1.6: Determinazione delle regole di solubilità di composti ionici

1. Metodi generali

1. Preparazione per l'analisi qualitativa
   1. Le reazioni sono generalmente fatte in piccole provette con volume di 5 ml o meno.
   2. Le soluzioni devono essere completamente solubili e devono essere relativamente diluite, in genere ~ 0,1 M.
   3. I reagenti devono essere aggiunti lentamente in termini di goccia e osservati attentamente.
   4. Sono necessarie diverse "soluzioni di prova" comuni per stabilire regole di solubilità o identificare uno ione sconosciuto. Questi contengono ioni noti per reagire specificamente con alcune specie chimiche (cationi o anioni).
      1. Le soluzioni comuni includono CaNO₃, BaCl₂, (NH₄)₂MoO₄, HCl, AgNO₃e NaOH e altre soluzioni secondo necessità.
2. Miscelazione
   1. Mescolare le soluzioni picchiettando o ruotando la provetta in direzione verticale. Utilizzare un tappo o un tappo per evitare schizzi della soluzione.
   2. Rimuovere il tappo o il tappo, quindi riscaldare delicatamente le soluzioni con un bagno d'acqua o una fiamma fredda per indurre una reazione. Puntare la provetta lontano da qualsiasi individuo in laboratorio.
3. Osservazione e recupero
   1. Separare il surnatante (soluzione non reagente) e precipitare usando la centrifugazione. Se si forma più precipitato quando viene aggiunto ulteriore ione di prova, la reazione è incompleta. Continuare ad aggiungere ioni di prova fino a quando non si formano più precipitati.
   2. Lavare il precipitato con centrifugazione e versando o decantando il surnatante. Aggiungere altra acqua e ripetere il processo per un totale di tre lavaggi.
   3. Lavare grandi quantità di precipitato mediante filtrazione sotto vuoto e recuperare il precipitato essiccato dalla carta da filtro.
   4. Si noti la formazione di un precipitato e le proprietà del precipitato come colore, spessore (gelatinoso, torbido, fine) e formazione di cristalli.
4. Sicurezza e Rifiuti
   1. Indossare sempre occhiali di sicurezza durante l'esecuzione di esperimenti di analisi qualitativa. I guanti possono anche essere necessari in base ai reagenti utilizzati e ai prodotti formati.
   2. I metodi adeguati di smaltimento dei rifiuti devono essere seguiti da vicino. I prodotti nocivi possono formarsi quando più reagenti sono combinati in un unico contenitore.

2. Analisi degli anioni

1. Identificazione di ioni fosfato, carbonato, cloruro e solfuro; PO₄^3-, CO₃^2-, Cl^-, S^2-
   1. Fosfato
      1. Aggiungere una soluzione contenente fosfato, PO₄^3-, ad un'altra soluzione contenente ioni calcio, Ca²⁺. La formazione di un precipitato bianco indica la formazione di fosfato di calcio, Ca₃(PO₄)₂.
      2. Poiché molti cationi formano prodotti insolubili con calcio, è possibile una reazione più specifica. Aggiungere H⁺ (acido) a Ca₃(PO₄)₂ per sciogliere il solido e formare HPO₄^2-. Quindi combinare l'HPO₄^2- con molibdato di ammonio, (NH₄)₂MoO₄. Un test positivo produce il precipitato giallo di fosfomolybdate di ammonio, NH₄)₃PO₄(MoO₃)₁₂(s). Le reazioni ioniche nette sono le seguenti:
         3 Ca²⁺(aq) + 2 PO₄^3-(aq) → Ca ₃PO₄(s)
         Ca₃PO₄(s) + 2 H⁺(aq) → 3 Ca²⁺ + 2 HPO₄^2- (aq)
         HPO₄^2-(aq) + 12 (NH₄)₂MoO₄(aq) + 23 H⁺(aq) → (NH₄)₃PO₄ (MoO₃)₁₂(s) + 21 NH₄⁺(aq) + 12 H₂O(l)  
   2. Carbonato
      1. I sali di carbonato sono generalmente insolubili tranne che in presenza di cationi di gruppo 1 e ammonio. Aggiungere qualche goccia di cloruro di calcio, CaCl_2,alla soluzione contenente carbonato. In soluzioni con alte concentrazioni di carbonato, si forma un precipitato bianco e indica la possibile formazione di fosfato di calcio, CaCO₃. La reazione ha molte interferenze, tra cui altri anioni come il fosfato.
         Ca²⁺(aq) + CO₃^2-(aq) → CaCO₃(s)  
      2. Aggiungere H⁺ (acido) ad una soluzione contenente carbonato, CO₃^2-. La formazione di bolle indica la presenza di CO₂, che significa CO₃^2- come reagente. Lo ione carbonato si comporta come una base in presenza di acido forte per formare gas e acqua di anidride carbonica.
         CO₃^2-(aq) + H⁺(aq) → CO₂(g) + H₂O(l)
   3. Cloruro
      1. Aggiungere il nitrato d'argento a una soluzione contenente cloruro. La formazione di un precipitato bianco indica la formazione di AgCl(s):
         Ag⁺(aq) + Cl^-(aq) → AgCl(s)
   4. Solfuro
      1. Aggiungere una soluzione di cloruro di rame a una soluzione contenente solfuro. La formazione di un precipitato nero indica la formazione di solfuro di rame, CuS. In generale, le soluzioni contenenti ioni solfuro, S^2-, reagiscono con gli ioni metallici per produrre un solfuro metallico insolubile.
         S^2- + Cu²⁺ → CuS(s). 
         Il valore del prodotto di solubilità, K_sp = 6,3 x 10^-36, indica l'alto grado di insolubilità del prodotto.

3. Analisi dei cationi

1. Tutti i metalli alcalini (gruppo 1) e alcuni metalli alcalino-terrosi (gruppo 2) sono solubili tranne che in condizioni specifiche.
2. Quasi tutti i metalli del gruppo 3-13 sono considerati insolubili in presenza di solfuro, carbonato, fosfato e idrossido. Il colore e il tipo di precipitato varieranno.
   1. Posizionare una soluzione di cromo in una soluzione di idrossido. Si osserverà un precipitato verde. La reazione generale di un metallo +2 con un idrossido è mostrata di seguito:
      M²⁺ + OH^- → M(OH)₂(s)
   2. Non è possibile differenziare la maggior parte degli ioni metallici in base alla sola solubilità con alcune eccezioni degne di nota:
      1. L'aggiunta di argento, Ag⁺, mercurio,_{Hg 2}²⁺, o piombo, Pb²⁺ a cloruro, bromuro o ioduro provoca la formazione di precipitati.
      2. L'aggiunta di stronzio, Sr²⁺, bario, Ba²⁺, mercurio,_{Hg 2}²⁺, o piombo, Pb²⁺ provoca un precipitato in presenza di solfato.
      3. Ba²⁺ forma un solido giallo in presenza di CrO₄^2-, BaCrO₄(s). Questo è il pigmento utilizzato nella vernice a base di olio comunemente noto come "giallo bario".
3. L'insolubilità limitata degli ioni metallici consente ad altri test qualitativi di identificare positivamente ciascun metallo. Mentre alcuni precipitano, altri subiscono cambiamenti di colore unici in presenza di ioni o molecole chelanti. Le identificazioni dei cationi includono nichel, ferro, alluminio e zinco; Ni²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, Zn²⁺.
   1. Aggiungere nichel (II) in presenza di dimetilglioxima (H₂dmg) per formare il precipitato rosso rosa Ni(H₂dmg):
      Ni²⁺(aq) + 2 H₂dmg(aq) → Ni(Hdmg)₂(s) + 2 H⁺(aq) 
   2. Aggiungere Ferro (III) allo ione tiocianato, SCN^- per formare il complesso rosso sangue [FeNCS]^2+]:
      Fe³⁺(aq) + SCN^-(aq) → [FeNCS]²⁺(aq)
   3. Ioni di alluminio
      1. Combinare l'alluminio (III) con il pirocatecolo viola in una soluzione tampone di acetato di ammonio pH 6 per formare una soluzione blu.
      2. L'alluminio (III) viene anche precipitato in presenza di una base debole per formare il composto gelatinoso bianco Al(OH)₃(s). L'aggiunta di più base fa sì che il composto formi il complesso solubile chiaro e incolore [Al(OH)₄]^-(aq).
   4. Ioni di zinco
      1. Aggiungere zinco (II) a una piccola quantità di base per formare un precipitato bianco. Quindi aggiungere più base per ri-dissolvere il precipitato e formare il solubile [Zn(OH)₄]^2- complesso.
      2. Aggiungere zinco (II) all'esacianoderrato di potassio, K₄[Fe(CN)₆] per formare il precipitato verde chiaro K_{2Zn 3}[Fe(CN)₆]₂(s):
         3 Zn²⁺(aq) + 2 K₄[Fe(CN)₆](aq) → K₂Zn₃[Fe(CN)₆]₂(s) + 6 K⁺(aq)  

L'andamento delle proprietà di solubilità dei composti ionici può essere utilizzato per l'analisi qualitativa delle soluzioni ioniche. Quando un composto viene aggiunto a una miscela di soluzioni ioniche, possono formarsi molti prodotti, ciascuno con diverse proprietà di solubilità. Se un solo prodotto è insolubile, da solo lascerà la soluzione. Eseguendo reazioni sequenziali, gli ioni in una soluzione possono essere sistematicamente identificati e isolati.

Sebbene esista una varietà di strumenti analitici per l'analisi elementare, le tecniche sono spesso dispendiose in termini di tempo o richiedono il trasporto di campioni tra i laboratori. Le tecniche analitiche qualitative, come l'esame delle proprietà di solubilità, sono metodi di pre-screening rapidi e accessibili per l'analisi.

Questo video introdurrà le proprietà di solubilità dei composti ionici, dimostrerà le procedure per precipitare selettivamente i composti ionici e introdurrà alcune applicazioni dell'analisi qualitativa utilizzando le tendenze di solubilità in ambienti industriali.

I composti ionici sono composti da un catione e da un anione. Quando si verifica una reazione tra due diversi composti ionici, il catione di un composto viene attratto elettrostaticamente dall'anione di un altro, formando un nuovo composto. Gli ioni che non partecipano alla reazione sono chiamati ioni spettatori e vengono omessi dalla reazione ionica netta. Quando un composto ionico si dissolve, interagisce in modo reversibile con le molecole di solvente e gli ioni si dissociano. Se l'interazione tra uno ione e il nuovo contro-ione è più forte che tra lo ione e le molecole del solvente, sarà più favorevole per il prodotto essere in fase solida. La formazione di prodotto solido dalla soluzione è nota come precipitazione e il solido è chiamato precipitato.

Gli ioni possono essere isolati selettivamente dalla soluzione inducendo reazioni con precipitati insolubili. Per progettare queste reazioni, cationi e anioni sono assegnati a grandi categorie in base all'andamento della solubilità. I cationi sono raggruppati identificando l'anione comune ai loro prodotti di reazione insolubili, e gli anioni sono similmente raggruppati per cationi comuni. Le soluzioni di questi ioni comuni vengono utilizzate per testare questi gruppi.

Quando si desidera la separazione per ioni appartenenti allo stesso gruppo, è possibile utilizzare reagenti specializzati o soluzioni concentrate per indurre reazioni selettive una volta che gli ioni di quel gruppo sono stati isolati. Questi reagenti specializzati possono essere utilizzati anche per confermare l'identità di uno ione isolato. Ora che hai compreso i principi alla base dell'analisi qualitativa degli ioni, esaminiamo una tecnica per analizzare una soluzione per fosfato, seguita da una procedura per separare una miscela di cationi metallici.

Per analizzare una soluzione per fosfato, preparare prima soluzioni di prova diluite di calcio acquoso, ortomolibdato di ammonio e acido nitrico concentrato. Quindi, mettere 5 ml della soluzione sconosciuta in una provetta.

Aggiungere la soluzione di calcio goccia a goccia alla soluzione incognita. La formazione di un precipitato bianco potrebbe indicare la presenza di fosfato di calcio, o carbonato di calcio. Per verificare la presenza di fosfato, aggiungere lentamente acido nitrico alla provetta. La dissoluzione del precipitato indica che si è formato l'idrogeno fosfato. La mancanza di bolle di gas indica che non è presente carbonato, poiché il carbonato avrebbe reagito con l'acido per formare anidride carbonica e acqua.

Infine, aggiungere lentamente l'ortomolibdato di ammonio alla provetta. Il fosfomolibdato di ammonio si forma come un precipitato giallo, confermando la presenza di fosfato nella soluzione.

Innanzitutto, preparare le soluzioni di test diluite come elencato nel protocollo di testo. Procurarsi quattro provette e tappi adatti per l'uso in centrifuga. Mettere una miscela acquosa di zinco, nichel, argento e nitrati di ferro in una provetta. Per iniziare la separazione, aggiungere prima lentamente l'acido cloridrico diluito alla miscela, agitando delicatamente. Il precipitato bianco che si forma è il cloruro d'argento. Continuare ad aggiungere la soluzione di cloruro fino a quando non si forma più precipitato.

Separare il liquido, o surnatante, e il cloruro d'argento solido mediante centrifugazione. Decantare il surnatante nella seconda provetta. Lavare il cloruro d'argento tre volte con acqua e travasare ogni lavaggio nella seconda provetta. Quindi, aggiungere la soluzione di idrossido di sodio goccia a goccia nella seconda provetta. Si formeranno tre precipitati: idrossido di zinco bianco, idrossido di ferro giallo e idrossido di nichel verde. Continuare ad aggiungere idrossido di sodio fino a quando il composto di zinco bianco solido non si dissolve, formando lo ione zincato solubile. Separare la soluzione di zinco e i composti solidi di nichel e ferro mediante centrifugazione, quindi decantare la soluzione nella terza provetta. Lavare i solidi con acqua tre volte e travasare ciascuno nella soluzione di zinco.

Aggiungere lentamente acido cloridrico alla soluzione di zinco nella terza provetta fino a quando l'idrossido di zinco precipita e poi si dissolve.

Quindi, aggiungere l'esacianoferrato di potassio goccia per goccia alla soluzione di zinco per formare l'esacianoferrato di zinco di potassio come precipitato bianco. Ora, alla provetta contenente idrossido di nichel solido e idrossido di ferro, aggiungere lentamente l'ammoniaca per formare lo ione esammina di nichel blu solubile. Separare la soluzione di nichel dall'idrossido di ferro solido mediante centrifugazione e travasare la soluzione di nichel nella quarta provetta. Lavare l'idrossido di ferro tre volte con acqua e travasare i lavaggi nella soluzione di nichel. Quindi, aggiungere lentamente la dimetilgliossima alla soluzione di nichel per formare la dimetilgliossima di nichel come precipitato rosso. All'idrossido di ferro solido, aggiungere con cautela acido cloridrico concentrato per formare una soluzione di cloruro ferrico. Per confermare la presenza di ferro, aggiungere tiocianato per formare il catione tiocianatoferro rosso intenso.

La semplicità e la velocità di esecuzione dell'analisi qualitativa degli ioni in soluzione rende questa tecnica ampiamente utilizzata nella chimica ambientale e nell'industria.

Quando l'acqua contiene un'alta concentrazione di cationi metallici come il calcio o il magnesio, si parla di acqua dura. Questi cationi metallici possono reagire con gli anioni nell'acqua, come il carbonato, per formare depositi gessosi che ostruiscono i tubi o gli scaldabagni. La durezza dell'acqua può essere valutata aggiungendo una soluzione di carbonato a un campione d'acqua. Il precipitato bianco indica alti livelli di calcio.

Il fosfato è un nutriente importante per molte forme di vita e viene quindi utilizzato sia nei fertilizzanti industriali che in quelli da giardino, ma un eccesso di fosfato può essere dannoso, in particolare negli ambienti di acqua dolce. Le acque reflue nelle aree residenziali e commerciali possono essere testate per i fosfati aggiungendo acido nitrico e ortomolibdato di ammonio. Il precipitato giallo indica alti livelli di fosfati.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alle regole di solubilità per gli ioni. A questo punto dovreste avere familiarità con i principi delle reazioni ioniche, alcune procedure per l'analisi qualitativa delle soluzioni e alcune applicazioni dell'analisi qualitativa che utilizzano la solubilità.

Grazie per l'attenzione!