Podstawy Chemii Nieorganicznej
Ć
wiczenia laboratoryjne
kod kursu:
CHC 0120
PODSTAWOWE CZYNNOŚCI LABORATORYJNE
Opracowanie: Monika Grotowska
WPROWADZENIE
Do cz
ę
sto wykonywanych czynno
ś
ci w laboratorium chemicznym nale
Ŝą
: wytr
ą
canie i
roztwarzanie osadów, oddzielanie osadów od roztworu i ich przemywanie a tak
Ŝ
e sporz
ą
dzanie
roztworów wodnych ró
Ŝ
nych substancji o okre
ś
lonym st
ęŜ
eniu.
Wytr
ą
canie osadu polega na wydzieleniu trudno rozpuszczalnego zwi
ą
zku, np. typu AB,
podczas dodawania do jednego roztworu, zawieraj
ą
cego jon A, drugiego roztworu,
zawieraj
ą
cego jon B (odczynnik str
ą
caj
ą
cy). Aby wytr
ą
cenie osadu było mo
Ŝ
liwe, iloczyn st
ęŜ
enia
reaguj
ą
cych jonów musi by
ć
wi
ę
kszy, ni
Ŝ
to wynika z iloczynu rozpuszczalno
ś
ci powstaj
ą
cego
zwi
ą
zku. Otrzymany osad powinien by
ć
trudno rozpuszczalny, czysty i o odpowiedniej postaci,
która ułatwiałaby jego oddzielenie od roztworu.
W zale
Ŝ
no
ś
ci od wła
ś
ciwo
ś
ci osadów mo
Ŝ
na podzieli
ć
je wg nast
ę
puj
ą
cego schematu:
drobnokrystaliczne, np. BaSO
4
krystaliczne
Osady
grubokrystaliczne, np. MgNH
4
PO
4
serowate, np. AgCl
koloidowe
galaretowate, np. Fe(OH)
3
hydrofilowe
hydrofobowe
SiO
2
· nH
2
O
As
2
S
3
, AgCl
Osad krystaliczny jest to osad zło
Ŝ
ony z cz
ą
stek o uporz
ą
dkowanej budowie sieciowej,
tworz
ą
cy podczas rozpuszczania na ogół roztwory rzeczywiste. Osad koloidalny zło
Ŝ
ony jest z
cz
ą
stek o nie uporz
ą
dkowanej budowie sieciowej, tworz
ą
cy podczas rozpuszczania na ogół
roztwory koloidalne (galaretowate).
Roztwór rzeczywisty jest to roztwór, w którym substancja rozpuszczona wyst
ę
puje w
postaci pojedynczych atomów, jonów lub cz
ą
steczek mniejszych od 1 nm.
2
Roztwór koloidalny lub, krótko, zol zawiera cz
ą
stki o rozmiarach pomi
ę
dzy 1 a 200 nm. W
roztworze koloidalnym substancja rozpuszczona znajduje si
ę
w stanie rozproszenia koloidalnego.
Je
Ŝ
eli cz
ą
stki substancji rozproszonej w roztworze s
ą
wi
ę
ksze od 200 nm, to układ taki nazywamy
zawiesin
ą
.
Podstawowymi procesami zwi
ą
zanymi z osadami koloidowymi, maj
ą
cymi praktyczne
znaczenie w chemii analitycznej, s
ą
: koagulacja i peptyzacja. Zale
Ŝ
no
ść
mi
ę
dzy tymi procesami
mo
Ŝ
na przedstawi
ć
schematycznie:
koagulacja
(roztwór koloidalny) zol
Ŝ
el (osad koloidowy)
peptyzacja
Zole ze wzgl
ę
du na wielko
ść
cz
ą
stek składników przechodz
ą
przez pory filtrów, co jest ich
ujemn
ą
cech
ą
z punktu widzenia analizy chemicznej. Z roztworów koloidalnych mo
Ŝ
na wydzieli
ć
wi
ę
ksze agregaty (skupiska) cz
ą
stek zwane
Ŝ
elami.
ś
ele stanowi
ą
wówczas zawiesin
ę
o
cz
ą
steczkach wi
ę
kszych, które łatwiej pod wpływem sił grawitacyjnych osadzaj
ą
si
ę
(sedymentuj
ą
) na dnie naczynia. Proces powstawania
Ŝ
elu nosi nazw
ę
koagulacji.
Koagulacj
ę
koloidu przeprowadzamy przez dodanie odpowiedniego elektrolitu, lub przez
podwy
Ŝ
szenie temperatury roztworu, z którego wytr
ą
cany jest osad. Np. wydzielony na gor
ą
co
Ŝ
el
Fe(OH)
3
nale
Ŝ
y szybko s
ą
czy
ć
, poniewa
Ŝ
po ochłodzeniu ma skłonno
ść
do przechodzenia w
roztwór koloidalny. Wysoka temperatura sprzyja koagulacji osadu; nale
Ŝ
y jednak unika
ć
gotowania roztworu z osadem, poniewa
Ŝ
osad staje si
ę
wtedy
ś
luzowaty i trudny do s
ą
czenia, z
powodu cz
ęś
ciowego rozpadu wi
ę
kszych aglomeratów. Zachodzi wtedy zjawisko odwrotne do
koagulacji – peptyzacja. W przypadku osadu wodorotlenku
Ŝ
elaza dopuszczalne jest
przemywanie czyst
ą
(bez elektrolitu), gor
ą
c
ą
wod
ą
, poniewa
Ŝ
osad ten trudno peptyzuje, a przy
tym odznacza si
ę
bardzo mał
ą
rozpuszczalno
ś
ci
ą
. W troch
ę
innych warunkach nale
Ŝ
y wytr
ą
ca
ć
osad np. Al(OH)
3
, który jest zwi
ą
zkiem amfoterycznym i, w zale
Ŝ
no
ś
ci od odczynu
ś
rodowiska,
zachowuje si
ę
jak kwas lub zasada. Je
ś
li chcemy wykorzysta
ć
osad wodorotlenku glinu na
potrzeby analityczne, nale
Ŝ
y wtedy zapewni
ć
takie warunki wytr
ą
cenia aby osad wytr
ą
ci
ć
całkowicie. W tym celu wytr
ą
canie osadu nale
Ŝ
y prowadzi
ć
w obecno
ś
ci soli amonowej (chlorek
lub azotan) i w temperaturze bliskiej 100ºC. Aby uzyska
ć
osad o najlepszej postaci, nadaj
ą
cy si
ę
do szybkiego oddzielenia od roztworu i odmycia od zanieczyszcze
ń
, nale
Ŝ
y przestrzega
ć
nast
ę
puj
ą
cych zasad przy wytr
ą
caniu :
- odczynnik str
ą
caj
ą
cy nale
Ŝ
y dodawa
ć
powoli przy jednoczesnym mieszaniu;
-
wytr
ą
canie osadu powinno odbywa
ć
si
ę
w podwy
Ŝ
szonej temperaturze;
-
badany roztwór i dodawany odczynnik nie powinny by
ć
roztworami st
ęŜ
onymi;
-
otrzymany osad nale
Ŝ
y przemy
ć
gor
ą
cym roztworem odpowiedniego elektrolitu.
Teoretycznie nie jest mo
Ŝ
liwe, aby całkowicie przeprowadzi
ć
dany jon z roztworu do osadu w
trakcie operacji wytr
ą
cania ale w analityce umownie przyjmuje si
ę
okre
ś
lone st
ęŜ
enie graniczne,
poni
Ŝ
ej którego (10
-5
mol/dm
3
) uzna
ć
mo
Ŝ
na,
Ŝ
e dany jon został zwi
ą
zany i wytr
ą
cony w postaci
osadu.
3
Operacj
ę
wytr
ą
cania osadu mo
Ŝ
na zako
ń
czy
ć
dopiero wtedy gdy sprawdzimy całkowito
ść
wytr
ą
cenia. W tym celu czeka si
ę
na opadni
ę
cie osadu, dodaje kilka kropel, po
ś
ciance
naczynia, odczynnika str
ą
caj
ą
cego i obserwuje czy nie wytr
ą
ca si
ę
osad. Je
ś
li osad nie został
całkowicie wytr
ą
cony, nale
Ŝ
y wytr
ą
canie kontynuowa
ć
.
W pracy laboratoryjnej uzyskany osad bardzo cz
ę
sto nale
Ŝ
y oddzieli
ć
od roztworu. W zale
Ŝ
no
ś
ci
od tego jaki rodzaj osadu został wytr
ą
cony i do jakich celów chcemy go wykorzysta
ć
, stosujemy
odpowiedni
ą
metod
ę
oddzielania.
Je
Ŝ
eli osad jest trudno rozpuszczalny, oddzielamy go od roztworu przez dekantacj
ę
,
s
ą
czenie albo wirowanie.
Dekantacja – polega na zlewaniu cieczy znad osadu, stosuje si
ę
jedynie w wypadku osadów
gruboziarnistych, ci
ęŜ
kich, łatwo opadaj
ą
cych na dno naczynia.
S
ą
czenie – polega na przepuszczeniu (przefiltrowaniu) mieszaniny przez ciało porowate (bibuła
filtracyjna, spiek), o wielko
ś
ci por odpowiednio dobranych do charakteru osadu. S
ą
czenie mo
Ŝ
na
prowadzi
ć
pod ci
ś
nieniem atmosferycznym b
ą
d
ź
– w celu przyspieszenia procesu - pod
obni
Ŝ
onym ci
ś
nieniem.
Oddzielanie osadu przez s
ą
czenie przeprowadzamy wtedy gdy osad lub roztwór wykorzystywany
jest nast
ę
pnie w celach analitycznych.
W przypadku małej ilo
ś
ci osadu i gdy potrzebna jest du
Ŝ
a efektywno
ść
jego oddzielenia od
roztworu, stosujemy odwirowywanie. Jest ono cz
ę
sto wykorzystywane w analizie jako
ś
ciowej.
Osady, które przed wa
Ŝ
eniem wystarczy wysuszy
ć
, ods
ą
cza si
ę
w tyglach szklanych z dnem
porowatym. Je
ś
li potrzebne jest pra
Ŝ
enie osadów, ods
ą
cza si
ę
je na specjalnych s
ą
czkach
(okr
ą
głych kr
ąŜ
kach wyci
ę
tych z bibuły filtracyjnej).
W laboratorium chemicznym stosuje si
ę
trzy rodzaje s
ą
czków w zale
Ŝ
no
ś
ci od wielko
ś
ci
uzyskanych ziaren osadu. W analizie wagowej stosuje si
ę
specjalne s
ą
czki o ró
Ŝ
nym stopniu
porowato
ś
ci. Do s
ą
czenia osadów drobnokrystalicznych,
jak np. BaSO
4
, CaC
2
O
4
, stosuje si
ę
s
ą
czki o
najmniejszych porach. S
ą
czki te nazywa si
ę
„twardymi” i
oznacza niebieskim kolorem i numerem 390. Do
grubokrystalicznych osadów stosuje si
ę
s
ą
czki „
ś
rednie”
oznaczone kolorem
Ŝ
ółtym i numerem 389. Osady
galaretowate, serowate s
ą
czy si
ę
na s
ą
czkach
„mi
ę
kkich” o najwi
ę
kszych porach. S
ą
czki te oznacza si
ę
kolorem czerwonym lub szarym z numerem 388.
Typowy zestaw do s
ą
czenia ( rys. 1) składa si
ę
z
lejka szklanego umieszczonego w kółku
metalowym i zlewki podstawionej pod wyciek z lejka w
ten sposób, aby nó
Ŝ
ka lejka dotykała
ś
cianki zlewki. W
lejku umieszcza si
ę
s
ą
czek o odpowiedniej wielko
ś
ci
(aby nie wystawał poza górn
ą
kraw
ę
d
ź
lejka, a raczej
poni
Ŝ
ej ok. 0,5 cm) i twardo
ś
ci, zło
Ŝ
ony na czworo i
1
2
3
3
4
1
2
3
3
4
Rys. 1. Zestaw do sączenia
1 – statyw, 2 – lejek z sączkiem,
3 – zlewka, 4 – bagietka
4
przemyty wod
ą
destylowan
ą
. Do s
ą
czenia stosujemy dwa rodzaje lejków: zwykły - z krótk
ą
nó
Ŝ
k
ą
i
analityczny – z dług
ą
nó
Ŝ
k
ą
. Lejki z dług
ą
nó
Ŝ
k
ą
umo
Ŝ
liwiaj
ą
szybsze s
ą
czenie. Aby wytr
ą
cony
osad mógł by
ć
wykorzystany w celach analitycznych, a szczególnie w analizie wagowej, musi by
ć
przemyty w celu usuni
ę
cia wszelkich zanieczyszczaj
ą
cych go jonów.
Przemywanie osadów mo
Ŝ
na przeprowadza
ć
kilkoma metodami. Jedn
ą
z nich jest
przemywanie przez dekantacj
ę
. W tym przypadku po zlaniu cieczy znad osadu, wlewa si
ę
10-30
cm
3
roztworu przemywaj
ą
cego, miesza, pozwala osadowi opa
ść
na dno naczynia, a klarown
ą
(przezroczyst
ą
) ciecz ponownie zlewa znad osadu (naturalnie przez s
ą
czek). Czynno
ś
ci te zwykle
powtarza si
ę
od 2 do 5 razy (zale
Ŝ
y od wymaga
ń
stawianych wobec osadu), po czym osad
przenosi si
ę
na s
ą
czek przy pomocy bagietki i tryskawki(z wod
ą
destylowan
ą
).
Nieco inaczej przeprowadza si
ę
przemywanie osadu na s
ą
czku. Osad przemywa si
ę
małymi porcjami roztworu przemywaj
ą
cego, pozwalaj
ą
c ka
Ŝ
dorazowo cieczy na całkowite
przes
ą
czenie si
ę
przez osad, przed dodaniem nast
ę
pnej porcji. Po kilkakrotnym przemyciu osadu
przyst
ę
puje si
ę
do sprawdzenia, czy przemycie jest dostateczne. W tym celu pobiera si
ę
kilka
kropli z ostatniej porcji przes
ą
czu i przeprowadza odpowiedni
ą
reakcj
ę
, charakterystyczn
ą
dla
danego jonu, który stanowił zanieczyszczenie osadu.
Osady krystaliczne przemywa si
ę
zwykle wod
ą
z dodatkiem soli o wspólnym jonie, w celu
zmniejszenia rozpuszczalno
ś
ci. Np. osad siarczanu baru (BaSO
4
) przemywa si
ę
wod
ą
z
dodatkiem kwasu siarkowego (H
2
SO
4
). Osady koloidowe przemywa si
ę
gor
ą
c
ą
wod
ą
z dodatkiem
mocnego elektrolitu (np. NH
4
Cl lub NH
4
NO
3
).
Procesem przeciwnym do wytr
ą
cania osadów jest ich roztwarzanie w odpowiednio
dobranych rozpuszczalnikach. W laboratorium chemicznym jako rozpuszczalniki stosuje si
ę
przede wszystkim wod
ę
i roztwory wodne innych substancji np. roztwory kwasów lub zasad.
Cz
ę
sto zamiast słowa „roztwarzanie” chemicy zwyczajowo u
Ŝ
ywaj
ą
słowa „rozpuszczanie”,
chocia
Ŝ
jest to okre
ś
lenie prawidłowo u
Ŝ
yte tylko w przypadku czysto fizycznego procesu
przeprowadzania substancji stałej do roztworu. Je
Ŝ
eli substancja przechodzi z fazy stałej do
roztworu w wyniku reakcji chemicznej danej substancji z rozpuszczalnikiem to jest to proces
roztwarzania. Mówimy wi
ę
c o rozpuszczaniu cukru czy soli kuchennej w wodzie, ale o
roztwarzaniu wodorotlenku
Ŝ
elaza w kwasie solnym czy miedzi w kwasie azotowym.
LITERATURA
1. Cyga
ń
ski A.: Chemiczne metody analizy ilo
ś
ciowej. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa
1999.
2. Szmal Z.S., Lipiec T.: Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej. Wydaw. Lekarskie
PZWL Warszawa 1996
3. Minczewski J., Marczenko Z.: Chemia analityczna T.1. PWN Warszawa 1997
4. Barycka I., Skudlarski K.: Podstawy chemii. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław
2001
5. Skrypt pod redakcj
ą
Skudlarskiego K.; Podstawy chemii,
Ć
wiczenia laboratoryjne. Wydawnictwo
Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1992
6. Krupkowa D., Toczko B., Tumidajska Z., Baron-Hanke D.;
Ć
wiczenia z chemii ogólnej. Wydawnictwo
Politechniki
Ś
l
ą
skiej, Gliwice 2002
7. Biela
ń
ski A.; Podstawy chemii nieorganicznej. T.1. PWN Warszawa 2002
5
Pytania kontrolne
1. Czym ró
Ŝ
ni si
ę
roztwór rzeczywisty od zawiesiny ?
2. Jakie znasz typy osadów ?
3. W jakich warunkach nale
Ŝ
y wytr
ą
ca
ć
osad aby miał odpowiedni
ą
posta
ć
nadaj
ą
c
ą
si
ę
do
s
ą
czenia?
4. Jak nale
Ŝ
y post
ę
powa
ć
aby spowodowa
ć
koagulacj
ę
osadów ?
5. Podaj przykłady osadów o charakterze koloidowym.
6. Napisz reakcje charakteryzuj
ą
ce własno
ś
ci amfoteryczne wodorotlenku glinu
7. Omów metody oddzielania osadu od roztworu.
8. Ile gramów CaCl
2
·6H
2
O nale
Ŝ
y odwa
Ŝ
y
ć
, aby przygotowa
ć
250 cm
3
0,2M roztworu?
9. Napisz reakcj
ę
roztwarzania Fe(OH)
3
w kwasie solnym?
10. Oblicz, jak
ą
obj
ę
to
ść
95,0 %-wego roztworu H
2
SO
4
o g
ę
sto
ś
ci 1,843 g/cm
3
nale
Ŝ
y odmierzy
ć
aby
przygotowa
ć
250 cm
3
roztworu H
2
SO
4
o st
ęŜ
eniu 1 kmol/dm
3
.
11. Jak przygotowa
ć
100,0 cm
3
1,0 %-wego wodnego roztworu amoniaku maj
ą
c do dyspozycji 36,0
%-wy roztwór amoniaku o g
ę
sto
ś
ci 0,865 g/cm
3
.
12. Nale
Ŝ
y przygotowa
ć
50 cm
3
kwasu solnego o rozcie
ń
czeniu (1:5). Jak
ą
obj
ę
to
ść
st
ęŜ
onego kwasu
solnego nale
Ŝ
y odmierzy
ć
i do jakiej obj
ę
to
ś
ci uzupełni
ć
wod
ą
.
13. Ile gramów uwodnionej soli
Ŝ
elaza (FeCl
3
.
6 H
2
O) nale
Ŝ
y odwa
Ŝ
y
ć
aby sporz
ą
dzi
ć
100,0 cm
3
1 M
roztworu FeCl
3
.
6
WYKONANIE DO
Ś
WIADCZE
Ń
Do
ś
wiadczenie 1. Sporz
ą
dzanie roztworów o ró
Ŝ
nym st
ęŜ
eniu*
a) sporz
ą
dzenie 50 cm
3
0,5 M roztworu BaCl
2
Materiały i odczynniki: dihydrat chlorku baru (BaCl
2
⋅⋅⋅⋅
2H
2
O), kolba miarowa o poj. 50 cm
3
,
naczy
ń
ko wagowe lub szkiełko zegarkowe, lejek.
Aby sporz
ą
dzi
ć
roztwór chlorku baru o okre
ś
lonym st
ęŜ
eniu, nale
Ŝ
y:
-
obliczy
ć
, mas
ę
dihydratu chlorku baru potrzebn
ą
do sporz
ą
dzenia 50 cm
3
0,5 M roztworu;
-
odwa
Ŝ
y
ć
obliczon
ą
mas
ę
na wadze technicznej lub analitycznej, zale
Ŝ
nie od wymaganej
dokładno
ś
ci w naczy
ń
ku wagowym lub szkiełku zegarkowym;
-
przenie
ść
odwa
Ŝ
k
ę
z naczy
ń
ka wagowego do kolby miarowej przez lejek, który umieszcza
si
ę
w kolbie. Nast
ę
pnie naczy
ń
ko wagowe przepłuka
ć
kilkoma niewielkimi porcjami wody
destylowanej zlewaj
ą
c j
ą
do kolby przez lejek (odwa
Ŝ
k
ą
nazywa si
ę
dokładnie zwa
Ŝ
on
ą
na
wadze analitycznej ilo
ść
substancji stałej lub cieczy);
-
do kolby miarowej (o poj. 50 cm
3
) wla
ć
wod
ę
destylowan
ą
do około ½ obj
ę
to
ś
ci kolby, i
mieszaj
ą
c ruchem okr
ęŜ
nym, rozpu
ś
ci
ć
substancj
ę
;
-
zawarto
ść
kolby uzupełni
ć
wod
ą
destylowan
ą
do kreski fabrycznej zaznaczonej na szyjce
kolby tak, aby najni
Ŝ
sza cz
ęść
menisku, któr
ą
tworzy powierzchnia roztworu, była styczna
do kreski fabrycznej kolby.
-
kolb
ę
zamkn
ąć
korkiem i dokładnie wymiesza
ć
sporz
ą
dzony roztwór (przez wielokrotne
obracanie kolby do góry dnem);
-
sporz
ą
dzony roztwór zachowa
ć
do do
ś
wiadczenia 2b.
b) sporz
ą
dzenie 100 cm
3
1 M roztworu H
2
SO
4
Materiały i odczynniki: 30 %-wy kwas siarkowy(VI) (H
2
SO
4
) o g
ę
sto
ś
ci d = 1,218 g/cm
3
,
kolba miarowa o poj. 100 cm
3
lub cylinder miarowy o poj. 100 cm
3
, pipeta o poj. 10
cm
3
(z podziałk
ą
) lub cylinder o poj. 10 cm
3
W celu sporz
ą
dzenia 100 cm
3
1 M roztworu kwasu siarkowego, nale
Ŝ
y:
- obliczy
ć
jak
ą
obj
ę
to
ść
, kwasu siarkowego o st
ęŜ
eniu 30 % i g
ę
sto
ś
ci 1218 g/dm
3
, nale
Ŝ
y
odmierzy
ć
(do kolby), aby po rozcie
ń
czeniu wod
ą
do 100 cm
3
uzyska
ć
1 M roztwór.
-
odmierzy
ć
pipet
ą
miarow
ą
obliczon
ą
obj
ę
to
ść
kwasu siarkowego 30 % -ego;
-
przenie
ść
kwas do kolby miarowej;
-
zawarto
ść
kolby uzupełni
ć
wod
ą
destylowan
ą
, zamkn
ąć
korkiem i dokładnie wymiesza
ć
-
sporz
ą
dzony roztwór zachowa
ć
do do
ś
wiadczenia 2b.
* Na zaj
ę
ciach przygotowywane b
ę
d
ą
równie
Ŝ
roztwory innych soli i kwasów.