Zapoznanie z pojęciem reakcji utleniania-redukcji i układaniem równań chemicznych dla tych procesów. ZAKRES OBOWIĄZUJĄCEGO MATERIAŁU
Pojęcie utleniania i redukcji, utleniacz, reduktor, stopień utlenienia, potencjał normalny, szereg elektrochemiczny, stała równowagi reakcji utleniania-redukcji, wskaźniki red-ox, układanie równań w reakcjach utleniania-redukcji. ODCZYNNIKI 1M Cr(NO3)3 2M NaOH 1M NaOH 10% H2O2 0,5 M K2CrO4 0,5 M Fe(NO3)3 1 M Mn(NO3)2 2 M HNO3 0,1 M AgNO3 1 M FeSO4 1 M H2SO4 0,2 M KMnO4 Na2SO3 K3Fe(CN)6 rozcieńczony 0,01 M NaOH 0,1 M CH3COOH (NH4)2S2O8 CuCl2 Zn pył KIO3 NaCl H2SO4 stęż. HNO3 stęż. kwas malonowy MnSO4 KOH Cu drut skrobia glukoza NaOH indygokarmin błękit metylenowy 0,5% agar drut miedziany folia aluminiowa
UWAGA: Wodorotlenek sodu i potasu, nadtlenek wodoru oraz stężone kwasy: solny, siarkowy(VI) i azotowy są silnie żrące. Pracując z nimi obowiązuje stosowanie rękawic ochronnych i okularów. Roztwory azotanu srebra, indygokarminu oraz błękitu metylenowego są silnie plamiące.
PRZYGOTOWANIE ODCZYNNIKÓW Przygotować:
50 cm3 5 % roztworu CuCl2 50 cm3 5% roztworu ZnCl2
OPIS ĆWICZENIA
a. Barwne reakcje utleniania-redukcji
Utlenianie Cr(III) do Cr(VI)
Do probówki z 2 ml 1 M roztworem azotanu chromu(III) dodawaj powoli 2 M roztwór NaOH, aż do rozpuszczenia strącającego się początkowo wodorotlenku chromu(III), po czym dodaj około 1 ml 10% roztworu nadtlenku wodoru i ogrzewaj do zmiany barwy z zielonej, pochodzącej od jonów Cr3+ na żółtą (jony CrO42-).
Redukcja Cr(VI) do Cr(III).
Do 2 ml 0,5 M roztworu chromianu potasu dodaj 0,5 ml 1M roztworu kwasu siarkowego a następnie szczyptę siarczanu(IV) sodu. Zaobserwuj zmianę barwy.
Utlenianie Fe(II) do Fe(III)
Do 1 ml 0,5 M roztworu Fe(NO3)2 dodaj 0,5 ml 2 M roztworu NaOH, a następnie 0,5 ml 10% roztworu nadtlenku wodoru.
Utlenianie Mn(II) do Mn(VII).
Do 0,5 ml 1 M roztworu azotanu manganu(II) dodaj roztwór sporządzony ze szczypty nadsiarczanu amonu, 2 ml wody, 1 ml 2 M kwasu azotowego i 1 ml 0,1 M roztworu azotanu srebra. Tak sporządzony roztwór ogrzać.
Redukcja Mn(VII) do Mn(II)
Do 1M roztworu FeSO4 zakwaszonego kilkoma kroplami 1 M kwasu siarkowego dodawaj kroplami 0.2 M roztwór nadmanganianu potasu. Obserwuj zmiany barwy.
b. Redukcja Cu2+ do Cu0
Umieść w zlewce 50 cm3 5 % roztworu CuCl2. Wsyp małymi porcjami 3 g pyłu cynkowego. Zaobserwuj zachodzące zmiany. Następnie do zlewki zawierającej 50 cm3 5% roztworu chlorku cynku wsyp ok. 3 g miedzi. Wytłumacz różnice w zachowaniu się zawartości obu zlewek, zapisz równania zachodzących reakcji.
c. Oscylacyjne reakcje utleniania-redukcji • Roztwór A
3,25 g jodanu(V) potasu i 20,0 cm3 1 M kwasu siarkowego(VI) rozpuścić w 200 cm3 wody destylowanej. Roztwór kwasu przygotuj przez rozcieńczenie 1,2 cm3 stężonego H2SO4 w 18,8 cm3 wody.
• Roztwór B
2,0 g kwasu malonowego, 3,0 g jednowodnego siarczanu(VI) manganu(II) i 20,0 cm3 1% roztworu skrobi rozpuścić w 200 cm3 wody destylowanej. Roztwór skrobi przygotuj przez rozpuszczenie 0,2 g skrobi w 5,0 cm3 wrzącej wody i rozcieńczenie do objętości 20,0 cm3.
• Roztwór C
90,0 cm3 30% nadtlenku wodoru rozpuść w 240 cm3 wody destylowanej.
Do zlewki o pojemności 1 dm3 wlej się jednocześnie roztwory A, B i C i mieszaj intensywnie mieszadłem magnetycznym. Po około 1 minucie rozpoczynają się oscylacje pomiędzy roztworem pomarańczowym a bezbarwnym. Po około 5 minutach w oscylacjach obok zabarwienia pomarańczowego pojawia się kolor niebieski. d. Wskaźniki red-ox I. NH HN O O SO3H HO3S NH HN O O SO3H HO3S redukcja utlenienie • Roztwór A
14 g glukozy rozpuścić w 700 cm3 wody destylowanej i ogrzać do 350C. • Roztwór B
6 g wodorotlenku sodu rozpuścić w 200 cm3 wody destylowanej i ogrzać do 350C.
Zlewkę o pojemności 2 dm3 napełnij roztworem glukozy, dodaj 0,04 g indygokarminu a następnie wlej roztwór B. Zawartość zlewki przybiera zielony kolor. Po krótkim czasie barwa zmienia się przez czerwoną do złotożółtej. Jeśli żółty roztwór przelejemy do drugiej zlewki z wysokości co najmniej 60 cm jego kolor zmieni się z powrotem na zielony a następnie na czerwony i złotożółty. Pokaz ten można powtórzyć kilkakrotnie. UWAGA: Roztwór musi mieć temperaturę ok. 350C, w przeciwnym wypadku reakcja nie zajdzie.
II. N S N(CH3)2 (H3C)2N Cl + H2 S N(CH3)2 (H3C)2N N H + HCl redukcja utlenienie
Do kolby stożkowej z korkiem szlifowanym o pojemności 500 cm3 wlej się roztwór 15 g KOH oraz 5 g glukozy w 250 cm3 wody destylowanej. Następnie dodaj 1 kroplę 0,5% roztworu błękitu metylowego. Kolbę zatkaj korkiem. Niebieski roztwór staje się stopniowo bezbarwny. Po wstrząśnięciu ponownie pojawia się niebieska barwa. Cykl można powtarzać aż do 10 godzin pod warunkiem okresowego otwierania kolby w celu dopuszczenia do niej tlenu. (UWAGA: Roztwory wodorotlenków rozpuszczają powoli szkło, powodując
„zapiekanie się” szlifów i uniemożliwiając w ten sposób otwarcie naczyń laboratoryjnych, dlatego po zakończeniu eksperymentu umyj szkło dokładnie wodą!)
e. Wpływ pH na przebieg reakcji utleniania-redukcji
Do trzech probówek wlej po 1 cm3 0,2 M roztworu nadmanganianu potasu a następnie do pierwszej probówki wlej kilka kropli 1M roztworu H2SO4 zaś do drugiej kilka kropli 1M roztworu NaOH. Po wymieszaniu zawartości każdej probówki wkraplaj powoli 10% nadtlenek wodoru (UWAGA: Mieszanina może się silnie pienić!). Zaobserwuj zmiany w przebiegu i produktach reakcji. Zapisz równania zachodzących procesów.
f. Korozja
Przygotuj trzy stalowe, częściowo rozprostowane spinacze biurowe. Jeden z nich owiń w połowie długości skrawkiem folii aluminiowej, drugi odcinkiem nieizolowanego drutu miedzianego.
W zlewce o pojemności 250 cm3 umieść 1 g chlorku sodu, kilka kropli roztworu fenoloftaleiny i kilka kropli roztworu K3Fe(CN)6. Dodaj 50 cm3 wody, roztwór ogrzej do wrzenia a następnie wsyp 0,5 g agaru i mieszaj do całkowitego rozpuszczenia. Mieszając dodawaj kroplami 0,01 M roztwór NaOH do wystąpienia blado różowego zabarwienia roztworu a następnie wkraplaj 0,1 M roztwór kwasu octowego do zaniku barwy (UWAGA: Nie można dodać za dużo kwasu octowego!). Roztwór przelej do szlaki Petriego i umieść w nim spinacze. Po 2-3 godzinach zaobserwuj zmiany. Wytłumacz różnice w wyglądzie otoczenia spinaczy.
g. Wpływ kompleksowania na reakcje utleniania-redukcji
W małej zlewce zmieszaj 5 cm3 1 M roztworu siarczanu(VI) żelaza(II) i 5 cm3 0,4 M roztworu chlorku
żelaza(III). Mieszaninę podziel na dwie równe części i przenieś do probówek. Do jednej z probówek dodaj
stężony roztwór fluorku sodu (do zaniku barwy pochodzącej od jonów żelaza), do drugiej wlej porównywalną ilość wody. Następnie do obu próbek wlej po 1 cm3 1M roztworu jodku potasu. Zaobserwuj zmiany i podaj wyjaśnienie zjawiska wraz z zapisem zachodzących reakcji.