گزارش کار شیمی عمومی دو : تجزیه ی کیفی کاتیون های گروه I

گزارش کار شیمی عمومی دو : تجزیه ی کیفی کاتیون های گروه I

هدف آزمایش :

هدف از این آزمایش تشخیص و شناسایی کاتیون های گروه می باشد . در این آزمایش علاوه بر این هدف ، هدف هایی چون آشنایی با ترکیبات کاتیون های این گروه ، محلول یا نامحلول بودن این ترکیبات ، آشنایی با واکنش های جانشینی متقابل و همچنین مهارت هایی نظیر جدا کردن رسوبات توسط سانتریفوژ و سشت و شوی رسوب را کسب کردیم .

ابزار مواد مورد نیاز :

۴ لوله ی آزمایش – همزن شیشه ای – سانتریفوژ – مجموعه ی حمام بن ماری – کاغذ   سنج عمومی – نمونه ی مورد آزمایش (شماره ی ۲) – اسید نیتریک ۶ مولار – اسید کلریدریک ۶ مولار – آب مقطر – کرومات پتاسیم ۱ مولار – اسید سولفوریک ۳ مولار – آمونیاک ۱۵ مولار – اسید نیتریک ۱۶ مولار .

مقدمه :

محلول ها :

محلول ها مخلوط هایی همگن هستند ، محلول ها را معمولاً بر حسب حالت فیزیکی آن ها طبقه بندی می کنند . محلول های گازی ، محلول های مایع و محلول های جامد را می توان تهیه کرد . قانون فشار های جزئی دالتون رفتار محلول های گازی را ، که هوا متداول ترین آنهاست ، بیان می کند . بعضی از آلیاژ ها محلول های جامدند . سکه های نقره ای محلول هایی از مس و نقره اند و برنج محلولی جامد از روی در مس است . هر آلیاژی محلول جامد نیست بعضی از آلیاژ ها مخلوط‌ هایی ناهمگن اند و بعضی دیگر در زمره ی ترکیب های بین فلزی به شمار می آیند . محلول های مایع متداولترین محلول ها هستند و احتمالاً بیشترین کاربرد را توسط شیمی دانان در بررسی های شیمیایی دارند . غالباً مقدار ماده ای که در حلال معینی حل می شود محدود است . انحلال پذیری یک ماده در یک حلال مخصوص و در دمای معین ، بیشترین مقدار از آن ماده است که در مقدار معینی از آن حلال حل می شود و یک سیستم پایدار تشکیل می دهد .

یکی از مهمترین حلال ها در شیمی ، آب است که به واسطه قطبی بودنش اغلب ترکیبات یونی و قطبی در آن انحلال پذیری خوبی دارند . اما بهر حال تمام مواد در آب به اندازه ای قابل حل شدن می باشند ( هر چند خیلی کم و در حد تعداد انگشت شماری واحد سازنده شان ) .

دسته ای از مواد هم که محلول های آبی آن ها کاربرد های زیادی در شیمی دارند ، نمک ها هستند . نمک ها که از اجزاء آنیون-کاتیونی ساخته شده اند در آب به هنگام انحلال ( به طوری که انرژی شبکه شان از انرژی آبپوشی آن ها کمتر باشد ) شبکه آن ها در هم فرو می ریزد و یون ها در بین ملکول ها ی آب قرار می گیرند .

بیشتر اجسام همانطور که ذکر شد حداقل به میزان کمی در آب حل می شوند . چنانچه ماده ای نامحلول یا کم محلول در آب قرار داده می شود موقعی که سرعت انحلال یون ها از جامد برابر سرعت رسوب کردن یون ها از محلول سیر شده گردد یک حالت تعادل برقرار می شود . مانند قرار گرفتن نقره کلرید در آب :

حل شدن و تجزیه شدن AgCl در آب
حل شدن و تجزیه شدن AgCl در آب

ثابت تعادل برای ربطه ی بالا بصورت زیر است :

ثابت تعال تجزیه AgCl
ثابت تعال تجزیه AgCl

از آنجا که غلظت یک جامد خالص مقدار ثابتی است ، [AgCl] را ممکن است با ‘k یکی کرد ، در نتیجه خواهیم داشت  :

ثابت تعال Ksp برای AgCl
ثابت تعال Ksp برای AgCl

ثابت Ksp حاصلضرب انحلال پذیری نامیده می شود غلظت های یونی در این رابطه غلظت های مربوط به یک محلول سیر شده در دمای مرجع هستند .

Ksp ، از آنجا که انحلال پذیری به دما بستگی دارد ، با تغییرات دما تغییر می کند .

برای نمک هایی که به ازای واحد فرمولی ، بیش از دو یون دارند باید غلظت یون ها به توان ضریب شان برسد . هرگاه مقدار یون های محلول را از طریق رابطه آخر محاسبه کنیم ، محلولیت بدست می آید که نوع ماده را مشخص می کند . بدین ترتیب که :

محلولیت کمتر از ۲- ۱۰ نشانگر اجسام کم محلول و نامحلول و محلولیت بیشتر از ۲- ۱۰ نشانگر مواد محلول می باشد .

تجزیه :

هدف از تجزیه ی شیمیایی این است که اجزاء سازنده ی یک ماده ی طبیعی یا مصنوعی مشخص شود .

تجزیه معمولاً در طی دو مرحله ی مجزا انجام می شود . در ابتدا باید تجزیه کیفی انجام داد تا بدین طریق اجزای سازنده ی یک نمونه مشخص شوند و به دنبال آن تجزیه ی کمی انجام می شود تا مقدار نسبی هر یک از اجزاء تعیین شود . در این گزارش تنها تجزیه ی کیفی بررسی می شود .

تجزیه ی کیفی :

در تجزیه ی کیفی معمولاً از دو روش استفاده می شود ، روش خشک ، که بر روی نمونه های جامد و معمولاً در دمای بالا انجام می پذیرد و دیگری روش های تر ، که شامل نمونه های حل شده و محلول های واکنش گر می باشد تغییر یا عدم تغییر شیمیایی مشاهده شده ، برای روشن ساختن وضعیت اجزاء تشکیل دهنده ی نمونه به کار برده می شود .

در تجزیه ی کیفی از واکنش هایی که محلول های یونی انجام می دهند می توان به مواد موجود در نمونه پی برد .

شکل عمومی واکنش ها به صورت واکنش های جانشینی متقابل می باشد .

AB+CD → AD + CB

یعنی در این نوع واکنش ها ، آنیون ها و کاتیون های دو ماده ی واکنش دهنده ، یون مقابل خود را با هم تعویض می کنند .

حال باید به این نکته توجه کنیم که چه موقع می توان گفت که این واکنش ها انجام شده اند ، اگر مواد موجود در آب محلول باشند و مواد حاصل نیز همچنان در آب محلول باقی بمانند می توان گفت که واکنش انجام نشده است .

به این ترتیب واکنش جانشینی متقابل هنگامی صورت می گیرد که یک رسوب یا یک گاز نامحلول و یا یک الکترولیت ضعیف حاصل شود .

پس برای تعیین انجام پذیر بودن واکنش ها باید شرایط بالا را برای هر واکنش در نظر بگیرید .

۱ _ مواد نامحلول : برای تعیین محلول یا نامحلول بودن یک ترکیب یونی یا به عبارتی برای تشخیص اینکه در یک واکنش رسوب تشکیل می شود یا نه می توان از جدول زیر استفاده کرد .

البته در جدول زیر فقط به نمک های پرکاربرد اشاره شده است و جدول کامل نمی باشد در ضمن از ذکر کمپلکس ها نیز صرف نظر شده ولی برای اکثر واکنش ها جدول زیر کامل می باشد .

این جدول دارای دو قسمت می باشد . قسمت اول در مورد مواد نامحلول است ، یعنی اینکه نمک هایی که آنیون های قسمت اول تشکیل می دهند اغلب محلول هستند و نمک های نامحلول آن ها در اقلیت می باشند که در جدول ذکر شده اند ، در قسمت دوم نیز به مواد محلول اشاره شده یعنی اینکه نمک آنیون های قسمت دوم اغلب نامحلول هستند و نمک های محلول آن ها در اقلیت می باشند که در جدول اشاره شده اند .

جدول محلولیت و نامحلویت آنیون ها و کاتیون ها
جدول محلولیت و نامحلویت آنیون ها و کاتیون ها

      * ستاره دار ها مواد کم محلول هستند .

۲ _ گاز های نامحلول : جدول بعدی در مورد گاز هایی می باشد که در واکنش های جانشینی متقابل آزاد می شوند و امکان پذیر بودن واکنش ها را مشخص می کنند .

گازهای نامحلول
گازهای نامحلول

۳ _ الکترولیت ضعیف : در ادامه با توجه به شرایطی که گفته شد علاوه بر رسوب ها و گاز های نامحلول تشکیل الکترولیت ضعیف هم انجام پذیر بودن واکنش را نشان می دهد . پس در جدول زیر هم برخی از الکترولیت های ضعیف همراه الکترولیت های قوی معرفی می شوند .

جدول الکترولیت های قوی و ضعیف
جدول الکترولیت های قوی و ضعیف

در مورد روش های تجزیه روش مورد استفاده ی ما روش تر می باشد .

همان طور که گفته شد این روش شامل نمونه های حل شده می باشد پس اولین قدم انحلال نمونه است .

برای انحلال نمونه به ترتیب از مواد زیر استفاده می شود ، یعنی هرگاه ماده ی اول نتوانست نمونه را حل کند از ماده ی بعدی استفاده می شود .

آب ← سولفوریک اسید رقیق ← سولفوریک اسید غلیظ  ← نیتریک اسید رقیق  ← نیتریک اسید غلیظ ← تیزآب ( اختلاطی از ۳ حجم کلریدریک اسید و یک حجم نیتریک اسید ) ← ذوب قلیایی .

برای نمونه های ما فعلاً آب حلال مناسبی است و در ضمن نمونه ی مورد نظر ما به صورت محلول می باشد .

روش تر تجزیه ی کیفی خود به دو طریق انجام می شود .

۱ _: این روش به سه اسم دیگر خوانده می شود که می توان از این نام ها برای توصیف این روش استفاده کرد .

الف )‌ لکه گذاری  ← به این دلیل این روش را لکه گذاری می نامند که نمونه محلول را روی کاغذ صافی یا کاغذ سلولزی همراه شناساگر قرار می دهند و پس از خشک شدن حالت خاصی که به خود می گیرد می تواند در تشخیص اجزاء نمونه به ما کمک کند .

ب ) قطره ای ←  دلیل این نام گذاری به خاطر استفاده از حجم های قطره ای در این روش می باشد .

ج ) انحصاری  ← این نام گذاری به خاطر تعریفی است که ، از این روش موجود می باشد :

“به شناسایی یک جزء در حضور بقیه ی اجزاء ، در یک شرایط و با استفاده از یک واکنش Spot Test گویند .”

۲ _ روش سیستماتیک : این روش ، روش کاملی است که به طریق آن می توان اغلب اجزاء یک نمونه را تشخیص داد .

به طور مثال برای تشخیص کاتیون های موجود در یک نمونه به طریق زیر انجام می پذیرد .

طبق این روش ابتدا با برخی مواد و تشکیل رسوب ها کاتیون ها را دسته دسته تفکیک می کنند و برای هر یک نامی می گذارند سپس به تفکیک اجزاء هر دسته می پردازند . مزیت این کار این است که مزاحمت سایر یون ها در تشخیص یک یون را کم می کند . برای تفکیک هم از ته نشینی استفاده می کنند .

کاتیون ها :

در کل ۲۴ کاتیون داریم که بنا به تشکیل رسوب با برخی مواد دسته بندی می شوند ، برای اینکه محلولی از ۲۴ یون در یکجا داشته باشیم از محلول نمک نیترات آن ها استفاده می شود . زیرا که نیترات ها همگی محلول هستند . از این ۲۴ یون ۲۱ یون توانایی تشکیل نمک نیترات دارند و مشکلی ندارند ، ولی ۳ یون آنتیموان III ، قلع IV، آرسنیک III اصلا نمی توانند نمک نیترات تشکیل دهند . برای تشکیل محلول این یون ها همراه ۲۱ یون دیگر به ترتیب از ترکیبات SbCl3  ، SnCl4 و  As2O3 که در آب انحلال پذیر می باشد استفاده می شود .

دسته بندی کاتیون ها در روش سیستماتیک به شرح زیر است :

کاتیون های گروه I :

این گروه شامل جیوه I و نقره I و سرب II می باشد که اضافه کردن یون در محیط اسیدی بر روی مجموع ۲۴ یون ، تشکیل رسوب های Hg2Cl2 ( سفید ) ، AgCl ( سفید ) ، PbCl2 ( سفید ) می دهد .

این رسوب ها به ترتیب دارای محلولیت های ۷-۱۰ و ۵-۱۰ و ۲-۱۰ می باشد . همان طور که ملاحظه می شود نسبت به بقیه دارای انحلالیت بیشتری است و در دمای بالا تا حدودی در آب محلول است .

گروه های دیگر کاتیونی در گزارشات بعدی معرفی می شوند .

از آنجا که برای جداسازی  این گروه Cl وارد محلول می کنیم ، باید از یک منبع مناسب Cl استفاده کنیم . در زیر چند مورد از منابع را بررسی می کنیم :

الف ) NaCl : اگر از این منبع استفاده کنیم دیگر نمی توانیم وجود یا عدم وجود یون +Naرا در نمونه بررسی کنیم .

ب ) NH4Cl : این منبع برای خوب است زیرا +NH4 یکی از یون هایی است که شناسایی آن از همان ابتدا و قبل از واکنش ها انجام می پذیرد .

ج )‌ HCl : این منبع از همه بهتر است زیرا Cl علاوه بر تامین Cl ، شرط اسیدی بودن محیط را نیز برقرار می سازد .

دلیل اینکه چرا محیط باید اسیدی باشد در سه بند بیان می شود :

۱ _ کاتیون های دارای خاصیت اسیدی قوی اگر در محیط غیر اسیدی قرار بگیرند هیدرولیز انجام می دهند و رسوب هیدروکسید تشکیل می دهند مانند :

واکنش هیدرولیز کاتیون های فلزی در محیط اسیدی
واکنش هیدرولیز کاتیون های فلزی در محیط اسیدی

اگر محیط اسیدی باشد طبق اصل لوشاتلیه واکنش تعادلی بالا به سمت چپ جابجا می شود و از تشکیل رسوب قهوه ای رنگ Fe(OH)3 جلوگیری می کند .

۲ _ دو یون Bi و Sb در محیط های غیر اسیدی با یون کلرید تشکیل اکسی کلرید های نامحلول می دهند . مانند :

تشکیل اکسی کلرید های نامحلول بیسموت و آنتیموان
تشکیل اکسی کلرید های نامحلول بیسموت و آنتیموان

که همچنان طبق اصل لوشاتلیه ، محیط اسیدی از تشکیل رسوبات سفید رنگ اکسی کلرید بیسموت جلوگیری می کند .

۳ _ در محیط های غیر اسیدی آنیون ها با خیلی از کاتیون ها مواد کم محلول می دهند . مانند آرسنیت ها ، اکسالات ها ، فسفات ها و کربنات ها . ولی در محیط اسیدی این آنیون ها به    اسید های خود تبدیل می شوند که تفکیک پذیری کمتری دارند و آنیون ها ی آزاد را از محیط جمع آوری می کنند .

در اولین مرحله که رسوب گذاری کاتیون های گروه I انجام می پذیرد برای اطمینان از رسوب تمام کاتیون ها ی گروه I بعد از اولین سانتریفوژ ، قطره ای HCl اضافی ، دوباره به محلول اضافه می کنیم این قطره های اضافی کاتیون های باقی مانده را رسوب می دهد .

تعادل در رسوب نقره با یون کلرید
تعادل در رسوب نقره با یون کلرید

همانطور که رابطه ی بالا نشان می دهد کمی HCl اضافی طبق اصل لوشاتلیه تعادل را به سمت تشکیل رسوب جابجا می کند . که به این ، اثر مثبت یون مشترک گویند . اما اگر چنانچه بیش از اندازه HCl وارد محیط شود ممکن است موجب تشکیل کمپلکس هایی مانند کمپلکس زیر شود و مواد رسوبی را دوباره در آب حل کند .

پدیده اثر منفی زوج یون در نقره کلرید با یون منفی کلرید
پدیده اثر منفی زوج یون در نقره کلرید با یون منفی کلرید

به این پدیده هم اثر منفی یون مشترک گویند .

در مرحله ی شستشوی رسوب برای اینکه یون های گروه های دیگر ، که شاید در بین رسوب ها باقی مانده باشند ، را از رسوب جدا کنیم از آب استفاده می کنیم . البته باید توجه داشته باشیم که با افزایش آب به رسوب ،  PbCl2 چون توانایی انحلالیت بیشتری نسبت به Hg2Cl2 و AgCl دارد باید در مقابل ۱۰ قطره آب یک قطره هم در شستشو استفاده کنیم تا بر طبق اصل لوشاتلیه تعادل PbCl2 به سمت تشکیل رسوب جابجا شود و هنگام شستشو یون های سرب شسته نشوند .

در ادامه ی مطلب واکنش هایی را که طی آزمایش برای تشکیل رسوب اتفاق افتاده اند را ذکر می کنیم :

الف ) واکنش هایی که از اضافه کردن به محلول ۲۴ یون انجام شده ، تنها سه واکنش تشکیل رسوب ، برای کاتیون های گروه می باشد .(هر سه رسوب سفید رنگ می باشند)

واکنش های رسوب فلزات گروه اول با یون کلرید
واکنش های رسوب فلزات گروه اول با یون کلرید

ب ) بعد از جدا کردن توسط انحلال در آب گرم ، یون سرب از یون های جیوه و نقره جدا می شود و با آزمایش هایی روی محلول سرب کلرید می توان وجود سرب را تشخیص داد .

واکنش های رسوب فلز سرب با یون سولفات و کرومات
واکنش های رسوب فلز سرب با یون سولفات و کرومات

ج ) در ادامه به منظور جداکردن نقره و جیوه از همدیگر آمونیاک به رسوب اضافه می کنیم :

و  واکنش های زیر را داریم :

واکنش جداسازی نقره از جیوه با آمونیاک
واکنش جداسازی نقره از جیوه با آمونیاک

که رسوب تشکیل شده توسط جیوه سیاه مایل به خاکستری است و باز می توان این دو یون را از هم جدا نمود . واکنش رسوب جیوه در بالا یک واکنش تسهیم نامتناسب است که در آن جیوه هم اکسایش یافته و هم کاهش .

د ) در انتها برای شناسایی یون نقره ی موجود ، به مایع نهایی نیتریک اسید اضافه می کنیم و در این مرحله نیز واکنش زیر را داریم :

رسوب آمونیوم نقره در حضور کلرید و محیط اسیدی
رسوب آمونیوم نقره در حضور کلرید و محیط اسیدی

یون آمونیوم تولید شده هم با ِیون کلرید موجود در محلول تشکیل آمونیوم کلرید می دهد که می توان دود خاکستری رنگ آمونیوم کلرید را حین آزمایش مشاهده کرد .

در نهایت با توضیح مختصری درباره ی عناصر این گروه بحث را خاتمه می دهیم .

توصیف عنصری کاتیون های گروه :

کاتیون های این گروه کلریدهای نامحلولی تشکیل می دهند . سرب کلرید به مقدار جزئی در آب محلول می باشد ، بنابراین در هنگام افزودن هیدروکلریک اسید رقیق به نمونه کاملاً رسوب نمی کند ، یون های سرب باقی مانده در محلول ، همراه با کاتیون های گروه دوم با هیدروژن سولفید در محیط اسیدی رسوب می کنند و از نظر کیفی شناسایی می شوند .

در بین سولفات های این گروه سرب سولفات عملاً نامحلول است ، در صورتی که نقره سولفات به مقدار بیشتری حل می شود ، حلالیت جیوه I سولفات در بین این دو قرار می گیرد . برمید ها و یدید های این گروه نامحلول هستند ، گرچه رسوب گیری سرب هالید ها کامل نیست و در آب جوش به آسانی حل می شوند . سولفید های این گروه نامحلولند . استات های گروه I حلالیت بیشتری دارند . هرچند ممکن است نقره استات از محلول های غلیظ تر رسوب داده شود . در صورتی که مقدار یکسانی از واکنش گر استفاده شود ، هیدروکسید ها و کربنات ها رسوب می کنند .

سرب : سرب با جرم اتمی ۱۹/۲۰۷ ، فلزی خاکستری رنگ متمایل به آبی است و با چگالی بالا (  ۱۱٫۴۸ گرم بر سانتی متر مکعب در دمای اتاق ) می باشد .

این فلز در واکنش با اسید ها نظیر سولفوریک اسید و کلریدریک اسید و نیتریک اسید به  واسطه ی تشکیل نمک متبلورش در سطح خود سرعت فرایند انحلالش را کاهش می دهد .

جیوه : جیوه با جرم اتمی ۵۹/۲۰۰ ، فلزی سفید – نقره ای است که در دمای معمولی مایع بوده و چگالی آن  ۱۳٫۵۲۵ گرم بر سانتی متر مکعب در دمای اتاق می باشد . هیدروکلریک اسید و سولفوریک اسید رقیق بر آن بی تاثیرند . اما با نیتریک اسید به آسانی واکنش می دهد و نیتریک اسید سرد با غلظت متوسط با مقادیر زیاد جیوه ، یون های جیوه I ایجاد می کند . هرگاه مقدار اسید زیاد و داغ باشد یون های جیوه ایجاد می شوند .

نقره : نقره با جرم اتمی ۸۶۸/۱۰۷ ، فلزی است سفید رنگ با جلای فلزی که قابلیت مفتول شدن دارد . چگالی آن (۱۰٫۵ گرم بر سانتی متر مکعب) بالا می باشد و در ۹۶۰٫۵ درجه سانتی گراد ذوب می شود . در هیدروکلریک اسید و سولفوریک اسید رقیق یا نیتریک اسید رقیق نامحلول است . در نیتریک اسید غلیظ یا در سولفوریک اسید غلیظ و داغ حل می شود و یون +Ag ایجاد می کند .

وقتی نقره به صورت یون یک ظرفیتی در می آید ، محلول بی رنگ می شود .

ترکیبات نقره II ناپایدارند ، اما نقش مهمی در فرایند اکسایش–کاهش (کاتالیزور نقره) دارند . نقره نیترات به آسانی در آب حل می شود ، استات و نیتریت و سولفات نقره از حلالیت کمتری برخوردارند . ترکیبات دیگر نقره نامحلول می باشند . کمپلکس های نقره محلولند . هالیدهای نقره نسبت به نور حساس می باشند و از این ویژگی در عکاسی بسیار استفاده می شود .

مهارت های آزمایشگاهی :

سانتریفوژ کردن : از این روش برای جداسازی رسوب های جامد از محلول استفاده می شود . در این روش مواد بر اساس خواص فیزیکی مانند جرم و دانسیته و … از هم جدا می شوند . در استفاده از این دستگاه ، که بر اساس نیروی گریز از مرکز کار می کند ، باید موازنه ی لوله های آزمایش را رعایت کنیم .

شست و شوی رسوب : برای این منظور ، بعد از تشکیل رسوب ، روی آن از شوینده مورد نظر می ریزیم و آن را سانتریفوژ می کنیم . به این ترتیب رسوب از شوینده جدا می شود و می توانیم پساب رویی را سرریز کنیم .

تنظیم توسط کاغذ تورنسل : برای این منظور ، همزن را به محلول مورد نظر آغشته می کنیم و سپس آن را روی کاغذ سنج عمومی قرار می دهیم . از تغییر رنگ کاغذ بر طبق جدول مربوطه محلول را تخمین می زنیم .

فهرست منابع :

۱ – شیمی عمومی مورتیمر – چارلز مورتیمر .

۲ – تجزیه ی کیفی معدنی – جی . اسولا – ترجمه ی آزاده تجردی .