Chemia na papierze - część 5. Analiza na bibule

Wraz z rozwojem chemii zmniejsza się skala, w której pracują badacze: alchemicy „lubili” funtowe ilości odczynników, w wieku XIX eksperymentowano przeważnie z gramami substancji, obecnie są to najczęściej miligramy lub nawet jeszcze mniejsze porcje reagentów. Zupełnie odwrotna tendencja dotyczy przemysłu chemicznego, gdzie stale rośnie skala produkcji. W ostatniej części artykułu zajmiesz się analityką chemiczną w skali mikro.

Mikroskala = makrokorzyści 

Chemia w mikroskali ma kilka zalet, które przesądziły o jej powszechnym zastosowaniu. Reakcje, bezpieczne z niewielkimi porcjami reagentów, po zwiększeniu ilości odczynników mogą przebiegać w sposób niekontrolowany, a tego chcemy uniknąć. Istnieją także doświadczenia, np. przebiegające z wydzielaniem niemiło pachnących lub szkodliwych produktów, które lepiej prowadzić w małej skali. Niewielkie ilości chemikaliów oznaczają również mniej odpadów do utylizacji i mniejsze koszty pracy. Coraz częściej również bada się tak drobne próbki substancji, że po prostu nie jest możliwe zwiększenie rozmiarów aparatury. Ponadto sprzęt do doświadczeń w mikroskali często jest przenośny i można za jego pomocą wykonywać oznaczenia wprost w terenie, nie zaś w wyspecjalizowanym laboratorium.

Analiza kroplowa na bibule

W latach 20. ubiegłego wieku opracowano techniki analityczne, w których używa się miligramowych ilości odczynników oraz roztworów o objętości rzędu 1 cm³ lub nawet mniejszej. Jedna z metod – analiza kroplowa – wymaga dosłownie pojedynczych kropli reagentów. Reakcje przeprowadzane są na specjalnych porcelanowych płytkach z wgłębieniami, szkiełkach zegarkowych lub, co nas najbardziej interesuje, na bibule (1).

1. Zestaw do analizy kroplowej: płytki porcelanowe
z wgłębieniami, bibuła filtracyjna i zakraplacze

Przygotuj stanowisko pracy: obwiązuje taca, na której wykonasz doświadczenia. Fragment bibuły zwilż roztworem jodku potasu KI, a następnie wysusz. Na arkusz upuszczaj po kropli roztworów soli metali ciężkich – ich jodki są zwykle barwne. Pamiętaj, aby krople nie zlewały się ze sobą i koniecznie stosuj oddzielne zakraplacze (albo bagietki) do każdego roztworu (lub też myj je starannie po użyciu) – gdy zanieczyścisz odczynniki, wyniki nie będą wiarygodne. Przykładowo użyj roztworów soli miedzi(II), ołowiu(II) i srebra. W każdym z przypadków otrzymasz plamę o charakterystycznym kolorze.

Analiza plam (ang. spot analysis), inna nazwa metody, służy przede wszystkim do identyfikacji składników mieszanin, nie zaś pojedynczych jonów. Mechanizm rozdziału jest analogiczny, jak w przypadku rozwijania chromatogramu. Dzięki istnieniu dużej liczby kapilarnych kanałów w bibule, rozpuszczalnik szybko migruje z miejsca naniesienia próbki. Natomiast substancja rozpuszczona jest adsorbowana na powierzchni i rozprzestrzenia się znacznie wolniej. W miejscu początkowym dochodzi zatem do wzrostu jej stężenia, co ułatwia zauważenie wyniku reakcji. Różne substancje rozpuszczone przemieszczają się z odmiennymi szybkościami. Efekt ten pozwala na ich rozdzielenie i łatwiejsze wykrycie w mieszaninie (co często jest niemożliwe do przeprowadzenia w probówce). Do eksperymentów najlepiej użyj bibuły filtracyjnej lub zwykłej bibuły, reakcje wykonywane na papierowym ręczniku często nie dają możliwości zaobserwowania wyraźnego efektu próby.

Doświadczenia zacznij od identyfikacji kationów miedzi Cu²⁺ i żelaza Fe³⁺ w mieszaninie. Sporządź roztwory zawierając te metale, najłatwiej dostępne związki to CuSO₄ i FeCl₃. Potrzebna będzie również woda amoniakalna, czyli roztwór amoniaku w wodzie.
Posługując się stężonym roztworem amoniaku, pamiętaj o zachowaniu ostrożności i pracuj w dobrze wentylowanym pomieszczeniu. Skórę przypadkowo polaną wodą amoniakalną zmyj pod strumieniem bieżącej wody, a resztki odczynnika zneutralizuj rozcieńczonym octem.

Zacznij od prób dla poszczególnych jonów metali, co ułatwi ci ich późniejsze wykrycie w mieszaninie. Bibułę filtracyjną zwilż roztworem amoniaku, a następnie w to samo miejsce nanieś kroplę roztworu soli danego metalu (pamiętaj, aby nie zanieczyścić roztworów – do każdego z nich użyj oddzielnego zakraplacza lub bagietki). Na innym fragmencie bibuły powtórz procedurę dla drugiego kationu. Podczas prób pojawiają się barwne obszary pozwalające na stwierdzenie obecności poszczególnych jonów: niebieski dla Cu²⁺ (kompleksowe połączenie kationów miedzi z amoniakiem) i brunatny dla Fe³⁺ (wytrącony wodorotlenek tego metalu).

Pora na analizę mieszaniny. Na bibułę zwilżoną woda amoniakalną upuść kroplę roztworu powstałego ze zmieszania roztworów obu soli. Tym razem w środku znajdzie się ciemny obszar, natomiast na zewnątrz pojawi niebieskie zabarwienie. Porównując kolory plam z próbkami wzorcowymi, wiesz już, gdzie znajdują się poszczególne składniki mieszaniny (2).

2. Identyfikacja kationów miedzi(II) i żelaza(III) na bibule

Kationy metali oraz powstające związki wędrują z różnymi szybkościami po powierzchni bibuły, co pozwala na ich rozdział chromatograficzny, a następnie identyfikację. Analiza wykonana w probówce (do mieszaniny obu soli dodaj wody amoniakalnej) nie da w tym przypadku jednoznacznej odpowiedzi – powstaje ciemne zabarwienie, które uniemożliwia stwierdzenie obecności poszczególnych kationów. Zresztą samodzielnie wykonaj odpowiedni eksperyment.

W kolejnym doświadczeniu zidentyfikujesz aniony NCS^– i [Fe(CN)₆]^4–. Potrzebne sole to rodanek potasu KNCS i heksacyjanożelazian(II) potasu K₄[Fe(CN)₆] (popularnie określany jako żelazocyjanek potasu, sól ta tworzy żółtawe kryształy w odróżnieniu od podobnego z nazwy żelazicyjanku potasu mającego czerwony kolor) oraz roztwór chlorku żelaza(III) FeCl₃.
Eksperymentując z tym ostatnim związkiem, również zachowaj ostrożność: jest żrący i pozostawia wszędzie brunatne, trudne do usunięcia plamy. Obowiązują więc rękawice ochronne i taca.

3. Identyfikacja anionów rodankowych i żezalocyjankowych na bibule

Procedura jest analogiczna jak w poprzednim doświadczeniu. Zacznij od prób dla poszczególnych anionów: na bibułę upuść kroplę roztworu FeCl₃, a następnie soli danego anionu. Dla roztworów wzorcowych uzyskasz plamy w kolorze czerwonym (rodanek tworzy kompleksowe połączenie zwane „chemiczną krwią”) oraz ciemnoniebieskim (w przypadku żelazocyjanku powstaje błękit pruski stosowany dawniej jako barwnik). Dla mieszaniny obu anionów plama jest dwubarwna – w środku znajduje się obszar o ciemnoniebieskim, a na zewnątrz o czerwonym zabarwieniu. Stwierdzenie, któremu z anionów odpowiada każda z plam, nie powinno sprawić ci trudności (3). Podczas identyfikacji w probówce znacznie intensywniejsza barwa niebieska maskuje czerwony kolor pochodzący od anionów rodankowych. Jak poprzednio,
dzięki różnej szybkości przemieszczania się połączeń żelaza(III) w porach bibuły, oznaczenie możesz wykonać bez wcześniejszego rozdzielania obu związków (4).

4. Poprzednie doświadczenia wykonane w probówkach nie pozwalają
na identyfikację składników miesznainy (z lewej kationy miedzi i żelaza,
z prawej – aniony rodankowy i żelazocyjankowy)

Użyteczne papierki

Wskaźnikami pH, czyli substancjami zmieniającymi barwę pod wpływem roztworów kwasów lub zasad, posługiwali się już alchemicy. W XX wieku upowszechniły się papierki wskaźnikowe – paski bibuły nasączone rozworami wybranych wskaźników – do szybkiego określania odczynu roztworu. W użyciu znajdują się papierki uniwersalne (mieszanina wskaźników pozwala na oszacowanie odczynu roztworu w dość szerokim zakresie, zwykle z dokładnością do 1 jednostki pH) oraz papierki lakmusowe. Te ostatnie, nasączone roztworem lakmusu, występują jako „czerwone” służące do wykrywania odczynu zasadowego (niebieszczeją pod wpływem zasad) i „niebieskie” do kwasowego (czerwienieją w obecności kwasów). Chociaż najczęściej po prostu zanurzamy papierek w roztworze, w dokładnych oznaczeniach postępuje się inaczej: na papierek upuszczana jest kropla badanego roztworu, tym sposobem unikamy zanieczyszczenia próbki substancjami wypłukanymi z papierka (5).

5. Papierki wskaźnikowe do określania odczynu roztworów

Chemicy posługują się również wieloma innymi rodzajami papierków, które służą do szybkich oznaczeń jakościowych. W domowym laboratorium sporządzisz papierek jodkowy. W tym celu nasącz bibułę roztworem jodku potasu KI z dodatkiem dosłownie odrobiny tiosiarczanu sodu Na₂S₂O₃. Bibułę wysusz, najlepiej pod naciskiem, aby uniknąć pofałdowania arkusza, i potnij na paski, które przechowujesz w koniecznie szczelnie zamykanym naczyniu. Dodatek tiosiarczanu zapobiega ciemnieniu papierka pod wpływem jodu powstającego w wyniku powolnego utleniania KI tlenem z powietrza. Papierki jodkowe wykorzystasz do identyfikacji kationów metali jak w pierwszym doświadczeniu (6). Gdy bibułę nasączysz roztworem jodku potasu z dodatkiem skrobi, otrzymasz papierki jodoskrobiowe, używane do wykrywania utleniaczy – pod ich wpływem wydziela się wolny jod, dający granatowe zabarwienie ze skrobią. Przetestuj działanie papierka, upuszczając na niego kroplę wody utlenionej zakwaszonej roztworem H₂SO₄ lub octu. Papierki jodoskrobiowe nadają się również do wykrywania jonów metali. Jeżeli dodatkowo do roztworu nasączającego bibułę dodasz fenoloftaleinę, otrzymasz papierki do określania biegunowości źródła napięcia prądu stałego. Po wykonanych dwa miesiące temu doświadczeniach wiesz już, że wokół elektrody połączonej z „plusem” źródła pojawi się granatowe zabarwienie, a z „minusem” – czerwone (przed próbą musisz zwilżyć papierek wodą, aby jony mogły się przemieszczać).

6. Papierki jodkowe: bladożółta plama z jonami srebra (po dłuższym czasie ciemnieje
na świetle), żółta z ołowiem, brunatne z żelazem i miedzią (powstaje wolny jod)

Do wykrywania jonów siarczkowych i siarkowodoru służą papierki ołowiowe. Otrzymasz je, nasączając bibułę roztworem octanu (CH₃COO)₂Pb lub azotanu ołowiu Pb(NO₃)₂. Pamiętaj o zachowaniu ostrożności, eksperymentując ze związkami tego metalu. Pozytywny wynik próby (obecność siarczków) rozpoznasz po ciemnymi zabarwieniu papierka pochodzącym od tworzącego się siarczku PbS. Wypróbuj działanie papierka ołowiowego, wykrywając za jego pomocą
siarkę w białku jaja. Zmieszaj białko z wodą, dodaj do niego porcję 20…30% roztworu wodorotlenku sodu NaOH i ogrzej naczynie. Kropla mieszaniny upuszczonej na papierek potwierdzi obecność siarki w białku jaja.

To oczywiście nie jedyne papierki do szybkich prób, prawie każda substancja dająca barwny produkt reakcji z inną nadaje się do jej wykrywania. Przykładowo żelazocyjanki i żelazicyjanki metali ciężkich mają zróżnicowane kolory. Sporządzenie i sprawdzenie działania odpowiednich papierków pozostawiam ci do samodzielnego wykonania. Ja zaś mam nadzieję, że po przeprowadzeniu eksperymentów z pięciu części artykułu określenie „chemia na papierze” będzie kojarzyć się już tylko pozytywnie. 

Krzysztof Orliński