Keemia aluste praktikumi Protokoll 4 (0)

Sissejuhatus
Et eristada erinevates agregaatolekutes olevaid ja lahustunud ühendeid, on korrektne märkida olek ühendi või iooni juurde. aq – ühend lahuses, s – tahke ühend või sade (vahel näidatakse ka noolega ↓), l – vedelik, g – gaas (vahel märgitakse ka noolega ↑).
Ioonvõrrandite kirjutamisel jälgida järgmisi reegleid:

• lahku võib kirjutada kõik tugevad elektrolüüdid
  
• vasakul ja paremal pool korduvad ioonid jäetakse võrrandist välja (taandataks)
  
• kokku jäetakse
  
  • gaasid jt mitte dissotsieeruvad ühendid (CO2, NH3, SO2, MnO2 jt)
    
  • vähelahustuvad ühendid (BaSO4, AgCl, Cu(OH)2 jt)
    
  • vesi H2O ning muud vähe dissotsieeruvad ühendid (H2S, HCN, HF, NH3 ⋅ H2O, CH3COOH jt)
    
  • kompleksioonid ([Ag(NH3)2]+,  [Al(OH)6]3– jt)
    
• laengute summa võrrandi vasakul pool peab võrduma laengute summaga paremal pool (ülaltoodud näites vasakul 2*(–1) + 2 = 0, ka paremal laeng puudub).
  

Oksüdatsiooniastmete muutusega kulgevad ehk redoksreaktsioonid
Reaktsioone, mis on seotud elektronide üleminekuga ühelt aatomilt teisele, nimetatakse redoksreaktsioonideks. Ainet või iooni, mille koostises olevad aatomid loovutavad elektrone, nimetatakse redutseerijaks, see aine ise seejuures oksüdeerub (tema oksüdatsiooniaste kasvab). Ainet või iooni, mis seob elektrone, nimetatakse oksüdeerijaks, aine ise seejuures redutseerub (tema oksüdatsiooniaste kahaneb).
Eksperimentaalne töö
Reaktsioonid elektrolüütide lahustes
Töö ülesanne ja eesmärk
Elektrolüütide lahustes toimuvate reaktsioonide kulgemise peamiste põhjuste selgitamine , reaktsioonivõrrandite kirjutamine molekulaarsel ja ioon -molekulaarsel kujul, redoksreaktsioonide võrrandite tasakaalustamine.
Töövahendid: katseklaaside komplekt
Sademete teke
Katse 1. SO42 – ioone sisaldavale lahusele (0,5...1 ml) lisada tilkhaaval Ba2+ ioone sisaldavat lahust.
CuSO4 + BaCl2 → BaSO4 ↓+ CuCl2
Ba2+ + SO42- → BaSO4
Katseklaasi tekkis valge piimjas BaSO4 sade, mis ei lahustu.
Katse 2. Al3+ ioone sisaldavale lahusele (0,5...1 ml) lisada 2 M NH3·H2O lahust ammoniaagi lõhna püsimajäämiseni.
Al2(SO4)3 + NH4OH → 2Al(OH)3 ↓ + 3(NH4) 2SO4
Al3+ + OH- → Al(OH)3
Katseklaasi tekkis paksem piimjas Al(OH)3 sade.
Katse 3. Pb2+ ioone sisaldavale lahusele (0,5...1 ml) lisada CrO42- ioone sisaldavat lahust.
Pb(NO3)2 + K2CrO4 → PbCrO4 ↓ + 2KNO3
Pb2+ + CrO42- → PbCrO4
Tekkis kollane puruline PbCrO4 sade, mis ei paistnud läbi.
Hüdrolüüs
Katse 4. Võtta ühte katseklaasi 1 ml Al2(SO4)3 lahust, teise sama palju Na2CO3 lahust. Hinnata lahuste pH-d indikaatoritega (lisada 2...3 tilka).
Al3+ + H2O → AlOH2+ + H+
CO32 - + H2O → HCO3 - + OH-
Na2CO3 fenoolftaleiini lisades muutus lahus lillaks. pH ˃ 9,9 ehk aluseline keskkond, kuna OH- ioonid on ülekaalus.
Al2(SO4)3 metüülpunast lisades muutus lahus punaseks. pH ˂ 4,2 ehk happeline keskkond, kuna H+ ioonid on ülekaalus.
Gaasi teke
Katse 5. CO32– ioone sisaldavale lahusele (1...2 ml) lisada mõni tilk indikaatori fenoolftaleiini lahust. Millise reaktsiooniga (happeline, aluseline) on lahus? Miks? Lisada tilkhaaval 1 M HCl vesilahust. Miks muudab indikaator värvust? Kas soolhappe lisamisel on näha eralduva gaasi mullikesi?
Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + CO2 ↑ + H2O
CO32- + 2H+ → CO2 ↑ + H2O
Na2CO3 on aluselise reaktsiooniga. Fenoolftaleiini lisamisel muutus laus lillaks. 1M HCl lisades neutraliseeritakse lahus ja happe lisades muutub lahus lõpuks happeliseks , indikaatori värvus kaob. Vähe eraldus gaasi.
Kompleksühendi teke
Katse 6. Cu2+ ioone sisaldavale lahusele (1...2 ml) lisada tilkhaaval 6 M NH3 ⋅ H2O, kuni esialgselt tekkiv sade (mis sade tekkis?) loksutamisel lahustub ja värvus enam ei muutu. Millise värvuse annab lahusele tekkiv kompleksioon [Cu(NH3)4]2+ ?
Cu2+ + 4NH3 ⋅ H2O → [Cu(NH3)4]2+ + 4H2O
CuSO4 + 4NH3 ⋅ H2O → Cu(OH)2 + 4NH3 ⋅ H2O → [Cu(NH3)4]SO4 + 4H2O
Algselt tekkis piimjas valge Cu(OH)2 sade. Hüdraadi lisamisel tekkis tumesinine lahus, mis on tingitud [Cu(NH3)4]2+.
Redoksreaktsioonid
Katse 7. Võtta ühte katseklaasi tükk metallilist tsinki ja teise vaske. Lisada katseklaasidesse lahjendatud vesinikkloriidhapet. Jälgida gaasilise vesiniku eraldumist metalli pinnal mullikestena. Kas reaktsioon toimub mõlemas katseklaasis? Põhjendada, lähtudes metallide pingereast.
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 ↑
Zn – 2e → Zn2+ redutseerija
2H0 + 1e → 2H+ *2 oksüdeerija
Cu + HCl → reaktsiooni ei toimu
Esimeses reaktsioonis eraldus H2 mullidena. Teises reaktsiooni ei toimu kuna Cu on vähem aktiivsem kui H, asetsedes metallide pingereas vesinikust vasakul pool.
Katse 8. Kuiva katseklaasi panna tükk vaske ja lisada ~1 ml kontsentreeritud lämmastikhapet. Millised muutused toimuvad? Mis on eralduv pruunikas gaas (mürgine!)?
Cu + 4HNO3 → Cu(NO2)2 + 2NO ↑+ 2H2O
3Cu + 8H+ + 2NO3- → 3Cu2+ + 2NO ↑ +4H2O
Segu muutus järjest rohelisemaks kuni oli tumeroheline, samal ajal eraldus pruunikas NO gaas, mis on mürgine. Reaktsiooni lõppedes, lõppes ka pruuni gaasi eraldumine.
Cu – 2e → Cu2+ redutseerija
2N + 3e → 2N4+ *2 oksüdeerija
­­Katse 9. Võtta katseklaasi tükk metallilist tsinki ja lisada 1...2 ml CuSO4 lahust. Millised muutused toimuvad? Millise metalli kiht sadestub tsingitüki pinnale?
Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu
CuSO4 + Zn → Zn2+ + SO4 2- + Cu
Cu2+ + 2e → Cu0 oksüdeerija
Zn – 2e → Zn2+ redutseerija
Zn muutub mustaks ja selle pinnale sadestub Cu kiht. Lahus muutub heledamaks.
KMnO4 ja K2Cr2O7 reaktsioone
Katse 10. Valada katseklaasi ~0,5 ml KMnO4 lahust ja lisada sama kogus lahjendatud H2SO4 lahust ning spaatliga tahket Na2SO3 kuni värvuse valastumiseni (värvituks muutumiseni). Tasakaalustada ja esitada ioonkujul reaktsioonivõrrand
2KMnO4(aq) + 5Na2SO3(s) + 3H2SO4(aq) → 2MnSO4(aq) + 5Na2SO4(aq) + K2SO4 (aq) + 3H2O(l)
2MnO4 - + 5SO32- + 6H+ → 2Mn2+ + 5SO42+ + 3H2O
Mn7+ - 5e → Mn2+
*2 redutseerija
S4- +2e → S6- *5 oksüdeerija
Lahus muutus värvusetuks.
Katse 11. Valada katseklaasi ~0,5 ml lahjendatud väävelhappelahust ning lisada 2 tilka KMnO4 lahust. Seejärel lisada tilkhaaval Fe2+-ioone sisaldavat lahust. Reaktsiooni tulemusena kaob lahusele iseloomulik permanganaatioonist tingitud värvus. Tasakaalustada ning esitada molekulaarkujul reaktsioonivõrrand
MnO4–(aq) + 5Fe2+(aq) + 8H+(aq) → 8Mn2+(aq) + 5Fe3+(aq) + 4H2O(l)
KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 → 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 8H2O
Mn7+ + 5e → Mn2+ oksüdeerija
Fe2+ - 1e → Fe3+ *5 redutseerija
FeSO4 lisamisel kadus lahusest permanganaatioonist tingitud värvus.
Katse 12. K2Cr2O7 lahusele (1...2 ml) lisada ~1 ml lahjendatud väävelhappelahust ja 1...2 ml Fe2+-ioone sisaldavat lahust. Cr2O72 –reageerib kui oksüdeerija, mille tulemusena kaob lahusele iseloomulik dikromaatioonist tingitud värvus. Tasakaalustada ning esitada molekulaarkujul reaktsioonivõrrand
Cr2O72–(aq) + 6Fe2+(aq) + 14H+(aq) → 2Cr3+(aq) + 6Fe3+(aq) + 7H2O(l)
K2Cr2O7 + 6FeSO4 + 7H2SO4 → Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O
Cr6+ + 3e →Cr3+ *1 oksüdeerija
Fe2+ - 1e →Fe3+ *3 redutseerija
Lahus muutus rohekas pruuniks , kadus dikromaatioonist tingitud värvus.
Kokkuvõte
Toimuvad muutused on tingitud segu pH keskkonna muutumisest, sademete tekkest, ainete omavahelisest reageerimisest, metalli asukohast pingeres jne. Muutusi on võimalik reaktsioonivõrrandi põhjal ette ennustada ning katseliselt teostada.