2+
Mg2+
Pb2+
As5+
Ni2+
Sr2+
Na+
Hg22+
Sb3+
Fe2+
Ba2+
K+
b. Cu-csoport
Sb5+
Fe3+
NH4+
Hg2+
Sn2+
Cr3+
Li+
Cu2+
Sn4+
Al3+
H+
Bi2+
Zn2+
Cd2+
Mn2+
Ag
Az egyes csoportok, majd az egyes ionok rendszerezett vizsgálata két gyakorlat időtartama alatt nem valósítható meg, valamint a fenti vizsgálatokban használt reagensek (kénhidrogén, ammónium szulfid) kellemetlen szagúak. Ezért egyrészt csökkentettük a vizsgálandó kationok számát, másrészt a periódusos rendszerben elfoglalt helyük alapján csoportosítottuk őket, és egyszerűsítettük az ismeretlen kation meghatározásának menetét. A reakciókat kémcsőben, a vizsgálandó oldat 1-2 cm3-ével végezzük. A reagenst cseppenként, rázogatás, esetleg melegítés közben adjuk a vizsgálandó mintához. Figyeljük meg és írjuk le a végbemenő változásokat.
3
KVALI (2014-2015) 1. Alkáli fémek reakciói (s-mező) 1.1. Alkáli fémek lángfestésének tanulmányozása A lángfestéshez az alkálifémek kloridjainak (LiCl, NaCl, KCl) 1 M oldatát használjuk. Az oldatba előzetesen kiizzított fém spirált mártunk, majd a Bunsen égő lángjába tartjuk. Lángfestés:
Li+ Na+ K+
Az alkálifém-ionok a gyakorlaton használt reagensekkel nem reagálnak. 2. Alkáli földfémek reakciói (s-mező) 2.1. A Ca2+ ion reakciói 2.1.1. CaCl2 + H2SO4 = CaSO4 + 2 HCl 2.1.2. CaCl2 + 2 NaOH = Ca(OH)2 + 2 NaCl 2.1.3. Lángfestés
2.2. 2.2.1. 2.2.2. 2.2.3.
A Ba2+ ion reakciói BaCl2 + H2SO4 = BaSO4 + 2 HCl BaCl2 + 2 NaOH = Ba(OH)2+ 2 NaCl Lángfestés
2.3. A Sr2+ ion reakciói 2.3.1. SrCl2 + H2SO4 = SrSO4 + 2 HCl 2.3.2. SrCl2 + 2 NaOH = Sr(OH)2+ 2 NaCl 2.3.3. Lángfestés 3. Átmeneti fémek reakciói (d-mező) 3.1. A Hg22+ és Hg2+ ionok reakciói (mérgező!) 3.1.1. Hg2(NO3)2 + H2SO4 = Hg2SO4 + 2 HNO3 3.1.2. Hg2(NO3)2 + 2 NaOH = Hg + HgO + H2O + 2 NaNO3 3.1.3. Hg2(NO3)2 + 2 KI = Hg2I2 + 2 KNO3 (a reakció terméke a következő reakció kiindulási reagense) 3.1.4. Hg2I2 + 2 KI = Hg + K2[HgI4] 3.1.4. Hg2(NO3)2 + 2 HCl = Hg2Cl2 + 2 HNO3 3.1.5. HgCl2 + 2 NaOH = HgO + 2 NaCl + H2O 3.1.6. HgCl2 + 2 KI = HgI2 + 2 KCl (a reakció terméke a következő reakció kiindulási reagense) 3.1.7 HgI2 + 2 KI = K2[HgI4] 3.2. Az Ag+ ion reakciói
4
KVALI (2014-2015)
3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4. 3.2.5.
AgNO3 + KCl = AgCl + KNO3 AgNO3 + KBr = AgBr + KNO3 AgNO3 + KI = AgI + KNO3 2 AgNO3 + 2 NaOH = 2 NaNO3 + 2 AgOH Ag2O + H2O 2 AgNO3 + K2CrO4 = Ag2CrO4 + 2 KNO3
3.3. A Fe2+ és Fe3+ ionok reakciói 3.3.1. 3.3.2. 3.3.3. 3.3.4. 3.3.5. 3.3.6.
FeSO4 + 2 NaOH = Fe(OH)2 + Na2SO4 3 FeSO4 + 2 K3[Fe(CN)6] = Fe3[Fe(CN)6]2 + 3 K2SO4 10 FeSO4 + 2 KMnO4 + 8 H2SO4 = 5 Fe2(SO4)3 + 2 MnSO4 + K2SO4 + 8 H2O FeCl3 + 3 NaOH = Fe(OH)3 + 3 NaCl 4 FeCl3 + 3 K4[Fe(CN)6] = Fe4[Fe(CN)6]3 + 12 KCl FeCl3 + 3 KSCN = Fe(SCN)3 + 3 KCl
3.4.
A Cd2+ ion reakciói
3.4.1 3.4.2
CdSO4 + 2 NaOH = Cd(OH)2 + 2 NaCl CdSO4 + Na2S = CdS + Na2SO4
4. A p-mező néhány kationjának reakciói 4.1. Az Al3+ ion reakciói 4.1.1. AlCl3 + 3 NaOH = Al(OH)3 + 3 NaCl (a reakció termékét ossza két részre a következő két reakcióhoz) 4.1.2. Al(OH) 3 + NaOH = Na[Al(OH)4] 4.1.3. Al(OH) 3 + 3 HCl = AlCl3 + 3 H2O 4.2. A Pb2+ ion reakciói 4.2.1. Pb(NO3)2 + H2SO4 = PbSO4 + 2 HNO3 4.2.2. Pb(NO3)2 + 2 KI = PbI2 + 2 KNO3 4.2.3. Pb(NO3)2 + 2 NaOH = Pb(OH) 2 + 2 NaNO3 (a reakció termékét ossza két részre a következő két reakcióhoz) 4.2.4. Pb(OH) 2 + 2 HNO3 = Pb(NO3)2 + 2 H2O 4.2.5. Pb(OH)2 + 2 NaOH = Na2[Pb(OH)4] 4.2.6. Pb(NO3)2 + K2CrO4 = PbCrO4 + 2 KNO3 4.3. Az NH4+ (ammónium) ion reakciói 4.3.1. NH4Cl(sz) + NaOH = NaCl + NH3 + H2O (NH3-szag) NH2
4.3.2. NH4Cl + Nessler reagens = HgO Hg I
+ 7 KI + KCl + 3 H2O
(Nessler reagens: 2 K2[HgI4] + 4 KOH )
Anionok kimutatása 5
KVALI (2014-2015)
Az anionokat a kationokhoz hasonlóan, analitikai osztályokba sorolják. Az anionok egyes osztályainak jelzésére és egymástól való megkülönböztetésére osztályreagensül HCl-at, BaCl2-ot és AgNO3-ot használnak. Míg azonban a kationok egyes osztályait osztályreagensük segítségével egymástól elválaszthatók, addig az anionok elkülönítésére az osztálykémszerek nem alkalmasak. Az I. osztály anionjainak vizes oldatában erős savak gázfejlődést, vagy csapadékképződést okoznak. Ide tartoznak: CO32-, HCO3-, SO32-, S2O32-, S2-, SiO32-, ClO-. A II. osztály anionjai erős savaktól észrevehetően nem változnak. Semleges oldatukból BaCl2 vagy Ba(NO3)2 csapadékot választ le. Ide tartoznak: SO42-, PO43-, BO33-, F-, IO3-, BrO3-. A III. osztály anioinjai AgNO3-tal csapadékot adnak. Ide tartoznak: Cl-, I-, Br-, CN-, SCN-, [Fe(CN)6]4-, [Fe(CN)6]3-. A IV. osztály ionjait specifikus reakciókkal azonosítjuk. Ide tartoznak: NO3-, NO2-, ClO3-, OH-, CH3-COO-, (COO)2 2-. 5. Halogén csoport egyszerű és összetett ionjainak reakciói 5.1. A Cl ‾ (klorid) ion reakciói kémhatás: semleges 5.1.1. NaCl + AgNO3 = AgCl + NaNO3 5.1.2. Pb(NO3)2 + 2 NaCl = PbCl2 + 2 NaNO3 5.2. A Br ‾ (bromid) ion reakciói kémhatás: semleges 5.2.1. AgNO3 + KBr = AgBr + KNO3 5.2.2. 2 KBr + 2 csepp H2SO4 + kevés klóros víz = Br2 + 2 KCl (Kloroformmal rázzuk össze!) 5.3. A I ‾ (jodid) ion reakciói kémhatás: semleges 5.3.1. AgNO3 + KI = AgI + KNO3 5.3.2. 2 KI + 2 csepp H2SO4 + kevés klóros víz = I2 + 2 KCl (Kloroformmal rázzuk össze!) 5.3.3. Ismételjék meg az előző reakciót nagyobb mennyiségú klóros vízzel: I2 + 5 Cl2 + 6 H2O = 2 HIO3 + 10 HCl 6.
Az oxigén csoport egyszerű és összetett ionjainak reakciói
6
KVALI (2014-2015)
6.1. Az OH- (hidroxid) ion reakciói kémhatás: erősen lúgos 6.1.1. 2 AgNO3 + 2 NaOH = 2 NaNO3 + 2 AgOH Ag2O + H2O 6.2. Az O22- (peroxid) ion reakciói kémhatás: semleges 6.2.1. H2O2 + 2 KI + H2SO4 = 2 H2O + K2SO4 + I2 6.2.2. 5 H2O2 + 2 KMnO4 + 3 H2SO4 = 2 MnSO4 + K2SO4 + 8 H2O + 5 O2 6.3. Az SO42‾ (szulfát) ion reakciói kémhatás: semleges 6.3.1. BaCl2 + Na2SO4 = BaSO4 + 2 NaCl 7. A széncsoport egyszerű és összetett ionjainak reakciói 7.1. A CO32‾ (karbonát) ion reakciói kémhatás: erősen lúgos 7.1.1. Na2CO3 + 2 HCl = 2 NaCl + H2O + CO2 7.1.2. Na2CO3 + 2 AgNO3 = Ag2CO3 + 2 NaNO3
7.2
A SiO32‾ (szilikát) ion reakciói
kémhatás: erősen lúgos 7.2.1 Na2SiO3 + 2 HCl = 2 NaCl + H2SiO3 7.2.2 Na2SiO3 + 2 AgNO3 = Ag2SiO3 + 2 NaNO3
7
KVALI (2014-2015) Az elvégzett reakciók megfigyelései alapján töltsék ki az alábbi két táblázatot: Kation reakciói
H2SO4
KI
NaOH
Speciális reakció
Ca2+ Ba2+ Sr2+ Hg22+ Hg2+ Ag+ Fe2+ Fe3+ Cd2+ Al3+ Pb2+ NH4+
8
KVALI (2014-2015)
Anionok reakciói AgNO3
HCl
kémhatás
Speciális reakció
Cl‾ Br‾ I‾ OH‾
H2O2 SO42‾ CO32‾ SiO32‾
9
KVALI (2014-2015)
Egyszerű kation- és anionanalízis Minden hallgató két kémcsövet kap, egyikben az ismeretlen kation 0,1M oldata, a másikban az ismeretlen anion 0,1M oldata van.
Ismeretlen kation meghatározása Három kémcsőbe kb. 1-1-1 cm3 ismeretlen kationt tartalmazó oldatot öntünk. Az elsőhöz 1 cm3 30% kénsavat, a másodikhoz 1 cm3 KI-oldatot, a harmadikhoz 1 cm3 NaOH-oldatot adunk. A reagenst cseppenként, rázogatás, esetleg melegítés közben adjuk a vizsgálandó mintához és megfigyeljük a végbemenő változásokat. Miután a csapadékok színe alapján alapján megtaláltuk az ismeretlen iont, annak azonosságáról az speciális reakciója alapján is meg kell győződnünk! Az analízis menetéről készítsünk pontos jegyzőkönyvet!
Ismeretlen anion meghatározása Három kémcsőbe kb. 1-1-1 cm3 ismeretlen aniont tartalmazó oldatot öntünk. Az elsőhöz 1 cm3 ezüstnitrátot, a másodikhoz 1 cm3 sósavoldatot adunk, a harmadiknak ellenőrizzük a kémhatását. Miután a csapadékok színe alapján alapján megtaláltuk az ismeretlen iont, annak azonosságáról az speciális reakciója alapján is meg kell győződnünk! Az analízis menetéről készítsünk pontos jegyzőkönyvet!
10
KVALI (2014-2015)
Laboratóriumi jegyzőkönyv
Név: ......................................................... Csoport: .................................................. Dátum: ....................................................
Szervetlen ionok kvalitatív kémiai analízise 1. Ismeretlen kation meghatározása:
H2SO4
KI
NaOH
Speciális reakció
ismeretlen kation
………….. ………….. …………..
+ H2SO4 = + KI = + NaOH =
Speciális reakció: A fenti reakciók alapján az ismeretlen kation:
2. Ismeretlen anion meghatározása
kémhatás
AgNO3
HCl
Speciális reakció
ismeretlen anion
………….. + AgNO3 = ………….. + HCl = Kémhatás: Speciális reakció: A fenti reakciók alapján az ismeretlen anion:
11
