Tabelul de determinare calitativă a ionilor. Aplicarea metodelor ionometrice în analiză

Conținând particule număr diferit protoni și electroni se numește ion. Dacă numărul de protoni este mai mare, ionul capătă o sarcină pozitivă și devine cation. Ionii cu sarcină negativă (domină electronii) se numesc anioni.

Descriere generală

Conceptul de „ion” a apărut pentru prima dată în chimie în 1834 datorită experimentelor lui Michael Faraday. Omul de știință a studiat conductivitatea electrică solutii apoase acizi, săruri, alcalii. El a sugerat că capacitatea de a conduce electricitatea se datorează mișcării particulelor încărcate - ioni - într-o soluție.

Moleculele sunt capabile să se despartă în ioni - atomi cu o deficiență sau un exces de electroni. Procesul de descompunere se numește disociere electrolitică, iar soluția sau topitura rezultată se numește electrolit. Dacă coborâți un electrod într-o soluție de electrolit, cationii vor începe să se miște spre catod - polul negativ, iar anionii - spre anod - polul pozitiv. Aceasta explică conductivitatea electrică a electroliților.

Orez. 1. Mișcarea ionilor sub acțiunea unui electrod.

În soluții sau topituri, ionii se formează sub acțiunea moleculelor de apă sau a temperaturii ridicate.

Structura

Ionii constau dintr-un nucleu și electroni care se mișcă. Nucleul este format din particule încărcate pozitiv (protoni) și particule neutre (neutroni). Numărul de protoni coincide cu numărul atomic al elementului. Numărul de neutroni este egal cu diferența dintre relativă masa atomicași numărul de protoni.

Electronii sunt aranjați în niveluri de energie. Numărul de niveluri coincide cu perioada în care se află elementul. Nivelul de energie exterior conține electroni de valență, care pot interacționa cu alți atomi. Când un atom pierde electroni de valență, devine un cation când se adaugă un electron suplimentar, devine un anion.

De exemplu, dacă se adaugă încă un electron unui atom de clor, acesta va deveni un ion încărcat negativ - un anion. Și dacă un electron este luat dintr-un atom de sodiu, acesta va deveni un ion încărcat pozitiv - un cation, deoarece numărul de protoni va deveni mai mare decât cel al electronilor negativi.

Cationii sunt marcați cu un plus în ecuații, iar anionii cu un minus. De exemplu, Fe 2+, Al 3+, Na +, F –, Cl –. Numărul înseamnă câți electroni a dat sau a acceptat atomul, devenind un ion, adică. arată gradul de oxidare. Numărul de cationi sau anioni poate fi vizualizat din tabelul de solubilitate al substanțelor.

Orez. 2. Tabel de solubilitate.

Clasificare

Ionii sunt împărțiți în două grupe:

• simplu sau monoatomic - conțin un miez, adică consta dintr-un atom al unei substanțe;
• complex sau poliatomic - conțin cel puțin două miezuri, adică constau din doi sau mai multi atomi ai unei substante.

Ionii simpli includ cationi și anioni de metale și nemetale - Na +, Mg 2+, Cl –. Ionii complecși se formează atunci când un ion se combină cu molecule neutre ale unei substanțe. De exemplu:

• NH3 + H + → NH4+;
• BF 3 + F – → BF 4 – .

Cationii sunt ioni de metale, hidrogen, amoniu și alte substanțe. Anionii sunt ion hidroxid (OH –), ioni de reziduuri acide, nemetale și alte substanțe.

Unii atomi pot deveni cationi sau anioni în funcție de reacție.

De asemenea, sunt eliberați ioni radicali - particule încărcate libere care se pot atașa atomilor sau se pot atașa de atomii altor substanțe. În funcție de sarcină, aceștia sunt împărțiți în cationi radicali și anioni radicali.

O legătură ionică este o clasă de compuși de ioni. Legătura ionică are loc ca urmare a atracției electrostatice a anionilor și cationilor. În acest caz, un atom cu electronegativitate mai mare atrage un atom cu electronegativitate mai mică. Legătura ionică are loc în principal între ionii metalici și nemetalici. Un metal renunță întotdeauna la electroni, adică. este un agent reducător.

Orez. 3. Schema legăturii ionice.

Ce am învățat?

Din tema lecției am învățat ce sunt ionii. Un atom devine un ion atunci când electronii sunt îndepărtați sau adăugați. Dacă sunt mai puțini electroni, atunci atomul capătă o sarcină pozitivă datorită predominanței protonilor și devine cation. Pe măsură ce numărul de electroni încărcați negativ crește, atomul devine anion. Ionii sunt capabili să transmită electricitate și sunt prezenți în mod necesar în electroliți. Între ioni apare legătură ionică datorită atracției electrostatice a particulelor încărcate negativ și pozitiv.

Test pe tema

Evaluarea raportului

Evaluare medie: 4.6. Evaluări totale primite: 126.

Apa este una dintre acele substanțe fără de care existența vieții, în special a oamenilor, pe Pământ este imposibilă. Calitatea apei consumate de o persoană îi afectează în mod direct sănătatea și, în consecință, speranța de viață. Astfel, utilizarea apei în viața de zi cu zi fără o purificare adecvată poate provoca epidemii de holeră și o serie de alte boli la fel de periculoase.

Prezența sărurilor de metale grele în apă este inacceptabilă, deoarece toate sunt toxice într-o măsură sau alta și se pot acumula în corpul uman. Din acest punct de vedere, mercurul, plumbul, cadmiul, cuprul și cromul sunt deosebit de periculoase. Conținutul de fier din apă este de obicei destul de mare, prin urmare, deși nu este clasificat drept metal greu, este inclus și în lista elementelor supuse controlului. În acest caz, ambii ioni colorați (






etc.), a cărui prezență este relativ ușor de detectat prin culoarea caracteristică a apei și incoloră (





), a cărui prezență se stabilește numai cu ajutorul unor reacții chimice speciale.

Ioni de zinc incolori

Zincul este un element cu toxicitate relativ scăzută, dar excesul său poate duce la boli intestinale acute și vărsături. Sursele de zinc din apa naturală sunt deșeurile din industria metalurgică, produsele de coroziune ale aliajelor și acoperirilor de zinc și apele de minereu.

Concentrația maximă admisă de zinc în apa naturală este de 5 mg/l.

Experimentul 1. Determinarea zincului

a) Determinare cu sulfură de sodiu.

Când se adaugă la o soluție care conține cationi
, sulfura de sodiu formează un precipitat alb de sulfură de zinc

.

Este singurul cation metalic cunoscut care formează o sulfură albă.

Adăugați 2-3 picături de soluție de sulfură de sodiu la câteva picături din soluția de testat. Notați rezultatele experimentului (reduceți experimentul sub tracțiune!).

b) Determinarea prin alcalii.

Sub influența hidroxizilor puternici (alcalii)
sau
o soluție care conține cationi de zinc formează un precipitat alb de hidroxid de zinc
, solubil datorită proprietăților sale amfotere atât în ​​acizi, cât și în alcalii:

Spre deosebire de aluminați, atunci când sunt expuși la o soluție care conține
, clorură de amoniu, nu are loc formarea precipitatului de hidroxid de zinc, deoarece acesta din urmă este solubil în săruri de amoniu.

Se toarnă în eprubetă o soluție care conține cationi de zinc, câteva picături de soluție alcalină 2 N până când apare un precipitat alb și apoi excesul de alcali până se dizolvă. Înregistrați rezultatele experimentului.

c) Determinarea hexacianoferrat de potasiu (II)
.

Reactivul specificat formează un precipitat alb de sare dublă cu cationi de zinc

solubil în alcali.

Adăugați 2 - 3 picături de soluție la soluția de sare de zinc
. Înregistrați rezultatele experimentului.

Cadmiul este unul dintre cele mai toxice elemente. Se acumulează în organism și este îndepărtat din acesta foarte încet. Perioada în care concentrația de cadmiu adsorbită de organism va scădea la jumătate depășește 10 ani.

Acumularea de cadmiu în organism duce la formarea de pietre la rinichi, hipertensiune arterială, scăderea hemoglobinei din sânge și distrugerea sistemului nervos.

Principalele surse de cadmiu care intră în mediu sunt acoperirile cu cadmiu, bateriile și fumul de țigară. Este suficient să spunem că sângele fumătorilor conține de aproximativ 7 ori mai mult cadmiu decât sângele nefumătorilor.

Concentrația maximă admisă de cadmiu în apa naturală este de 0,001 mg/l.

Experimentul 1. Detectarea ionilor sulfat

Se toarnă 1-2 ml de soluție de sulfat de sodiu într-o eprubetă și 1-2 ml de soluție de sulfat de potasiu în cealaltă. Adăugați soluție de clorură de bariu picătură cu picătură în ambele eprubete. Explicați ce ați observat.

Alcătuiți ecuații disociere electrolitică sărurile luate și ecuația reacției de schimb. Notați complet și prescurtat ecuații ionice reactii.

Ce compuși pot servi ca reactiv pentru ionii de bariu Ba 2+?

Care este esența detectării ionilor folosind un reactiv?

Experimentul 2. Detectarea ionilor de clorură de Cl -

Folosind tabelul de solubilitate, aflați care săruri care conțin ionul clorură Cl - sunt insolubile (puțin solubile). Folosind reactivii pe care îi aveți, demonstrați că ionii de clorură sunt prezenți în soluția de clorură de sodiu.

Alcătuiți ecuații pentru disocierea sărurilor, reacții de schimb și ecuații ionice complete și prescurtate pentru reacțiile efectuate.

Experimentul 3. Detectarea ionilor sulfat și clorură Cl -

Două eprubete conțin soluții de clorură de potasiu și sulfat de magneziu. Ce reacții pot fi folosite pentru a demonstra că o eprubetă conține o soluție de clorură de potasiu, iar cealaltă conține o soluție de sulfat de magneziu?

Se împarte soluția din prima eprubetă în jumătate și se toarnă în două eprubete. Se toarnă o soluție de azotat de plumb (II) într-o eprubetă și o soluție de clorură de bariu în cealaltă. În ce eprubetă s-a format precipitatul? Ce sare - KCl sau MgSO 4 - este conținută în prima eprubetă?

Testați soluția din a doua eprubetă pentru prezența unui anion care nu se găsește în prima eprubetă. Pentru a face acest lucru, adăugați o soluție de nitrat de plumb (II) la soluția de testare. Explicați ce ați observat.

Creați ecuații de schimb pentru reacțiile pe care le-ați efectuat și completați și prescurtați ecuațiile ionice pentru reacțiile de detecție a ionilor.

Experiența 4

Efectuați reacții care confirmă compoziția calitativă a următoarelor substanțe: a) clorură de bariu; b) sulfat de magneziu; c) carbonat de amoniu. Utilizați Tabelul 12 pentru a efectua acest experiment.

Tabelul 12
Determinarea ionică

Metodele de analiză calitativă se bazează pe reacții ionice, care permit identificarea elementelor sub forma anumitor ioni. În timpul reacțiilor, se formează compuși puțin solubili, compuși complecși colorați, are loc oxidarea sau reducerea cu schimbarea culorii soluției.

Pentru identificarea prin formarea de compuși puțin solubili, sunt utilizați atât precipitanți de grup, cât și individuali. NaCI serveşte ca agenţi de precipitare a grupului pentru ionii Ag+, Pb2+ şi Hg2+; pentru cationi Ca 2+, Sr 2+, Ba 2+ - (NH 4) 2 CO 3, pentru ionii Al 3+, Cr 3+, Fe 3+, Fe 2+, Mn 2+, Co 2+, Ni 2 +, Zn2+-(NH4)2S.

Există mulți reactivi organici și anorganici care formează precipitate sau complexe colorate cu cationi (tabel):

Reactiv	Formula	Cation	Produs de reacție
alizarina	C14H6O2(OH)2	Al 3+	Sediment roșu aprins
Benzidină	C12H8 (NH2)2	Cr6+, Mn7+	Conexiune albastră
Hexahidroxostibiat de potasiu	K	Na+	Sediment alb
Hexanitrocobaltat de sodiu	Na3Co(NO2)6	K+	Precipitat galben
hexacianoferat de potasiu (II)	K 4	Fe 3+	Sediment albastru închis
α-dimetilglioximă	C4N2H8O2	Cu 2+	Sediment roșu-brun
Dipicrilamină	2 NH	Ni2+, Fe2+, Pb2+	Sediment roșu aprins
Ditizonă în cloroform	C13H12N4S	K+	Precipitat portocaliu-rosu
Bicromat de potasiu	K2Cr2O7	Zn 2+	Soluție roșie zmeură
Magnezon IREA	C16H1005N2SC1Na	Ca2+	Sediment portocaliu
Murexide	C8H6N6O6	Mg 2+	Soluție roșu aprins
Rodamină B	C24H21O3N2CI	Ca2+	Soluție roșie
Negru cromogen	C20H13O7N3S	Sr2+, Ba2+ - Mg2+	Soluție violet Soluție albastră Soluție roșu vin

Compușii metalici volatili colorează flacăra arzătorului într-o culoare sau alta. Prin urmare, dacă adăugați substanța studiată pe un fir de platină sau nicrom într-o flacără incoloră a arzătorului, flacăra se va colora în prezența anumitor elemente din substanță, de exemplu, în următoarele culori: galben strălucitor (sodiu), violet (potasiu), roșu cărămidă (calciu), roșu carmin (stronțiu), galben-verde (cupru, bor), albastru pal (plumb, arsen).

Anionii sunt de obicei clasificați în funcție de solubilitatea în sare sau proprietățile redox. Atâția anioni (SO 4 2 -, SO 3 2 -, CO 3 2 -, SiO 3 2 -, F -, PO 4 3 -, CrO 4 2 - etc.) au o grupare reactivă BaCl 2 într-un mediu neutru sau mediu ușor acid, deoarece sărurile de bariu și acești anioni sunt ușor solubili în apă. Reactivul de grup din soluția de HNO3 pentru ionii Cl-, Br-, I-, SCN-S2-, ClO-, 4- și alții este AgNO3. În ceea ce privește cationii, există reactivi pentru anumiți anioni (tabel):

Clasificarea anionilor în funcție de proprietățile lor redox este dată în tabel:

Identificarea chimică a unei substanțe se bazează în principal pe reacțiile de precipitare, complexare, oxidare și reducere, neutralizare, în care se formează un precipitat colorat, modificarea culorii soluției sau eliberarea de substanțe gazoase.

A) Determinarea ionilor de clorură

Analiza ionometrică a apei naturale și potabile pentru conținutul de ioni se bazează pe măsurarea potențialului de echilibru al unui electrod cu membrană ion-selectivă scufundat într-o soluție a ionului analizat. Potențialul este măsurat în raport cu un electrod de referință echipat cu o punte de sare umplută cu soluție de azotat de potasiu 1 M folosind un monomer (vezi Fig. 12.1).

Când se efectuează măsurători potențiometrice pentru a determina concentrațiile de substanțe individuale prin potențiometrie directă sau prin titrare potențiometrică, se instalează o celulă, formată dintr-un electrod indicator și un electrod de referință. De regulă, este un pahar obișnuit. Soluția din celulă este agitată folosind un agitator mecanic sau magnetic.

Concentrația ionului analizat se găsește din graficul de calibrare. Graficul este reprezentat în coordonate "E -(-lgС)".

Echipamente și reactivi

Electrod ion selectiv pentru ionul C1.

Pipete de măsurare 10 ml.

Pahare de sticlă pentru 100, 250 ml.

Hârtie de filtru.

Clorura de potasiu.

Azotat de potasiu, soluție 1M.

Folosind cântăriri precise, se prepară o serie de soluții standard de clorură de potasiu (10 "-10 'M) cu o putere ionică constantă creată de o soluție 1 M de azotat de potasiu. Dependența potențialului electrodului ion-selectiv de se îndepărtează concentrația de clorură de potasiu și se construiește un grafic de calibrare, în ordinea creșterii concentrației de soluții, electrozii sunt spălați cu apă distilată și uscați cu hârtie de filtru este construit graficul.

C x ( mol/l) ioni de clor în apa potabilă și naturală, folosind graficul de calibrare construit.

Concentrația ionilor de clorură (g/l) se calculează în grame folosind formula

Rezultatele măsurătorilor sunt introduse sub forma unui tabel. 12.8.

Tabelul 12.8

Rezultatele determinării ionometrice a ionilor de clor în apă

B) Determinarea ionilor de fluor

Când se analizează obiecte naturale și industriale, trebuie amintit că ionul F în soluții acide sau în prezența ionilor de Fe 3+ și Al 3+ se prezintă sub formă de complexe acid HF și fluorură slab disociate ale acestor metale. Prin urmare, pH-ul soluției este ajustat la 5-7 și se adaugă și citrat de sodiu, care formează complexe mai puternice cu ionii de fier și aluminiu.

Echipamente și reactivi

Electrodul indicator este un electrod ion-selectiv pentru ionul F. Înainte de lucru, înmuiați electrodul în 0,001 M NaF timp de 24 de ore. Inainte de masurare se spala si se lasa 10-20 minute in apa distilata, apoi se usuca cu hartie de filtru.

Electrod de referință, clorură de argint.

Pahare din polietilenă cu o capacitate de 50 ml.

Baloane cotate, 100 ml 6 buc., 1000 ml 1 buc.

Cilindri cu o capacitate de 50, 100, 1000 ml.

Pipete de măsurare pentru 10 și 25 ml.

Soluția standard este o soluție de fluorură de sodiu 0,1 M (o probă de 4,200 g este dizolvată într-un balon cotat de 1000 ml).

Soluția de fond este o soluție de sulfat de sodiu 1M (o probă de 142 g de Na 2 S0 4 sau 322 g de Na 2 S0 4 × YN 2 0 se dizolvă într-un balon cotat de 1000 ml).

Acid azotic, soluție 0,01 M.

Amoniac, soluție apoasă 0,01 M.

Descrierea definiției

La pregătirea soluțiilor pentru măsurători, același exces de electrolit de fond este introdus în soluțiile standard și analizate. În acest caz, putem presupune că puterea ionică este constantă în toate soluțiile.

Din soluția standard principală cu o concentrație de ioni de fluor de 10 "M, se prepară șase soluții cu concentrații de NaF (M) diluând-o succesiv cu o soluție de 1 M Na 2 S0 4: 10 ", 10" 2, 10 3 , 10 10 5, 10 6. Pentru această pipetă se introduc 10 ml de soluție 10 "M NaF într-un balon cotat de 100 ml și se ajustează volumul la semn cu o soluție de fond (1 M Na 2 S0 4). Din soluția rezultată de 102 M NaF, soluțiile rămase sunt preparate prin diluare secvențială cu o soluție de fond folosind o procedură similară. Începând cu soluția cu cea mai mică concentrație, potențialul electrodului selectiv de fluor este măsurat secvenţial în toate soluţiile standard, iar rezultatele măsurătorii sunt înregistrate sub forma unui tabel similar cu tabelul. 9.8. Pe baza rezultatelor măsurătorilor, se construiește un grafic de calibrare.

La determinarea concentrației ionului de fluor în soluția analizată, este necesar să se pregătească o soluție cu aceeași putere ionică. Pentru a face acest lucru, 5 ml din soluția de testat se diluează cu Na 2 S0 4 1 M într-un balon de 50 ml. pH-ul este verificat cu hârtie indicator și ajustat cu 0,01 M HNO:j sau NH4OH la o valoare de 5,0-5,5.

Se măsoară potențialul electrodului selectiv de fluor din această soluție. Valoarea рХ = -lg este determinată din graficul de calibrare. Rezultatele sunt înregistrate sub formă de tabel.

Este necesar să se determine conținutul de ion de fluor în sarcini de control, verificați răspunsul cu profesorul și calculați eroarea relativă de măsurare.

B) Determinarea ionilor de nitrat

Analiza ionometrică a apei naturale și potabile pentru conținutul de ioni de azotat se bazează pe măsurarea valorii potențialului de echilibru al unui electrod membranar ion-selectiv scufundat într-o soluție a ionului analizat. Membrana conține un schimbător de ioni lichid cu săruri de amoniu cuaternar. Potențialul este măsurat pe monomer în raport cu un electrod de clorură de argint umplut cu o soluție saturată de clorură de potasiu.

Echipamente și reactivi

Electrod ion-selectiv pentru ion NQ.,-hoh.

Electrod de referință cu clorură de argint.

Pipete 10 ml.

Pahare din sticla pentru 100 si 250 ml.

Clorura de potasiu.

Azotat de potasiu, soluție 10 "M.

Sulfat de potasiu, soluție 1M.

1. Determinarea ionilor de azotat folosind metoda graficului de calibrare.

Cu ajutorul unei cântăriri precise, se prepară o soluție standard de azotat de potasiu 10 "M. Prin diluarea succesivă a soluției standard inițiale se prepară soluții de 10 2 -10 5 M cu o putere ionică constantă creată de o soluție 1 M de sulfat de potasiu ( fundal L). Se îndepărtează dependența potențialului electrodului ion-selectiv de concentrația de azotat de potasiu de solutii dupa fiecare masurare, electrozii sunt spalati cu apa distilata si uscati cu hartie de filtru.

Se măsoară valorile potențialelor de echilibru ale soluțiilor analizate. Determinați concentrația C x(mol/l) nitrați din apa potabilă și naturală, folosind graficul de calibrare construit. Rezultatele sunt introduse sub formă de tabel.

Concentrația ionilor de azotat în g/l se calculează folosind formula

unde M(N0 3) - masa molara ion egal cu 62,01 g/mol.

2. Determinarea ionilor de azotat prin metoda aditivă.

Cu ajutorul unei cântăriri precise, se prepară o soluție standard de azotat de potasiu 10 "M. Prin diluarea succesivă a soluției standard inițiale se prepară soluții cu concentrații de 10 2 -10 J M cu o putere ionică constantă creată de o soluție 1 M de sulfat de potasiu ( fundal A). Se îndepărtează dependența potențialului electrodului ion-selectiv de concentrația de azotat de potasiu și se construiește un grafic de calibrare. După fiecare măsurătoare, electrozii sunt spălați apă și uscate cu hârtie de filtru. Rezultatele măsurătorilor sunt prezentate sub forma tabelului 12.9.

Tabelul 12.9

Rezultate potențiale de măsurare în funcție de pNO: , pentru a construi un grafic de calibrare

Valoarea forței ionice este calculată pentru fiecare soluție folosind formula

Cu cât puterea ionică a soluției este mai mare, cu atât coeficientul de activitate al fiecărui ion este mai mic și concentrația sa activă este mai mică.

Coeficientul de activitate se găsește din datele tabelare (Tabelul 12.10) sau din formula Debye-Hückel

Valorile coeficientului de activitate

Valoarea pN0 3 este calculată ca logaritm negativ al activității ionilor de azotat:

Construiți un grafic de dependență „E- pN0 3 "și determinați panta (5) a funcției electrodului (în milivolți). Valoarea pantei rezultată este utilizată în formula de calcul în metoda aditivă. De remarcat cum diferă de valoarea teoretică (0,0591/u la 25°C).

Pentru a determina concentrația ionului de nitrit din proba analizată, este necesar să se măsoare potențialul (/;) înainte și după adăugarea unei soluții standard de KNO;j. Pentru a face acest lucru, o alicotă de 20,00 ml din soluția analizată este plasată într-un pahar uscat, electrozii sunt coborâți în el și se măsoară potențialul (?,). Apoi adăugați 2-3 picături de soluție standard KN0 3 folosind o micropipetă de 1-2 ml. După fiecare adăugare, amestecați soluția cu un agitator magnetic. Apoi se măsoară potențialul (? 2) și se determină modificarea acestuia față de soluția analizată (D E = E., -?,). Făcând schimbări AE cel puțin 30 mV, introducând 2-3 aditivi într-o porțiune a probei.

Calculați rezultatul determinării folosind mai mulți aditivi, cunoscând volumul P st al soluției adăugate cu concentrația C st, volumul soluției analizate V r(20 ml) și neglijând diluarea, conform formulei

Unde AE- modificarea potenţialului observată după adăugare, mV; 5 - panta functiei electrodului, stabilita conform graficului, mV. Conținutul de ioni de azotat (în g/l) din soluția analizată se calculează folosind formula

unde M(NQ 3) este masa molară a ionului, egală cu 62,01 g/mol.