Att vara kemisk detektiv

Av: Johan Berglund

Frätande
Tid för förberedelser:40 minuter Tid för genomförandet: 40 minuter
Antal tillfällen: 1 Svårighetsgrad: Kräver viss labvana
Säkerhetsfaktor:Utföres med normal varsamhet

Introduktion

Inom kemin måste man många gånger undersöka vad t ex en viss lösning innehåller. Finns det giftiga ämnen i maten? Finns det "förbjudna ämnen" i avloppsvattnet? Innehåller det vi gödslar gräsmattan eller jorden ned farliga metaller?

Det finns många tillfällen för den duktig kemist att hjälpa till att upptäcka farliga eller nyttiga ämnen. Ofta är det svårt, tar lång tid och kräver komplicerade apparater. För att förenkla förutsättningarna rätt mycket kan man arbeta på ett sätt som många kemister gjort och gör.

Först ska man lära känna igen några ämnen och joner och sedan använda de kunskaperna och sedan genom försök komma på vilka ämnen och joner några okända lösningar innehåller.


Riktlinjer

Experimentet lämpar sig för högstadiets senare del eller på gymnasiet A-kurs i kemi eller Naturkunskap B.


Säkerhet

Koppar-, barium- och silversalter är något giftiga och natriumhydroxid är frätande. Använd skyddsglasögon.

Resterna från experimentet kan spolas ned i vasken om det rör som om måttliga mängder (några tiotals milliliter).


Materiel


Förarbete

Inget förarbete.


Utförande

Vi börjar med att göra tre stycken analyser där vi tittar hur de nio lösningarna reagerar vid tillsättande av reagensmedlen. Detta gör vi för att sedan undesöka 4 stycken "okända" lösningar och dra slutsatser om vad som finnas i dem med hjälp av de nyvunna kunskaperna om hur salter regerar vid tillsats av respektive reagens.

Kartläggning av jonernas reaktioner med reagenserna

1: Tillsats av silvernitrat

  1. Häll ca 1 cm av nedanstående lösningar i nio väl diskade provrör
  2. Tillsätt därefter 2-3 droppar silvernitrat i provrören.
  3. Anteckna vad som händer, t ex om det ger en fällning.
  4. Notera vilka lösningar som fick fällning och dra en slutsats om vad de har gemensamt.
Bild: © Svante Åberg

2: Tillsats av bariumklorid

Gör samma sätt som i analys 1 med denna gång tillsätter vi bariumklorid istället för silvernitrat.

3: Tillsats av natriumhydroxid

Gör om samma procedur som de två tidigare men du tillsätter natriumhydroxid.

4: Slutsatser

Med dessa tre analyser har du skaffat underlag för att bestämma vilka positiva joner, metalljoner en lösning innehåller. Med sina nyvunna kemikunskaper kan de ta reda på både positiva och negativa joner i en hemlig lösning.

Analys av okända lösningar

Analysera innehållet i fyra stycken provrör märkta A, B, C och D med hjälp observationerna från de tidigare analyserna av kända lösningar.

Tips till läraren: Förslagsvis kan innehållet i fyra provrören A, B, C och D vara kopparsulfat, järnklorid, natriumklorid och järnnitrat.


Förklaring

Många kombinationer av positiva och negativa joner bildar svårlösliga fällningar. Vissa fällningar har dessutom en typisk färg. Andra jonslag bildar nästan aldrig fällningar. Det gäller till exempel joner av alkalimetallerna (grupp 1 i periodiska systemet). Genom uteslutningsmetoden och med hjälp av färgerna så kan man många gånger dra slutsatser om vilka joner som ingår i de lösningar man blandar samman. Detta är exempel på kemisk analys.


Bakgrundsfakta

Salters sammansättning

Kemiska formler och namn kan ibland upplevas som obegripliga. Man när vi här arbetar med gruppen salter är det enkelt. Man kan säga att saltföreningen har ett "förnamn" och ett "efternamn" och det kan man även känna igen på formeln.

"Förnamnet" är alltid en metalljon:

Na+ = natriumjon
Cu2+ = kopparjon
Fe3+ = järn(III)jon

"Efternamnet" är alltid en negativt laddad jon (oftast ickemetall):

Cl- = kloridjon
NO3- = nitratjon
OH- = hydroxidjon
SO42- = sulfatjon

Kombineras "förnamnet" och "efternamnet" fås detta:

 Na+ + Cl- " NaCl (natriumklorid)
 Cu2+ + SO42- " CuSO4 (koppar(II)sulfat)
 Na+ + OH- " NaOH (natriumhydroxid)
 Fe3+ + 3 Cl- " FeCl3 (järn(III)klorid)
 Na+ + NO3- " NaNO3 (natriumnitrat)
 Cu2+ + 2 NO3- " Cu(NO3)2 (kopparnitrat)

Reaktioner med reagenslösningarna

Tillsats av silvernitrat

Tillsatsen av silverjoner, AgNO3, till provlösningarna visar att endast de lösningar som innehåller den negativa jonen Cl-, kloridjon ger en vit fällning. Den vita fällningen är silverklorid, AgCl(s).

Bild: © Svante Åberg
 AgNO3(aq)  + NaCl(aq) " AgCl(s) + Na+ + NO3-
 3 AgNO3(aq)  + FeCl3(aq) " 3 AgCl(s) + Fe3+ + 3 NO3-
 2 AgNO3(aq)  + CuCl2(aq) " 2 AgCl(s) + Cu2+ + 2 NO3-

Tillsats av bariumklorid

När BaCl2 tillsätts till de nio provrörslösningarna visar det sig att endast de som innehåller den negativa jonen SO42-, sulfatjon får en vit fällning. Den vita fällningen vid denna analys är bariumsulfat, BaSO4(s).

Bild: © Svante Åberg
 BaCl2(aq)  + CuSO4(aq) "  BaSO4(s) + Cu2+ + 2 Cl-
 BaCl2(aq)  + FeSO4(aq) "  BaSO4(s) + Fe2+ + 2 Cl-
 BaCl2(aq)  + Na2SO4(aq) "  BaSO4(s) + 2 Na+ + 2 Cl-

Hur påvisas positivt laddade metalljoner?

Tillsats av natriumhydroxid, NaOH, till provrörslösningarna visar

Bild: © Svante Åberg

Fasta jonföreningar

I fasta jonföreningar hålls jonerna samman av sina motsatta elektriska laddningar. Varje katjon (positiv jon) attraherar flera anjoner (negativa joner) och tvärtom. Jonerna bygger upp en gigantisk jonkristall som består av ett mycket stort antal joner i bestämda lägen. I kristallen är strukturen ordnad i en bestämd kristallstruktur.

Ett av de enklaste exemplen på en jonkristall är natriumklorid, NaCl. I natriumkloridkristallen omges varje Na+ jon av sex Cl- joner, och varje Cl- jon av sex Na+ joner. Varje Na+ jon attraheras av de sex Cl- jonerna omkring den, men repelleras av andra Na+ joner som finns lite längre bort, och attraheras av nästa omgång Cl- joner som är ännu längre bort, och så vidare. Man får en oändlig följd av attraktioner och repulsioner, men totalt sett blir attraktionerna starkare än repulsionerna, och detta håller ihop kristallen. I själva verket hålls den ihop mycket starkt, vilket är skälet till att jonföreningar är hårda och har höga smält- och kokpunkter.

De är viktigt at inse att en fast jonförening som NaCl inte består av ett par av Na+ joner och Cl- joner eller av NaCl-molekyler, utan av en kristall med ett mycket stort antal av Na+ joner och Cl- joner. Anordningen ger kristallen det kubiska utseendet, som man kan iaktta hos NaCl -kristaller.

Mönstret i en jonkristall måste passa ihop med antalet joner av olika slag och med jonernas storlek. Samma kubiska struktur som hos natriumklorid finns också hos en del andra jonföreningar som kaliumfluorid och litiumklorid. Många jonföreningar har mer komplicerad uppbyggnad. Man kan inte avgöra jonkristallens struktur utifrån saltet kemiska formel.

Jonföreningar i vatten

Jonerna omges av ett skal av vattenmolekyler
Bild: © Svante Åberg

Många jonföreningar är lösliga i vatten. Jonerna attraherar vattenmolekyler och blir hydratiserade. De hydratiserande jonerna vandrar ut i lösningen där de sprids på ett oordnat sätt. Bilden visar detta för natriumklorid. De hydratiserade jonerna betecknas Na+(aq) och Cl-(aq), där (aq) betyder att jonerna finns i en vattenlösning. Beteckningen talar inte om hur många vattenmolekyler som omger varje jon.

Den hydratiserade jonen blir större än den ursprungliga, eftersom den får ett lager av vattenmolekyler runt omkring sig. Ju mindre jonen är och ju högre laddning den har, desto starkare attraherar den vattenmolekyler och desto fler vattenmolekyler kan den attrahera.

Om en vattenlösning av en jonförening får indunsta, avgår vattnet som vattenånga. Jonerna kan åter bindas till varandra och bygga upp ett salt. Ibland kan bindningarna mellan jonerna och vattenmolekylerna vara så starka att alla vattenmolekyler inte bortgår i gasform. Den nya fasta jonföreningen kommer då att byggas upp av joner och vattenmolekyler tillsammans.

Vattenmolekyler som binds till joner i ett fast salt kallas kristallvatten. Vattenmolekylerna är inordnade på bestämda platser i jonkristallen liksom de ingående jonerna. Kemiska formeln för en jonförening med kristallvatten brukas skrivas exempelvis MgCl2·6H2O. Detta betyder, att varje formelenhet av förening innehåller 1 Mg2+-jon, 2 Cl--joner och 6 vattenmolekyler.

Närvaron av kristallvatten ger jonföreningar andra egenskaper. Ett exempel på ändrade egenskaper är koppersulfat och kristallvatten, CuSO4·5 H2O, är blått till färgen medan däremot kopparsulfat utan kristallvatten är gråvitt.

Reaktionsformler med joner

Joner i vattenlösning reagerar också med varandra. Om man till exempel blandar en natriumkloridlösning med en lösning av silvernitrat, får man vit, fast silverklorid. Silverjoner Ag+, och kloridjoner, Cl-, slår sig samman och bildar en svårlöslig förening som faller ut som vit fällning. Vi kan skriva reaktionsformeln för denna reaktion. Natriumkloridlösning innehåller Na+(aq) och Cl-(aq), och silvernitratlösningen innehåller Ag+(aq) och NO3-(aq). Reaktionsformeln blir:

Na+(aq) och Cl-(aq) + Ag+(aq) och NO3-(aq) " AgCl(s) + Na+(aq) och NO3-(aq)
natriumkloridlösning silvernitratlösning   silverklorid joner kvar i lösningen

Jonföreningars och formlers namn

För att skriva formeln för en jonförening måste man känna till de enskilda jonernas formel och laddning. Om det är en fråga om atomjoner, dvs. joner som består av en enda laddad atom, kan man ofta komma fram till jonladdningen med hjälp av det periodiska systemet.

Jonföreningar kallas också salter. Ett fast salt har ingen nettoladdning och det måste därför innehålla lika många positiva och negativa laddningar. När man skriver formeln för saltet måste man därför balansera jonernas laddning mot varandra så att totala laddningen blir noll. I formeln för saltet skrivs den positiva jonen först. De enskilda jonernas laddning sätts inte ut i formeln. Här följer exempel på hur man kan skriva en formel:

Natriumsulfat innehåller , Na+, och sulfatjoner, SO42-. Sulfatjonerna är en sammansatt jon, där en svavelatom och fyra syreatomer binds ihop till en laddad enhet. På grund av de olika laddningarna måste saltet innehålla dubbelt så många natriumjoner som sulfatjoner. Formeln blir alltså Na2SO4.

Namnet på en jonförening anges med den positiva jonens namn först. För namnen på de negativa jonerna gäller att negativa atomjoner har namn som slutar på –id, exempelvis klorid Cl- och oxid O2-. Sammansatta negativa joner har ofta namn som slutar på –at, exempelvis nitrat NO3- och karbonat CO32-.

Ibland kan ett visst atomslag bilda flera joner. Detta gäller i synnerhet grundämnena i grupperna 3-12. Exempelvis kan järn bilda de två jonerna Fe2+ och Fe3+ . För att skilja på föreningarna FeCl2 (med Fe2+-joner) och FeCl3 (med Fe3+-joner) kan man använda oxidationstalet (som ofta är detsamma som jonladdningen). De två jonföreningarna kallas järn(II)klorid respektive järn(III)klorid. De romerska siffrorna II respektive III anger oxidationstalet som här är detsamma som jonladdningen hos järnjonerna.

Kriminalteknikerna tar fingeravtryck med silverjoner

En metod att framkalla fingeravtryck är med silvernitrat löst i vatten eller etanol. Lösningen sprayas på det misstänkta avtrycket. Silverjonerna reagerar med salterna från svetten som fingret avsatt enligt reaktionen Ag+ + Cl- " AgCl(s). Det här är en utfällningsreaktion där silverjonerna reagerar selektivt med kloridjonerna i svetten.

Men avtrycket är fortfarande osynligt. Först låter man avtrycket torka. Sedan bestrålas det med UV-ljus. Det leder till att silverjonerna reduceras till partiklar av gediget silver. Reaktionen är Ag+ "Ag(s) + e-. Silverpartiklarna är mycket små och ser därför svarta ut eftersom de absorberar ljuset. Reaktionen med silverklorid och framkallningen till silverpartiklar är i princip samma som utnyttjas i svart-vit fotografi. Skillnaden är att i svartvill foto så används framkallningsvätska för det sista steget när fotot blir framkallas.


Referenser

  1. Identification tests, A Level Chemistry
    http://www.alevelchemistry.co.uk/Module_2/HTML%20Pages/
    identification_tests/2.10%20Identification%20Tests%20Notes.htm (2000-08-16)
  2. Testing for ions, Lawrie Ryan, Absorb Chemistry
    http://www.broadeducation.com/htmlDemos/AbsorbChem/TestingIons/page.htm (2000-08-16)
  3. Qualitative analysis, N J Hinze
    http://homepages.westminster.org.uk/nick.hinze/Notes/Lower%20Shell/qualitative.htm (2000-08-16)
  4. Qualitative Analysis, and Identification of Unknown Aqueous Solutions, George Madison university
    http://chem.gmu.edu/results/Chem_Int.doc (2000-08-16)