Laboratorio di Chimica Generale ed Inorganica 1 anno LT Chimica AA 2016/17

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1 ESPERIENZA 1 Recupero del rame da una miscela eterogenea con solubilizzazione selettiva e processi Red-Ox Un miscuglio di Al 2 O 3 (allumina) e CuSO 4.5H 2 O (solfato di rame pentaidrato) viene trattato con acqua per separarli sfruttando la loro diversa solubilità: l'allumina, insolubile, si deposita come fase solida, il solfato si sulubilizza e forma una soluzione azzurra. Si filtra su carta da filtro Watman 41 per allontanare il solido, e si continua a lavorare con la soluzione di solfato di rame. Questa viene trattata con eccesso di zinco in polvere per ridurre lo ione rameico a rame metallico (rossastro) che precipita, mentre la soluzione si decolora. L eccesso di zinco viene poi ossidato a zinco ione e mandato in soluzione per aggiunta di HCl concentrato (si osserva l' evoluzione di bollicine di idrogeno). In soluzione avvengono i seguenti processi: 1) CuSO 4 5H 2 O (s) Cu 2+ + SO H 2 O solubilizzazione del solfato di rame 2) Cu 2+ + Zn (s) Cu (s) + Zn 2+ riduzione dello ione rameico a rame 3) Zn (s) + 2H + H 2(g) + Zn 2+ ossidazione dell'eccesso di zinco a Zn 2+ Pesare in una navicella g di un miscuglio di Al 2 O 3 e CuSO 4.5H 2 O (in rapporto circa 1:1 in peso) con la bilancia analitica (per impararne l uso) e annotare la massa pesata. Trasferire la polvere nel beaker da 100 ml, aggiungere acqua (eventualmente deionizzata) con la spruzzetta fino circa ml, avendo cura di lavare la navicella per recuperare tutta la polvere. Agitare piano senza schizzare sulle pareti del beaker per sciogliere il solfato di rame. Ripiegare in due volte la carta Whatman 41per preparare il filtro e collocarlo nell'imbuto. Porre l'imbuto sul collo della beuta e bagnare il filtro con acqua per farlo aderire alle pareti. Versare il contenuto del beaker sul filtro per trattenere l allumina. Attendere che tutta la soluzione passi nella beuta. Lavare le pareti del beaker con poca acqua per recuperare e filtrare tutta l allumina, e versare le acque di lavaggio nel filtro. Lavare il filtro con acqua. Rimuovere l'imbuto con il filtro (*). Calcolare i grammi di Zn (PA Zn = 65.4 g/mol) necessari a ridurre tutto il rame in soluzione (PM CuSO 4.5H 2 O = g/mol). Pesare un eccesso di Zn del 20-30% rispetto alla quantità calcolata. Lavare il beaker e trasferirvi la soluzione di Cu 2+. Aggiungere lo zinco e mettere in agitazione. Si noti la precipitazione del rame metallico e la decolorazione della soluzione (processo 2). Si nota anche che la soluzione si riscalda. Eliminare il leggero eccesso di Zn aggiungendo nel beaker, sotto agitazione, circa 5-6 ml di HCl 5N in aliquote da 1-2 ml circa, finché non si nota più sviluppo di idrogeno (processo 3, interrompere ogni tanto l'agitazione per verificare). Preparare un filtro come in precedenza, e filtrare la soluzione per recuperare il rame metallico. (*). (*) A fine esercitazione lo studente recupera l allumina nel boccione sotto cappa, accostando all imbuto il filtro e lavandolo con poca acqua. In un altro boccione e con le stesse modalità recupera anche il rame precipitato. Il Laboratorio riutilizzerà l allumina dopo lavaggi con acqua ed essiccamento. Poi recupererà il rame ossidandolo con H 2 O 2 in presenza H 2 SO 4 concentrato per riottenere il solfato di rame pentaidrato.

2 ESPERIENZA 2 Preparazione di CuSO 4 5H 2 O per ossidazione del rame con H 2 O 2. Si pesano circa 2.0 g di rame in polvere, e li trasferiscono in un beaker alto. Si aggiungono circa 10 ml di acqua e circa 2 ml di H 2 SO 4 concentrato (in leggero eccesso). Si mette in agitazione su piastra con ancoretta magnetica. Non si osserverà reazione tra rame e acido solforico, che reagisce solo se concentrato e a caldo, finché non si aggiunge goccia a goccia H 2 O 2 concentrata (30%) sino a completa dissoluzione del rame. All'inizio la reazione è lenta, poi viene (auto)accelareta dalla formazione dei primi ioni Cu 2+. Avvengono i seguenti processi (bilanciare i processi 1, 2, 3): 1) Cu + H 2 O 2 Cu 2+ + H 2 O (H 3 O +, lenta) 2) H 2 O 2 H 2 O + O 2 (H 3 O + ) 3) Cu + O 2 Cu 2+ + H 2 O (H 3 O +, veloce) Si noti lo sviluppo di O 2, e il colore azzurro della soluzione per la formazione dello ione idrato Cu(H 2 O) A fine reazione si filtra su carta e si lava il filtro con poca acqua distillata. Si fa poi precipitare il solfato di rame per concentrazione e per raffreddamento. Se parte del solfato è già precipitata, si ridiscioglie con minime aggiunte di acqua prima di filtrare. La soluzione limpida (20-25 ml) si riscalda sotto agitazione per decomporre l' eccesso di H 2 O 2 (reazione 2), e si concentra fino a circa 10 ml. Rimossa l ancoretta si raffredda ancora la soluzione fino alla cristallizzazione del CuSO 4 5H 2 O, si filtra, e si recuperano i cristalli dal filtro.

3 ESPERIENZA 3 Analisi di un miscuglio zinco / rame Lo zinco si ossida in soluzione acida per HCl generando idrogeno secondo la reazione già vista nella precedente esperienza: Zn + 2H + --> Zn 2+ + H 2 Il rame invece non si ossida in ambiente acido. Misurando la quantità di H 2 liberata da una quantità nota (circa 0.6 g) di miscuglio Zn/Cu per reazione con HCl, si determina quanto Zn è presente nel miscuglio. Si calcola la quantità di HCl da usare ipotizzando che tutto il miscuglio sia zinco. Con un cilindro da 25 ml si trasferisce nell imbuto gocciolatore un volume di HCl (si preleva sotto cappa, annotarne la concentrazione) in eccesso, circa 5 volte maggiore di quello calcolato. Nel provettone codato si mette il miscuglio Zn/Cu con circa 5 ml di acqua. Si inserisce l imbuto gocciolatore nel provettone badando che il sistema sia a tenuta. Si riempie la beuta codata fino a circa 1 cm dal tubo laterale; si collega la beuta al provettone, al sifone innescato, quindi al beaker contenente circa ml di acqua. Si apre la pinza di Mohr e si equilibra il sistema per far coincidere i livelli nella beuta e nel beaker. Si chiude la pinza e si pesa il beaker con l'acqua. Poi si fa gocciolare HCl sul miscuglio nel provettone, si chiude il rubinetto, si fa partire l agitazione e si riapre la pinza di Mohr per far passare l'acqua spostata da H 2 prodotto. A fine reazione (quando cessa lo sviluppo di H 2 ), con la pinza aperta si eguagliano i livelli nella beuta e nel beaker variando l altezza dei due contenitori, per compensare la spinta idrostatica. Quindi si chiude la pinza e si ripesa il beaker per valutare la massa (volume) di acqua spostata (differenza tra prima e dopo la reazione). Si può così risalire al volume di H 2 (differenza tra il volume di acqua spostata e il volume di HCl aggiunto). Note anche temperatura esterna, pressione di lavoro e ltensione di vapore dell acqua (es. 17 mmhg a 19 C) si possono determinare le moli di H 2 prodotte, quindi la quantità di Zn (PA 65.4 g/mol) e la corrispondente percentuale nel miscuglio.

4 ESPERIENZA 4 Misura della solubilità dei sali KCl e KNO Lavaggio, riempimento ed azzeramento di una buretta. Seguire le istruzioni dei supervisori per lavare la buretta (50 ml, div. 1/10) e per avvinarla con acqua distillata (o con la soluzione da usare). Riempire la buretta aiutandosi con l'imbuto, superando la tacca dello zero. Vuotare la buretta avendo cura che sotto al rubinetto e nel puntale non si formino bolle d'aria. Ripristinare eventualmente il liquido oltre lo zero, e vuotare lentamente finché il menisco della soluzione non sia tangente allo zero (azzeramento). Prelevare a piacimento volumi noti dalla buretta, trasferendoli in beuta o nel beaker. Sistema H 2 O/KCl Preparare una soluzione con 5.0 g di KCl in 11.0 ml di acqua, riscaldando fino a completa dissoluzione. Lasciar raffreddare agitando continuamente. Si prenda nota della temperatura alla quale precipitano i primi cristalli di KCl. Ripetere quindi la procedura almeno 4 volte diluendo ogni volta con ml di acqua prelevati con la buretta. In questo modo si otterranno 5 coppie di valori solubilità (in g/100 ml) - temperatura (in gradi C), da riportare in grafico su carta millimetrata. Il grafico s = f(t) deve contenere almeno cinque punti Sistema H 2 O/KNO 3 Dopo aver sciolto 4.0 g di KNO 3 in 15.0 ml di acqua, si raffredda a bagnomaria in acqua e ghiaccio e si annota la temperatura di inizio cristallizzazione. Si eseguono almeno altre 4 misure aggiungendo ogni volta g di KNO 3, riscaldando fino a solubilizzazione e poi lasciando raffreddare. Si ottiene un altra serie di 5 coppie di valori solubilità (in g/100 ml) temperatura (in gradi C), da riportare in grafico su carta millimetrata. Il grafico s = f(t) deve contenere almeno cinque punti.

5 ESPERIENZA 5 Misura del potere tampone di una soluzione H 2 PO 4 - /HPO 4 2- In questa esperienza si misura, con il phmetro, la variazione ph in un vato volume di varie miscele tampone formate dalla coppia acido/base H 2 PO 4 - /HPO 4 2- all aggiunta di 1 ml di acido forte (HCl). Il ph viene confrontato con quella misurato aggiungendo 1mL di HCl allo stesso dato volume di acqua pura. L efficacia del sistema tampone considerato viene evidenziata dall istogramma dei valori di ph in funzione del rapporto [H 2 PO 4 - ] / [HPO 4 2- ] nelle diverse soluzioni tampone. Si preparano 200 ml di 2 soluzioni 0.1 mol/l dei sali KH 2 PO4 e K 2 HPO 4 (pesare le quantità opportune dei due sali nelle apposite navicelle, trasferire e solubilizzare nei matracci tarati), e 50 ml di HCl 0.2 mol/l (adoperare la micropipetta da 1000 µl per prelevare la quantità opportuna di HCl 37% posto sotto cappa da trasferire nel matraccio da 50 ml). L'acido viene quindi trasferito nella buretta. Le quantità delle due soluzioni sottoindicate si trasferiscono in un beaker da 100 ml, in maniera da variare il rapporto acido/base [H 2 PO 4 - ] / [HPO 4 2- ] nelle soluzioni: soluzione ml KH 2 PO mol/l ml K 2 HPO mol/l Rapporto acido/base - [H 2 PO 4 ] / [HPO 2-4 ] acqua : circa 2: circa 1: : Si immerge l'elettrodo del phmetro nella soluzione 1, si agita con l'ancoretta magnetica e, quando si è stabilizzato, si legge il ph sul phmetro. Si aggiunge quindi 1 ml di HCl 0.2 mol/l e si misura nuovamente il ph per calcolare il ph. Si misura allo stesso modo il ph delle altre soluzioni, prima e dopo l'aggiunta dell'acido HCl. Si misura anche il ph dell'acqua distillata, prima e dopo l'aggiunta di acido HCl. Si ricavata una tabella che riporta il ph prima e dopo l aggiunta di acido e il ΔpH per tutte le soluzioni. Si riportano quindi, in un istogramma, i valori di ΔpH in funzione del rapporto acido/base delle varie soluzioni.

6 ESPERIENZA 6 Titolazioni acido forte -base forte e acido debole - base debole A) Bisogna costruire per via potenziometrica (con phmetro) la curva di titolazione acido forte (HCl) / base forte (NaOH) in presenza di indicatore, e determinare la concentrazione incognita della soda tramite la stessa titolazione con la soluzione a titolo noto di HCl. La reazione (neutralizzazione, 1) è: H + + OH - H 2 O (1) punto di equivalenza a ph 7.00; è indifferente usare fenolftaleina o metilarancio B) A seguire, si costruirà per via potenziometrica la curva di titolazione acido debole (CH 3 COOH) / base forte (NaOH) in presenza di indicatore, e si determinerà la concentrazione incognita dell acido acetico mediante titolazione con la i soda titolata in precedenza. La reazione (2) è: OH - + CH 3 COOH CH 3 COO - + H 2 O (2) punto di equivalenza a ph basico; occorre usare la fenolftaleina Titolazione A) Lavare la buretta da 50 ml con acqua distillata, avvinarla con la soluzione di NaOH a concentrazione nota (circa 0.2 N) e azzerare (assicurarsi che non ci siano bolle d'aria nel puntale). Prelevare con pipetta e pro-pipetta 20 ml di HCl a concentrazione incognita (circa 0.2 N) da una soluzione predisposta in laboratorio, e trasferirli in un beaker da 150 ml. Lavare le pareti del beaker con acqua distillata e aggiungere 2-3 gocce di metilarancio. Immergere l elettrodo a vetro del phmetro nel beaker e controllare che il setto poroso dell elettrodo di riferimento sia immerso (aggiungere acqua sino a ml). Avviare lentamente l agitazione ed annotare il valore di ph iniziale. Titolare aggiungendoall inizio 3-2 ml di NaOH, poi 2-1, poi meno, poi goccia a goccia in prossimità del punto equivalente. Registrare dopo ogni aggiunta il volume totale di NaOH aggiunto e il ph corrispondente, in modo da creare la tabella V OH- vs ph che servirà a disegnare il grafico della titolazione. Il punto di equivalenza è segnalato dal viraggio da giallo a arancio-rosa dell indicatore (segnare il volume di NaOH equivalente Veq). Quando la soluzione diventa rossa il viraggio è passato Proseguire le aggiunte di NaOH sino a circa 30 ml prima goccia a goccia, poi con aliquote sempre più grandi. Calcolare la Normalità della soluzione incognita di NaOH usando la nota relazione C 1 V 1 = C 2 V 2 e disegnare il grafico della titolazione su carta millimetrata utilizzando i valori della tabella V OH- vs ph. Titolazione B) Recuperare il magnetino e svuotare il beaker da 150 ml lavando con acqua di rubinetto e poi con acqua distillata. Operare come nella titolazione A), tenendo conto che ora si titolano 20 ml di CH 3 COOH circa 0.2 N (soluzione incognita, nel beaker) con NaOH a titolo noto (appena ottenuto, nella buretta). Ora si usa la fenolftaleina come indicatore. Avviare lenta agitazione e agire come in A, per creare la tabella V OH- vs ph per questa titolazione. Il punto di equivalenza è segnalato dal viraggio da incolore a rosa. (segnare il volume di NaOH equivalente Veq). Quando la soluzione diventa rossa il viraggio è passato. Proseguire le aggiunte di NaOH sino a circa 30 ml come nel caso precedente. Calcolare la Normalità della soluzione incognita di CH 3 COOH usando la relazione C 1 V 1 = C 2 V 2 e disegnare il grafico della titolazione su carta millimetrata utilizzando i valori della tabella V OH- vs ph.