Analiza jakościowa mieszanin

W zależności od tego czy macie w szkole warunki do nauki analizy, może to być albo Wasza bardzo mocna strona, albo wręcz przeciwnie. Niby to tylko 30 punktów za całą część, czyli trochę więcej niż jedno zadanie teoretyczne, ale potrafią te punkty dużo zmienić. Tak na dobrą sprawę z wynikiem rzędu 20 punktów, który jest zdecydowanie osiągalny, wystarczy około 60 punktów z teorii i już jest finał.

Mimo to etap laboratoryjny ma taką specyfikę, że czytanie książek do analizy nie za wiele daje. Liczy się rozpoznawanie osadów, logiczne myślenie, ale też metodyczność. Poza tym przydaje się doświadczenie, dzięki któremu wyrabia się intuicja do tego typu analiz.

Tematem tego postu będzie ogólnie rzecz biorąc analiza mieszanin. Załóżmy, że analizując mieszaninę nie wiemy o niej niczego. Widzimy tylko już gotowy roztwór. Co moglibyśmy po kolei zrobić, aby wykryć wszystkie jony?

• Po pierwsze, barwa roztworu.

Oczywiście jeśli roztwór jest bezbarwny, to logiczne jest, że nie ma tam jonów barwnych czyli jonów żelaza (III), chromu, miedzi, oraz dichromianów (chromianów) lub manganianów. Specjalnie nie wymieniłem jonów kobaltu i niklu, ponieważ jako ciekawostkę warto wspomnieć, że zmieszanie ze sobą zielonych jonów niklu i różowych jonów kobaltu  da nam bezbarwną mieszaninę. Jednak małe szanse, że na coś takiego traficie.

Jeśli roztwór ma barwę to niewiele nam to mówi, poza tym że jedna z substancji w mieszaninie jest barwna, mamy obecny barwny kompleks np. rodanków z żelazem (III) lub mamy mieszaninę barwnych substancji, jeśli kolor się nie pokrywa z żadnym kationem. Warto tu wspomnieć że wspomniana przed chwilą smocza krew ma bardzo podobny kolor do mieszaniny manganianów i chromianów, co zmyliło wielu olimpijczyków w  64 edycji.

• Po drugie, odczyn.

Odczyn kwaśny roztworu będzie wskazywał, że albo mamy roztwór kwasu Arrheniusa albo, że jest tam kation, który silnie hydrolizuje i jego roztwory są silnie zakwaszone, żeby ową hydrolizę cofnąć. Takie kationy to głównie: bizmutu, żelaza (III), żelaza (II), glinu, cynku, chromu, cyny i ogólnie większości kationów metali z bloku d. Ważnym wyjątkiem są sole srebra, których zazwyczaj się nie zakwasza.

\(Al(H_{2}O)_{6}^{3+} \rightleftharpoons Al(H_{2}O_{5}(OH)^{2+} + H^{+} \)

lub uproszczony zapis :

\(Al^{3+} + H_{2}O  \rightleftharpoons Al(OH)^{2+} + H^{+} \)

Zaś odczyn zasadowy wskazuje na roztwór wodorotlenku, lub analogicznie mamy tam silnie hydrolizujący anion. Są to aniony pochodzące od słabych kwasów: siarczanowy (IV) , azotanowy (III), octanowy, węglanowy itp.

Przykładowa reakcja, wskazująca na zasadowy charakter :

\(NO_{2}^{-} + H_{2}O \rightleftharpoons HNO_{2} + OH^{-} \)

• Po trzecie, reakcja roztworu na dodatek kwasu i zasady.

Kwasem wykryjemy niektóre z anionów takie jak : azotanowy (III), siarczanowy (IV) i octanowy, (charakterystyczny zapach/barwa), węglanowy (pęcherzyki gazu) i tiosiarczanowy (wytrącenie siarki po chwili). Obrazują to poniższe równania reakcji :

\(NO_{2}^{-} + H^{+} \rightarrow HNO_{2}\)

Kwas azotowy III ulega reakcji dysproporcjonacji, a powstający tlenek azotu (II) w połączeniu z tlenem daje brunatny tlenek azotu (IV) – i to  [teoretycznie]  jest nasza obserwacja po zakwaszeniu, ale tutaj również identyfikujemy na podstawie charakterystycznego zapachu.

• \(3HNO_{2} \rightarrow HNO_{3} + 2NO + H_{2}O \)
• \(2NO + O_{2} \rightarrow 2NO_{2} \)

\(CO_{3}^{2-} + 2H^{+} \rightleftharpoons [ \ H_{2}CO_{3} \ ] \rightarrow H_{2}O + CO_{2} \uparrow \)

W przypadku jonu siarczanowego (IV) wydziela się tlenek siarki (IV) o charakterystycznym zapachu :

\(SO_{3}^{2-} + 2H^{+} \rightarrow SO_{2} \uparrow + \  H_{2}O \)

W przypadku jonu octanowego po zakwaszeniu powstanie kwas octowy o charakterystycznym zapachu octu (uwaga, bo zapach jest krótkotrwały).

\(CH_{3}COO^{-} +  H^{+} \rightarrow CH_{3}COOH \)

Są to te same aniony, które mogliśmy podejrzewać po sprawdzeniu pH. Daje nam to sporo informacji.

Jeśli roztwór, w którym po zakwaszeniu czuliśmy wyraźnie ocet okazał się być o pH obojętnym lub lekko kwasowym to wiemy że mamy w mieszaninie również hydrolizujący metal.

Zasada pomoże nam wykryć kationy strącające barwne wodorotlenki lub tlenki. Sporo wodorotlenków metali jest w okolicach barwy białej i kolorowe osady będą zazwyczaj bardzo widoczne. Dodatkowo znając barwę mieszaniny możemy potwierdzić próbą z NaOH obecność kationów :

• miedzi  : \(Cu^{2+} \implies \)  niebieski galaretowaty osad  \(Cu(OH)_{2} \)
• żelaza (II)  :  \(Fe^{2+} \implies \)  zielony  \(Fe(OH)_{2} \)  osad brunatniejący na powietrzu
• żelaza (III) : \(Fe^{3+} \implies \)  brunatny osad  \(Fe(OH)_{3} \)
• niklu :  \(Ni^{2+} \implies \)  zielony osad  \(Ni(OH)_{2} \), NIEbrunatniejący na powietrzu w odróżnieniu od wodorotlenku żelaza (II)
• srebra  :  \(Ag^{+} \implies \)  osad koloru kawy z mlekiem  \(Ag_{2}O \)
• rtęci :  \(Hg^{2+} \implies \)  żółty osad   \(HgO \)
  • pytanie do Ciebie – czy wiesz dlaczego nie powstają wodorotlenki srebra i rtęci? Umiesz napisać równania reakcji prowadzące do tych tlenków (piszcie w komentarzach). 
• chromu  :  \(Cr^{3+} \implies \) szarozielony osad  \(Cr(OH)_{3} \)

Nasza szkolna chemiczka zawsze mówi, że jeśli do analizy nie dostaliśmy srebra, kwasu, bądź zasady, to znajdują się one gdzieś w roztworach badanych. Moim zdaniem bardzo ciekawa uwaga.

---

Jeśli chodzi o odczynniki ważne w analizie kationów to jednym z ważniejszych jest anion jodkowy. Pomocny bywa zarówno w analizie kationów jak i anionów.

Strąca barwne osady jodków z miedzią (brunatny od powstającego jodu, chociaż sam w sobie biały), ołowiem (żółty / kanarkowy), rtęcią (neonowy), bizmutem (czarny), srebrem (żółty). Poniżej nieco odmienna reakcje strącania jodku miedzi (I), którą znacie z tegorocznego Folderu Wstępnego oraz zdjęcie koloru kanarkowego (po lewej stronie) i neonowego (po prawej stronie)

\(2Cu^{2+} + 4I^{-} \rightarrow 2CuI \downarrow + I_{2} \)

Z drugiej strony jest bardzo dobrym reduktorem i utleniają go nawet azotany (III). A poza nimi to klasycznie magnaniany  i dichromiany, żelazo (III) – objawem jest lekkie zbrunatnienie roztworu.

\(2 MnO_{4}^{-} + 10I^{-} + 16H^{+} \rightarrow 2 Mn^{2+} + 5I_{2} + 8H_{2}O \)

W przypadku analizy anionów niezbędne wręcz są  jony srebra i baru.

Srebro strąca praktycznie ze wszystkim osady głównie w białej kolorystyce, wyjątkami jest wyraźnie żółty jodek srebra  \(AgI \)  , czerwono–brunatny chromian  \(Ag_{2}CrO_{4} \)  oraz żółty fosforan srebra  \(Ag_{3}PO_{4} \) i także żółtawy bromek srebra  \(AgBr \).  Brak osadu srebra zauważymy w przypadku anionów siarczanowych i octanowych. Srebro w roztworze występuje zawsze w postaci azotanu (zdecydowanie rzadziej octanu)  lub ewentualnie kompleksu.

Bar za to strąca wyraźnie białe osady : siarczanów, węglanów, siarczynów oraz chromianów (ale NIE dichromianów!).

Wszystkie aniony jesteśmy w stanie wykryć po ich reakcjach z barem, srebrem i kwasem. Warto sobie rozpisać objawy reakcji dla każdego anionu dla przypomnienia.

Parę kationów i anionów ma dodatkowo właściwości redox. Mogą być one przydatne w analizie.

• Utleniacze :  \(MnO_{4}^{-} \)  ,  \(Cr_{2}O_{7}^{2-} \)  ,  \(NO_{3}^{-} \)  ,  \(Fe^{3+} \)
• Reduktory  :  \(NO_{2}^{-} \)  ,  \(SO_{3}^{2-} \)  ,  \(Fe^{2+} \)  ,  \(SCN^{-} \)

---

Na końcu kiedy nic nie mamy w głowie już to pozostają bardziej lub mniej ślepe próby krzyżowe. Czasami może wyjść jakiś znany nam osad i uratujemy analizę.

Analiza mieszanin sprowadza się do tych samych reakcji co w przypadku pojedynczych substancji, trudnością jest maskowanie niektórych reakcji przez inne jony obecne w roztworze czy inne barwy osadów, ale tak całościowo rzecz biorąc to wystarczy znać znać dobrze charakterystyczne osady i, bardzo ważne, sprawdzać roztwarzalność osadów w np. amoniaku czy kwasie azotowym. Takie informacje są często istotne, ponieważ wiemy, że tylko sole słabych kwasów roztworzą się w  \(HNO_{3} \) zgodnie z teorią wypierania słabych kwasów znaną z gimnazjum*.

No i jeszcze jest koło kolorów. Warto je kojarzyć. Dlaczego? No ja na przykład nie pamiętam z przedszkola że żółty i niebieski dają zielony, a koło kolorów nam doskonale powie jaka barwa roztworu będzie po zmieszaniu dwóch barwnych substancji. Zasada jest prosta. Barwa końcowa będzie pomiędzy barwami na kole kolorów, dokładnie w połowie.

Sprawdźcie jak to działa na przykładzie przykładu z żółtym, niebieskim i zielonym. Koło kolorów ponadto wyjaśnia dlaczego kobalt z niklem dają bezbarwny roztwór.

---

Trochę ,,teoretycznej laborki”  : Oto przykładowe mieszaniny i sposoby ich wykrywania :

[skrót pp oznacza próbka podstawowa  – czyli ta, którą analizujemy].

1.  Siarczan manganu oraz bromek żelaza (III)

• barwa roztworu – żółta, wskazująca na obecność chromianów lub żelaza (III)
• odczyn – kwaśny – obecność hydrolizującego metalu

a)  pp + \(HNO_{3} \)  :  brak objawów (mamy sole mocnych kwasów, nie mamy chromianów, ponieważ roztwór pozostaje żółty)

b)  pp + NaOH :   strącanie się rdzawego osadu, charakterystyczny dla żelaza (III)

c)  pp + NaOH +  \(H_{2}O_{2} \)  : ciemnobrunatny osad, silnie pienienie się roztworu (charakterystyczna reakcja dla jonów manganu (II) – tworzenie  \(MnO_{2} \) )

Czyli dwóch kationów  \(Mn^{2+} \)  oraz  \(Fe^{3+} \)  jesteśmy mniej więcej pewni, potwierdzić moglibyśmy je próbami krzyżowymi z innymi badanymi próbkami.

d)  pp +  \(AgNO_{3} \)  :   lekko żółtawy osad, roztwarzalny w  \(NH_3 \)   dopiero po dodaniu dużego nadmiaru (prawdopodobnie bromki)

e)  pp + \(BaCl_{2} \) :   biały osad, nieroztwarzalny w  \(HNO_{3} \)

To nam wystarczy, aby potwierdzić siarczany. Brak reakcji z kwasem wyklucza węglany i siarczany (IV). Chromiany odrzuciliśmy wcześniej. Inne aniony nie strącają baru.

Potwierdzić aniony mogłyby reakcje strącania z ołowiem albo brak właściwości redox.

2.  Nadmanganian potasu oraz chlorek niklu (II)

• barwa – ciemnofioletowa (charakterystyczna dla  \(KMnO_4 \) )
• odczyn – lekko kwaśny

a)  pp + NaOH – czarny osad (tutaj trzeba się zastanowić, w środowisku zasadowym metale tworzą wodorotlenki, a niektóre z nich mają właściwości redukujące, np. wodorotlenek manganu, koblatu czy niklu). W tym przypadku manganian obecny w roztworze, utlenił w środowisku zasadowym wodorotlenek niklu (II) do wodorotlenku niklu (III), samemu redukując się do tlenku manganu (IV). Jest jeden sposób, żeby odkryć, że mamy do czynienia z niklem. Jak opadnie czarny osad  \(MnO_{2} \)  , to zobaczymy że roztwór ma barwę zieloną, charakterystyczną dla jonów niklu. Wodorotlenek niklu (III) rozkłada się szybko do tlenu cząsteczkowego. Można powiedzieć, że wodorotlenek niklu (II) jest katalizatorem reakcji rozkładu manganianu potasu do tlenku manganu i tlenu.

b)  pp +  \(AgNO_3 \)  – biały osad, roztwarzalny w  \(NH_3 \)

Czyli podejrzewamy rodanki, węglany, azotany (III) i chlorki. Azotany(III) i rodanki nie mogłyby występować w parze z mangananiem, ze względu na charakter redox. pH eliminuje węglany. Czyli chlorki.

Jeszcze ważne słowo na postscriptum. Zachowujcie czystość na części laboratoryjnej, bo zanieczyszczona próbka to najgorsze co może być. Lub obserwacje zapisane nie do tej rubryki w tabelce.

*autor jest starej daty i chodził do tzw. gimnazjów