گزارش کار آزمایش تجزیه کیفی آنیون ها

ترکیبات کمپلکس

در اواخر سدهٔ نوزدهم شیمیدانان برای درک ماهیت پیوند در ترکیبات مولکولی با دشواری روبرو بودند. تشکیل ترکیبی مانند CoCl۳. ۶H۲O گمراه کننده بود به ویژه در این مورد که خود CoCl۳ به تنهایی وجود ندارد. برای اولین بار آلفرد ورنر در سال ۱۸۹۳ نظریه‌ای را برای توضیح ساختار اینگونه ترکیبات پیچیده موسوم به کمپلس ارائه داد. او فرمول این ماده را به صورت Co (NH۳) ۶] Cl۳] نوشت و پیشنهاد کرد که ۶ مولکول آمونیاک به طور متقارن به وسیلهٔ والانس‌های فرعی کبالت با آن پیوند کوئوردینانسی بر قرار کرده‌اند و والانس‌های اصلی کبالت به وسیلهٔ یون‌های کلرید پر شده‌اند. با گذشت زمان نظریهٔ ورنر پیشرفت زیادی کرد.

تعریف کمپلکس: کمپلکس‌ها در واقع ترکیباتی هستند که از یک کاتیون فلزی و تعدادی لیگاند که به آن متصل هستند تشکیل شده‌اند. لیگاند، آنیون یا مولکولی است که حداقل یک جفت الکترون آزاد دارد (البته به جز چند استثنا) که می‌تواند به وسیلهٔ جفت الکترون‌هایش با اربیتال خالی کاتیون فلز مرکزی پیوند داتیو برقرار کند.

فضای کوؤردیناسیونی به مجموعهٔ آنیون‌ها و مولکولهایی (لیگاند‌ها) که به طور مستقیم به یون فلز مرکزی متصل‌اند و در فرمول شیمیایی در کوروشه قرار می‌گیرند.

عدد کوئوردیناسیون به تعداد اتم‌هایی گویند که به طور مستقیم به کاتیون مرکزی متصل‌اند. برای نمونه در Cu (NH۳) ۴] SO۴] عدد کوئوردیناسیونی برابر ۴ است.

برخی از لیگاند‌ها می‌توانند بیش از یک موقعیت کوئوردیناسیونی را در کمپلکس اشغال کنند. به این لیگاند‌ها، لیگاند چند دندانه‌ای یا عامل کی لیت ساز و به کمپلکس دارای این لیگاند‌ها کی لیت (Chelate) می‌گویند. لیگاندهای چند دندانه‌ای در چند بخش از مولکول خود جفت الکترون آزاد دارند. مانند: اتیلن دی آمین (H۲NCH۲CH۲NH۲) که آنرا با نماد en نشان می‌دهند، اتیلن دی آمین تترا استیک اسیدو....

موادی مانند کلروفیل کی لیت هستند.

به طور کلی فلزاتی بیشتر تمایل به تشکیل کمپلکس دارند که دارای بار مثبت زیاد و شعاع یونی کم باشند. عناصر واسطه و فلزات گروه IIIA و IV A میل شدیدی به تشکیل کمپلکس دارند. برخی از کمپلس‌های گروه لانتانید‌ها و فلزات قلیایی و قلیایی خاکی (به جز بریلیم) شناخته شده‌اند.

ماهیت پیوند در کمپلکس‌ها: در توصیف ماهیت پیوند در کمپلکس‌ها سه نظریهٔ اصلی ارائه شده است:

نظریهٔ پیوند والانس: بر اساس این نظریهٔ ساده، فلز تامین کنندهٔ اربیتال خالی و لیگاند تامین کنندهٔ جفت الکترون آزاد برای تشکیل پیوند کوالانسی است. اما این نظریه نمی‌تواند مشاهداتی مانند رنگ کمپلکس‌ها و تعداد الکترون‌های جفت نشده را به خوبی تبیین کند.

نظریهٔ میدان بلور: این نظریه تشکیل پیوند را بر اساس جاذبهٔ الکترواستاتیکی بین کاتیون و جفت الکترون لیگاند بیان می‌کند.

الکترون‌های بیرونی یک کاتیون الکترون‌های d هستند. زیر لایهٔ d دارای ۵ اربیتال است که در غیاب میدان الکتریکی هم انرژی‌اند. اما در حظور جفت الکترون لیگاند، اربیتال‌هایی که به جفت الکترون نزدبک ترند انرژی بیش تری دارند.

جداسازی مواد

هدف از جداسازی، حذف مزاحمت‌ها، غلیظ کردن محلول مورد نظر و یا سایر موارد است. برای جداسازی از اختلاف در خصوصیات فیزیکی استفاده می‌شود، مثل فراریت، حلالیت و ضریب تقسیم موادو.... در آنالیز و جداسازی مواد مختلف از تکنیک‌های ویژه‌ای برحسب نوع و ساختار مواد و مخلوط‌ها استفاده می‌شود که برخی از آن‌ها که معروف بوده و حائز اهمیت بیشتری هستند، در زیر می‌آوریم.

تبلور

هدف از تبلور، جداسازی ناخالصی از اجسام جامد است. در این روش، ابتدا جامد ناخالص را در یک حلال گرم حل می‌کنند، سپس محلول را صاف می‌کنند. ناخالصی‌ها در فاز مایع باقی می‌مانند. اگر تبلور طی چند مرحله صورت گیرد، به آن تبلور جزء به جزء می‌گویند. در این روش انتخاب حلال از اهمیت بالایی برخوردار است. اگر از تکنیک ذوب برای جداسازی ناخالصی از جامد استفاده شود، به آن تصفیه ذوب گویند.

این روش در جدا کردن ناخالصی‌های ژرمانیم و اسید بتروییک کاربرد دارد. در این فرآیند، ضریب تقسیم برابر با نسبت غلظت ناخالصی در فاز جامد به غلظت ناخالصی در فاز مایع است.

تقطیر

اگر هدف از تقطیر، جداسازی یک مخلوط به اجزای بالا باشد، از تقطیر ساده برای جداسازی اجزاء استفاده می‌شود. اما اگر همه اجزاء فرار باشند، از تقطیر جزء به جزء برای جداسازی استفاده می‌شود. اگر یک مخلوط تولید آزئوتروپ کند، (مثل آب و الکل) نمی‌توان از روش تقطیر جزء به جزء، اجزای آن را جدا کرد. برای جداسازی این مخلوط از روش‌های تقطیر با بخار آب، تقطیر در خلاء و تقطیر ناگهانی استفاده می‌کنند.

در تقطیر با بخار آب هیچگاه درجه حرارت تقطیر از نقطه جوش آب بیشتر نمی‌شود. ترکیباتی نظیر تولوئن، اتیلن، گلیسیرین و اسیدهای چرب از این طریق جدا می‌شوند. برای جلوگیری از تجزیه مایعاتی که دارای نقطه جوش بالایی هستند از تقطیر در خلاء استفاده می‌شود. با کاهش فشار، نقطه جوش مایع کاهش پیدا می‌کند.

در تهیه آب آشامیدنی از آب دریا و تهیه آب مقطر نیروگاه‌ها از تقطیر ناگهانی استفاده می‌شود. در این روش مایع بطور مداوم وارد و بخار بطور مداوم خارج می‌شود.

رسوب دادن

نوعی روش جداسازی است که اساس آن اختلاف حلالیت اجسام می‌باشد. یعنی جزیی که حلالیت کمتری دارد زود‌تر جدا می‌شود. با افزایش نیروی جاذبه سرعت ته‌نشین شدن افزایش پیدا می‌کند. عمل سانتریفوژ در واقع بر همین اساس است.

استخراج

اساس این روش، اختلاف حلالیت یک جزء در دو حلال غیر قابل حل در یکدیگر است. اگر دو حلال غیر قابل استخراج، مایع باشند، به این روش استخراج مایع ـ مایع گویند و اگر یک جسم جامد به وسیله یک حلال استخراج شود، به آن استخراج جامد ـ مایع گویند (مثل استخراج اسانس‌ها، عصاره‌ها و روغن از دانه‌های گیاهی). عموما دو فاز مورد استفاده، یکی آب است و دیگری یک حلال آلی.

مقداری از جسم در فاز آبی و مقداری نیز در فاز آلی می‌باشد. بازده استخراج با ضریب تقسیم نسبت مستقیم دارد. دوبار استخراج با حجم کمتر از حلال آلی همیشه موثر از یک بار استخراج با حجمی مساوی دو برابر حجم اول است. چون در حالت اول، مقدار وزن ماده باقی‌مانده محلول در آب، کمتر از حالت دوم خواهد بود.

کروماتوگرافی

اساس کروماتوگرافی، جذب سطحی مواد و توزیع آن‌ها در دو فاز می‌باشد. یکی از فاز‌ها ثابت و فاز دیگر متحرک است که نمونه مورد نظر در فاز متحرک جدا می‌شود. فاز ثابت یا جامد است و یا مایع و فاز متحرک یا مایع است و یا گاز. اگر فاز ثابت، جامد و فاز متحرک، مایع باشد، به آن کروماتوگرافی مایع ـ جامد (LSC) گویند. اگر فاز متحرک، گاز و فاز ثابت، جامد باشد، به آن کروماتوگرافی گاز - جامد (GSC) گویند. اگر فاز متحرک، مایع و فاز ثابت نیز مایع باشد به آن کروماتوگرافی مایع ـ مایع (LLC یا (HPLC) گویند و در ‌‌نهایت اگر فاز متحرک، گاز و فاز ثابت، مایع باشد، به آن کروماتوگرافی گاز - مایع (GLC) یا (VPC) گویند.

در LSC، جدا شدن بر اساس جذب سطحی یا تعریض یون‌ها و یا تشکیل کمپلکس می‌باشد. در GSC اساس، جداسازی جذب سطحی است. در LLC و GLC، مواد بر اساس توزیع بین دو فاز جدا می‌شوند. پس کروماتوگرافی روشی برای جداسازی مخلوط بدلیل اختلاف تحرک آن‌ها می‌باشد.

کروماتوگرافی LSC در واقع نوعی کروماتوموگرافی جذبی است که مواد بر اساس اختلاف در قابلیت جذب خود روی سطح جامد از یکدیگر جدا می‌شوند. در GSC نیز اساس جداسازی جذب سطحی فاز گاز روی سطح جامد است. از این روش برای خالص سازی گاز‌ها استفاده می‌شود.

کروماتوگرافی تبادل یونی

کروماتوگرافی تبادل یونی، روشی است که در آن، یون‌ها بین یک محلول و یک فاز جامد (رزین) مبادله می‌شوند. این تبادل، برگشت پذیر است. فاز جامد در آب، غیر محلول بوده و دارای بنیان‌های اسیدی و بازی باشد. نوع معدنی این مواد جامد، ممکن است شبیه زئولیت‌ها باشند و نوع جدید آن‌ها از مشتقات هستند و برای جداسازی فلزات قلیایی خاکی بکار می‌روند. رزین‌های تبادل یونی، منشا آلی دارند و از پلیمرهای با وزن مولکولی بالا ساخته می‌شوند. تشکیل این رزین‌ها بر اساس پلیمریزاسیون پلی‌استیرن و وینیل‌بنزن استوار است. رزین‌ها به دو نوع تعویض کننده آنیونی و کاتیونی تقسیم می‌شوند. هر کدام از این تعویض کننده‌ها به نوع بازی ضعیف و قوی و اسیدی ضعیف و قوی تقسیم می‌شوند.

سانتریفیوژ

این دستگاه جهت رسوب گیری و جداکردن فازهای مختلف در کارهای روتین آزمایشگاههای کلینیکال، تحقیقاتی، غذائی، شیمیائی مورد کاربرد دارد.

واکنش اکسیداسیون و احیاء

واکنشی را که در آن، تبادل الکترون صورت می‌گیرد، واکنش اکسیداسیون- احیاء نامیده می‌شود.

فرآیند اکسیداسیون (اکسایش)

فرآیندی است که در آن یک جسم (اکسید کننده) الکترون می‌گیرد و عدد اکسایش یک اتم افزایش می‌یابد.

فرآیند احیا (کاهش)

فرایندی است که در آن یک جسم (احیا کننده) الکترون از دست می‌دهد و عدد اکسایش یک اتم کاهش می‌یابد.

عامل اکسنده و عامل کاهنده

با توجه به چگونگی نسبت دادن اعداد اکسایش، واضح است که نه عمل اکسایش و نه عمل کاهش بتنهایی انجام پذیر نیستند. چون یک ماده نمی‌تواند کاهیده شود مگر آنکه هم‌زمان ماده‌ای دیگر، اکسید گردد، ماده کاهیده شده، سبب اکسایش است و لذا عامل اکسنده نامیده می‌شود و ماده‌ای که خود اکسید می‌شود، عامل کاهنده می‌نامیم.

بعلاوه در هر واکنش، مجموع افزایش اعداد اکسایش برخی عناصر، باید برابر مجموع کاهش عدد اکسایش عناصر دیگر باشد. مثلا در واکنش گوگرد و اکسیژن، افزایش عدد اکسایش گوگرد، ۴ است. تقلیل عدد اکسایش، ۲ است، چون دو اتم در معادله شرکت دارد، کاهش کل، ۴ است.

موازنه معادلات اکسایش- کاهش

دو روش برای موازنه واکنشهای اکسایش- کاهش بکار برده می‌شود: روش یون- الکترون و روش عدد اکسایش.

روش یون- الکترون برای موازنه معادلات اکسایش- کاهش

در موازنه معادلات به روش یون- الکترون، دو دستور کار که کمی با هم متفاوت‌اند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی برای واکنشهایی که در محلول اسیدی انجام می‌گیرد و دیگری برای واکنشهایی که در محلول قلیایی صورت می‌پذیرد.
آزمایش معلوم:

گزارش آزمایش:
پنج عدد لوله آزمایش مخصوص سانتریفیوژ به همراه پایه و محلول‌های مربوط به کاتیون‌های زیر را درون لوله‌های آزمایش به صورت مجزا ریخته شد سپس به هر یک از محلول‌ها HCl به مقدار کم اضافه گردید. مشاهده گردید که محلول‌های حاوی یون‌های ۱ و ۲ رسوب کرده و بقیه محلول‌ها همچنان به صورت محلول باقی ماندند. به محلول‌های مذکور مقداری سود اضافه شد محلول‌های حاوی یون‌های شماره ۳ و ۴ رسوب داده و محلول حاوی یون شماره ۵ به صورت محلول باقی ماند. سپس به محلول مذکور HCl اضافه گردید و رسوب مورد نظر نمایان و با استفاده از کاغذ PH مشخص گردید که قسمت بازی واسیدی محلول جدا شد.

مشاهدات:

در این ازمایش رسوب یون شماره ۱ خاکستری، یون شماره ۲ سفید، رسوب یون شماره ۳ زرد، رسوب یون شماره ۴ به صورت هاله بنفش رنگ و رسوب یون شماره ۵ سفید رنگ مشاهده شد.

آزمایش مجهول:

روش کار:

ابتدا پنج لوله آزمایش مخصوص سانتریفیوژ به همراه پایه و محلول مجهول را از مسئول آزمایشگاه تحویل گرفته و پس از شستن لوله‌ها با آب مقطر و خشک کردن آن‌ها کمی از محلول مجهول را درون یک لوله آزمایش بریزید. به محلول مذکور HCl اضافه و توسط سانتریفیوژ جداسازی کنید. سپس در لوله مذکور کمی رسوب مشاهده می‌شود.

محلول مذکور را درون لوله «الف» جدا کرده و به رسوب مذکور کمی آمونیاک افزوده و دوباره سانتریفیوژ کنید. در این مرحله کمی رسوب از یون شماره ۱ در صورت وجود تولید می‌شود. محلول باقیمانده را درون لوله «ب» جدا کرده و به آن HCl افزوده و دوباره سانتریفیوژ کنید که در این حال رسوب یون شماره ۲ در صورت وجود ذر مجهول بدست می‌آید.

سپس محلول درون لوله الف را به همراه مقدار زیادی سود سانتریفیوژ کرده و مقداری رسوب به همراه کمی محلول برجای می‌ماند. محلول را درون لوله آزمایش «پ» جداسازی کرده و به رسوب مذکور مقداری HCl اضافه کنید تا حل شود و به آن مقداری افزوده و سانتریفیوژ کنید. در صورت وجود رسوب یون شماره ۳ نمایان می‌گردد.

به محلول باقیمانده از عملیات آخر کمی سود اضافه کرده و سانتریفیوژ کنید تا رسوب مربوط به یون شماره ۵ نیز نمایان گردد.

سپس محلول درون لوله «پ» را به همراه مقداری HCl تکان داده تا رسوب یون شماره ۴ نمایان گردد و توسط کاغذ PH قسمت اسیدی و بازی آن را مشخص کنید.

گزارش آزمایش مجهول:

پنج لوله آزمایش تمیز و خشک از مسئول آزمایشگاه گرفته و کمی ماده مجهول درون آن ریخته شد. به محلول مذکور کمی HCl افزوده و سانتریفیوژ گردید و رسوب سیاه رنگی به همراه محلول بدست آمد. سپس محلول به لوله ازمایش الف انتقال و رسوب مذکر به همراه کمی آمونیاک سانترفیوژ شده ورسوب یون شماره ۱ به رنگ سیاه و کمی محلول نمایان گردید. سپس محلول به لوله آزمایش ب انتقال و به همراه مقداری HCl دوباره سانتریفیوژ شده و رسوب یون شماره ۲ به رنگ سفید نمایان گردید.

سپس محلول لوله الف همراه مقدار زیادی سود سانتریفیوژ شد و مقداری رسوب زرد رنگ و کمی محلول بجای ماند. محلول را درون ظرف پ جدا کرده و رسوب مذکور در HCl حل شدو سپس به همراه کمی (۵ قطره) قلع کلرید سانتریفیوژ گردید که در انت‌ها مقداری رسوب خاکستری رنگ یون شماره ۳ و کمی محلول حاصل شد. در ادامه محلول مورد نظر را به همراه کمی سود سانتریفیوژ کرده و رسوب سفید رنگ یون شماره ۵ برجای ماند.

سپس محلول درون لوله پ را با HCl مخلوط کرده و هاله‌ای صورتی رنگ از رسوب یون شماره ۴ بدست آمد؛ که توسط کاغذ PH مشخص گردید که بالای محلول اسیدی و پایین بازی می‌باشد.

۱= جیوه دو بار مثبت با زیروند ۲ ۲= نقره یک بار مثبت ۳= جیوه دو بار مثبت ۴= روی دو بار مثبت

۵= کادمیم دو بار مثبت