گزارش کار کامل روش‌های جداسازی کاتیون‌های گروه دوم

تجزیه ی کیفی کاتیون ها (گروه دو- بخش دوم)

هدف کلی: آشنایی باروش های تجزیه ی کیفی کاتیون هایSn²⁺, As³⁺, Sb³⁺ به همراه Ag⁺ .

مقدمه و تئوری:

      کاتیون های گروه دوم به صورت سولفید از کاتیون های گروه های بعدی جدا سازی می شوند؛ از آنجا که سولفید کاتیون های سوم نیز نامحلول می باشند پس در هنگام جداسازی کاتیون های گروه دوم از کاتیون های بعدی (مخصوصاً گروه سوم) باید شرایطی از غلظت یون سولفید را فراهم کرد که برای محلول ترین سولفید کاتیون گروه دوم یعنیCd S، حاصلضرب غلضت یون ها (Q) بزرگتر از  K_{s p}شود اما برای کم محلول ترین سولفید کاتیون های گروه سوم یعنی Zn S، Q کوچک تر از K_{s p}مربوط گردد.

تجزیه ی کیفی کاتیون ها (گروه دو- بخش دوم)

هدف کلی: آشنایی باروش های تجزیه ی کیفی کاتیون هایSn²⁺, As³⁺, Sb³⁺ به همراه Ag⁺ .

مقدمه و تئوری:

      کاتیون های گروه دوم به صورت سولفید از کاتیون های گروه های بعدی جدا سازی می شوند؛ از آنجا که سولفید کاتیون های سوم نیز نامحلول می باشند پس در هنگام جداسازی کاتیون های گروه دوم از کاتیون های بعدی (مخصوصاً گروه سوم) باید شرایطی از غلظت یون سولفید را فراهم کرد که برای محلول ترین سولفید کاتیون گروه دوم یعنیCd S، حاصلضرب غلضت یون ها (Q) بزرگتر از  K_{s p}شود اما برای کم محلول ترین سولفید کاتیون های گروه سوم یعنی Zn S، Q کوچک تر از K_{s p}مربوط گردد.

        یون سولفید (S^2-) مورد نیاز برای رسوب گیری کاتیون های گروه دوم را می توان به دو طریق تأمین نمود:

        الف) با استفاده از دستگاه کیپ و با اثر دادن کلریدریک اسید بر سولفید فلزی و هدایت گاز H₂S حاصل از این واکنش به داخل محلول.

        ب) با استفاده از تیو استامید(در گزارش کار قبل به طرز تهیه ی تیواستامید اشاره شده است)

در این مبحث برای تأمین H₂S مورد نیاز از محاول تیواستامید استفاده می شود زیرا تیواستامید طبق واکنش زیر در آب هیدرولیز شده و گاز H₂S تولید می کند

                           S││H₃C―C―NH₂ + 2H₂O → CH₃COO^- , NH₄⁺ +H₂S↑

H₂S یک اسید ضعیف دو پروتونی است که طبق واکنش های زیر در آب یونیزه می گردد:

H₂S+ H₂O ↔ HS^- + H₃O⁺

HS^-+ H₂O ↔ S^2- + H₃O⁺

از جمع کردن دو واکنش فوق واکنش کلی زیر حاصل می شود:

H₂S + 2H₂O ↔ S^2- +2H₃O⁺

H₂S ↔ S^2- + 2H⁺

در یک محلول اشباع شده از گاز  H₂Sحداکثر غلظت  H₂S، ۰٫۱ مولار است بنابراین: [H⁺]²[S^2-]= Ka₁Ka₂× ۰٫۱= ۱٫۳×۱۰^-۲۲ ملاحظه می شود که غلظت S^2-وابسته به غلظت یونH⁺ است پس برای این که بتوان کاتیون های گروه دوم را از گروه سوم جدا کرد، باید غلظت S^2- را کنترل کرد و غلظت H⁺ یا PH قابل کنترل است. طبق اصل لوشاتلیه[۱] افزایش غلظت یون H⁺ تولید یون S^2- را کاهش می دهد و کاهش غلظت H⁺ غلظت یون S^2- را زیاد می کند.  اگر غلظت یون H⁺ درمحلول M 0.3 باشد در این صورت غلظت یون S^2- به حدی خواهد رسید که فقط کاتیون های گروه دوم بتوانند به صورت سولفید رسوب کنند. به همین جهت وقتی صحبت از معرف مشترک کاتیون های گروه دوم می شود، از تیواستامید در محیطی با غلظت یون H⁺ مشخص (حدود ۰٫۳ مولار) استفاده می شود.

      در بین سوافید های گروه دوم، سولفیدهای قلع (IV)[2] ، آنتیموان و آرسنیک به علت دارا بودن خصلت اسیدی در یک سوافید قلیایی(مثل آمونیوم سولفید) یا یک قلیای قوی قابل حل می باشند و همین خصلت اساس تقسیم بندی کاتیون های گروه دوم به دو زیر گروه AII وIIB می باشد. با توجه به ارائه ی گزارش کار مربوط به گروه AII در جلسه ی قبل این بار فقط به مطالب تجزیه ی کیفی کاتیون های گروهIIB پرداخته خواهد شد.

     آرسنیک: شبه فلزی است با نقطه ی جوش  C° ۶۱۰  که در نیتریک اسید و تیزاب سلطانی حل می شود. آرسنیک در اثر ترکیب با فلز و نافلزها آرسنیدها را تولید می کند که برخی از آنها ممکن است یونی، پلی مرهای کوالانسی و بعضی از آن ها نظیر گالیم آرسنید به صورت جامد فلزی باشند که ترکیب اخیر خصلت نیمه رسانایی دارد. از واکنش گوگرد با آرسنیک ترکیبات گوگردی مختلفی تولید می شود، سولفیدهای As₂S_{5 ,} As₂S₃ در آب و اسیدها نا محلول اند اما در سولفیدهای قلیایی قابل حل بوده و تیوآرسنات ها را تولید می کنند.

                As₂S₅ + 3S^2- → ۲[AsS₄]^3-         یون تتراتیو آرسنات(V)

              As₂S₃ + 3S^2- → ۲[AsS₃]^3-                    تری تیو آرسنات(III)

     آنتیموان: نقطه ی ذوب این عنصر C° ۶۳۰  و نقطه ی جوش آن C° ۱۶۴۰  است. مهم ترین سنگ معدن این عنصر استیبنیت Sb₂S₃)   ) است؛ آنتیموان از کاهش اکسید آن توسط کربن و یا هیدروژن به دست می آید. این عنصر با هالوژن ها به آسانی وارد واکنش می شود، اما اسیدهای غیر اکسید کننده بر آن بی اثرند. این عنصر با عناصر گروه چهارم تولید نیمه هادی می کند. آنتیموان سولفید از واکنش مستقیم این عنصر با گوگرد و یا افزایش H₂S بر محلول Sb³⁺ ایجاد می شود؛ این ترکیب در آب نامحلول است اما در سولفیدهای قلیایی حل شده و تولید SbS₃^3- می کند؛ این یون در مجاورت کلریدریک اسید غلیظ تولید SbCl₃ می کندکه در آب محلول است اما چنانچه غلظت اسید کم باشد ترکیب نامحلول آنتیموان کلرید تولید می شود ولی با افزایش بیشتر اسید کلریدریک این رسوب حل می شود.

     قلع: این عنصر در  C°  ۲۳۲  ذوب می شود و مهم ترین سنگ معدن آن کاسیتریت  می باشد. قلع از احیای سولفید یا اکسید آن به وسیله ی کربن به دست می آید. قلع در کلریدریک اسید حل شده و تولید SnCl₂ می کند اما در نیتریک اسید غلیظ تولید پلی متااستاتیک اسید، H₂SnO₃)₈)، نا محلول می کند. مهمترین ترکیبات قلع)ll(، کلرید و فلورید آن می باشند. محلول های قلع)ll( به آسانی در مجاورت اکیسژن هوا به قلع(IV) اکسید می شوند، به همین جهت محلول های قلع)ll( باید تازه تهیه شده باشند و برای جلوگیری از اکسیداسیون آن معمولاً یک تکه ی کوچک قلع فلزی داخل محلول قرار می دهند.  قلع)ll( سولفید در سولفیدهای قلیایی نامحلول ولی در کلریدریک اسید غلیظ محلول است بر این اساس هنگام رسوب گیری کاتیون های گروه دوم اگر غلظت اسید زیاد باشد احتمال رسوب گیریS n S  وجود ندارد. برخلاف قلع)ll( سولفید، قلع(IV) سولفید به علت خصت اسیدی که دارد در سولفیدهای قلیایی قابل حل می باشد.

      جیوه: این عنصر قبلاً مورد بررسی قرار گرفته فقط لازم به ذکر است که در این جا ممکن است جیوه همراه آرسنیک وجود داشته باشد.

Ø      شرح آزمایش انجام گرفته:

     مرحله ی اول: ابتدا به روی۲۰ قطره محلول مجهول ۴-۵ قطره اسید کلریدریک ۶ مولار ریخته، بعد۵-۶ قطره تیواستامید اضافه کرده به مدت شش الی هفت دقیقه درون حمام آب گرم[۳] قرار دادیم پس از سپری شدن این مدت و بعد از رسوب گیری بر اساس مبانی تئوری کاتیون های گروه IIB همگی به صورت رسوب در آمدند. رسوب تقریباً زرد رنگ به دست آمده را برای مراحل بعد نگه داری و محلول را دور ریختیم.

     مرحله ی دوم: به روی رسوب حاصل از مرحله ی قبل ۳۰ الی ۳۵ قطره اسید کلریدریک ۶ مولار اضافه کرده پس از سه دقیقه قرارگیری در حمام آب گرم به سرعت رسوب گیری انجام شد؛ رسوب زرد رنگ  به  دست آمده را  که شامل کاتیون آرسنیک و احتمالاً  جیوه بود را برای آزمایش سه محلول را برای آزمایش پنج نگه داشتیم.

     مرحله ی سه: بر روی رسوب آزمایش قبلی ۷-۸ قطره آمونیاک غلیظ اضافه کردیم؛ بعد از آن ۴-۵ قطره H₂O₂ ریخته به منظور افزایش سرعت واکنش لوله ی آزمایش را سه دقیقه در حمام آب گرم قرار دادیم. از لحاظ تئوری اگر رسوب سیاه رنگ تشکیل می شد نشانی بود بر وجود کاتیون جیوه ولی عملاً چنین رسوبی دیده نشد و فقط محلولی بی رنگ به دست آمدکه با توجه توضیحات استاد گرامی محلول حاوی آرسنیک بود.

     مرحله ی چهار: به منظور شناسایی آرسنیک به محلول حاصل از مرحله ی قبل قطره قطره اسید نیتریک ۴ مولار اضافه کردیم تا جایی که محلول اسیدی شد ( تست اسیدی) بعد به مقدار بسیار کم (نوک اسپاتول کوچک)  پودر معرف مولیبدات آمونیوم ( _۲MoO₄ NH₄))رنگ: سفید) آن هم در حالی که از قبل محلول در حمام آب گرم، گرم شده بود به محلول اضافه کردیم، مجدداً سه دقیقه در حمام آب گرم قرار دادیم اگر رسوب زرد رنگ تشکیل می شد به مفهوم وجود آرسنیک در محلول بود ولی رسوب تشکیل نشد پس دوباره مولیبدات آمونیم اضافه کرده و بقیه مراحل را دوباره تکرار کردیم. این بار رسوب زرد تشکیل شده نشانگر وجود آرسنیک در محلول بود.

     مرحله ی پنج:  به قصد شناسایی آنتیموان فلزی محلول آزمایش دو را دو دقیقه در حمام آب گرم قرار دادیم تا داغ شود سپس کمی پودر آلومینیوم با نوک اسپاتول به روی محلول اضافه کردیم، محلول به رنگ نقره ای در آمد و آنقدر روی شعله ی چراغ الکلی حرارت دادیم تا جوشیده و واکنش کامل شد بعد رسوب گیری کردیم که رسوب سیاه دوده ای حاکی وجود آنتیموان فلزی بود؛ محلول باقی مانده نیز قلع)ll( بود. در ادامه به روی محلول ۴-۵ قطره Hg₂Cl₂ ریختیم رسوب خاکستری رنگی تشکیل شد که نشانگر وجود قلع)ll( در محلول بود.

ü      بحث و نتیجه گیری:

فرایندهای انجام شده گامی بود برای آشنایی بیشتر با روش های تجزیه ی کیفی کاتیون های گروه دوم، جداسازی و شناسایی آن ها ، بررسی اهمیت مقدار مصرفی هر کدام از مواد استفاده شده همین طور دلیل استفاده ی هرکدام و تأثیرشان در پیشبرد فرایندهای آزمایش.