Czytelnik zwrócił jakiś czas temu moją uwagę na intrygujący artykuł ze styczniowego wydania The Nature*, sugerując że byłby to dobry temat na wpis. Po zapoznaniu się z tematem przyznałem mu rację. Bo to w sumie ciekawe, że tak znane i często wykonywane doświadczenie zawiera w sobie tak nietypowy i dopiero teraz poznany mechanizm.
Pierwiastki z grupy litowców to lekkie, miękkie metale o dużej aktywności, które reagują z powietrzem i wodą. W tym ostatnim przypadku reakcja jest silnie egzotermiczna doprowadzając często do zapalenia się powstającego wodoru zaś większe kawałki po prostu wybuchają, a dla najbardziej reaktywnych rubidu i cezu mamy do czynienia z detonacją wytwarzającą falę uderzeniową.
Tym jednak co zastanawiało badaczy, jest mechanizm wybuchu - eksplozja doprowadza często do rozdrobnienia reagującego kawałka, sądzono jednak że jej źródło jest zewnętrzne, a więc jest to wybuch wodoru na powierzchni, będący wynikiem gwałtownego przyspieszenia przebiegu reakcji. Jednak powierzchnia kontaktu metalu z wodą jest w tym przypadku raczej mała, zaś powstająca warstwa wodoru powinna raczej hamować proces niż przyspieszać - dla małych kawałków sodu powstający w reakcji gaz często jest w stanie unieść metal nad powierzchnię wody, działając niczym poduszka powietrzna.
Z dotychczasowych doświadczeń wynikało, że wybuch większych kawałków następuje gdy pod wpływem ciepła reakcji nastąpi częściowe stopienie, dlatego badacze z zespołu Pavela Jungwirtha z Czeskiej Akademii Nauk wybrali do badań stop sodu z potasem, będący eutektykiem ciekłym w temperaturze pokojowej. Wrzucenie kropli stopu do wody wywoływało natychmiastowy wybuch. Krople wkraplano do cylindra z wodą, filmując każdy wybuch bardzo szybką kamerą, przy czym upuszczano je z odpowiedniej wysokości, tak aby przerwać początkowo powstającą warstewkę gazu. Aby w obserwacjach nie przeszkadzało następujące później zapalenie się wodoru, cylinder napełniono gazem obojętnym.
Proces wybuchu kropli stopu okazał się bardzo szybki:
Rozpryskiwanie się bocznych strużek następuje już przy pierwszym kontakcie, zanim kropla zdąży zagłębić się w wodzie. Równocześnie podgląd od spodu ujawnił, że kropla rozpadła się na wiele drobnych igiełek ciekłego metalu. Kolejną ciekawą rzeczą jaką widać na zdjęciach jest fioletowy kolor rozprysku - sam sód jak i jego jony nie mają takiego koloru, dlatego najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem było uznanie, że za kolor odpowiada krótko żyjące indywiduum - zsolwatowany elektron.
Solwatacja to proces otaczania jonu rozpuszczanego w roztworze przez cząsteczki rozpuszczalnika. Woda ma dość duży moment dipolowy i mimo obojętności elektrycznej jej cząsteczki są przyciągane przez pole elektryczne wokół jonu. Tak dzieje się przy rozpuszczaniu soli w wodzie, a wydzielanie się przy tym pewnej energii ma wpływ na łatwość rozpuszczania. Jon otoczony cząsteczkami rozpuszczalnika, to jon zsolwatowany:
W tym przypadku do wody został w dużych ilościach wprowadzony najmniejszy możliwy anion - wolny elektron. I na krótką chwilę, zanim nie doszło do reakcji redukcji wody, został on otoczony jej cząsteczkami. Ponieważ elektron może przyjmować w takiej postaci różne stany energetyczne, pochłania część światła widzialnego i nadaje wodzie fioletowy kolor. Znacznie trwalsze roztwory ze zsolwatowanym elektronem można otrzymać w ciekłym amoniaku i niektórych aminach, rozpuszczając w nich aktywne metale; roztwory takie mają kolor od niebieskiego co brunatnego a w dużych stężeniach elektronów zaczynają odbijać światło i wyglądają jak płynny metal.
Ale skończmy tą dygresję.
Było więc wiadomo że tuż po kontakcie sodu z wodą, zaczyna być on rozpryskiwany na wiele cienkich strużek metalu. Było też wiadome, że przy tym procesie do wody uwalniana jest tak duża ilość wolnych elektronów, że woda na krótko się zabarwia. Wiedząc o tym badacze mogli stwierdzić, że za owo rozpryśnięcie odpowiada znany już od dawna proces, znany dotychczas ze skali mikroskopijnej - eksplozja kulombowska.
Proces opisano teoretycznie już w XIX wieku ale w zasadzie dotyczył on dosyć małej skali. Jeśli weźmiemy skrawek dowolnej materii i usuniemy elektrony z atomów, powstanie nam skupisko położonych blisko siebie jonów dodatnich. W normalnym przypadku elektrony nie tylko zobojętniają ale też spajają ze sobą atomy. Po ich usunięciu elektrostatyczne odpychanie jednakowych ładunków przeważa nad przyciąganiem i całe skupisko rozpada się na wszystkie strony.
Makroskopowym modelem może być często pokazywane doświadczenie fizyczne, w którym po umieszczeniu garści spreparowanego ryżu w silnym polu elektrycznym, ziarenka zaczynają strzelać we wszystkie strony, odpychane od naelektryzowanego stosiku:
Efekt ten bywa wykorzystywany w laserowej abrazji pewnych materiałów - naświetlenie powierzchni odpowiednio silnym impulsem lasera nadaje jej punktowo tak duża energię, że uciekają z niej elektrony. Pozostałe naładowane jony rozpryskują się i powstaje nam zagłębienie o rozmiarach możliwych do regulowania.
W nieco większej skali eksplozja kulombowska jest używana w technice elektrospreju, używanej w spektroskopii mas - kropelka roztworu umieszczona w silnym polu elektrycznym rozpryskuje się na jeszcze drobniejsze. Zjawisko to ma jeszcze znaczenie w oddziaływaniu promieniowania na materię - uderzenie wysokoenergetycznej cząstki jonizuje część atomów, doprowadzając do ich przemieszczenia i powstania uszkodzenia w strukturze materiału.
W przypadku kropli ciekłego metalu alkalicznego, proces zachodzi w dużej skali.
Gdy tylko kropla zaczyna się stykać z wodą, zachodzi szybka reakcja chemiczna połączona z oddawaniem elektronów wodzie. Ładunek dodatni na powierzchni metalu rośnie na tyle gwałtownie, że początkowe czysto mechaniczne nieregularności kształtu, zaczynają się zachowywać jak indywidualne naładowane cząstki. Odpychane statycznie porcje, zamieniają się w igły płynnego metalu, które są wystrzeliwane w otaczającą wodę w dużym rozdrobnieniu. W efekcie następuje taka sytuacja, do jakiej by doszło gdybyśmy zmieszali z wodą sód w formie drobnego pyłu - gwałtowne zwiększenie powierzchni reagującej powoduje, że w stosunkowo małej objętości wody wydzielonych zostaje bardzo dużo ciepła i gazowego wodoru. Rozprężający się powstały gaz powoduje eksplozję, która rozrzuca gorące cząstki metalu i krople wody. Gdy reakcja jest prowadzona w powietrzu, rozpryśnięte krople w kontakcie z powietrzem zapalają się jasnymi iskrami a od nich zapala się wodór, wywołując drugą eksplozję.
Jest to dokładnie objaśnione na poniższym filmie:
Bonus
A tak wygląda reakcja kilku ton sodu, wrzuconego w beczkach wprost do morza:
W taki sposób unieszkodliwiano pozostałości po pociskach zapalających.
---------
* et al., Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkali metals with water, Nature Chem. (2015).
informacje
sobota, 11 kwietnia 2015
piątek, 3 kwietnia 2015
To już 4 lata
No i stało się. Minęło 4 lata od założenia bloga.
Jak na razie statystyki przedstawiają się następująco:
- 194 opublikowane wpisy
- 742 opublikowane komentarze (ok. 10-15% to moje odpowiedzi)
- 498 103 wyświetlenia.
W ostatnim czasie średnia dzienna przeglądalność wynosiła ok. 400-500 wyświetleń dziennie. Myślę że jak na blog zajmujący się dziedziną ścisłą, jest to całkiem niezły wynik.
Spośród postów opublikowanych w ostatnim roku najpopularniejsze były następujące:
- Ile pierwiastków występuje w przyrodzie?
- Poison Story (6.)
- Chemia bardzo tłustego pączka czyli o niemożebnie długim składzie słów kilka
- Chemicy i ich zatrucia
- Poison Story (7.)
Oczywiście w planach mam następne interesujące wpisy, mimo zapewne zauważalnego w ostatnim czasie zmniejszenia częstości ich dodawania.
Zobaczymy jak to będzie dalej.
Jak na razie statystyki przedstawiają się następująco:
- 194 opublikowane wpisy
- 742 opublikowane komentarze (ok. 10-15% to moje odpowiedzi)
- 498 103 wyświetlenia.
W ostatnim czasie średnia dzienna przeglądalność wynosiła ok. 400-500 wyświetleń dziennie. Myślę że jak na blog zajmujący się dziedziną ścisłą, jest to całkiem niezły wynik.
Spośród postów opublikowanych w ostatnim roku najpopularniejsze były następujące:
- Ile pierwiastków występuje w przyrodzie?
- Poison Story (6.)
- Chemia bardzo tłustego pączka czyli o niemożebnie długim składzie słów kilka
- Chemicy i ich zatrucia
- Poison Story (7.)
Oczywiście w planach mam następne interesujące wpisy, mimo zapewne zauważalnego w ostatnim czasie zmniejszenia częstości ich dodawania.
Zobaczymy jak to będzie dalej.
niedziela, 15 marca 2015
Roztwory przekorne
Nie wiedzieć czemu w dydaktyce szkolnej temat buforów jakoś nie jest wiązany z regułą przekory, choć przecież ich działanie jest tej zasady najlepszym przykładem. Wydaje się, że ponieważ zwykle omawia się ją przed omówieniem praw gazowych i traktuje się ją wraz z prawem działania mas jako wstęp do tego działu, stąd działanie reguły uczniowie poznają na przykładzie przemian tlenku azotu II z formy jednocząsteczkowej w dimeryczną, lub syntezy amoniaku z pierwiastków. Potem jednak nie powraca się do niej w działach dotyczących innych typów i środowisk reakcji, w efekcie wiedza zamiast się kumulować i syntetyzować, ulega podziałowi na odosobnione bloki.
Tak zwana Reguła Przekory (ściślej zaś reguła le Chateliera-Browna), to dość arbitralne stwierdzenie, że pewne układy znajdujące się w stanie równowagi, reagują na bodźce zaburzające tą równowagę tak, jakby opierały się zmianie, dążąc do zmniejszenia skutków zmian. W tym sensie przekornie na dodatek wody reaguje układ soli na dnie naczynia z nasyconym jej roztworem - część soli się rozpuszcza i stężenie roztworu nie ulega zmianie. Zasada daje się zresztą uogólnić i na inne dziedziny, jako dotyczące również układów nie chemicznych, na przykład do przemian społecznych czy równowag ekonomicznych.
Równowaga w jakiej znajdują się układy podlegające tej regule, jest równowagą dynamiczną, co nie polega na tym, że nie zachodzą w nich żadne reakcje, lecz że reakcje przeciwstawne zachodzą z taką samą prędkością. Najlepszą ilustracją będzie tu układ naczyń połączonych, w których w prawdzie poziom wody pozostaje taki sam, lecz wskutek chaotycznych ruchów cząstek, co chwila małe porcje przedostają się z jednego naczynia do drugiego.
Jeśli podniesiemy jedno naczynie, woda będzie tak długo przepływała z niego do niższego, aż zrównoważy ją woda wpychana z powrotem. To chyba zrozumiałe. Chemicznym tego odpowiednikiem będzie na przykład równowaga między na przykład wodą, dwutlenkiem węgla i kwasem węglowym:
H2O + CO2 ⇌ H2CO3
dwutlenek węgla reaguje z wodą tworząc kwas węglowy, jednak równocześnie kwas węglowy rozkłada się na wodę i dwutlenek węgla. W normalnych warunkach równowaga jest silnie przesunięta w lewo, co oznacza że samego kwasu jest niewiele, a zresztą de facto występuje w postaci jonów jako że jego cząsteczka jest bardzo nietrwała. Jeśli zwiększymy ciśnienie gazu, tym samym zwiększając odczuwane przez roztwór stężenie (a więc ilość cząsteczek skorych do reakcji w jednostce czasu), równowaga przesunie się w prawo - część gazu się rozpuści a nadane ciśnienie opadnie. Jeśli zmniejszymy ciśnienie, bądź rozcieńczymy gaz nad roztworem na przykład azotem, część kwasu węglowego się rozpadnie i troszeczkę skompensuje spadek stężenia. Oto i przekorność.
![](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEgzefB2uU8UeZfYVq9lbl9ehESmZ5anD7Xjfy6DJ3oVwnC7atuibNxO2duIo2izOISa4t1yhdGdCGPdUc_AD_1rhfCRjvoCEEVnclMNOPGKPR2HXA2hxbpLhbCgcHL3URVzUMQEt_sL3O6H/s320/buffor.bmp)
Roztwór buforowy natomiast opiera się zmianom odczynu. Dodając kwas nie zakwasimy go do pewnych granic, dodając zasady również do pewnego stopnia go nie zalkalizujemy. Czysta przekora! Natomiast przyczyna takiego się ich zachowania jest paradoksalna - roztwory buforowe są mieszaninami kwasów z zasadami.
Żeby rzecz wyjaśnić, trzeba cofnąć się do tak podstawowej sprawy, jak definicja "kwasu" i "zasady" - a nie jest to rzecz oczywista. Pierwotnie kwasami nazywano substancje o kwaśnym smaku, zaś alkaliami nazywano produkty ługowania wodą popiołów i spalonych metali . Nieco później próbowano rzecz uściślić, przez stwierdzenie, że zasadami są substancje, które zobojętniają kwasy co jednak prowadziło do tautologii, bo dla odmiany "kwasy" definiowano jako substancje zobojętniające zasady.
Zasady, czy raczej alkalia otrzymywano z popiołów przez ługowanie wodą - skąd nazwa od arabskiego "al kali" - "popiół". Taki przesącz, nazywany potażem składał się głównie z węglanów potasu i sody z domieszką wodorotlenków. Dopiero po przereagowaniu z wapnem gaszonym (kaustyfikacji) otrzymywało się wodorotlenki, które po rozpuszczeniu w wodzie dawały "potaż żrący".
Aby nie wpaść w błędne koło w XVIII wieku ustalono ogólną definicję kwasów jako lotnych substancji zawierających niemetale, których roztwory w dużym stężeniu mają właściwości żrące i roztwarzają metale, natomiast zasadami były substancje nielotne, które reagując z kwasami usuwają ich właściwości żrące. Zasady uznano zatem za substancje będące podstawami, które zatrzymywały lotne kwasy i dawały obojętne sole i inne związki - to trochę jeszcze trącące alchemią twierdzenie przyczyniło się w pewnym stopniu do obecnego nazewnictwa. W języku angielskim, niemieckim, francuskim i w wielu innych, zasada to "baza", przy czym słowo to używane jest prawie zawsze również w niechemicznym kontekście jako "podstawa" lub "zasada działania".
Antoine Lavoisier, wybitny chemik tamtych czasów, uściślił definicję, dodając że kwasy zawierają centralny atom o wysokim stopniu utlenienia, otoczony przez atomy tlenu i powstają z tlenków niemetali, zaś z tlenków metali powstają zasady. Dla kwasów siarkowego czy fosforowego reguła się sprawdza bardzo ładnie, niestety wynika z niej, że wszystkie kwasu muszą być tlenowe. Autorytet francuskiego chemika był tak duży, że gdy Sheele odkrył chlor, dający z czystym wodorem substancję silnie kwasową, uznano że jest to tlenek nieznanego pierwiastka, nazwanego Murium. Skoro tlen miał być pierwiastkiem charakterystycznym dla kwasów, toteż gdy przyszło nadać mu nazwę naukową podkreślono ten fakt, i z połączenia łacińskich oxis - kwas - i gennao - tworzyć, utworzono nazwę oxygenium, co nasz Śniadecki, tworząc polskie nazewnictwo, próbował tłumaczyć jako Kwasoród. Na szczęście nazwa się nie przyjęła, bo już w 1810 roku Humphry Davy udowodnił , że kwas solny, a także siarkowodorowy i selenowodorowy, nie zawierają tlenu.
Dopiero w 1838 roku Justus von Liebig badając kwasy organiczne stwierdził, że dla kwasów charakterystyczna jest obecność wodoru, który łatwo ulega odszczepieniu i może być zastąpiony przez zawarty w zasadach atom metalu. Również w reakcji z aktywnymi metalami, jak żelazo czy cynk, wodór jest wypierany z kwasów. Ponieważ w podobny sposób w podwyższonej temperaturze aktywne metale reagują z wodą, o której było wiadome, że składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu, po sprawdzeniu mas można było dojść do wniosku, o istnieniu "powodorowej pozostałości" - jonów OH. Z tą wiedzą w 1884 roku Svante Arrhenius sformułował teorię, że kwasami są substancje, które rozpuszczone w wodzie uwalniają jony wodorowe, zaś zasadami te, które uwalniają jony hydroksylowe. Zatem do zasad i kwasów zaliczały się zarówno kwasy i wodorotlenki, jak i tlenki metali i niemetali.
Kwasy:
HCl = H + + Cl -
SO2 + H2O = 2H + + SO3-
Zasady:
NaOH = Na+ + OH-
MgO + H2O = Mg(OH)2
SO2 + H2O = 2H + + SO3-
Zasady:
NaOH = Na+ + OH-
MgO + H2O = Mg(OH)2
Niestety nie dawało się w ten sposób wyjaśnić właściwości niektórych substancji. Głównie amoniaku, który po rozpuszczeniu nie oddawał lecz odbierał wodzie wodór, uwalniając jony hydroksylowe i wywołując odczyn alkaliczny. Można tu podać jeszcze przykład kwasu borowego, który rozpuszczając się w wodzie, odbiera od niej grupę OH, pozostawiając jony wodorowe i nadając roztworowi odczyn kwaśny. Jako uzupełnienie należy dodać, że de facto wolnych jonów wodorowych się nie obserwuje - byłyby swobodnymi protonami o dosyć krótkim czasie życia - łączą się jednak z następną cząsteczką wody w jony H3O+ .
Aby trochę uzupełnić te braki, w 1923 roku dwaj badacze Johannes Nicolaus Brønsted i Martin Lowry, całkiem zresztą niezależnie, sformułowali inną teorię. Kwasami miały być te substancje, które oddają protony, zaś zasadami te, które je przyjmują. No tak, amoniak przyjmuje wodór, i jego roztwór jest zasadowy - jest zasadą. Wodorotlenki wiążą protony kwasów. Kwasy oddają protony. Wszystko się w sumie zgadza. Ponieważ jednak nie wszystkie rzeczy pasowały, stworzono inne teorie, aby objaśnić zachowanie się substancji w rozpuszczalnikach innych niż woda, i w stopionych solach, ale nimi nie będę się zajmował.
I cóż z tego wszystkiego wynika? Jak powiedziałem, bufory są mieszaninami kwasów i zasad. Ale Brønsteda. W roztworze są zarówno substancje oddające jak i przyjmujące protony, a więc zarówno takie, które zobojętniają kwasy, jak i te, które zobojętniają zasady. Wyobraźmy sobie, że w zlewce mamy wstawione dwie mniejsze zleweczki, w jednej kwas, na przykład siarkowy, a w drugiej zasadę, na przykład wodorotlenek sodu, i powiedzmy że będziemy przyjmować sumaryczny odczyn zlewki jako różnicę odczynów w zleweczkach. Teraz do tej z zasadą dodajmy trochę kwasu - porcja zostanie zobojętniona, zaś nadmiar zasady sprawi ze pH roztworu nie zmieni się znacząco. Albo inaczej - dodajmy trochę zasady do zleweczki z kwasem - porcja się nam zobojętni a obecny nadmiar... itp.
No ale w końcu jednak to nasze "wypadkowe pH" trochę się zmieniło, w pierwszym przypadku ubyło nam trochę kwasu a drugim zasady. Więc teraz wyobraźmy sobie, że przy pomocy magicznego zaklęcia odwracamy reakcje tak aby poziomy powróciły do wyjściowych i wszystko jest w porządku. Tym naszym magicznym zaklęciem może być tu reguła przekory, zachodzi to jednak w tych specyficznych warunkach, gdy zasada zamienić się może w kwas, a kwas w zasadę.
\>
Jak już pisałem, wedle Broensteda kwas to substancja oddająca proton. Gdy proton zostaje oddany pozostaje nam reszta kwasowa, ta jednak może równie dobrze przyjąć proton i stać się znów wyjściową cząsteczką. Skoro może przyjąć proton to jest zasadą. To nawet całkiem logiczne - gdy zobojętnimy wodorotlenek sodu kwasem solnym, powstanie nam sól kuchenna czyli chlorek sodu, gdy do jej roztworu dodamy mocnego kwasu, na przykład siarkowego, równowaga reakcji zobojętnienia - dotychczas całkowicie przesunięta w prawo - ulegnie częściowemu odwróceniu i zacznie się nam wydzielać gazowy chlorowodór. Dawniej właśnie tak produkowano kwas solny, skąd też oczywiście bierze się nazwa.
Zatem kwas solny jest kwasem, a powstający zeń anion chlorkowy zasadą. Jednak roztwór kwasu solnego i chlorku sodu nie stanowi buforu - dodanie do tej mieszanki zasady zobojętni część kwasu, sól pozostanie natomiast niezmieniona. Dodawanie kwasu też nie wywoła reakcji, przynajmniej do momentu gdy silnie kwaśne warunki nie zaczną wypierać chlorowodoru. Inaczej jest w sytuacji gdy mamy do czynienia z kwasem słabo dysocjującym.
W roztworze kwasu octowego część cząsteczek przybiera formę obojętną, CH3COOH . Cząsteczka taka może oddać proton, jest więc kwasem. Część kwasu octowego w roztworze uległa dysocjacji, a więc uwolnieniu protonu. Powstająca reszta kwasowa, anion CH3COO− może przyjąć proton, zatem jest zasadą. Oczywiście w tych warunkach zachodzi między nimi równowaga, a proton co raz jest oddawany i przyjmowany. Co jednak zwraca uwagę - przyjęcie protonu przez jon octanowy usuwa go z roztworu. W przypadku kwasu solnego jony wodorowe pochodzące od kwasu były obecne w roztworze cały czas ze względu na jego dobrą dysocjację, tutaj łączą się w obojętną cząsteczkę kwasu i nie mają wpływu na pH roztworu
Dodatek niewielkiej ilości kwasu przesuwa równowagę - część anionów octanowych przyjmie nadmiarową ilość protonów. Znikną one więc z roztworu a odczyn obniży się mniej niżby to wynikało z dodanej ilości. Dodatek niewielkiej ilości zasady zobojętni małą ilość jonów hydroniowych, mniej ich zatem będzie się łączyło z jonami octanowymi i w wyniku niezrównoważenia nieco większa ilość kwasu zdysocjuje zakwaszając roztwór, przez co podwyższenie pH będzie mniejsze niżby to wynikała z dodanej ilości zasady.
To jak duże ilości kwasów lub zasad można dodać zależy od ilości obu form w roztworze. Dla samego kwasu octowego, anionów octanowych jest mało, łatwo więc przełamać taką przekorę. Aby mechanizm mógł więc pokazać się w pełnym świetle i przeciwstawiać się większym ilościom odczynników, tworzy się mieszaniny słabych elektrolitów i ich rozpuszczalnych soli, najlepiej w jednakowej ilości.
Kwas octowy zmieszany z odpowiednią ilością octanu sodu da zatem bufor octanowy, utrzymujący odczyn w zakresie pH 3-6 zależnie od stosunku kwasu do soli. Roztwór amoniaku z dodatkiem chlorku amonu to bufor amonowy z pH 8-11. Kwas borny rozpuszczony wraz z boranem sodu to bufor boranowy, o pH 7-9.
Każdy taki roztwór zawiera stosunkowo dużo form zdysocjowanych i niezdysocjowanych, dzięki czemu może buforować odczyn zaburzany dodatkami elektrolitów w ilościach podobnego rzędu. Bufory są używane tam, gdzie potrzebny jest stały, dobrze określony odczyn, nie zaburzany zanieczyszczeniami. Wiele pomiarów właściwości substancji wykonuje się w roztworach buforujących, które utrzymują znaną wartość pH w czasie całego pomiaru. Bufory po otrzymaniu mogą być też dłuższy czas przechowywane.
Działanie buforu można wyjaśnić w jeszcze jeden obrazowy sposób - jako naczynia połączone. Jeśli wlejemy roztwór do jednego ramiona częściowo napełnionej U-rurki, to zaburzymy równowagę. Układ zachowa się jednak przekornie - część roztworu przepłynie do drugiego ramienia do momentu odzyskania równowagi. Poziom w ramieniu do którego wlewaliśmy ciecz wzrośnie zatem o połowę mniej, niż by wynikało z dodanej ilości, bo część odpłynęła. Nie można jednak czynić tego w nieskończoność, bo w końcu w rurce miejsca zabraknie, a drugie ramię nie będzie mogło tego zrekompensować bo i jemu zabraknie wolnej objętości.
Tak też jest i z buforami - mogą powstrzymywać zmiany odczynu dla ilości kwasów lub zasad mniejszych lub porównywalnych ze stężeniem własnym. Jednak z dużymi ilościami sobie nie poradzą - po całkowitym zdysocjowaniu i zobojętnieniu słabego kwasu, bufor przestaje się opierać zasadom, po całkowitym sprotonowaniu anionu reszty kwasowej, roztwór przestaje się opierać dodatkom kwasu.
Ilość odczynnika potrzebna do przełamania buforu, określamy pojemnością buforu. Zależy ona od stopnia rozcieńczenia oraz stosunku ilości formy zdysocjowanej do niezdysocjowanej.
Ot i tyle.
poniedziałek, 9 marca 2015
I grupa analityczna kationów
Podczas zajęć z chemii analitycznej starałem się robić zdjęcia każdej grupie i reakcji z każdym odczynnikiem. Różnej natury przyczyny sprawiły, że wszystkiego sfotografować się mi nie udało, ale coś tam zawsze można pokazać.
Klasyczna analiza nieorganicznych soli polega na przetestowaniu prostych reakcji dających osady o charakterystycznych właściwościach, tylko dla niektórych stosuje się dodatkowe odczynniki specyficzne. Rozpoznanie kationu opiera się na zgodności obserwowanych przemian z opisanymi w literaturze - musi powstać lub nie osad, o odpowiednim kolorze, rozpuszczający się lub nie w odpowiednim odczynniku.
Metody te mają znaczenie przede wszystkim dydaktyczne, bo w praktyce w analizie próbek na obecność metali używa się innych metod. Wymagają ona stosunkowo dużych ilości soli (aczkolwiek dużą ilość tych reakcji można przeprowadzać na pojedynczych kroplach, dzięki czemu możliwe staje się zbadanie pojedynczych okruchów).
Zależnie od tego jak sole reagują z pewnymi podstawowymi odczynnikami, pogrupowano je i podzielono. Dziś omówię grupę I, czyli jony metali, które dają osady po dodaniu kwasu solnego.
Ag, Hg(I),Pb(II)
+ Cl-
Po dodaniu odczynnika grupowego, czyli kwasu solnego lub roztworu chlorku sodu, wszystkie kationy wytrącają się w formie białych chlorków:
Powstające chlorki srebra, ołowiu i rtęci (I) to białe, nieco kłaczkowate osady. Chlorek srebra jest światłoczuły i po pewnym czasie ciemnieje, najpierw stając się szaro-fioletowy aż w końcu czarny. Zanim to jednak nastąpi, można go odróżnić od pozostałych za sprawą ciągu reakcji - po dodaniu roztworu amoniaku rozpuszcza się, tworząc kompleks chlorku aminasrebra, po dodaniu rozcieńczonego kwasu azotowego, osad chlorku pojawia się ponownie.
Zarówno chlorek srebra jak i ołowiu mogą rozpuścić się w nadmiarze odczynnika, dlatego powinno się używać raczej rozcieńczonego. Chlorek ołowiu rozpuszcza się na gorąco, przy ochłodzeniu tworząc białe igiełkowate kryształki.
+ NH3*H2O
Po dodaniu rozcieńczonego amoniaku do roztworów, wytrącają się różne osady:
Niestety ujawnia się tu złośliwość substancji - w próbówce prawej, zawierającej sól srebra, osad powstał podczas nalewania odczynnika i po chwili się rozpuścił. Szary osad tlenku srebra jest rozpuszczalny w nadmiarze i stąd takie efekty.
W próbówce po lewej wyraźny ciemnoszary osad, o skomplikowanym składzie. W reakcji z jonami amonowymi i hydroksylowymi zamiast oczekiwanego wodorotlenku, rtęć (I) tworzy sól aminortęciową oraz rtęć metaliczną, która zabarwia osad na szaro.
+ KJ (jodek potasu)
W tym przypadku pojawiają się osady o wyraźniejszych kolorach:
Od lewej: Hg22+, Pb2+, Ag+ . Osad jodku rtęci jest zielonkawy i dosyć ciemny, zawiera prawdopodobnie domieszki metalicznej rtęci. Nadmiar odczynnika powoduje rozpuszczenie jodku rtęci (I) z równoczesną dysproporcjonacją w wyniku której do roztworu przechodzi kompleks tetrajodku rtęci (II) a wytrąca się koloid metalicznej rtęci. Taki roztwór mógłby stanowić w zasadzie odczynnik Nesslera, używany do oznaczania jonów amonowych, ale zazwyczaj otrzymuje się go inną metodą..
Jodek ołowiu jest żółty. Rozpuszcza się w wodzie na gorąco, po ochłodzeniu wykrystalizowuje w formie żółtych blaszek o połysku podobnym do płatków złota, stąd też był kiedyś używany w żółtych farbach. Rozpuszcza się też w nadmiarze odczynnika.
Jodek srebra jest lekko żółtawy, z czasem ciemnieje od światła.
+ dichromian potasu
Intensywne kolory wywołuje także reakcja z dichromianem:
Chromian srebra jest czerwonym, drobnym osadem, rozpuszczalnym w amoniaku lub rozcieńczonym kwasie azotowym. Pośrodku widzicie intensywnie żółty chromian ołowiu, dawniej używany jako pigment malarski "żółcień ołowiana" obecnie rzadko używana ze względu na toksyczność. Chromian rtęci jest ciemnobrunatny, choć podobno podczas dłuższego gotowania zmienia się w czerwony.
+AKT
AKT to często stosowana, wygodniejsza w użyciu forma siarczków. Związek organiczny, amid kwasu tiooctowego, który w środowisku kwaśny i podczas ogrzewania ulega hydrolizie z wydzieleniem siarkowodoru. Strąca siarczki z roztworów soli metali
Z badanymi solami daje odpowiednie osady:
Osad siarczku srebra jest raczej szarawy i kłaczkowaty. Z nieznanych mi przyczyn czarny siarczek ołowiu się nie wytrącił, stąd pusta próbówka. W przypadku rtęci (I) zachodzi dysproporcjonacja, strąca się osad będący mieszanką metalicznej rtęci i siarczku rtęci (II).
Oprócz wymienionych podstawowych prób, istnieją też próby charakterystyczne, na przykład reakcja soli srebra z reduktorami może spowodować powstanie lustra na ściankach próbówki. Ołów reaguje z rodizonianem potasu dając ciemnofioletowy osad. Rtęć (I) tworzy z difenylokarbazydem charakterystyczny niebiesko-fioletowy kolor; reakcja jest bardzo czuła i wykorzystuje się ją do kolorymetrycznego oznaczania śladowych ilości rtęci.
----------
Klasyczna analiza nieorganicznych soli polega na przetestowaniu prostych reakcji dających osady o charakterystycznych właściwościach, tylko dla niektórych stosuje się dodatkowe odczynniki specyficzne. Rozpoznanie kationu opiera się na zgodności obserwowanych przemian z opisanymi w literaturze - musi powstać lub nie osad, o odpowiednim kolorze, rozpuszczający się lub nie w odpowiednim odczynniku.
Metody te mają znaczenie przede wszystkim dydaktyczne, bo w praktyce w analizie próbek na obecność metali używa się innych metod. Wymagają ona stosunkowo dużych ilości soli (aczkolwiek dużą ilość tych reakcji można przeprowadzać na pojedynczych kroplach, dzięki czemu możliwe staje się zbadanie pojedynczych okruchów).
Zależnie od tego jak sole reagują z pewnymi podstawowymi odczynnikami, pogrupowano je i podzielono. Dziś omówię grupę I, czyli jony metali, które dają osady po dodaniu kwasu solnego.
Ag, Hg(I),Pb(II)
+ Cl-
Po dodaniu odczynnika grupowego, czyli kwasu solnego lub roztworu chlorku sodu, wszystkie kationy wytrącają się w formie białych chlorków:
Od lewej Hg22+ ,Ag+ ,Pb2+ . |
Zarówno chlorek srebra jak i ołowiu mogą rozpuścić się w nadmiarze odczynnika, dlatego powinno się używać raczej rozcieńczonego. Chlorek ołowiu rozpuszcza się na gorąco, przy ochłodzeniu tworząc białe igiełkowate kryształki.
+ NH3*H2O
Po dodaniu rozcieńczonego amoniaku do roztworów, wytrącają się różne osady:
Niestety ujawnia się tu złośliwość substancji - w próbówce prawej, zawierającej sól srebra, osad powstał podczas nalewania odczynnika i po chwili się rozpuścił. Szary osad tlenku srebra jest rozpuszczalny w nadmiarze i stąd takie efekty.
W próbówce po lewej wyraźny ciemnoszary osad, o skomplikowanym składzie. W reakcji z jonami amonowymi i hydroksylowymi zamiast oczekiwanego wodorotlenku, rtęć (I) tworzy sól aminortęciową oraz rtęć metaliczną, która zabarwia osad na szaro.
+ KJ (jodek potasu)
W tym przypadku pojawiają się osady o wyraźniejszych kolorach:
Od lewej: Hg22+, Pb2+, Ag+ . Osad jodku rtęci jest zielonkawy i dosyć ciemny, zawiera prawdopodobnie domieszki metalicznej rtęci. Nadmiar odczynnika powoduje rozpuszczenie jodku rtęci (I) z równoczesną dysproporcjonacją w wyniku której do roztworu przechodzi kompleks tetrajodku rtęci (II) a wytrąca się koloid metalicznej rtęci. Taki roztwór mógłby stanowić w zasadzie odczynnik Nesslera, używany do oznaczania jonów amonowych, ale zazwyczaj otrzymuje się go inną metodą..
Jodek ołowiu jest żółty. Rozpuszcza się w wodzie na gorąco, po ochłodzeniu wykrystalizowuje w formie żółtych blaszek o połysku podobnym do płatków złota, stąd też był kiedyś używany w żółtych farbach. Rozpuszcza się też w nadmiarze odczynnika.
Jodek srebra jest lekko żółtawy, z czasem ciemnieje od światła.
+ dichromian potasu
Intensywne kolory wywołuje także reakcja z dichromianem:
Chromian srebra jest czerwonym, drobnym osadem, rozpuszczalnym w amoniaku lub rozcieńczonym kwasie azotowym. Pośrodku widzicie intensywnie żółty chromian ołowiu, dawniej używany jako pigment malarski "żółcień ołowiana" obecnie rzadko używana ze względu na toksyczność. Chromian rtęci jest ciemnobrunatny, choć podobno podczas dłuższego gotowania zmienia się w czerwony.
+AKT
AKT to często stosowana, wygodniejsza w użyciu forma siarczków. Związek organiczny, amid kwasu tiooctowego, który w środowisku kwaśny i podczas ogrzewania ulega hydrolizie z wydzieleniem siarkowodoru. Strąca siarczki z roztworów soli metali
Z badanymi solami daje odpowiednie osady:
Osad siarczku srebra jest raczej szarawy i kłaczkowaty. Z nieznanych mi przyczyn czarny siarczek ołowiu się nie wytrącił, stąd pusta próbówka. W przypadku rtęci (I) zachodzi dysproporcjonacja, strąca się osad będący mieszanką metalicznej rtęci i siarczku rtęci (II).
Oprócz wymienionych podstawowych prób, istnieją też próby charakterystyczne, na przykład reakcja soli srebra z reduktorami może spowodować powstanie lustra na ściankach próbówki. Ołów reaguje z rodizonianem potasu dając ciemnofioletowy osad. Rtęć (I) tworzy z difenylokarbazydem charakterystyczny niebiesko-fioletowy kolor; reakcja jest bardzo czuła i wykorzystuje się ją do kolorymetrycznego oznaczania śladowych ilości rtęci.
----------
Subskrybuj:
Posty (Atom)