data sporządzenia: 30.11.2015	wykonujący:
tytuł ćwiczenia	Równowagi w układach heterofazowych
opiekun grupy
data przyjęcia sprawozdania:	data oddania sprawozdania do poprawy:
data ostatecznego zaliczenia sprawozdania:	ocena

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

• OSIĄGNIĘTE EFEKTY KSZTAŁCENIA:

CH1_W05.1:

3. jakościowy i ilościowy opis równowag fazowych oraz równowag chemicznych w układach heterogenicznych oraz w roztworach wodnych elektrolitów

CH1_U01:

Student posiada umiejętność matematycznego opisu równowag chemicznych w roztworach elektrolitów

CH1_U09:

Student potrafi rozwiązywać proste problemy o charakterze jakościowym i ilościowym, z zakresu sporządzania roztworów (w tym roztworów buforowych), syntezy prostych związków nieorganicznych, wybranych reakcji redoks, reakcji układach heterogenicznych, analizy jakościowej kationów i anionów, w tym potrafi planować i wykonywać badania eksperymentalne oraz odpowiednio analizować ich wyniki.

CH1_U02:

Student:

1. potrafi posługiwać się prostymi urządzeniami laboratoryjnymi, takimi jak: pH-metr, wirówka laboratoryjna, łaźnia wodna, aparat do destylacji, aparat do ekstrakcji, kolumna do chromatografii

bibułowej

• CEL ĆWICZENIA: Zbadanie wpływu czynników środowiska na wytrącanie i roztwarzanie osadów oraz wpływu wspólnego jonu na rozpuszczalność NaCl. Wyznaczenie iloczynu rozpuszczalności trudno rozpuszczalnego wodorotlenku wapnia.

• WSTĘP TEORETYCZNY

Równowaga dynamiczna w układzie heterogenicznym to równowaga między słabo rozpuszczalnym związkiem jonowym, a jego roztworem nasyconym.

Iloczyn rozpuszczalności to stała równowagi dla reakcji równowagi w układzie heterogenicznym

Dla reakcji :

A_mB_{n (stały)} ⇄ m Aⁿ⁺ + n B^m¯

ma postać Ks = [Aⁿ⁺]^m · [A^m-] ⁿ i zwana jest iloczynem rozpuszczalności.

Rozpuszczalność to maksymalna ilość danej substancji (wyrażona w gramach lub molach) jaką można rozpuścić w określonej ilości (najczęściej 100g) rozpuszczalnika w danej temperaturze, uzyskując roztwór nasycony.

OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Wpływ wspólnego jonu na rozpuszczalność chlorku sodu

1) NaCl Na⁺ +Cl^-

2) HCl H⁺ + Cl^-

Dodanie roztworu kwasu solnego do roztworu nasyconego NaCl spowodowało zwiększenie stężenia jonów Cl^- w mieszaninie, oraz przesunięcie równowagi reakcji 1) w stronę substratu. Z przesyconego roztworu wydziela się drobnokrystaliczny osad chlorku sodu.

1. Dobór odczynników rozpuszczających osady

	jonowy zapis reakcji	przyczyna roztworzenia
reakcja strącenia	NaH2PO4 Na^+ + H2PO4^- H2PO4^- + H2O HPO4^2- + H3O^+ HPO4^2- + H2O PO4^3- + H3O^+ 3Cu^2+ + 2PO4^3- → Cu3(PO4)2	-
reakcja roztworzenia	Cu3(PO4)2 3Cu^2+ + 2PO4^3- Cu^2+ +4( NH3·H2O) [Cu(NH3)4]^2+ +4 H2O	Miedź posiada zdolność do tworzenia kompleksów z amoniakiem
reakcja roztworzenia	Cu3(PO4)2 3Cu^2+ + 2PO4^3- Cu^2+ + SO4^2- CuSO4	Kwas siarkowy (VI) wypiera resztę PO4^3- pochodzącą od słabszego kwasu ortofosforowego
reakcja strącenia	H2S 2H^+ + S^2- Ni^2+ + S^2- → NiS	-
reakcja roztworzenia	NiS Ni^2+ + S^2- 3S^2- + 2NO3^- +8H^+ S + 2NO + 4H2O	Kwas azotowy (V) utlenia anion siarczkowy do metalicznej siarki
reakcja strącenia	K2CrO4 2K^+ +CrO4^2- Sr^2+ + CrO4^2- → SrCrO4	-
reakcja roztworzenia	SrCrO4 Sr^2+ + CrO4^2- 2CrO4^2- + 2H^+ Cr2O7^2- + H2O	Dodanie kwasu H2SO4 powoduje zmianę pH środowiska na bardziej kwasowe i utlenienie chromianów (III) do jonów chromianowych (VI)
reakcja roztworzenia	SrCrO4 Sr^2+ + CrO4^2- 2CrO4^2- + 2H^+ Cr2O7^2- + H2O	Dodanie kwasu CH3COOH powoduje zmianę pH środowiska na bardziej kwasowe i utlenienie chromianów (III) do jonów chromianowych (VI)
reakcja strącenia	H2C4H4O6 HC4H4O6^‑ + H^+ HC4H4O6^‑ + K^+ KHC4H4O6	-
reakcja roztworzenia	KHC4H4O6 HC4H4O6^‑ + K^+ HC4H4O6^‑ + H^+ H2C4H4O6	Dodanie jonów H^+ pochodzących od mocnego kwasu azotowego (V)powoduje przesunięcie równowagi reakcji w stronę H2C4H4O6
reakcja roztworzenia	KHC4H4O6 HC4H4O6^‑ + K^+ HC4H4O6^‑ + OH^- C4H4O6^2- + H2O	Dodanie jonów OH^- powoduje utworzenie wody.

3. Wpływ warunków na wytrącanie i rozpuszczalność wodorotlenków, węglanów i fosforanów wybranych metali

odczynnik	zapis reakcji	zapis reakcji	zapis reakcji	zapis reakcji
+ NH3aq	Na^+ + NH3·H2O → r. nie zachodzi	Mg^2+ + 2(NH3·H2O) → Mg(OH)2 +2NH4^+	Ca^+ + NH3·H2O → r. nie zachodzi	Al^3+ + NH3·H2O → Al(OH)3+ NH4^+
+ NH4Cl	r. nie zachodzi	Mg(OH)2+ 2NH4Cl MgCl2+2(NH3·H2O)	r. nie zachodzi	r. nie zachodzi
+ (NH4)2CO3	r. nie zachodzi	r. nie zachodzi	Ca^2+ + CO3^2- CaCO3	r. nie zachodzi
+ (NH4)3PO4	r. nie zachodzi	Mg^2++PO4^3-Mg3(PO4)2	r. nie zachodzi	r. nie zachodzi

Spośród wytrąconych wodorotlenków bardziej trwały, a więc trudniejszy do roztworzenia, jest osad wodorotlenku glinu, ponieważ ma niższy iloczyn rozpuszczalności (5·10^-33) niż osad wodorotlenku magnezu o iloczynie rozpuszczalności 5,5·10^-12.

Odczynnik grupowy – substancja chemiczna reagująca z grupą jonów w określonych warunkach
z utworzeniem trudno rozpuszczalnych w wodzie związków.

4. Wpływ warunków na wytrącanie i rozpuszczalność siarczków wybranych metali (pokaz)

Kation odczynnik	Na^+ zapis reakcji /obserwacja	Zn^2+ zapis reakcji /obserwacja	Bi^3+ zapis reakcji /obserwacja
+ HCl + AKT	r. nie zachodzi	r. nie zachodzi	2Bi^3+ + 3S^2-→Bi2S3
	Brak zmian	Brak zmian	Wytrącono czarny osad
+ NH3aq	r. nie zachodzi	Zn^2++S^2- ZnS	-
	Brak zmian	Wytrącono biały osad	-
+ HCl	r. nie zachodzi	S^2-+ H^+ H2S	r. nie zachodzi
	Brak zmian	Roztworzenie osadu	Brak zmian
+ HNO3	r. nie zachodzi	-	S^2-+ NO3^- +H^+ S + NO + H2O
	Brak zmian	-	Roztworzenie osadu

Iloczyn rozpuszczalności siarczku bizmutu ma wartość 1,6·10^-72,a dla siarczku cynku – 1,1·10^-24, zatem łatwiej jest roztworzyć siarczek cynku. Dodatkowo siarczek bizmutu wytraca się za pomocą r. AKT zakwaszonego kwasem solnym, a wiec dodanie kwasu nie powoduje rozpuszczania osadu siarczku. Wprost przeciwnie, przesuwa równowagę reakcji powstawania osadu w stronę produktu. Roztworzenie osadu możliwe jest jedynie poprzez utlenienie siarki na –II stopniu utlenienie do metalicznej siarki za pomocą roztwory HNO₃. W przypadku siarczku cynku, wytrąca się go za pomocą zalkalizowanego roztworu AKT. Dodanie kwasu powoduje przesunięcie równowagi reakcji w stronę substratów a zatem roztworzenie osadu.

Aby rozdzielić kationy Bi³⁺, Zn²⁺, Na⁺ obecne w roztworze, można wykorzystać przedstawione w tabeli reakcje. Najpierw do mieszaniny należy dodać zakwaszony roztwór AKT. Wytrącony osad siarczku bizmutu odsączyć i dodać do przesączu r. NH₃ w celu zalkalizowania środowiska. Wytrącony osad siarczku cynku również odsączyć. W przesączu pozostaną kationy Na⁺.

5. Badanie rozpuszczalności soli srebra

	1 cm^3 AgNO3 (0,5 mol/dm^3)	+ 0,5 cm^3 H2SO4 (1 mol/dm^3)	+ 1 cm^3 HCl (1 mol/dm^3)	+ 1 cm^3 KI (0,5 mol/dm^3)	+ 1 cm^3 HCl (1 mol/dm^3)
obserwacja	Bezbarwny roztwór	Biały osad	Biały serowaty osad	Żółty bezpostaciowy osad	Brak zmian
zapis reakcji	-	Ag^++SO4^2-Ag2SO4	Ag^+ + Cl^- AgCl	Ag^+ + I^- AgI	r. nie zachodzi

W trakcie kolejnych reakcji powstają osady o coraz niższym iloczynie rozpuszczalności ostatecznie
z roztworu zostają wychwycone niemal wszystkie kationy Ag⁺ i dalsze wytrącanie osadów jest nie możliwe.

Jako pierwszy powstaje osad Ag₂SO₄ o iloczynie rozpuszczalności 7,7·10^-5. Po odwirowaniu tego osadu,
z pozostałymi w roztworze kationami Ag⁺ reagują aniony Cl^-. Powstający osad ma iloczyn rozpuszczalności
1,6·10^-10. Jako ostatni powstaje osad AgI o najniższym iloczynie rozpuszczalności ( 1,6·10^-16), dzięki czemu
z roztworu wychwytywane są jony Ag⁺ mimo ich niskiego stężenia.

Do całkowitego wytrącenia jonów Ag⁺ z roztworu zawierającego azotany(V) sodu i srebra najlepiej użyć jodku potasu. Tworzy on z kationami Ag⁺ osad o bardzo niskim iloczynie rozpuszczalności, dzięki czemu wytrącenie nastąpi nawet przy niskim stężeniu tych kationów. Z kolei z jonami Na⁺ aniony I^- nie tworzą osadu.

6. Wyznaczanie iloczynu rozpuszczalności Ca(OH)₂

pH=12,39( w temp.20,3^oC)

pOH=14-pH=14-12,39 = 1,61

Ca(OH)₂ Ca²⁺ + 2OH^-

½ x x

[x] = [OH^-]=10^-pOH= 10^-1,61= 2,45·10^{-2 mol}/_dm3

Ir = [1/2 x]·[x]²

Ir = ½ ·2,45·10^-2 · (2,45·10^-2)² = 7,35·10^-6

Obliczona wartość iloczynu rozpuszczalności- 7,35·10^-6 jest niższa od podanej wartości tablicowej 3,1 ·10^-5. Przyczyną różnicy doświadczalnego i tablicowego iloczynu rozpuszczalności może być np. różnica temperatury, w której dokonano pomiaru pH, a dla której podana jest wartość tablicowego.