Kwalitatieve analyse

Inleiding


Zie ook: analytische chemie

Analytische scheikunde is het onderdeel van de scheikunde dat zich bezig houdt met het analyseren, het onderzoeken, van chemische verbindingen en mengsels.

Opdracht 1




Hoe weet je wat het is? Waaraan herken je stoffen?

Analytisch onderzoek is in onze maatschappij onmisbaar. Ze neemt een vooraanstaande plaats in de wereld van wetenschappelijke, technische en medische en zeker ook criminele bedrijvigheid:
Dagelijks moeten grondstoffen, (bij)produkten, afvalstoffen, enz. onderzocht worden op kwaliteit en kwantiteit. Zulk onderzoek wordt gedaan bij allerlei chemische industriëen (plastic, kunstmest, konsumptieartikelen, brandstoffen, metalen enz.); in het bedrijfsleven speelt analytische chemie een voorname rol evenals bij forensisch onderzoek.
Bedrijven willen natuurlijk graag weten welke samenstelling hun grondstoffen, half- en eindproducten hebben. De analytische chemie heeft een scala aan technieken en methoden voorhanden om deze informatie te verschaffen. De complexe procedures in de analytische chemie worden door bedrijven veelal in eigen beheer uitgevoerd.
Er verandert in het vakgebied van analytische chemie veel, maar verouderde methodes zijn nog te vaak gemeengoed.

"Grote bedrijven redden zich in het algemeen prima, want zij hebben de mankracht om zich te blijven ontwikkelen.
Vooral kleinere bedrijven hebben geen uitgebreide laboratoriumstaf en dan vindt er vervolgens te weinig vernieuwing van processen plaats."

Kenniscentrum voor analytische chemie, Hogeschool Brabant

Maar ook de overheid en de consumentenorganisaties controleren dagelijks de kwaliteit en de samenstelling van allerlei producten die op de markt gebracht worden. Milieuverontreiniging en forensisch onderzoek zijn hiervan slechts twee voorbeelden.
Denk hierbij aan het meten van verontreinigingen in rivierwater of geneesmiddelen in bloed, maar ook bij forensisch onderzoek naar DNA-materiaal, drugs, giftige stoffen speelt analytische chemie een belangrijke rol. Het toepassingsgebied is werkelijk heel breed.
"Simpel gezegd komt het er op neer dat je meet hoeveel van wat er in iets zit."
Je kunt de chemische analyse indelen in twee soorten onderzoek:
1 de kwalitatieve analyse: welke stof(fen)?
2 de kwantitatieve analyse: hoeveel van elke stof?

Het onderdeel kwantitatieve analyse wordt behandeld in de volgende module, module 14.




Inhoud van de module

1. Kwalitatieve Analyse

2. Vooronderzoek

2.1 Schematisch overzicht bij vooronderzoek van zuivere stof

2.2 Spectrometrie

2.3 Chromatografie

3. Scheikundig analytisch onderzoek

3.1 Reacties bij verhitting

3.2 Oxidatie van metalen

3.3 Stoffen met molecuulrooster

3.4 Stoffen met ionrooster

3.5 Vloeistof

3.6 Gas

4. Herkenningsreakties op ionen

5. Actie-opdracht





1. Kwalitatieve Analyse

De hoofdzaak van de kwalitatieve analytische chemie zou je kunnen indelen in de volgende twee activiteiten:

1.
Als je een mengsel hebt, welke stoffen zitten er dan in; wat zijn de componenten?

Om dat te onderzoeken is meestal een scheidingstechniek nodig. In de praktijk zal een mengsel eerst worden gescheiden in de componenten om vervolgens elke component afzonderlijk te onderzoeken.
Er bestaan echter ook technieken die in staat zijn om afzonderlijke stoffen vergaand te onderzoeken terwijl ze zich nog in het mengsel bevinden.

Hieronder verwijzingen naar de belangrijkste analytische scheidingsmethoden:
Scheidingsmethoden module 5
Chromatografie
Gaschromatografie
Vloeistofchromatografie
Gel-chromatografie
Extractie
Filtratie
Verdamping
Destillatie

2.
Als je een zuivere stof hebt, uit welke elementen is die dan opgebouwd en welke atomen zitten daar in en hoe zitten die bij elkaar?

Kwalitatieve analyse van een zuivere stof wordt meestal uitgevoerd in twee fasen, twee werkgebieden
die elkaar in principe opvolgen, maar vaak ook overlapping vertonen:
1 EEN VOORONDERZOEK
2 HET SCHEIKUNDIG-ANALYTISCH ONDERZOEK
n.b.

Eigenlijk zijn bovenstaande methodes ouderwets. Heel veel reacties die vroeger in het (nat)lab werden uitgevoerd met retorten, reageerbuizen, spatels enzovoort, enzovoort, die worden tegenwoordig volledig automatisch uitgevoerd met moderne apparatuur. Maar voor een goed begrip van de onderliggende onderzoeksreacties is het toch heel verstandig (nodig eigenlijk) dat je daar het nodige vanaf weet.



2. HET VOORONDERZOEK

Bij dit vooronderzoek ligt de nadruk - evenals bij de meeste scheidingsmethoden - wat meer op de natuurkundige dan op de chemische eigenschappen van de stoffen.
Er worden nog geen echte scheikundige reakties uitgevoerd.
Bij het vooronderzoek moet je letten op een aantal stofeigenschappen zoals: Het gaat hierbij om de eigenschap(pen) van de stof(fen) die tamelijk rechtstreeks te bepalen zijn, soms op het eerste gezicht (dat zie je zo!), soms met behulp van instrumenten.
Kennis over het smeltpunt of kookpunt van een stof wordt ook wel 'thermische analyse' genoemd. Vaak is het heel eenvoudig een stofje in een reageerbuis te doen en even te verhitten. Goed kijken! Wat gebeurt er? Wat zie je? Ruik je iets?
Uiterlijke kenmerken van een stof bij kamertemperatuur (25ºC) en bij normale druk (1 atm) kun je direkt waarnemen. De stof is vast, vloeibaar of gas en heeft een bepaalde geur of kleur. Een paar gegevens hierover vind je in tabel XVII.

Als een stof vast is, kan hij blijkbaar een roosterstructuur maken, dus zijn de deeltjes niet zo heel erg beweeglijk.
Anders gezegd: deeltjes die er van houden mekaar stevig vast te houden, sterk aan te trekken, die zullen weinig bewegingsvrijheid overhouden.
Als ook nog eens blijkt dat het smeltpunt hoog is (gemakkelijk te onderzoeken) is het vast geen molecuulrooster, maar een metaal of ionrooster.
Is het smeltpunt laag, dus smelt hij vrij gemakkelijk, dan is er waarschijnlijk een molecuulrooster met daarin vrij zware moleculen, die regelmatig van vorm zijn en/of enigzins polair.

Opdracht 2
Leg uit waarom je bovenstaande conclusie mag trekken uit de smeltpunten.

Soms heeft een stof niet een smeltpunt, maar een smelttraject. Dit wijst er op dat je niet met een zuivere stof te doen hebt, maar waarschijnlijk met een mengsel van stoffen. Eenzelfde opmerking kan gemaakt worden voor kookpunten en kooktrajecten.
Als de stof niet zuiver is, dan is zuivering (scheidingsmethode) nodig.

Opdracht 3
Laat een mogelijke lijngrafiek van warmtetoevoer tegen de temperatuur zien voor een zuivere stof en voor een mengsel, in één grafiek.

Een gas of een stof die zeer gemakkelijk verdampt, bestaat waarschijnlijk uit lichte moleculen en/of die moleculen hebben weinig of geen dipoolkarakter. Ze trekken elkaar zeker niet sterk aan.

Vloeistoffen met een hoog kookpunt zullen sterk polair zijn en/of ze hebben lange en beweeglijke moleculen. Ook kan het zijn dat de moleculen (meervoudig) onverzadigd zijn.

Opdracht 4
Leg uit welk verschil je kent tussen frituurvet en bakolie.

In tabel XVII vind je enkele kookpunten en smeltpunten (afgerond) en in tabel V vind je de kookpunten en smeltpunten van alle elementen. Gegevens over de oplosbaarheid van zouten in water vind je in tabel XI.

Je kunt stofeigenschappen ook onderzoeken m.b.v. optische analysemethoden. Daarbij gaat het erom dat je goed observeert, met name met behulp van speciale apparatuur. Welke verschijnselen doen zich voor bij bestraling, verhitting, e.d. Hierbij moet je denken aan apparatuur als een spectrofotometer.




2.1 Schematisch overzicht bij het vooronderzoek van een zuivere stof.

  1. Algemeen:
    1. Noteer de kleur van de stof (zie ook tabel XVII)
    2. Doe de vlamkleuring (tabel XIIX)
    3. Noteer het gedrag bij verhitting (sommige stoffen ontleden bij verhitting, waardoor smeltpunten of kookpunten niet bepaald kunnen worden)

  2. Vaste stoffen (s):
    1. als je de stof polijst krijg je een metaalglans. Ook blijkt de stof geleidend: Het moet een metaal zijn, een stof dus met een metaalrooster.
      Voorbeelden: rood: koper, geel: messing of goud, bruinrood: brons, sterk aangetast / roestig: (zeer) onedel
    2. de stof heeft een laag smeltpunt en is niet geleidend:
      Het moet een molecuulrooster zijn
      • onderzoek de oplosbaarheid van de stof in verschillende (a)polaire oplosmiddelen.
      • onderzoek vervolgens d.m.v.:
      • indicator (indien aq)
      • spectrometrie
      • chromatografie
    3. de stof heeft een hoog smeltpunt en is niet geleidend:
      Het zal een ionrooster zijn.
      • Meng de stof met water en onderzoek:
        • de oplosbaarheid
        • de geleidbaarheid
        • met een indikator
        • doe spectrometrie (o.a. de vlamreaktie)
        • doe chromatografie

  3. De stof is vloeibaar.
    Denk hierbij aan een aantal mogelijkheden:
    • polaire/apolaire moleculen
    • kleine/grote/langwerpige moleculen
    • waarschijnlijk geen roosters
    • onverzadigde koolstofketens
    Onderzoeksmogelijkheden:
    1. mengen met (a)polaire vloeistoffen
    2. viscositeit
    3. kookpunt
    4. spectrometrie
    5. (gas)chromatografie

  4. Je moet een gas (g) onderzoeken.
    De stof zal opgebouwd zijn uit kleine, lichte moleculen met weinig dipoolkarakter
    Onderzoeksmogelijkheden:
    1. oplosbaarheid in vloeistoffen
    2. gaschromatografie



2.2 Spectrometrie

Als je aan de deeltjes van een stof (atomen, ionen, moleculen) extra energie toevoegt door ze bijvoorbeeld te verhitten of te bestralen dan kan de stof een deel van die energie opnemen.
Waar blijft die energie? (want: "energie gaat nooit verloren, toch?")
Die opgenomen energie kan op verschillende manieren in zo'n deeltje terechtkomen en worden opgeslagen:
  1. De energie wordt opgenomen door de elektronen van een bepaald atoom.
    Hoe meer energie elektronen bezitten, des te "zelfstandiger" ze zijn;
    met andere woorden:
    Hoe verder elektronen van de kern zijn verwijderd, des te meer ze 'op zichzelf' kunnen zijn en des te meer eigen energie hebben ze.
    Als dus die toegevoerde (voldoende) energie bij de elektronen terechtkomt, dan zullen die elektronen overspringen naar een verder van de kern liggende schil (zie B).
    Zelfs is het mogelijk dat zo'n elektron zoveel energie verkrijgt dat het het atoom verlaat; er ontstaat dan een positief ion (zie A).
    1. Eén of méér elektronen nemen zoveel energie op dat ze zich volledig verwijderen van het atoom; dit heet ionisatie en levert geen spectrum op.
    2. Eén elektron neemt energie op gaat daardoor naar een verder naar buiten gelegen schil. De energie zit nu dus nog in het atoom, dat daardoor niet stabiel is. Hoe meer energie een deeltje heeft, des te onstabieler is het.
      Dat onstabiele deeltje bevindt zich in de zgn. AANGESLAGEN TOESTAND. Elektronen met teveel aan energie zullen snel (binnen fracties van een seconde) weer terugvallen in hun oorspronkelijke stabiele GRONDTOESTAND.
      Dat terugvallen kan eventueel in etappes, via tussenliggende (onder)schillen, plaats vinden. Bij elk terugsprongetje moet dat elektron overtollige energie afgeven in de vorm van elektromagnetische straling van bepaalde golflengte.
      De manier waarop elektronen terugvallen is voor elk atoom verschillend, dus ook de uitgezonden straling is dan verschillend. Die uitgezonden straling kan opgevangen en gemeten worden; soms zelfs met het blote oog te zien als de golflengte tussen de 400 en 700 nm ligt.

  2. De energie wordt opgenomen door de moleculen.
    Binnen moleculen zijn de atomen ten opzichte van elkaar in trilling, elk molecuul en elk atoom op zijn eigen manier. Als de toegevoerde energie niet groot genoeg is om elektronen naar een andere schil te sturen, dan komt deze mogelijkheid ter sprake. Vaak worden daarvoor de moleculen met infraroodlicht bestraald. Als het molecuul de energie van die straling (gedeeltelijk) kan opnemen zal het bijvoorbeeld wat heviger of in een andere richting gaan trillen en geraakt ook op die manier in een soort aangeslagen toestand, die weer niet stabiel is. Het aangeslagen molecuul zal snel weer terugvallen in de oorspronkelijke grondtoestand onder uitzenden van nieuwe straling. Deze nieuwe straling kan weer gemeten worden met spectrometers en daaruit kunnen dan conclusies getrokken worden omtrent de aard van de onderzochte stof.

  3. De energie wordt opgenomen door de atoomKERN.
    Ook de kerndeeltjes zijn in staat bepaalde energie op te nemen en even later weer af te staan. En ook dit levert een spectrum op (NMR). Hierbij speelt het magnetisch veld een belangrijke rol.


Er zijn twee soorten spectra te onderscheiden:
  1. Een absorptiespectrum
  2. Een emissiespectrum
Een lichtbundel met bepaalde (variërende) golflengte wordt door de te onderzoeken stof gestuurd (valt door de stof). Bij sommige golflengtes zal de stof een hoeveelheid van het licht absorberen met als gevolg dat de doorvallende bundel armer is aan straling van die golflengte(s). Dit wordt opgemerkt door een stralingsdetektor. Dit kan een piek (naar beneden) in de grafiek betekenen.

De aangeslagen moleculen zijn niet stabiel en zullen (snel) terugvallen in de grondtoestand. Bij dat terugvallen wordt nieuwe straling uitgezonden (in alle richtingen). Ook deze emissiestraling kan met een detektor (in de tekening onder een hoek van 90 graden) worden gemeten en in een grafiek worden uitgezet. Je ziet pieken naar boven.

Aan het patroon van een spectrum is vaak te herkennen om welk molecuul het gaat. Het zijn een soort vingerafdrukken van moleculen en atomen.


2.3 Chromatografie

Chromatografie is een analysemethode, die vaak ook gebruikt wordt om mengsels te scheiden; je kunt er dus mee onderzoeken welke stof je hebt, en bovendien kun je er de verschillende componenten mee uit elkaar halen.

Als je met een viltstift een lijn trekt op een stuk filtreerpapier en vervolgens laat je een vloeistof in dat papier trekken vanaf é én kant, dan zul je zien dat die lijn een eind met die vloeistof meeloopt en ook dat de inkt samengesteld was uit meerdere kleurcomponenten. De ene kleur loopt harder met de vloeistof mee dan de andere.
Elke kleurcomponent moet voortdurend kiezen of ze in op dezelfde plaats in het papier zal blijven zitten of dat ze met de bewegende vloeistof mee zal trekken. Dat laatste noemt men wel de "affiniteit van de component tot de twee fasen.
In dit geval heb je twee fasen: Als een bepaalde kleurstof dus een grote affiniteit heeft voor de mobiele fase, dan verplaatst die kleurstof zich over een grote afstand; die komt het verst.

Definitie
Chromatografie is een scheidingsmethode die berust op (het verschil in) de affiniteit van de te onderzoeken stof(fen) ten opzichte van twee fasen, een bewegende en een vaste fase.

De naam chromatografie is afkomstig van het feit, dat deze methode aanvankelijk alleen werd gebruikt voor het scheiden van kleurstoffen, die via extraktie uit planten werden gehaald.
Tegenwoordig zijn er heel wat technieken om ook kleurloze stoffen terug te vinden, maar de naam chromatografie is toch gehandhaafd.
Behalve kleurstoffen kan men ook onderzoeken en scheiden:
  1. organische en anorganische moleculen
  2. vele soorten ionen
  3. biologisch actieve stoffen, zoals: eiwitten, nucleïnezuren en virussen.

Bij chromatografie is er dus sprake van twee fasen. Een van die fasen is de stationaire of vaste fase, dus op zijn plaats blijft. De andere fase, de mobiele of bewegende fase, beweegt zich langs die stationaire fase; er is een intensief kontakt tussen beide fasen. De te onderzoeken stof(fen) zijn van te voren ergens op de stationaire fase aangebracht en moeten zich over de beide fasen gaan verdelen als de mobiele fase langs komt.

De stationaire fase kan (s) of (l) zijn.
De mobiele fase kan (l) of (g) zijn.
Zo kun je vier chromatografische technieken onderscheiden:
vaste
fase
(s)
(l)
mobile
fase
(l)
 (s) + (l) (l) + (l)
(g)
 (s) + (g) (l) + (g)

opdracht 5
Leg uit dat er een zgn. drager nodig is als de stationaire fase (l) is.

Een ander onderscheid dat je in de chromatografie kunt maken berust of de uitvoeringstechniek.
Twee technieken moet je in elk geval kennen:
  1. dunnelaagchromatografie
    De boven beschreven scheiding van kleurstoffen in een vel filtreerpapier behoort tot de dunnelaagchromatografie. Het papier is dan de stationaire fase (of bevat de stationaire fase). Een andere mogelijkheid is dat een dunne laag vaste stof (de stationaire fase) vast gezet wordt op een stevige aluminiumfolie. De mobiele fase is hier altijd (l) die door de poriën van de stationaire fase zich verplaatst (door diffusie).

  2. kolomchromatografie
    Bij kolomchromatografie vult men een glazen buis (dik of dun) met een stationaire fase; bovenin wordt de mobiele fase (l) of (g) ingeleid en onderaan die buis ontsnapt die mobiele fase.
    Een voordeel van deze methode is dat de doorstroomsnelheid van de mobiele fase zeer goed te regelen is én dat m.b.v. een detektor onder aan de buis direkt kan worden opgemerkt of er een stof doorkomt en zelfs hoe veel.
    Een ander en zeer veel toegepaste methode van kolomchromatografie is de GASCHROMATOGRAFIE. Een draaggas (inert of edel) beweegt zich door een lange poreuze kolom en neemt met verschillende snelheden een ingebracht gasmengsel met zich mee.




3. Het scheikundig analytisch onderzoek

Dit gedeelte van het analytisch onderzoek is meer scheikundig van aard in die zin dat er chemische reakties worden uitgevoerd.
Elke stof heeft door zijn chemische structuur en samenstelling de mogelijkheid bepaalde reakties te vertonen die alleen bij die stof behoren (alleen edelgassen vertonen helemaal geen reakties.
Als dan tijdens die reakties iets zichtbaar wordt zoals een kleur, een gas, een neerslag, warmte of iets anders, dan kan een onderzoeker daaruit konklusies trekken ontrent de aard van de stof.

Dit onderzoek volgt op het vooronderzoek, dat meer natuurkundig is van aard en dat op vorige bladzijden is beschreven.


3.1 Reakties bij verhitting.

  1. Wanneer men de te onderzoeken stof in een droge, vuurvaste buis verhit heeft dat soms tot gevolg dat de stof gaat ontleden. De stof heeft dan dus geen smeltpunt/kookpunt. We spreken van thermolyse.
    Soms kun je daarbij waarnemingen doen die duidelijk informatie geven over de stof die je onderzoekt en kun je konklusies trekken over de aard van die stof. Je moet de zuivere stof eerst voorzichtig en daarna sterk verhitten in een vuurvaste buis en goed opletten:
    Als er waterdamp vrij komt, kan dat betekenen dat de stof een gehydrateerd zout was zoals kopersulfaat of soda, maar ook kan de stof een hydroxide geweest zijn.
    voorbeelden:
    • CuSO4.5H2O (blauw) CuSO4 (wit) + 5H2O(g)
    • Cu(OH)2(s)(blauw) CuO(s)(zwart) + H2O(g)
    • 2CuOH(s)(groen) Cu2O(s)(roodbruin) + H2O(g)
    • 2AgOH(s)(bruin) Ag2O(s)(zwart) + H2O(g)
  2. Als er na sterke verhitting een zwarte troep overblijft, (verkoling) betekent dit dat de onderzochte stof koolstof bevatte en dat dus de kans groot is dat het een organische stof was, een stof uit de koolstofchemie.
    C6H12O6(s) > C(s) + gassen (o.a.H2O, CO2, CxHy)
  3. Sommige zouten gaan bij verhitting over in het metaaloxide en é én of meer gassen. Zo kunnen uit bijvoorbeeld nitraten de zogenaamde 'nitreuze dampen' ontstaan en uit carbonaten vormt zich koolzuurgas.
    • Pb(NO3)2(s)(wit) PbO(s)(oranje) + NO2(g) + NO(g) + O2(g) (bruine nitreuze dampen)
    • CaCO3(s)(wit) CaO(s)(wit) + CO2(g)



3.2 Oxidatie van metalen.

Alle metalen zijn in neutrale vorm reduktoren (zie tabel X). Een vuistregel daarbij is dat een redoxreaktie van een metaal met een oxidator alleen verloopt als in die tabel de oxidator hoger staat dan het metaal.
Op grond hiervan kun je de metalen als volgt indelen:
  1. Zeer ondele metalen reageren met water. Na(s) + H2O(l) NaOH(aq) +H2(g) [het H2 is brandbaar!]
  2. Een gewoon onedel metaal reageert niet met water, maar wel met zoutzuur. Fe(s) + 2HCl(aq) FeCl2(aq) + H2(g) [H2 is brandbaar!]
  3. Een halfedel metaal reageert niet met zoutzuur, maar wel met verdund of geconcentreerd salpeterzuur. 3Cu(s) + 8HNO3(aq) 3Cu(NO3)2(aq) + 2NO(g) + 4H2O(l) [(koper was rood) (koperionen blauw) (NOgas bruin)
  4. Edele metalen lossen alleen op in koningswater: een mengsel van geconcentreerd salpeterzuur en geconcentreerd zoutzuur.



3.3 Reacties met molecuulroosters

molecuulroosters worden gevormd door stoffen met alleen atoombindingen. Een stof met een molecuulrooster zal daarom meestal alleen of voornamelijk uit nietmetalen zijn opgebouwd. Als een stof een metaal bevat is er haast altijd sprake van ionroosters.
molecuulroosters tref je aan bij o.a.: zwavel, witte fosfor, vele koolstofverbindingen zoals sacchariden, benzeenderivaten, vetten e.d.

Opdracht 6
Schrijf van de zojuist genoemde stoffen de/een molecuulformule en structuurformule op.

Mogelijkheden tot nader onderzoek zijn hier:
  1. De stof volledig verbranden (zo mogelijk) en kijken of de vrijkomende gassen koolzuurgas en/of waterdamp bevatten; je weet dan of in de oorspronkelijke stof de elementen koolstof en waterstof aanwezig waren.
  2. Ook kun je proberen de stof te verzepen met loog; als dat lukt, dan wijst dit op een ester/vet.
  3. Een positieve reactie op het Reagens van Fehling of op de Ammoniakale Zilveroplossing (het reagens van Tollens) wijst op een aldehydegroep (bijvoorbeeld in een saccharide).
Fehlingsreagens
zilverspiegel

Opdracht 7
Leg uit welke waarnemingen je kan doen bij een positieve reactie met de twee bovengenoemde reagentia.

Opdracht 8
Noem enkele sacchariden die op deze manier wel/niet te oxideren zijn en leg uit waarom (niet).


3.4 Reacties met ionen

Als je weet dat een stof een ionrooster heeft, dan heb je meestal ook al onderzocht of dit rooster in water oplost; tabel XI geeft dan al aanwijzingen over een aantal (on)mogelijkheden.
Om er achter te komen welke ionen er in een onbekende stof zitten moet je heel wat van de scheikundige reacties kennen en toepassen.
Op de afzonderlijke positieve en negatieve ionen kunnen de zogenaamde herkenningsreacties worden uitgevoerd. Daarbij is het verstandig eerst aan de droge stof te onderzoeken of er ammoniumzouten of carbonaten of sulfides aanwezig zijn. Meestal moet de te onderzoeken stof bij het onderzoek naar ionen eerst opgelost worden in water of zuur.
Voor een overzicht van een aantal herkenningsreacties moet je verderop kijken in een overzicht.


3.5 Reacties met een vloeistof.

Een onbekende vloeistof bevat meestal geen ionen, dus meestal ook geen metalen; dat weet je dan alvast.
Heel veel vloeistoffen behoren tot de koolstofchemie (organische stoffen: ethers, esters, aminozuren, alkanolen, enz. enz.). Er zijn natuurlijk ook een aantal anorganische vloeistoffen zoals water, broom, zwavelzuur e.d. Of je met een organische stof te maken hebt kon je al ontdekken bij 2.1.

Ook hier leveren organische vloeistoffen bij verbranding koolzuurgas en water op, die onderzocht kunnen worden met kalkwater en watervrij kopersulfaat (1)
Alkanalen kunnen weer aangetoond worden met Fehlings' Reagens (2)
Primaire en sekundaire alkanolen met bichromaat of permanganaat (3)
Onverzadigde verbindingen met broomwater (4).

Opdracht 9
Schrijf voorbeeldreacties op van bovenbedoelde reacties 1 t/m 4.


3.6 Reacties met een gas

Een gas kan soms herkend worden aan de kleur of de geur.
Herkenningsreacties gassen:
  1. Als in een kleurloos, reukloos gas een gloeiende houtspaander gaat opgloeien, dan is het zuurstof
  2. Koolzuurgas maakt kalkwater troebel doordat er calciumcarbonaat ontstaat
  3. Als loodacetaatpapier (wit) door een gas zwart gemaakt wordt dan was dat gas waterstofsulfide(3)(wat je waarschijnlijk al lang had geroken).
  4. Ammoniakgas kleurt vochtig rood lakmoespapier blauw of geeft met HCl(g) een witte rook
  5. Als een gas broomwater of joodwater ontkleurt dan was het een reducerend gas (bijv. SO2)maar het kan ook op additie wijzen zodat je eerder aan kleine, onverzadigde verbindingen moet denken
  6. Een aantal gassen zijn brandbaar zoals waterstof en koolwaterstofgassen.

Opdracht 10
Noteer wat je weet van de volgende gassen (zoek formules en uiterlijke kenmerken op):
  1. chloorgas
  2. nitreuze dampen
  3. ozon
  4. waterstofsulfide
  5. zwaveldioxide
  6. waterstofchloride


Opdracht 11
Bij de kwalitatieve analyse van een zuivere stof bleek dat de stof was opgebouwd uit ionen; toevoeging van zoutzuur gaf geen neerslag; bij het doorleiden van waterstofsulfide(g) ontstond een fijn zwavelneerslag; ammoniumsulfide gaf een zwart neerslag dat gemakkelijke in zoutzuur oploste.
Wat was het onderzochte metaalion? Verklaar de beschreven verschijnselen.

Opdracht 12
Men onderzocht een onbekende stof en het bleek lood(II)carbonaat te zijn.
Beschrijf alle proeven die men heeft moeten doen om tot deze konklusie te komen.

Opdracht 13
Hoe kun je aantonen dat natriumcarbonaat (soda) verontreinigd is met natriumsulfaat?

Opdracht 14
In acht genummerde flesjes (waar dus geen namen of formules van stoffen op staan) bevinden zich de volgende stoffen:
krijt, zinksulfide, aluminiumchloride, magnesiumsulfaat, kaliumjodide, kopersulfide, natriumsulfiet en loodnitraat.
Je mag uitsluitend gebruik maken van de volgende stoffen t.b.v. het onderzoek: water, geconcentreerd zwavelzuur en natriumhydroxide.
Hoe kun je er achter komen welke naam op elk etiket moet staan?



Herkenningsreacties op ionen

NH4X(s) + NaOH(aq) (NH4OH) + NaX(aq)
(NH4OH) = NH3.H2O NH3(g) + H2O
Het ammoniak komt alleen bij verwarming vrij en kan dan aangetoond worden m.b.v. vochtig lakmoespapier(wordt blauw) of met HCl(g) waarbij een witte rook ontstaat van NH4Cl(s).

MCO3(s) + H3O+(aq) M+(aq) + (H2CO3)
(H2CO3) = H2O + CO2 H2O + CO2(g)
Het koolzuurgas kan worden aangetoond als men het gas leidt door kalkwater of barietwater:
CO2 + Ca(OH)2(aq) CaCO3(s) + H2O
Het CaCO3(s) is wit troebel

MS(s) of MS2(aq) + H3O+(aq) M+(aq) + H2O + H2S(g)(stinkt!)

H2S-gas kan behalve aan de geur herkend worden aan de reactie met loodacetaat(wit)papier:
PbAc2(s) + H2S(g) PbS(s)(zwart) + 2HAc

MSO3(s) of SO32-(aq) + H3O+(aq) M+(aq) + (H2SO3)
(H2SO3) H2O + SO2(g)
SO2(g) kan een oplossing van bichromaat in zuur milieu in kleur doen veranderen van oranje naar groen. Sulfietionen kunnen ook direkt een bichromaatoplossing die kleurverandering doen vertonen.

Opdracht 15
Schrijf de redoxreacties op van kaliumbichromaat (oplossing + zwavelzuur) met:
  1. zwaveldioxide
  2. sulfietionen
  3. waterstofsulfidegas

Ag+(aq) en Cl-(aq) tonen elkaar aan: AgCl(s)(wit; maar na verloop van tijd en onder invloed van licht krijgt het neerstag een violette kleur)
Het gevormde zilverchloride(s) lost weer op in ammonia onder vorming van het ion: zilverdiammoniumion:
AgCl(s) + 2NH3(aq) Ag(NH3)2+(kleurloos) + Cl-(aq)

Op eenzelfde manier reageert ook een slecht oplosbare koper(II)verbinding; het koper(II)ammoniakcomplex is echter donkerblauw.
Cu2+(aq) + 2NaOH(aq) Cu(OH)2(s)(lichtblauw) + 2Na+(aq)
Cu(OH)2(s) + 4NH3(aq) Cu(NH3)42+(aq)(donkerblauw)

Br-(aq) en I-(aq) vormen met Ag+(aq) ook een neerslag, net als chlorideionen.
Een verschil is echter dat AgBr en AgI niet wit, maar (licht)geel zijn van kleur.

Opdracht 16
Leg uit dat Br- en Cl- ook aan te tonen zijn m.b.v. een geschikte oxidator. Welke? en wat zie je?

IJzer(II) en ijzer(III)ionen kunnen worden aangetoond door de vorming van BERLIJNS BLAUW(s)
Fe2+ + [Fe(CN)6]3- + K+ KFe[Fe(CN)6](s)
Fe3+ + [Fe(CN)6]42- + K+ KFe[Fe(CN)6](s)

Lood(II)ionen (Pb2+(aq)) worden vaak aangetoond m.b.v. chloride-ionen, aanwezig in verdund zoutzuur. Lood(II)chloride lost namelijk bij kamertemperatuur vrij slecht op, maar goed bij 100ºC.
Dus moet het aanvankelijke neerslag weer oplossen als er gekookt wordt.

Nitraationen kunnen worden aangetoond met de bruine-ring-reactie. De te onderzoeken vloeistof (ongeveer 2 ml.) wordt eerst vermengd met eenzelfde volume geconcentreerd zwavelzuur. (voorzichtig mengen en koelen)

Opdracht 17
Waarom moet men voorzichtig zijn en koelen?

Vervolgens wordt een een andere buis een verzadigde oplossing van ijzer(II)sulfaat gemaakt. Deze oplossing wordt voorzichtig "gelegd op" de zure oplossing. Als er nitraat aanwezig was, dan zal op het grensvlak een bruine ring ontstaan.

Opdracht 18
Leg uit welke reacties hier plaats vinden en wat uiteindelijk die bruine kleur is.



5. ACTIE-OPDRACHT kwalitatieve analyse


Je krijgt een onbekende zuivere stof van de docent. Deze stof moet je volgens onderstaande punten van I tot XI onderzoeken.
De aktiepunten voor elk onderzoek zijn:
  1. Uiterlijk van de stof
  2. Vlamkleuring
  3. Smeltpunt/kookpunt
  4. Oplosbaarheid en geleidbaarheid
  5. pH-meting, als de stof in water is opgelost
  6. evtl. Chromatografie (vraag aan de docent)
  7. Verhitting van de droge stof in vuurvaste buis
  8. Herkenningsreacties op de ionen, die gasontwikkeling kunnen veroorzaken (ammonium, carbonaat, sulfide, sulfiet)
  9. Is de stof een neutraal metaal? Zoek dan een oplosmiddel
  10. Is de stof organisch, onverzadigd, te oxideren?
  11. Andere herkenningsreacties op ionen.
Afhankelijk van de uitgereikte stof kan de docent onderdelen van de opdrachten VII tot XI laten vervallen.
Vraag hem daarnaar!
Noteer steeds, terwijl je bezig bent, alles wat je doet, waarneemt en wat je er bij denkt (chemisch dan natuurlijk) en maak achteraf een overzichtelijk uitgewerkt verslag.
Opmerking:
Zorg er voor dat je van de te onderzoeken stof steeds voldoende in voorraad houdt.
Trek uit elke waarneming steeds voorlopige konklusies, waardoor veel onderzoek overbodig zal blijken te zijn.
Chemicaliën, glaswerk en instrumenten e.d. die ter beschikking staan:
  1. zwavelzuur, zoutzuur, loog
  2. Fehlings' Reagens
  3. Broomwater
  4. bichromaatoplossing
  5. water en alkohol
  6. indikatoren, een platinadraad, een thermometer, diverse elektronische meters, e.d.