هوالشافی
آزمایشگاه شیمی عمومی2
آزمایش شماره سه
کاتیون های گروهIV
هدف
شناسایی و تجزیه ی کاتیون های گروه IV به کمک رسوب ها ومحلول های حاصل از آزمایش ها و آزمون شعله
برگه اطلاعات ایمنی مواد msds
HCl
اسید -مایع-بی رنگ (زرد رنگ)-پایدار-خورنده-سمی-مضربرای محیط زیست-محرک چشم و پوست -بینی-آسیب دیدن درصورت بلع و تنفس-نمی سوزد-اطفاحریق به کمک اسپری کردن آب خنک-استفاده از وسایل حفاظتی پوست و چشم و بدن-نکات دیگر در برهمکنش ها وحمل ونقل وضایعات و…
NH_3
گاز-خورنده-محرک-محرک چشم و پوست -آسیب در صورت بلع و تنفس محرک شدید دستگاه تنفس-خطراشتعال و انفجار ندارد-سمی برای آبزیان و مضر برای محیط زیست-نکات دیگر…
استیک اسید(CH3COOH)
مایع-بی رنگ-سوزش آور-محرک والتهاب آور شدید- آسیب زننده ،پوست ،چشم،ریه و گوارش-طولانی مدت ایجادبیماری-مضربرای محیط زیست-نسبتا اتش گیر-استفاده از وسایل حفاظت پوست و چشم و بدن -نکات دیگر در برهمکنش ها و حمل ونقل و ضایعات و…
دی آمونیوم فسفات( HPO4(NH4)2 )
پودر سفید رنگ یا محلول بی رنگ-محرک (امکان اسیب زدن)پوست و چشم و ریه و گوارش- نمی سوزد-ممکن است منفجر شود- در کود های کشاورزی استفاده و برای محیط زیست کم ضرر-استفاده از وسایل حفاظت پوست و چشم و بدن -نکات دیگر …
تئوری آزمایش :
کاتیون های گروه IV شامل یون های فلزات قلیایی خاکی و منزیم می باشد. نمک های حاصل از این فلزات حلالیت کمی در آب دارند. این کاتیون ها شامل Sr2+، Ba2+، Ca2+ و Mg2+ می باشد که به جز عنصر منزیم که در دسته فلزات قرار دارد مابقی آنها در گروه IIA جدول قرار دارند. این کاتیون ها اعضای یک خانواده جدول تناوبی هستند که در یک گروه کیفی رسوب می نمایند، و این به دلیل آن است که خواص شیمیایی مشابه دارند. هر 4 کاتیون به آسانی دو الکترون از دست می دهند تا بتوانند به آرایش الکترونی نزدیک ترین گاز نادر برسند.
به دلیل داشتن چنین ساختمان الکترونی، تنها دارای یک درجه اکسیداسیون بوده و تمایلی به تشکیل یون کمپلکس از خود نشان نمی دهند. تفاوت در حلالیت با توجه به آنیون های رسوب دهنده برای شناسایی آنها کافی نمی باشد.
یون های Ba2+,Sr2+,Ca2+با آمونیوم کربنات در محلول آمونیاکی که حاوی یون آمونیوم اضافی باشد بطورناقص رسوب می نماید.غلظت زیاد یون NH4+مانع رسوب کردن Mg2+در گروه IVو همچنین رسوب گیری ناقص کربنات های قلیایی-خاکی می گردد.
NH4+CO32- ↔NH3+HCO3-
اگر یون کربنات را به عنوان معرف گروه در نظر بگیریم ،لازم است نمک های امونیوم اضافی را توسط سوزاندن یا اکسیداسیون خارج کنیم.
خوشبختانه در هر 4 کاتیون الکترون هایی که به سرعت برانگیخته می شوند تولید شعله های رنگی مشخصی می نمایند.
شرح آزمایش :
در ابتدا 2 ml از محلول مادر (اصلی) که حاوی کاتیون های فلزات گروه 4 است را بوسیله استوانه مدرج جدا کرده و درون لوله آزمایش می ریزیم سپس به آن 10 قطره (NH4)2HPO4 اضافه می کنیم و سپس به آن 5 قطره (NH4)2CO3 اضافه می کنیم سپس محلول را با NH3 غلیظ شدیدا قلیایی کرده و با کاغذ تورنسل بررسی می کنیم، پس از اطمینان از قلیایی شدن محلول شاهد تشکیل رسوبی سفید رنگ به صورت لایه ای درون محلول خواهیم بود که آنرا به کمک اسپاتول به هم می زنیم تا مخلوطی سفید رنگ حاصل شود و سپس لوله آزمایش را سانتریفوژ کرده و رسوب و محلول را جدا کرده و محلول را دور می ریزیم. رسوب شامل مخلوط کربنات ها و فسفات های باریم، کلسیم، استرانسیم و منیزیم است و محلول دارای کاتیون های گروه V بوده است.
رسوب حاصل از مرحله قبل را در ابتدا با 5 قطره آب مقطر می شوییم سپس به آن 10 قطره استیک اسید غلیظ اضافه می کنیم و آن را خوب بهم می زنیم (استیک اسید غلیظ اسید قوی نیست پس ممکن است در هنگام بررسی pH محلول توسط کاغذ تورنسل رنگ قرمز به خوبی قابل مشاهده نباشد). بعد به آن 2 ml آب مقطر می افزاییم و سپس 3 قطره پتاسیم کرومات (K2CrO4) 1 مولار به محلول می افزاییم سپس بهم می زنیم و در مرحله آخر سانتریفوژ کرده و رسوب و محلول را جدا می کنیم.
* رسوب : رسوب شامل باریم کرومات BaCrO4 می باشد به لوله آزمایش HCl غلیظ اضافه کرده و با کاغذ تورنسل بررسی می کنیم، سپس لوله آزمایش را درون حمام آب جوش قرار می دهیم تا حرارت ببیند و حجم محلول به نصف تقلیل یابد در اثر حرارت رنگ محلول سبز می شود، سپس باریم را با آزمون شعله تایید می کنیم (رنگ شعله سبز مایل به زرد می شود).
* محلول : محلول روی رسوب شامل یون های استرانسیم، کلسیم و منیزیم می باشد و همچنین ممکن است یون های کرومات اضافی نیز در محلول حضور داشته باشند.
در ابتدا 5 قطره (NH4)2HPO4 0.5 مولار به محلول اضافه می کنیم و سپس 3 قطره (NH4)2CO3 2 مولار اضافه می کنیم، سپس محلول را با آمونیاک غلیظ شدیدا بازی می کنیم (در حدود 60 قطره آمونیاک اضافه شد) که در نهایت با کاغذ تورنسل بررسی می کنیم و شاهد آن هستیم که محلولی نارنجی رنگ حاصل شده که رسوب سفید رنگی روی آن قرار دارد.
سپس سانتریفوژ می کنیم. رسوب و محلول را جدا می کنیم.
** محلول روی رسوب شامل یون های کرومات وغیره است که دور می ریزیم.
** رسوب : رسوب دارای فسفات ها و کربنات های استرانسیم، کلسیم و منیزیم می باشد. به آن 10 قطره استیک اسید غلیظ اضافه می کنیم(استیک اسید غلیظ اسید قوی نیست پس ممکن است در هنگام بررسی pH محلول توسط کاغذ تورنسل رنگ قرمز به خوبی قابل مشاهده نباشد)، پس از حل شدن رسوب به آن 5 قطره آب اضافه می کنیم و سپس 5 قطره (NH4)2SO4 2 مولار اضافه می کنیم که محلول زرد رنگ می شود. سپس لوله آزمایش را درون حمام آب جوش قرار داده و پس از حرارت دیدن محلول شاهد تشکیل رسوبی سفید رنگ درون محلول زرد رنگ خواهیم بود کمی صبر می کنیم تا محلول خنک شود و سپس آن را سانتریفوژ می کنیم.(برای اطمینان از کامل شدن مرحله رسوب گیری 1 قطره (NH4)2SO4 2 مولار به محلول روی رسوب می افزاییم).
*** رسوب : رسوب دارای SrSO4 است. آن را 3 مرتبه با آب مقطر می شوییم و سپس 3 قطره HCl غلیظ به رسوب اضافه می کنیم و با کاغذ تورنسل بررسی می کنیم و سپس آزمون شعله را انجام می دهیم، حاصل آن رنگ قرمز لاکی Sr است.
*** محلول : محلول روی رسوب شامل یون های کلسیم و منیزیم می باشد که در ابتدا به آن 5 قطره (NH4)2C2O4 0.25 مولار به محلول می افزاییم و برای حدود 1 دقیقه در حمام آب جوش قرار می دهیم، سپس وجود رسوبی سفید رنگ یا محلولی کدر رنگ نشان دهنده ی وجود رسوب کلسیم می باشد. سانتریفیوژ می کنیم.
**** رسوب : رسوب دارای CaC2O4 می باشد به آن 2 قطره HCl غلیظ می افزاییم و با کاغذ تورنسل بررسی می کنیم. سپس آزمون شعله را انجام می دهیم که شعله قرمز آجری نشان دهنده ی وجود کلسیم می باشد.
**** محلول روی رسوب به دلیل انجام آزمایش با پارانیتروبنزن که ماده ای مضر به حساب می آید مورد آزمایش قرار نگرفت.
واکنش های شیمیایی مربوط به تجزیه کاتیون های گروه IV :
معرف رسوب گیری کاتیون های این گروه مخلوطی از (NH4)2SO4 و (NH4)2CO3 می باشد. این مخلوط در محیط آمونیاکی، با کاتیون های قلیایی خاکی ممکن است دو نوع رسوب کربنات و فسفات ایجاد کند.
3 Ba2+ + 2 HPO42- + 2 NH3 ↔ Ba3(PO4)2 + 2 NH4+
3 Sr2+ + 2 HPO42- + 2 NH3 ↔ Sr3(PO4)2 + 2 NH4+
3 Ca2+ + 2 HPO42- + 2 NH3 ↔ Ca3(PO4)2 + 2 NH4+
&
Ba2+ + CO32- ↔ BaCO3
Ca2+ + CO32- ↔ CaCO3
Sr2+ + CO32- ↔ SrCO3
معرف رسوب گیری محلول آمونیاکی، یون منیزیم را به صورت کریستال های سفید منیزیم-آمونیوم فسفات رسوب میدهد.
Mg2+ + HPO42- + NH3 + 6 H2O ↔ MgNH4PO4.6H2O
انحلال رسوب گروه IV : استیک اسید غلیظ در غیاب یون استات اضافی باریم، استرانسیم و کلسیم فسفات را به آهستگی حل می کند، اما در نهایت انحلال کامل صورت می گیرد همچنین کربنات کاتیون های فلزات قلیایی خاکی به آسانی در این اسید حل می شوند.
Ba3(PO4)2 + 4 HAc ↔ 3 Ba2+ + 2 H2PO4- + 4 Ac-
Ca3(PO4)2 + 4 HAc ↔ 3 Ca2+ + 2 H2PO4- + 4 Ac-
Sr3(PO4)2 + 4 HAc ↔ 3 Sr2+ + 2 H2PO4- + 4 Ac-
MgNH2PO4.6H2O + 2 HAc ↔ Mg2+ + H2PO4- + NH4+ + 2 Ac- + 6 H2O
&
BaCO3 + 2 HAc ↔ Ba2+ + 2 Ac- + H2O + CO2
SrCO3 + 2 HAc ↔ Sr2+ + 2 Ac- + H2O + CO2
CaCO3 + 2 HAc ↔ Ca2+ + 2 Ac- + H2O + CO2
جداسازی و شناسایی یون باریم :
یون باریم در محلول اسید استیکی توسط پتاسیم کرومات به صورت باریم کرومات زرد رنگ رسوب می کند. BaCrO4 Ba2+ + CrO42- ↔
باریم کرومات به قدر کافی فرار نیست که بتواند به آزمایش شعله، برای تعیین باریم جوای رضایت بخشی بدهد. اگر BaCrO4 با HCl تبخیر شود کرومات احیا شده و به یون Cr3+ تبدیل می گردد و یون باریم وارد محلول می شود.
2 BaCrO4 + 16 H+ + 6 Cl- ↔ 2 Ba2+ + 2 Cr3+ + 3 Cl2 + 8 H2O
جداسازی و شناسایی یون استرانسیم :
یون استرانسیم در محلول استیک اسید با آمونیوم سولفات تولید رسوب سفید رنگ SrO4 می کند. استرانسیم سولفات به مقدار کافی در HCl حل می شود که بتواند برای یون استرانسیم به آزمایش شعله جواب رضایت بخشی دهد. نمک های استرانسیم، خصوصا کلرید آن به شعله رنگ قرمز لاکی می دهد.
Sr2+ + SO42- ↔ SrSO4
جداسازی و شناسایی یون کلسیم :
یون کلسیم در محلول استیک اسید با آمونیوم اگزالات ایجاد رسوب سفید CaC2O4 می کند.اگر چه کلسیم اگزالات در استیک اسید نامحلول است ولی در اسید کلریدریک حل می شود. نمک های کلسیم خصوصا کلرید آنها به شعله رنگ قرمز می دهد.
Ca2+ + C2O42- ↔ CaC2O4
CaC2O4 + H+ ↔ Ca2+ + HC2O4-
رسوب گیری و شناسایی یون منیزیم :
از اثر پتاسیم هیدروکسید بر محلول یون منیزیم، رسوب سفید ژلاتینی منیزیم هیدروکسید حاصل می شود.
رسوب منیزیم هیدروکسید خاصیت جذب رنگ های آلی بخصوصی را دارد. یکی از این رنگ ها پارانیتروبنزن آزورزورسینال است، که با منیزیم هیدروکسید تولید رنگ آبی می کند.
Mg2+ + 2 OH- ↔ Mg(OH)2
پرسش های گروه IV :
1. کاتیونهای گروهIV رامطالعه کرده، واکنش رسوب گیری آنها را با محلول آمونیوم کربنات بنویسید و سپس وزن حاصل از شامل 2 میلی گرم کاتیونهای کلسیم، استرانسیم، باریم را محاسبه کنید:
Ba2+ + CO32-BaCO3 197.33
Sr2+ + CO32-SrCO3 147.63
Ca2+ + CO32-CaCO3 100.09
1mol BaCO3
1 mol Ba
197.33
X
137.33
2×10-3
X= 2.87×10-3 gr
2. با توجه به این که حجم یک قطره برابر با 0.05 میلی لیتر میباشد محاسبه کنید برای انحلال رسوب به دست آمده در پرسش 1 چند قطره اسید استیک یک مولار لازم است؟
2 Mol HAc
1Mol BaCO3
2*60=120gr
X
197.33
2.8×10-3
X=1.74×10-3
1.74×10-3 / 60=0.03×10-3 mol 1=mol / lit 0.03×10-3 / V = 1 V=0.03ml 0.03 / 0.05= 0.6
3. چرا برای رسوب گیری گروهIV باید از آمونیوم کربنات استفاده نمود؟
رسوب گروه IV شامل باریم کربنات، استرانسیم کربنات و کلسیم کربنات است که به سرعت در استیک اسید حل شده و در عمل انحلال یون کربنات از بین میرود. در نتیجه یون کربنات در شناسایی آزمایش شعله مزاحمتی ایجاد نمیکند.
4. چرا برای انحلال رسوب کاتیونهای گروه IV از استیک اسید غلیظ استفاده میشود ؟
در محیطی که غلظت یون هیدروژن نسبتا زیاد باشد باریم کرومات نمیتواند رسوب کند بنابراین بجای اسید های قوی از استیک اسید استفاده میکنیم.
5. آزمایش شعله را روی کاتیون های معلوم گروه IV انجام داده نتیجه را یادداشت نمایید ؟
آزمون شعله را روی ترکیبات کاتیون های Sr2+، Ca2+، Ba2+ و Mg2+ انجام دادیم و نتایج رنگ شعله به ترتیب قرمز لاکی برای استرانسیم، قرمز آجری برای کلسیم، سبز (متمایل به زرد)برای باریم و (رنگ آبی برای منیزیم(آزمایش انجام نشد.)).
6. برای شناسایی منیزیم در گروه IV چرا بایستی محلول را در آب گرم قرار دهیم؟
محلول شدیدا بازی را حرارت میدهیم تا بخارات آمونیاک خارج شود در غیر اینصورت وجود یون آمونیوم مانع تشکیل رنگ آبی میشود(آزمایش انجام نشد).
7. پیدایش رنگ شعله کاتیون ها را توضیح دهید ؟
دو نوع طیف در طبیعت وجود دارد که رنگ های مشخصی به شعله می دهند. طیف منتشر شده در طبیعت ممکن است اتمی یا مولکولی باشد. در طیف اتمی رنگ شعله اتم های گازی بواسطه تحریک و انتقال الکترون به تراز انرژی بالاتر و متعاقبا برگشت الکترون ها به سطح انرژی سابق خود با انتشار طیف رنگی مشخص صورت می گیرد. در طیف مولکولی، رنگ شعله به خاطر تحریک مولکول های گازی ایجاد می گردد که الکترون ها توسط حرارت ارتقا یافته و دوباره به سطح انرژی سابق خود باز می گردند، بنایراین نور منتشر شده اختصاص به انتقال های مولکولی ندارد.
8. برای هر یک از کاتیونهای گروهIV دو واکنش اختصاصی بنویسید ؟
3Ba2+ + 2 HPO42- + 2 NH3 ↔ Ba3(PO4)2 + 2NH4+
3Ca2+ + 2 HPO42- + 2 NH3 ↔ Ca3(PO4)2 + 2NH4+
3Sr2+ + 2HPO42- + 2 NH3 ↔ Sr3(PO4)2 + 2 NH4+
Ba2+ + CrO42- ↔ BaCrO4
Sr2+ + SO2- ↔ SrSO
Ca2+ + C2O42- ↔ CaC2O
8