040 – Opady

Wytrącanie osadu to najprostszy sposób na usunięcie rozpuszczonego jonu z roztworu: po zmieszaniu dwóch klarownych cieczy pojawia się nierozpuszczalny związek w postaci ciała stałego zawieszonego w mieszaninie. Stacje uzdatniania wody stosują tę metodę do usuwania fosforanów i metali ciężkich ze ścieków, laboratoria analityczne wykorzystują dokładnie tę reakcję, którą tutaj badano, do oznaczania wapnia metodą grawimetryczną, i jest to ta sama chemia, która tworzy kamienie nerkowe, składające się w dużej mierze ze szczawianu wapnia. Osad powstaje, ponieważ każdy związek jonowy ma granicę rozpuszczalności. Kiedy zmieszanie dwóch roztworów powoduje, że iloczyn stężeń jonów przekracza tę granicę, nadmiar opuszcza roztwór jako ciało stałe, podczas gdy jony tworzące rozpuszczalny związek pozostają rozpuszczone i niewidoczne.

To, co czyni reakcję strąceniową przydatną w nauczaniu, to fakt, że podczas jej zachodzenia nic nie jest tworzone ani niszczone. Ciało stałe jest nowe, ale jego atomy znajdowały się już w zlewce; zmieniły się tylko ich partnerskie połączenia. W tym doświadczeniu zważysz pustą zlewkę o pojemności 50 ml i pusty cylinder miarowy o pojemności 10 ml, odmierzysz 5 ml roztworu chlorku wapnia o stężeniu 0,2 M oraz 5 ml roztworu szczawianu amonu o stężeniu 0,2 M, zważysz każdy roztwór w jego własnym naczyniu, zmieszasz je, będziesz mieszać przez pięć sekund i obserwować pojawienie się białego ciała stałego, a następnie zważysz zlewkę po raz ostatni. Porównanie całkowitej masy naczyń przed zmieszaniem z masą całkowitą po zmieszaniu stanowi bezpośredni test prawa zachowania masy, a ilość substancji zawarta w każdej porcji 5 ml pozwala przewidzieć, ile ciała stałego powinno się wytworzyć.

Cele edukacyjne

• Zapoznanie się ze środowiskiem laboratoryjnym — zlokalizuj wagę, dwa dozowniki odczynników, zlewozmywak i tryskawkę laboratoryjną przed rozpoczęciem, a następnie przejdź przez ponumerowany protokół na tablecie, potwierdzając każdy krok w miarę jego ukończenia.
• Użycie wagi analitycznej — zważ puste naczynie i zapisz jego masę przed dodaniem do niego czegokolwiek, odczytaj wskazanie wyświetlacza z dokładnością do setnych części grama i miej świadomość, że każda masa podana w tym laboratorium jest różnicą między dwoma odczytami, a nie pomiarem bezpośrednim.
• Pomiary objętości cieczy — odmierzyć 5 ml z 10-mililitrowego cylindra miarowego, odczytując dół menisku na wysokości wzroku, i przepłukać cylinder wodą destylowaną przed ponownym użyciem do drugiego odczynnika, aby chlorek wapnia nie został wniesiony do szczawianu.
• Przygotowanie i mieszanie roztworów odczynników — przenieś odmierzony roztwór do zlewki bez strat, ostrożnie dodaj drugi roztwór i wymieszaj szklaną pałeczką zamiast potrząsać zlewką.
• Obserwacja reakcji strącania — opisz zmianę wyglądu w momencie jej wystąpienia i zidentyfikuj białą substancję stałą jako nową substancję, a nie nierozpuszczony odczynnik.
• Ilościowa interpretacja wyników — sporządzić bilans masowy na podstawie zarejestrowanych odczytów, obliczyć ilość substancji w każdej porcji 5 ml oraz masę oczekiwanego z niej osadu, a następnie porównać przewidywania ze wskazaniami wagi i wyjaśnić ewentualne różnice.
• Bezpieczeństwo i dobre praktyki w laboratorium — pracuj z rozpuszczalną solą szczawianu, która jest toksyczna w przypadku połknięcia, w rękawicach i okularach ochronnych, a szkło laboratoryjne spłucz do zlewu, zamiast pozostawiać osady na stole.

Protokół

1. Ważenie początkowe zlewki: Zważ pustą zlewkę o pojemności 50 ml i zapisz jej masę.
2. Wstępne ważenie cylindra miarowego: Zważ pusty cylinder miarowy o pojemności 10 ml i zapisz jego masę.
3. Pomiar chlorku wapnia (CaCl₂) : Używając cylindra miarowego, odmierz dokładnie 5 ml 0,2 M roztworu chlorku wapnia.
4. Przeniesienie chlorku wapnia: Wlej odmierzoną ilość roztworu chlorku wapnia do zlewki o pojemności 50 ml.
5. Płukanie cylindra miarowego: Użyj butelki ze spryskiwaczem do przepłukania cylindra miarowego wodą destylowaną.
6. Pomiar szczawianu amonu ((NH₄)₂C₂0₄) : Precyzyjnie odmierzyć 5 ml 0,2M roztworu szczawianu amonu za pomocą tego samego cylindra miarowego.
7. Zważenie roztworu chlorku wapnia: Zważ zlewkę zawierającą roztwór chlorku wapnia i zanotuj masę.
8. Odważenie roztworu szczawianu amonu: Zważ cylinder miarowy zawierający roztwór szczawianu amonu i zanotuj masę.
9. Wykorzystując dane zebrane w poprzednich krokach, obliczyć masę 2 płynów.
10. Połączenie roztworów: Delikatnie wlej roztwór szczawianu amonu do zlewki zawierającej roztwór chlorku wapnia.
11. Mieszanie: Delikatnie wymieszać roztwory przez 5 sekund szklaną bagietką. Zanotować wszelkie zmiany wyglądu.
12. Ostateczne ważenie: Zważ zlewkę zawierającą mieszaninę dwóch reaktywnych roztworów.
13. Korzystając z danych zebranych w krokach od 10 do 12, oblicz łączną masę 2 mieszanych płynów.
14. Porównaj masę płynów przed i po ich zmieszaniu i zanotuj swoje obserwacje.

Przewidywane wyniki

W trakcie sesji zarejestrowano pięć mas. Poniższa tabela przedstawia wyniki obliczeń symulacji, dokładnie tak, jak pojawiają się one w panelu „Wyniki” na końcu przebiegu, wraz z wielkością, do obliczenia której każda z nich została wykorzystana.

Porównanie, wokół którego zbudowano to ćwiczenie laboratoryjne, wynika z ostatnich trzech wierszy. Przed zmieszaniem oba płyny ważą (80,04 − 75,00) + (55,31 − 50,00) = 5,04 + 5,31 = 10,35 g. Po zmieszaniu i reakcji zleweczka zawiera 85,35 − 75,00 = 10,35 g. Różnica wynosi 0,00 g. Uwzględnienie naczyń prowadzi do takiego samego wniosku dla układu jako całości: 80,04 + 55,31 = 135,35 g przed oraz 85,35 + 50,00 = 135,35 g po, ponieważ opróżniony cylinder nadal waży tyle, ile wynosi jego tara. Masa jest zachowana, a panel Wyniki rejestruje widoczną zmianę wraz z nią, jako zlewka 50 ml #A / szczawian wapnia / biały osad.

Reakcja i związane z nią ilości

Chlorek wapnia i szczawian amonu ulegają reakcji podwójnego wypierania (metatezie): kationy i aniony zamieniają się miejscami, a jeden z dwóch możliwych produktów jest nierozpuszczalny.

CaCl₂₂(aq) + (NH₄)₂C₂O₄(aq) → CaC₂O₄(s) + 2 NH₄Cl(aq)

W reakcji biorą udział wyłącznie jon wapnia i jon szczawianowy. Wyeliminowanie jonów, które rozpoczynają i kończą reakcję w postaci rozpuszczonej, daje równanie jonowe netto, w którym Cl^– oraz NH₄⁺ jako jony obserwowane:

Ca²⁺(aq) + C₂O₄²⁻(aq) → CaC₂O₄(s)

Ilość substancji w każdej porcji wynika z równania n = C × V. W przypadku chlorku wapnia: n = 0,200 mol/l × 0,00500 l = 1,00 × 10⁻³ mol, a przy identycznym stężeniu i objętości otrzymujemy tę samą wartość 1,00 × 10⁻³ mol szczawianu amonu. W równaniu tym oba odczynniki ulegają zużyciu w stosunku 1:1, więc ich ilości są dokładnie stechiometryczne i żaden z nich nie jest czynnikiem ograniczającym — jest to celowy wybór, ponieważ oznacza to, że w obliczeniach nie trzeba uwzględniać żadnych strat odczynników.

Oczekiwana masa osadu wynosi zatem m = n × M = 1,00 × 10⁻³ mol × 128,10 g/mol = 0,128 g bezwodnego szczawianu wapnia. Szczawian wapnia krystalizuje się bowiem z zimnego roztworu wodnego w postaci monohydratu CaC₂O₄·H₂O (M = 146,11 g/mol), który po filtracji ważyłby 0,146 g, ale nie po wysuszeniu w temperaturze 200 °C. 2,00 × 10⁻³ mol powstałego obok chlorku amonu wynosi 0,107 g i pozostaje w roztworze, będąc niewidocznym.

Dlaczego pojawia się bryła i dlaczego pojawia się w całości

O tym, czy powstaje osad, decyduje porównanie iloczynu jonowego Q = [Ca²⁺][C₂O₄²⁻] przy iloczynie rozpuszczalności szczawianu wapnia, K_sp = 2,3 × 10⁻⁹ w temperaturze 25 °C dla monohydratu. W momencie zetknięcia się obu porcji po 5 mL każda substancja rozpuszczona została rozcieńczona do 10 mL, więc oba jony mają stężenie 0,100 mol/L, a Q = 0,100 × 0,100 = 1,0 × 10⁻². Jest to wartość większa niż K_sp ponad czterokrotnie⁶, dlatego zamglenie jest natychmiastowe, a nie stopniowe.

Ta sama stała określa, ile wapnia pozostaje w roztworze. W przypadku soli o stosunku 1:1 stężenie nasycone s jest równe pierwiastkowi kwadratowemu z K_sp, więc s = (2.3 × 10⁻⁹)^1/2 = 4,8 × 10⁻⁵ mol/l, więc w 10 ml supernatantu pozostaje 4,8 × 10⁻⁷ mol wapnia, czyli 0,06 mg. To stanowi 0,05 % z 1,00 × 10⁻³ mol dodał: strącenie jest ilościowe z dokładnością lepszą niż jedna część na tysiąc, co jest dokładnie powodem, dla którego reakcja ta jest stosowana do grawimetrycznych oznaczeń wapnia i dlaczego szczawian jest niezawodnym sposobem usuwania wapnia z próbki.

Ten drugi produkt działa odwrotnie. Chlorek amonu rozpuszcza się w stężeniu około 372 g/l w temperaturze 20 °C, więc 10 ml wody może pomieścić 3,7 g tej substancji; powstałe tutaj 0,107 g osiąga jedynie 3 % nasycenia i nigdy nie wytrąca się z roztworu. Dwie zasady rozpuszczalności, których uczeń potrzebuje, widać obok siebie w jednej zlewce: szczawiany metali ziem alkalicznych są nierozpuszczalne, a wszystkie popularne sole amonowe są rozpuszczalne.

Dlaczego całkowita masa nie może się zmienić

Reakcja chemiczna polega wyłącznie na zmianie układów wiązań między atomami i niczym więcej. Wystarczy policzyć atomy po każdej stronie zrównoważonego równania, by to wykazać, bez odwoływania się do autorytetów: reagenty CaCl₂ oraz (NH₄)₂C₂O₄ łącznie zawierają 1 atom Ca, 2 atomy Cl, 2 atomy N, 8 atomów H, 2 atomy C i 4 atomy O, a produkty to CaC₂O₄ oraz 2 NH₄Cl zawiera 1 atom Ca, 2 atomy C, 4 atomy O, 2 atomy N, 8 atomów H i 2 atomy Cl. Te same atomy, tylko w innym układzie. Ponieważ każdy atom ma stałą masę, całkowita masa składników jest również stała, niezależnie od tego, jak zmienia się ich wygląd lub stan.

Powodem, dla którego ta konkretna reakcja tak wyraźnie ilustruje to prawo, jest fakt, że żaden z jej produktów nie jest gazem. Nic nie może ulotnić się z otwartego zlewkového naczynia, więc nie jest potrzebny żaden balona, korek ani szczelna kolba, a obie sumy można bezpośrednio porównać. Reakcja wydzielająca dwutlenek węgla, taka jak ta stosowana w laboratorium prawa zachowania masy, wydaje się tracić masę na otwartym stole laboratoryjnym i musi być przeprowadzona w układzie zamkniętym, zanim będzie można wyciągnąć ten sam wniosek – co stanowi użyteczny kontrast do przedstawienia uczniom, którzy zakładają, że waga po prostu mówi im prawdę.

Podsumowanie zadania według zakresu ocen

Klasy 9–10

• Skupienie: odczytywanie wskazań wagi, prowadzenie uporządkowanej tabeli mas oraz opisywanie przemiany chemicznej słowami.
• Aktywności: zważyć pustą zlewkę i pustą kolbę; odmierzyć i przelać dwie porcje po 5 ml; zapisać wszystkie pięć odczytów; opisać wygląd każdej cieczy przed zmieszaniem oraz mieszaniny po zmieszaniu; odjąć tarę, aby obliczyć masę każdej cieczy, i wykazać, że łączna masa obu cieczy jest taka sama przed i po reakcji; sformułować wniosek w jednym zdaniu, używając słów osad i zachowanie masy poprawnie.

Klasa 11

• Skupienie: równanie bilansowe, obliczenia molowe oraz pełny bilans masowy.
• Aktywności: zapisz równanie molekularne i jonowe netto oraz określ nazwy jonów obserwatorów; obliczyć n = C × V dla każdego odczynnika i wykazać, że występują one w stosunku 1:1 wymaganym przez równanie; przewidzieć masę powstałego szczawianu wapnia (0,128 g) oraz masę chlorku amonu pozostałego w roztworze (0,107 g); sporządzić bilans masowy całego układu i potwierdzić, że przed i po reakcji wynosi on 135,35 g; wyjaśnić, poprzez zliczenie atomów po każdej stronie równania, dlaczego suma mas musiała pozostać niezmieniona.

Klasa 12 / Poziom akademicki

• Skupienie: równowaga rozpuszczalności i obliczanie iloczynu jonowego.
• Aktywności: obliczyć iloczyn jonowy w momencie zmieszania i porównać go z K_sp wykazać, że strącanie ma charakter ilościowy; określić, jaka część wapnia pozostaje w stanie rozpuszczonym, i wyrazić ją w mg/l; przeliczyć przewidywaną masę każdej porcji o objętości 5 ml na podstawie jej stężenia; omówić, jak zmieniłaby się wydajność w roztworze kwaśnym oraz w jaki sposób należałoby przeprowadzić grawimetryczne oznaczenie wapnia, aby wynik był wiarygodny.

Podstawowe wyposażenie laboratorium

Instrumenty

• Waga (cyfrowa, z dokładnością do 0,01 g)
• Zlewka (50 mL)
• Cylindryczny cylinder miarowy (10 ml)
• Szklany pręt
• Tryskawka

Produkty

• Chlorek wapnia CaCl₂ 0,2 M (roztwór, 5 mL)
• Szczawian amonu (NH₄)₂C₂O₄ 0,2 M (roztwór, 5 mL)
• Woda destylowana (do płukania)