040 – Srážky

Srážení je nejjednodušší způsob, jak odstranit rozpuštěný iont z roztoku: dvě čiré kapaliny se smíchají a sloučenina, která se nerozpustí, se objeví jako tuhá látka vznášející se ve směsi. Čistírny odpadních vod ho využívají k odstranění fosfátů a těžkých kovů z odpadních vod, analytické laboratoře používají přesně tu reakci, která je studována zde, ke stanovení vápníku gravimetrickou metodou, a je to stejná chemie, která tvoří ledvinové kameny, jež jsou tvořeny převážně šťavelanem vápenatým. Sraženina se tvoří proto, že každá iontová sloučenina má limit rozpustnosti. Když smíchání dvou roztoků posune součin koncentrací iontů za tento limit, přebytek opustí roztok jako pevná látka, zatímco ionty, které se spojí v rozpustnou sloučeninu, zůstanou rozpuštěné a neviditelné.

Na srážecí reakci je pro výuku užitečné to, že při ní nedochází ke vzniku ani zániku ničeho nového. Pevná látka je sice nová, ale její atomy již v kádince byly; vyměnili se pouze jejich partneři. V této laboratorní úloze zvážíte prázdnou 50ml kádinku a prázdný 10ml odměrný válec, odměříte 5 ml 0,2M chloridu vápenatého a 5 ml 0,2M oxalátu amonného, ​​zvážíte každý roztok ve vlastní nádobě, smícháte je dohromady, pět sekund budete míchat a sledovat, jak se objevuje bílá pevná látka, a nakonec kádinku ještě jednou zvážíte. Porovnání celkové hmotnosti nádob před smícháním s celkovou hmotností po něm je přímým ověřením zákona zachování hmotnosti a množství látky obsažené v každém 5ml podílu vám umožní předpovědět, kolik pevné látky mělo vzniknout.

Vzdělávací cíle

• Seznámení s laboratorním prostředím — před začátkem vyhledejte váhy, dva dávkovače činidel, výlevku a promývací láhev a postupujte podle číslovaného protokolu na tabletu, přičemž po dokončení potvrďte každý krok.
• Použití analytických vah zvažte prázdnou nádobu a zaznamenejte její hmotnost předtím, než do ní cokoliv přidáte, přečtěte údaj na displeji s přesností na setiny gramu a uvědomte si, že každá hmotnost uváděná v této laboratoři je rozdílem mezi dvěma měřeními, nikoliv přímým měřením.
• Měření objemů kapalin — odměřte 5 ml z 10ml odměrného válce tak, že odečtete spodní okraj menisku v úrovni očí, a válec vypláchněte destilovanou vodou, než jej znovu použijete pro druhé činidlo, aby se do oxalátu nedostal žádný chlorid vápenatý.
• Příprava a kombinace roztoků reagencií — přeneste odměřený roztok do kádinky bez ztráty, opatrně přidejte druhý roztok a promíchejte skleněnou tyčinkou namísto kroužení kádinkou.
• Pozorování srážecí reakce — popište změnu vzhledu v okamžiku, kdy k ní dojde, a identifikujte bílou pevnou látku jako novou látku, nikoli jako nerozpuštěné činidlo.
• Kvantitativní interpretace výsledků — sestavte hmotnostní bilanci na základě zaznamenaných hodnot, vypočítejte množství látky v každé 5 ml vzorku a hmotnost sraženiny, která by z něj měla vzniknout, poté porovnejte tento odhad s hodnotou na váze a vysvětlete případný rozdíl.
• Bezpečnost v laboratoři a správné postupy — S rozpustnou oxalátovou solí, která je při požití toxická, manipulujte v rukavicích a s ochrannými brýlemi a skleněné nádobí opláchněte do dřezu, místo abyste na pracovní desce zanechávali zbytky.

Protokol

1. Počáteční vážení baňky: Zvažte prázdnou 50mL baňku a zaznamenejte její hmotnost.
2. Počáteční zvážení odměrného válce: Zvažte prázdný 10ml odměrný válec a zaznamenejte jeho hmotnost.
3. Měření chloridu vápenatého (CaCl₂Pomocí odměrného válce přesně odměřte 5 ml 0,2M roztoku chloridu vápenatého.
4. Přenos chloridu vápenatého: Nalijte odměřený roztok chloridu vápenatého do 50ml kádinky.
5. Vypláchnutí odměrného válce: Opláchněte odměrný válec destilovanou vodou pomocí lahve s rozprašovačem.
6. Měření šťavelanu amonného ((NH₄)₂C₂0₄) : Přesně změřte 5 ml 0,2M roztoku šťavelanu amonného pomocí stejného odměrného válce.
7. Vážení roztoku chloridu vápenatého: Zvažte kádinku obsahující roztok chloridu vápenatého a zaznamenejte hmotnost.
8. Vážení roztoku šťavelanu amonného: Zvažte odměrný válec obsahující roztok šťavelanu amonného a zaznamenejte hmotnost.
9. Pomocí dat nasbíraných v předchozích krocích vypočítejte hmotnost 2 kapalin.
10. Kombinace roztoků: Opatrně nalijte roztok šťavelanu amonného do kádinky obsahující roztok chloridu vápenatého.
11. Míchání: Jemně míchejte roztoky po dobu 5 sekund skleněnou tyčinkou. Zaznamenejte jakékoli změny vzhledu.
12. Konečné zvážení: Zvažte kádinku obsahující směs dvou reaktivních roztoků.
13. Pomocí dat shromážděných v krocích 10 až 12 vypočítejte kombinovanou hmotnost 2 smíchaných kapalin.
14. Porovnejte hmotnost tekutin před a po jejich smíchání a zaznamenejte své pozorování.

Předvídané výsledky

Během simulace je zaznamenáno pět hmotností. Níže uvedená tabulka uvádí hodnoty, které simulace vypočítá, přesně tak, jak se zobrazují v panelu „Výsledky“ na konci simulace, spolu s veličinou, k výpočtu které je každá z nich použita.

Srovnání, na kterém je laboratorní úloha založena, vyplývá z posledních tří řádků. Před smícháním váží obě kapaliny (80,04 − 75,00) + (55,31 − 50,00) = 5,04 + 5,31 = 10,35 g. Po smíchání a reakci obsahuje kádinka 85,35 − 75,00 = 10,35 g. Rozdíl činí 0,00 g. Zohledníme-li nádoby, dostaneme stejný závěr pro systém jako celek: předtím 80,04 + 55,31 = 135,35 g a poté 85,35 + 50,00 = 135,35 g, protože vyprázdněný váhový válec stále váží svou taru. Hmota se zachovává a panel Výsledky zaznamenává viditelnou změnu vedle ní, a to jako 50 ml kádinka #A / oxalát vápenatý / bílá sraženina.

Reakce a zapojená množství

Chlorid vápenatý a oxalát amonný podléhají podvojné záměně (metatézi): kationty a anionty si vymění partnery a jeden ze dvou možných produktů je nerozpustný.

CaCl₂(aq) + (NH₄)₂C₂O₄(aq) → CaC₂O₄(s) + 2 NH₄Cl(aq)

Reakce se účastní pouze vápník a šťavelan. Vyloučením iontů, které se na začátku a na konci reakce vyskytují v rozpuštěném stavu, získáme čistý iontový rovnici, kde Cl⁻ a NH₄⁺ jako vedlejší ionty:

Ahoj²⁺(aq) + C₂O₄²⁻(aq) → CaC₂O₄(s)

Množství látky v každé porci se vypočítá podle vzorce n = C × V. U chloridu vápenatého platí: n = 0,200 mol/l × 0,00500 l = 1,00 × 10⁻³ mol, přičemž stejná koncentrace a stejný objem dávají stejnou hodnotu 1,00 × 10⁻³ mol oxalátu amonného. V této reakci se obě činidla spotřebovávají v poměru 1:1, takže jejich množství je přesně stechiometrické a žádné z činidel není limitujícím činidlem – jedná se o záměrnou volbu, protože to znamená, že při výpočtu není třeba zohledňovat žádné ztráty činidla.

Očekávané množství sraženiny tedy činí m = n × M = 1,00 × 10⁻³ mol × 128,10 g/mol = 0,128 g bezvodého oxalátu vápenatého. Oxalát vápenatý se ve skutečnosti z chladného vodného roztoku krystalizuje jako monohydrát CaC₂O₄·H₂O (M = 146,11 g/mol), jehož hmotnost by po filtraci činila 0,146 g, nikoli však po vysušení při teplotě 200 °C. 2,00 × 10⁻³ mol chloridu amonného vytvořeného vedle něj činí 0,107 g a zůstává v roztoku, neviditelný.

Proč se objeví pevná látka a proč se objeví celá

Zda se vytvoří sraženina, rozhoduje porovnání iontového součinu Q = [Ca²⁺][C₂O₄²⁻] se součinem rozpustnosti oxalátu vápenatého, K_sp = 2,3 × 10⁻⁹ při 25 °C pro monohydrát. V okamžiku, kdy se obě 5ml porce setkají, je každá látka zředěna na 10 ml, takže oba ionty mají koncentraci 0,100 mol/l a Q = 0,100 × 0,100 = 1,0 × 10⁻². To je větší než K_sp přibližně čtyřikrát až desetinásobně⁶, a proto se zakalení objevuje okamžitě a nikoli postupně.

Stejná konstanta určuje, kolik vápníku zbývá. Pro sůl 1:1 je nasycená koncentrace $s$ rovna odmocnině z $K$._sp, takže s = (2,3 × 10⁻⁹)^1/2 = 4,8 × 10⁻⁵ mol/L, takže 10 mL supernatantu si uchovává 4.8 × 10⁻⁷ mol vápníku, neboli 0,06 mg. To je 0,05 % z 1,00 × 10⁻³ mol dodal: srážení je kvantitativní s přesností lepší než jedna ku tisíci, což je přesně důvod, proč se tato reakce používá pro gravimetrické stanovení vápníku a proč je oxalát spolehlivým způsobem, jak odstranit vápník ze vzorku.

Druhý produkt se chová opačně. Chlorid amonný se při teplotě 20 °C rozpouští v množství přibližně 372 g/l, takže 10 ml vody by mohlo pojmout 3,7 g této látky; zde vzniklé množství 0,107 g dosahuje pouze 3 % nasycení a nikdy se z roztoku nevysráží. Dvě pravidla rozpustnosti, která student potřebuje znát, jsou viditelná vedle sebe v jedné kádince: šťavelany kovů zemitých jsou nerozpustné a všechny běžné amonné soli jsou rozpustné.

Proč se celková hmotnost nemůže změnit

Chemická reakce přeskupuje, které atomy jsou s kterými vázány, a nedělá nic jiného. Spočítání atomů na každé straně vyvážené rovnice dokazuje tuto myšlenku bez jakéhokoli dovolávání se autority: reaktanty CaCl₂ a (NH₄)₂C₂O₄ dohromady obsahují 1 Ca, 2 Cl, 2 N, 8 H, 2 C a 4 O a produkty CaC₂O₄ a 2 NH₄Cl obsahuje 1 Ca, 2 C, 4 O, 2 N, 8 H a 2 Cl. Stejné atomy v jiné společnosti. Protože každý atom má pevnou hmotnost, celková hmotnost obsahu je také pevná, bez ohledu na to, co se stane s jejich vzhledem nebo stavem.

Důvodem, proč tato konkrétní reakce demonstruje zákon tak názorně, je to, že žádný z jejích produktů není plyn. Z otevřené kádinky nemůže nic uniknout, takže není potřeba žádný balónek, zátka ani uzavřená baňka a oba součty lze porovnat přímo. Reakce, která uvolňuje oxid uhličitý – například ta, která se používá v laboratorním měření zákona zachování hmotnosti –, se na otevřeném stole zdá ztrácet na hmotnosti a musí probíhat v uzavřeném systému, než lze dospět ke stejnému závěru; to je užitečný kontrast, který lze ukázat studentům, kteří předpokládají, že váha jim prostě říká pravdu.

Shrnutí úkolů podle věkové kategorie

9. až 10. ročník

• Zaměření odečítání z vah, udržování přehledné tabulky hmotností a slovní popis chemické změny.
• Aktivity: zvažte prázdnou kádinku a prázdný válec; odměřte a přeneste obě 5ml porce; zaznamenejte všech pět naměřených hodnot; popište vzhled každé kapaliny před smícháním a směsi potom; odečtěte táry, abyste zjistili hmotnost každé kapaliny, a ukažte, že obě kapaliny dohromady váží stejně před reakcí i po ní; vyjádřete závěr v jedné větě za použití slov srážet a zákon zachování hmotnosti správně.

11. ročník

• Zaměření vyrovnanou rovnici, molární výpočty a úplnou hmotnostní bilanci.
• Aktivity: napište molekulovou a celkovou iontovou rovnici a pojmenujte divácké ionty; vypočítejte $n = C \times V$ pro každé činidlo a ukažte, že jsou přítomny v poměru 1:1, který rovnice vyžaduje; předpovězte hmotnost vzniklého šťavelanu vápenatého (0,128 g) a hmotnost chloridu amonného zbývajícího v roztoku (0,107 g); sestavte hmotnostní bilanci celého systému a potvrd'te 135,35 g před a po; vysvětlete pomocí počítání atomů na každé straně rovnice, proč celková hmotnost musela zůstat nezměněna.

12. ročník / Úroveň college

• Zaměření rovnováha rozpustnosti a výpočet iontového součinu.
• Aktivity: vypočítejte iontový součin v okamžiku smíchání a porovnejte jej s K_sp dokázat, že srážení je kvantitativní; určit, jaká frakce vápníku zůstává rozpuštěna, a vyjádřit ji v mg/L; přepočítat očekávanou hmotnost každého 5ml podílu z jeho koncentrace; diskutovat o tom, jak by se výtěžek změnil v kyselém roztoku a jak by musela být gravimetrická stanovení vápníku provedena, aby byla spolehlivá.

Laboratorní potřeby

Nástroje

• Váha (digitální, s rozlišením na 0,01 g)
• Kádinka (50 ml)
• Odměrný válec (10 ml)
• Skleněná tyč
• Promývací láhev

Produkty

• Chlorid vápenatý CaCl₂ 0,2 M (roztok, 5 ml)
• Šťavelan amonný (NH₄)₂C₂O₄ 0,2 M (roztok, 5 ml)
• Destilovaná voda (na oplachování)