Procesy jonowe i redoks

Barwy wskaźników w roztworach kwasów i zasad

Opis doświadczenia: Do czterech probówek wlewamy roztwór kwasu, do następnych czterech roztwór zasady, a ostatnie cztery pozostawiamy wypełnione wodą destylowaną. Potem do pierwszych probówek z kwasem, zasadą i wodą dodajemy nieco lakmusu, do następnych fenoloftaleinę, do kolejnych oranż, a w następnych zanurzamy papierki uniwersalne.

Obserwacje: Roztwory zabarwiły się następująco:

Wskaźnik	Roztwór kwasu	Woda destylowana	Roztwór zasady
lakmus	jasnoczerwony	niebieskawy	fioletowoniebieski
fenoloftaleina	bezbarwny	bezbarwny	malinowy
oranż metylowy	czerwony	pomarańczowy	żółty
papierek uniwersalny	czerwony	żółty	niebieski

Wnioski: Wskaźniki reagują zmianą barwy na obecność jonów H⁺ i OH^- w roztworze.

Hydroliza FeCl₃

Opis doświadczenia: Do zlewki z wodą dodajemy nieco FeCl₃, mieszamy, a następnie odstawiamy na kilka minut. Po pewnym czasie sprawdzamy odczyn roztworu za pomocą papierka uniwersalnego.

Obserwacje: Na początku roztwór soli był klarowny, jednak po upływie czasu zaczął mętnieć. Papierek wskaźnikowy zabarwił się na czerwono.

Wnioski: FeCl₃ po rozpuszczeniu ulega hydrolizie. Powstaje Fe(OH)₃, który jest nierozpuszczalny i powoduje postępujące zmętnienie. Na skutek hydrolizy odczyn roztworu staje się kwaśny:

\[ FeCl_{3} + 3 H_{2}O \rightleftarrows Fe(OH)_{3} \downarrow + 3 HCl \]

Miareczkowanie NaOH za pomocą HCl

Opis doświadczenia: Montujemy układ do miareczkowania, składający się z biurety i dwóch kolb stożkowych. Jedna z kolb będzie zawierała miareczkowany roztwór, druga zaś będzie kolbą pomocniczą. Do dokładnie umytej biurety wlewamy 0,1 M HCl, zaś w kolbie umieszczamy 20 cm3 roztworu NaOH o nieznanym stężeniu wraz z kilkoma kroplami oranżu metylowego. Powoli dodajemy kwas z biurety, cały czas starannie mieszając zawartość kolby, aż do zmiany zabarwienia wskaźnika.

Obserwacje: Początkowo nie widać zmian zabarwienia roztworu. W pewnym momencie roztwór przybiera pomarańczową barwę, a dosłownie kroplę później staje się czerwony.

Wnioski: Końcem miareczkowania jest moment, gdy zabarwienie roztworu staje się pomarańczowe. Prowadzona reakcja należy do bardzo szybkich. Odczytana objętość kwasu posłuży do obliczenia stężenia NaOH.

Strącanie CaSO₄

Opis doświadczenia: Do jednej zlewki wlewamy roztwór Na₂SO₄ o bardzo niewielkim stężeniu, zaś do drugiej - bardzo stężony. Następnie do obu zlewek dodajemy identyczną ilość roztworu CaCl₂.

Obserwacje: W zlewce ze stężonym roztworem wytrącił się biały osad, zaś w zlewce z rozcieńczonym Na₂SO₄ nie nastąpiło wytrącenie (opcjonalnie - ilość osadu była wyraźnie mniejsza).

Wnioski: Aby nastąpiło wytrącenie osadu, iloczyn stężeń obu jonów musi przekroczyć wartość zwaną iloczynem rozpuszczalności. \[ Ca^{2+} + SO_{4}^{2-} \rightleftarrows CaSO_{4}\\ K_{SO} = [Ca^{2+}][SO_{4}^{2-}] \]

Amfoteryczny charakter wodorotlenku glinu i chromu(III)

Opis doświadczenia: Do pierwszej zlewki wlewamy roztwór chlorku glinu, zaś do drugiej - chlorku chromu(III). Kroplami dodajemy do obu zlewek NaOH aż do wytrącenia się osadu, następnie oba osady starannie odsączamy i dzielimy na dwie części. Do jednej porcji Al(OH)₃ dodajemy dodatkową porcję NaOH, zaś do drugiej porcję HCl. Z wodorotlenkiem chromu(III) postępujemy analogicznie.

Obserwacje: Oba osady roztworzyły się zarówno w kwasie, jak i w zasadzie. W wypadku Al(OH)₃ oba roztwory były bezbarwne, zaś jeśli chodzi o Cr(OH)₃ to po dodaniu kwasu powstał zielony roztwór, zaś po dodaniu zasady - niebieski.

Wnioski: Oba wodorotlenki są amfoteryczne. Reagują z mocnymi kwasami i zasadami według następujących reakcji:

\[ Al(OH)_{3}\downarrow + OH^{-} \rightleftarrows [Al(OH)_{4}]^{-}\\ Al(OH)_{3}\downarrow + 3 H^{+} \rightleftarrows Al^{3+} + 3 H_{2}O\\ Cr(OH)_{3}\downarrow + OH^{-} \rightleftarrows [Cr(OH)_{4}]^{-} (zielony)\\ Cr(OH)_{3}\downarrow + 3 H^{+} \rightleftarrows Cr^{3+} + 3 H_{2}O (niebieski) \]

Strącanie siarczanu(VI) baru

Opis doświadczenia: Do probówki nalewamy nieco chlorku baru, a następnie kroplami dodajemy roztwór kwasu siarkowego(VI).

Obserwacje: Wytrąca się biały osad.

Wnioski: Wytrącił się nierozpuszczalny siarczan(VI) baru

\[ Ba^{2+} + SO_{4}^{2-} \rightarrow BaSO_{4}\downarrow \]

Reakcja węglanu sodu z kwasem solnym

Opis doświadczenia: Do probówki z roztworem węglanu sodu dodajemy nieco kwasu solnego.

Obserwacje: Wydziela się bezbarwny gaz.

Wnioski: W obecności jonów H⁺ tworzy się nietrwały kwas węglowy, który szybko rozkłada się z wydzieleniem gazowego dwutlenku węgla w myśl reakcji:

\[ CO_{3}^{2-} + 2 H^{+} \rightarrow H_{2}O + CO_{2}\downarrow \]

Zmiana postaci jonów chromianowych pod wpływem pH

Opis doświadczenia: Do zlewki zawierającej roztwór chromianu(VI) potasu dodajemy nieco kwasu siarkowego(VI) i obserwujemy zmianę barwy. Następnie dodajemy roztwór wodorotlenku sodu.

Obserwacje: Po dodaniu kwasu żółty roztwór chromianu zmienił barwę na pomarańczową. Po dodaniu zasady, roztwór znów stał się żółty.

Wnioski: Jony chromianowe(VI) są trwale w środowisku zasadowym, zaś po zakwaszeniu przechodzą w jony dichromianowe(VI), które są trwale w środowisku kwaśnym. Przemiana ta jest odwracalna - po alkalizacji znów otrzymujemy jony chromianowe(VI).

\[ 2 CrO_{4}^{2-} + 2 H^{+} \rightleftarrows Cr_{2} O_{7}^{2-} + H_{2}O\\ Cr_{2}O_{7}^{2-} + OH^{-} \rightleftarrows 2 CrO_{4}^{2-} + H_{2}O\\ \]

Hydroliza octanu sodu

Opis doświadczenia: Do zlewki nalewamy trochę wody, a następnie dodajemy nieco stałego octanu sodu. Roztwór mieszamy, aż do rozpuszczenia soli - można też ją ogrzać, by przyspieszyć proces. Potem sprawdzamy odczyn roztworu za pomocą papierka uniwersalnego.

Obserwacje: Papierek zabarwił się na niebiesko.

Wnioski: Odczyn roztworu jest zasadowy. Bierze się to z tego, że jon octanowy zachowuje się jak zasada wobec wody zgodnie z równaniem:

\[ CH_{3}COO^{-} + H_{2}O \rightleftarrows CH_{3} COOH + OH^{-} \]

Utleniające właściwości jonów dichromianowych(VI)

Opis doświadczenia: Do probówki z roztworem dichromianu(VI) potasu dodajemy roztwór kwasu siarkowego(VI), a następnie siarczan(IV) potasu.

Obserwacje: Roztwór zmienił barwę z pomarańczowej na zieloną.

Wnioski: Jony siarczanowe(IV) uległy utlenieniu przez jony dichromianowe(VI). Chrom zmienił stopień utlenienia z +VI na +III:

\[ Cr_{2}O_{7}^{2-} + 3 SO_{3}^{2-} + 8 H^{+} \rightarrow 2 Cr^{3+} + 3 SO_{4}^{2-} + 4 H_{2}O \]

Utleniające właściwości jonów manganianowych(VII)

Opis doświadczenia: Do probówki z roztworem manganianu(VII) potasu dodajemy nieco kwasu siarkowego(VI), a następnie roztwór siarczanu(VI) żelaza(II).

Obserwacje: Barwa roztworu zmieniła się z fioletowej na jasnożółtą.

Wnioski: Jony manganianowe(VII) utleniły jony żelaza(II). Mangan zmienił stopień utlenienia z +VII na +II.

\[ MnO_{4}^{-} + 5 Fe^{2+} + 8 H^{+} \rightarrow Mn^{2+} + 5 Fe^{3+} + 4 H_{2}O \]

Redukcja jonów manganianowych(VII) w różnych środowiskach

Opis doświadczenia: Przygotowujemy trzy probówki i do każdej z nich nalewamy tyle samo manganianu(VII) potasu. Do pierwszej dodajemy kilka kropel kwasu siarkowego(VI), do drugiej tyle samo wodorotlenku sodu, zaś do trzeciej nie dodajemy niczego. Na końcu do każdej probówki dodajemy reduktora, czyli roztwór siarczanu(IV) potasu.

Obserwacje: W środowisku kwaśnym roztwór się odbarwił, w środowisku zasadowym barwa roztworu zmieniła się z fioletowej na zieloną, zaś w trzeciej probówce powstał brunatny osad.

Wnioski: Jony manganianowe(VII) uległy redukcji przez jony siarczanowe(IV), jednak w zależności od pH reakcja przebiegała inaczej i do innego stopnia utlenienia

• środowisko kwasowe: zmiana stopnia utlenienia z +VII na +II
\[ 2MnO_{4}^{-} + 5 SO_{3}^{2-} + 6 H^{+} \rightarrow 2 Mn^{2+} + 5 SO_{4}^{2-} + 3 H_{2}O \]
• środowisko obojętne: zmiana stopnia utlenienia z +VII na +IV
\[ 2 MnO_{4}^{-} + 3 SO_{3}^{2-} + H_{2}O \rightarrow 2 MnO_{2}\downarrow + 3 SO_{4}^{2-} + 2 OH^{-} \]
• środowisko zasadowe: zmiana stopnia utlenienia z +VII na +VI
\[ MnO_{4}^{-} + SO_{3}^{2-} + 2 OH^{-} \rightarrow MnO_{4}^{2-} + SO_{4}^{2-} + H_{2}O \]

Otrzymywanie tlenu z manganianu(VII) potasu

Opis doświadczenia: Do probówki z bocznym odprowadzeniem dodajemy kilka kryształków manganianu(VII), zamykamy korkiem, a następnie ogrzewamy nad palnikiem. Koniec rurki odprowadzającej umieszczamy w zestawie do otrzymywania gazów nierozpuszczalnych w wodzie - wypełnionej wodą probówce ustawionej do góry dnem w krystalizatorze z wodą.

Obserwacje: KMnO₄ zmienia barwę z ciemnofioletowego na ciemnozielony. W wypełnionej wodą probówce zbiera się gaz.

Wnioski: Manganian(VII) potasu ulega rozkładowi pod wpływem temperatury, wydzielając tlen.

\[ 2 KMnO_{4} \rightarrow K_{2}MnO_{4} + MnO_{2} + O_{2}\uparrow \]

Redukcyjne właściwości żelaza

Opis doświadczenia: W probówce z kwasem solnym umieszczamy trochę wiórków żelaznych. Po pewnym czasie dodajemy NaOH.

Obserwacje: Powierzchnia metalu pokryła się pęcherzykami gazu, z roztwór przybierał jasnożółtą barwę. Po dodaniu wodorotlenku pojawił się zielony osad.

Wnioski: Podczas reakcji żelaza z kwasem powstały jony żelaza(II), czego dowodem jest wytrącenie się jasnozielonego osadu.

\[ Fe + 2 H^{+} \rightarrow Fe^{2+} + H_{2} \uparrow \]

Utleniające i redukcyjne właściwości H₂O₂

Opis doświadczenia: Przygotowujemy dwie probówki zawierające roztwór nadtlenku wodoru. Do pierwszej z nich dodajemy roztwór KI oraz kilka kropel kwasu siarkowego(VI). Następnie dodajemy nieco kleiku skrobiowego. Do drugiej probówki wlewamy nieco roztworu KMnO₄ oraz kilka kropel kwasu siarkowego(VI). Probówkę ogrzewamy.

Obserwacje: Zawartość pierwszej probówki zabarwiła się na brązowo, zaś po dodaniu skrobi roztwór przyjął błękitną barwę. Roztwór w drugiej probówce uległ odbarwieniu, zaś na ściankach pojawiły się pęcherzyki gazu.

Wnioski: W pierwszej probówce nadtlenek wodoru w środowisku kwaśnym utlenił jony jodkowe do pierwiastkowego jodu (stąd brązowe zabarwienie), które tworzą błękitne związki kompleksowe ze skrobią. W drugiej probówce znajdował się bardzo silny utleniacz, wobec którego nadtlenek wodoru zachował się jak reduktor.

\[ 2 I^{-} + H_{2}O_{2} + 2 H^{+} \rightarrow I_{2} + 2 H_{2}\\ 2 MnO_{4}^{-} + 5 H_{2}O_{2} + 6 H^{+} \rightarrow 2 Mn^{2+} + 5 O_{2} + 8 H_{2}O \]