„Rozmawiają dwie sole stojąc nad przepaścią. Nagle jedna z nich stwierdza – musimy uważać, aby się nie strącić!”

Taka krótka anegdotka przypomniała mi się w kontekście dość problematycznego zagadnienia jakim są reakcje strąceniowe, które to dzisiaj postanowiłem omówić nieco szerzej, niż jest to zwykle przedstawiane w szkolnych podręcznikach.

Jak zapewne wiesz, związki chemiczne można podzielić na dobrze oraz trudno rozpuszczalne w wodzie, lub wręcz praktycznie w niej nierozpuszczalne. Substancje takie można otrzymać przeprowadzając odpowiednią reakcję chemiczną zwaną reakcją strąceniową. Tego typu proces przebiega wtedy, gdy jeden lub kilka jego produktów opuszcza środowisko reakcji w postaci osadu.

Jakie zatem reakcje możemy przeprowadzić, w celu wytrącenia osadu trudno rozpuszczalnej substancji? Aby zrozumienie istoty problemu było łatwiejsze, w poszczególnych zapisach schematów reakcji oraz wzorów chemicznych substancji zastosowane zostały oznaczenia:

(aq) – substancja znajduje się w fazie wodnej (mamy do czynienia z wodnym roztworem danej substancji, nasyconym lub nienasyconym),

(s) – substancja w układzie występuje jako ciało stałe (dostarczana jest jako ciało stałe lub powstaje w formie osadu),

(g) – substancja w układzie występuje jako gaz (dostarczana jest w gazowym stanie skupienia lub powstaje jako gazowy produkt reakcji),

(c) – substancja w układzie występuje w ciekłym stanie skupienia (jest cieczą),

↓ – oznacza strącenie się osadu, lecz wbrew obiegowej opinii niektórych osób strzałka ta nie jest wymagana w zapisie równania chemicznego. W celu jednoznacznego wskazania, która substancja wytrąca się w postaci osadu postanowiłem zamieszczać strzałkę w równaniach reakcji napisanych w tym artykule.

↑ – oznacza wydzielanie się gazu, uwaga odnośnie braku konieczności jej zapisu jak wyżej.

Zanim rozpoczniemy omawianie poszczególnych typów przemian otwórz opracowane przez CKE Wybrane wzory i stałe fizykochemiczne na egzamin maturalny z biologii, chemii i fizyki. Na stronie 14. wymienionych tablic znajduje się pewna ściągawka w postaci tabeli rozpuszczalności soli (i nie tylko), bez której nawet nie próbuj zabierać się za czytanie dalszej części tego artykułu. Plik PDF tablic pobierzesz tutaj.

W pierwszej kolejności zajmiemy się omówieniem procesów przebiegających bez zmiany stopni utlenienia pierwiastków.

1. Reakcje biegnące po zmieszaniu wodnych roztworów substancji.

a) sól₁ (aq) + sól₂ (aq) → sól₃ (s)↓ + sól₄ (aq)

Aby proces taki mógł przebiec sól₁, sól₂ stanowiące substraty reakcji oraz sól₄ (produkt reakcji) powinny być dobrze rozpuszczalne w wodzie, choć nie jest to warunek konieczny (o czym powiem za chwilę), a sól₃ musi być trudno rozpuszczalna (ściślej mówiąc – najsłabiej rozpuszczalna spośród pozostałych trzech soli).

Na przykład po zmieszaniu wodnych roztworów AgNO₃ oraz NaCl strąca się osad AgCl:

AgNO_{3 (aq)} + NaCl_(aq) → AgCl_(s)↓ + NaNO_3(aq)

lub w formie jonowej skróconej: Ag⁺ + Cl^– → AgCl

Poniższe fotografie (1.-3.) wykonane zostały odpowiednio po kilkunastu sekundach, trzech minutach oraz godzinie od momentu zakończenia opisanej reakcji chemicznej. Widoczny biały serowaty osad to chlorek srebra, który z czasem opada na dno naczynia (zjawisko sedymentacji):

W opisanym modelu reakcji strąceniowej nie muszą uczestniczyć wyłącznie dobrze rozpuszczalne w wodzie sole. Istotne jest jednak, aby powstający osad był solą o najmniejszej spośród pozostałych związków chemicznych rozpuszczalności. Bardzo dobrym przykładem takiej reakcji chemicznej jest proces biegnący z udziałem nasyconego roztworu trudno rozpuszczalnego chlorku ołowiu(II). Jeśli do opisanego roztworu wprowadzimy roztwór jodku sodu o dostatecznie wysokim stężeniu molowym, wówczas zaobserwujemy strącenie się żółtego osadu PbI₂, który jest związkiem o wiele trudniej rozpuszczalnym niż PbCl₂:

Zamieszczona powyżej fotografia pochodzi z arkusza diagnostycznego CKE (grudzień 2022, zadanie 10.) i przedstawia zawartość probówki powstałą w wyniku przebiegu reakcji: 2NaI_(aq) + PbCl_{2 (aq)} → PbI_2(s)↓ + 2NaCl_(aq)

Równanie opisanej przemiany można również (wyjątkowo) zapisać w formie jonowej skróconej:

Pb²⁺ + 2I^– →PbI_2(s)↓

Zwróć uwagę, że w równaniu jonowym skróconym pojawiły się jony Pb²⁺, a nie wzór PbCl₂, pomimo, że związek ten jest trudno rozpuszczalny w wodzie. Dzieje się tak, ponieważ do reakcji wykorzystany został roztwór nasycony tej soli (dominuje forma rozpuszczona w wodzie), a nie wodna zawiesina, w której chlorek ołowiu(II) dominuje w postaci osadu.

ZAPAMIĘTAJ !

W równaniu jonowym opisującym reakcję chemiczną zapisujemy taką postać danego reagenta, w jakiej dominuje on w układzie reakcyjnym. Jeśli jest to wodna zawiesina związku trudno rozpuszczalnego, wówczas zapisujemy jego wzór sumaryczny, a jeśli jest to jego roztwór (nasycony lub nienasycony), wtedy zapisujemy formę zdysocjowaną na jony takiej substancji – o ile ulega ona dysocjacji elektrolitycznej na jony lub jest mocnym elektrolitem.

b) sól stanowiąca hydroksokompleks (aq) + kwas (aq) → wodorotlenek₂ (s)↓ + sól (aq)

Przemiana taka może zostać zrealizowana na przykład poprzez ostrożne wprowadzenie kwasu solnego do roztworu tetrahydroksocynkanu sodu. Po osiągnięciu odpowiedniej wartości pH układu reakcyjnego zaobserwujemy strącenie się osadu:

Na₂[Zn(OH)₄]_(aq) + 2HCl_(aq) ⟶ Zn(OH)_2(s)↓ + 2NaCl_(aq) + 2H₂O_(c)

lub w formie jonowej skróconej:

[Zn(OH)₄]^2– + 2H⁺ ⟶ Zn(OH)₂↓ + 2H₂O

Na zamieszczonej poniżej fotografii możesz zaobserwować efekt uzyskany w pewnym momencie doświadczenia podczas którego do roztworu związku kompleksowego cynku (Na₂[Zn(OH)₄]) po ściankach probówki ostrożnie wprowadzono roztwór kwasu solnego. Widoczny na granicy obu roztworów osad to wodorotlenek cynku. Papierek wskaźnikowy obrazuje odczyn obu roztworów (znajdującego się nad oraz poniżej osadu).

c) zasada (aq) + sól₁ (aq) → wodorotlenek (s)↓ + sól₂ (aq)

Jest to klasyczna metoda otrzymywania wodorotlenków trudno rozpuszczalnych w wodzie. Do przeprowadzenia reakcji według tego schematu wykorzystujemy roztwór dobrze rozpuszczalnego w wodzie wodorotlenku, na przykład NaOH. Przykładem takiej reakcji może być strącanie cielistego osadu wodorotlenku manganu(II):

2NaOH_(aq) + MnSO_4(aq) → Mn(OH)_2(s)↓ + Na₂SO_4(aq)

lub w formie jonowej skróconej:

Mn²⁺ + 2OH^– → Mn(OH)₂↓

Należy przy tym pamiętać, że opisana metoda najlepiej sprawdza się w przypadku otrzymywania wodorotlenków o charakterze zasadowym, ponieważ strącony osad nie będzie wówczas wchodził w reakcję chemiczną z nadmiarem zastosowanego odczynnika strącającego. Gdyby produktem reakcji strąceniowej był wodorotlenek o charakterze amfoterycznym, na przykład Al(OH)₃, wówczas związek taki przereagowałby z nadmiarem zasady sodowej, co w konsekwencji doprowadziłoby do roztworzenia się części, lub (w zależności od ilości zastosowanego odczynnika strącającego) nawet całości osadu wodorotlenku glinu.

Innym odczynnikiem strącającym osady wodorotlenków może być woda amoniakalna, czyli wodny roztwór amoniaku. Z wykorzystaniem tego odczynnika można uzyskać czerwonobrunatny osad wodorotlenku żelaza(III):

3NH_3(aq) + 3H₂O_(c) + FeCl_3(aq)  → Fe(OH)_3(s)↓ + 3NH₄Cl_(aq)

lub w formie jonowej skróconej:

3NH₃ + 3H₂O + Fe³⁺ → Fe(OH)₃↓ + NH₄⁺

Niektóre wodorotlenki metali bloku d (na przykład Zn(OH)₂) uzyskane taką metodą mogą jednak reagować z nadmiarem odczynnika strącającego jakim jest woda amoniakalna, dlatego należy uwzględnić możliwość przebiegu takiej reakcji w metodzie otrzymywania danego wodorotlenku.

Zdarzyć się, że po zmieszaniu roztworu wodorotlenku z roztworem soli powstały osad będzie stanowił mieszaninę dwóch trudno rozpuszczalnych związków chemicznych. Przykładem takiej reakcji chemicznej jest proces biegnący po zmieszaniu wodnych roztworów wodorotlenku baru i siarczanu(VI) miedzi(II):

Ba(OH)_2(aq) + CuSO_4(aq) → Cu(OH)_2(s)↓ + BaSO_4(s)↓

W przypadku tej reakcji chemicznej możliwy jest również zapis równania w formie jonowej, lecz nie w postaci skróconej, ponieważ w zapisie równania chemicznego brak jest indywiduów które mogłyby zostać uproszczone:

Ba²⁺ + 2OH^– + Cu²⁺ + SO₄^2– → Cu(OH)₂↓ + BaSO₄↓

Powstały osad ma barwę jasnoniebieską, ponieważ stanowi mieszaninę niebieskiego osadu Cu(OH)₂ oraz białego osadu BaSO₄. Intensywność zabarwienia osadu zależy oczywiście od objętości oraz stężeń mieszanych roztworów, ponieważ nie zawsze użyjemy ilości stechiometrycznych reagujących substancji:

Nie tylko wodorotlenki oraz sole mogą zostać strącone w postaci osadu. Istnieje wiele tlenków, które uzyskuje się w taki sposób:

d) zasada (aq) + sól₁ (aq) → tlenek (s)↓ + sól₂ (aq)

Przykładem jest Ag₂O – produkt reakcji przebiegającej po zmieszaniu roztworu zasady z roztworem azotanu(V) srebra. Dlaczego w tej reakcji nie uzyskamy osadu AgOH? Ponieważ wodorotlenek ten jest tak nietrwały, że praktycznie od razu rozkłada się z utworzeniem wspomnianego tlenku oraz wody, stąd w równaniu reakcji chemicznej jest on pomijany:

2KOH_(aq) + 2AgNO_3(aq) → Ag₂O_(s)↓ + 2KNO_3(aq) + H₂O_(c)

lub w formie jonowej skróconej:

2OH^– + 2Ag⁺ → Ag₂O↓ + H₂O

Poniższa fotografia ilustruje zawartość probówki uzyskaną w wyniku przeprowadzonej reakcji chemicznej.

Również niektóre kwasy otrzymuje się w reakcjach strąceniowych:

e) kwas₁ (aq) + sól₁ (aq) → kwas₂ (s)↓ + sól₂ (aq)

Z opisaną przemianą możemy spotkać się w przypadku otrzymywania kwasu krzemowego wykorzystując szkło wodne, czyli wodny roztwór krzemianu sodu. Odczynnikiem strącającym jest roztwór kwasu mocniejszego niż kwas krzemowy:

Na₂SiO_3(aq) + 2HBr_(aq) → H₂SiO_3(s)↓ + 2NaBr_(aq)

lub w formie jonowej skróconej:

SiO₃^2– + 2H⁺ → H₂SiO₃↓

Objawem przebiegającej reakcji chemicznej jest strącenie się galaretowatego osadu.

To jednak nie wszystko, bowiem wśród związków organicznych istnieje mnóstwo kwasów karboksylowych, które są związkami trudno rozpuszczalnymi w wodzie. Do tego typu substancji należy na przykład kwas benzoesowy lub kwas stearynowy. Reakcje strącania opisanych kwasów ilustrują równania chemiczne:

dla kwasu benzoesowego (C₆H₅ jest wzorem sumarycznym grupy fenylowej):

C₆H₅COONa_(aq) + HCl_(aq) → C₆H₅COOH_(s)↓ + H₂O_(c)

lub w formie jonowej skróconej:

C₆H₅COO^– + H⁺ → C₆H₅COOH↓

dla kwasu stearynowego:

C₁₇H₃₅COONa_(aq) + HCl_(aq) → C₁₇H₃₅COOH_(s)↓ + H₂O_(c)

lub w formie jonowej skróconej:

C₁₇H₃₅COO^– + H⁺ → C₁₇H₃₅COOH↓

Oba wymienione kwasy karboksylowe strącają się w postaci białych osadów.

Opisany schemat reakcji może również przebiegać inaczej – osadem będzie sól, a powstały kwas będzie związkiem dobrze rozpuszczalnym w wodzie:

f) kwas₁ (aq) + sól₁ (aq) → sól₂ (s)↓ + kwas₂ (aq)

Reakcję biegnącą według tego schematu czasem stosuje się w celu otrzymania niewielkich ilości (na skalę laboratoryjną) roztworu kwasu azotowego(V). W tym celu miesza się roztwór kwasu siarkowego(VI) z roztworem azotanu(V) baru:

Ba(NO₃)_2(aq) + H₂SO_4(aq) → BaSO_4(s)↓ + 2HNO_3(aq)

lub w formie jonowej skróconej:

Ba²⁺ + SO₄^2– → BaSO₄↓

Fotografia poniżej przedstawia zawartość probówki uzyskaną w wyniku przebiegu opisanej przemiany:

Widoczny obfity biały osad jest odsączany, a przesącz zawiera kwas azotowy(V).

2. Reakcje biegnące po wprowadzeniu gazu do wodnego roztworu substancji.

tlenek kwasowy (g) + zasadowy wodorotlenek metalu 2. grupy (aq) → sól (s)↓ + woda (c)

Najbardziej znaną reakcją jaka przebiega według tego schematu jest mętnienie wody wapiennej (nasyconego wodnego roztworu wodorotlenku wapnia):

CO_2(g) + Ca(OH)_2(aq) → CaCO_3(s)↓ + H₂O_(c)

W przypadku tej reakcji chemicznej możliwy jest również zapis równania w formie jonowej, lecz nie w postaci skróconej:

CO₂ + Ca²⁺ + 2OH^– → CaCO₃↓ + H₂O

Fotografia poniżej ilustruje zawartość probówki jaka została uzyskana po przepuszczeniu tlenku węgla(IV) przez nasycony roztwór wodorotlenku wapnia. Za widoczne zmętnienie odpowiada powstały trudno rozpuszczalny w wodzie węglan wapnia:

Przy optymalnym zakresie wartości pH roztworu możliwe jest również przeprowadzenie reakcji odpowiedniego gazowego wodorku niemetalu z roztworem soli. Reakcja taka przebiegnie jeśli będzie mógł strącić się praktycznie nierozpuszczalny osad soli. Schemat takiej przemiany można zobrazować następująco:

kwasowy wodorek niemetalu (g) + sól₁ (aq) → sól₂ (s)↓ + kwas (aq)

Na przykład, jeśli przez wodny roztwór siarczanu(VI) miedzi(II) przepuszczony zostanie siarkowodór, wówczas nastąpi odbarwienie się roztworu oraz strącenie czarnego osadu:

H₂S_(g) + CuSO_4(aq) → CuS_(s)↓ + H₂SO_4(aq)

lub w formie jonowej skróconej:

H₂S + Cu²⁺ → CuS↓ + 2H⁺

Na maturze, w arkuszu majowym z 2016 roku pojawiło się związane z tym zadanie 16. złożone z czterech podpunktów (16.1, 16.2, 16.3, 16.4).

Strącanie się osadów towarzyszy również przebiegowi licznych reakcji redoks, czyli procesów, podczas których zmianie ulegają stopnie utlenienia pierwiastków chemicznych.

Pierwszą z rozważanych przemian można opisać następującym schematem:

wodór (g) + sól (aq) → metal (s)↓ + kwas (aq)

Warunkiem przebiegu reakcji chemicznej według tego schematu jest zastosowanie wodnego roztworu soli metalu, który tworzy półogniwo I rodzaju o dodatniej wartości standardowego potencjału redukcji. Reakcja taka przebiega na przykład podczas przepuszczania wodoru przez wodny roztwór siarczanu(VI) miedzi(II):

H_2(g) + CuSO_4(aq) → Cu_(s)↓ + H₂SO_4(aq)

lub w formie jonowej skróconej:

H₂ + Cu²⁺ + → Cu↓ + 2H⁺

Objawem przebiegającej reakcji chemicznej jest odbarwienie się roztworu (zostaje pozbawiony nadających niebieskie zabarwienie jonów Cu²⁺) oraz pojawienie się różowobrązowego osadu. W opisanej przemianie utleniaczem są jony miedzi(II), natomiast reduktorem – cząsteczki wodoru.

Jednym z silniejszych utleniaczy są jony manganianowe(VII). Własności utleniające tego indywiduum chemicznego przejawiają się w środowisku kwasowym, zasadowym oraz obojętnym (ściślej – bliskim obojętnemu). W tym ostatnim reakcja może przebiegać według ogólnego schematu:

sól manganian(VII) (aq) + sól postać zredukowana (aq) + woda (c) → MnO₂ (s)↓ + OH^– (aq) + sól postać utleniona (aq)

Objawem przebiegu reakcji jest odbarwienie się roztworu oraz strącenie brunatnego osadu. Jako przykład może posłużyć utlenianie anionów siarczanowych(IV) w reakcji z wodnym roztworem manganianu(VII) potasu:

2KMnO_4(aq) + 3K₂SO_3(aq) + H₂O_(c) → 2MnO_2(s)↓ + 3K₂SO_4(aq) + 2KOH_(aq)

lub w formie jonowej skróconej: 2MnO₄^– + 3SO₃^2– + H₂O → 2MnO₂↓ + 3SO₄^2– + 2OH^–

Poniższa fotografia przedstawia powstałą mieszaninę poreakcyjną:

Reakcje strącania osadów w kontekście procesów redoks towarzyszą również związkom organicznym. Klasyczne dwie reakcje jakie można tu wymienić to próby Trommera oraz Tollensa. Pierwsza z wymienionych dotyczy sytuacji z udziałem cukru redukującego. Schemat takiej przemiany można opisać następująco:

związek kompleksowy cukru redukującego z wodorotlenkiem miedzi(II) (aq) + OH^– (aq) → Cu₂O (s)↓ + sól (aq) + woda (c)

Gdy już roztworzony został osad wodorotlenku miedzi(II) i uzyskaliśmy szafirowy klarowny roztwór związku kompleksowego, wówczas rozpoczynamy drugi etap próby Trommera. W trakcie ogrzewania tego roztworu obserwujemy odbarwienie się zawartości naczynia oraz strącenie ceglastoczerwonego osadu. Mieszanina poreakcyjna uzyskana w wyniku takiej przemiany przedstawiona została na dwóch poniższych fotografiach wykonanych bezpośrednio po zakończeniu reakcji oraz po upływie 30 minut:

Jak widzisz, powstały osad Cu₂O nie opadł całkowicie na dno naczynia reakcyjnego. Silnie rozproszony w fazie wodnej tlenek miedzi(I) sprawia mylne wrażenie czerwonopomarańczowego roztworu. W rzeczywistości jest to mieszanina niejednorodna – wodna zawiesina.

UWAGA: zwróć uwagę, że jako substrat nie został wymieniony wodny roztwór aldehydu. Jest to celowe zamierzenie, ponieważ próba Trommera z udziałem aldehydu przebiega bez wytrącenia osadu lecz z widoczną zmianą jego barwy. Wodorotlenek miedzi(II) jest wówczas jednym z substratów reakcji, który zostaje przekształcony w tlenek miedzi(I) – następuje zmiana barwy ciała stałego z niebieskiej na ceglastoczerwoną.

W przypadku próby Tollensa rozważyć można reakcję wodnego roztworu aldehydu lub cukru redukującego z odczynnikiem Tollensa, jakim jest wodny roztwór wodorotlenku diaminasrebra(I). Schemat opisanej przemiany jest następujący:

aldehyd (aq) lub cukier redukujący (aq) + [Ag(NH₃)₂]OH (aq) → Ag (s)↓ + sól (aq) + NH₃ (aq) + woda (c)

Równanie reakcji chemicznej jaka przebiega z udziałem aldehydu może zostać zapisane w następujący sposób (forma jonowa skrócona):

CH₃CHO + 2[Ag(NH₃)₂]⁺ + 3OH^– → 2Ag↓ + CH₃COO^– +  4NH₃ + 2H₂O

Fotografia poniżej przedstawia zawartość naczynia po zakończeniu opisanej przemiany, gdy zastosowanym reduktorem była glukoza (cukier prosty). Charakterystyczne jest pojawienie się osadu srebra w postaci lustra na ściankach probówki, stąd próba Tollensa nazywana jest reakcją lustra srebrnego.

Poza wymienionymi obowiązującymi na maturze z chemii reakcjami jest oczywiście jeszcze wiele innych przemian chemicznych, których przebiegowi towarzyszy wytrącenie się osadu. Nie martw się jednak „na zapas”, ponieważ jeśli związane z tym zadanie pojawi się w arkuszu, to będzie opatrzone odpowiednią treścią wprowadzającą.

Spodobał Ci się ten artykuł? Polub mój fanpage na Facebooku oraz na Instagramie, aby nie ominęły Cię żadne nowości.

© dr inż. Rafał Szczypiński, wszelkie prawa zastrzeżone