تحقیق در مورد کاتیون ها
نگاه کلی
بسیاری از خواص ویژه اتمها از جمله شعاع اتمی با مطالعه موقعیت اتمها در جدول تناوبی قابل توضیح هستند. اندازه یک اتم مفهومی نسبتا نامشخص می‌باشد. زیرا ابر الکترونی اطراف هسته مرز مشخصی ندارد اما می‌توان کمیتی را به نام شعاع اتمی تعریف و اندازه گیری کرد. فرض بر این است که در مواد عنصری اتمهای نزدیک به هم را مماس در نظر گرفته و شعاع اتمی را نصف فاصله میان دو هسته مجاور در نظر می‌گیرند.
بطور کلی در جدول تناوبی شعاع اتمی از چپ به راست (در یک دوره) کاهش یافته و برعکس از بالا به پائین در یک گروه معین افزایش می‌یابد. اتمها با از دست دادن یا گرفتن الکترون تبدیل به کاتیون یا آنیون می‌شوند. یونهای منفی همیشه از اتمهای خود بزرگترند در حالی که اندازه یونهای مثبت همیشه کوچکتر از اتمهای اولیه است.
اندازه گیری شعاع اتمی (شعاع کووالانسی)
تعیین اندازه یک اتم مسئله مشکلی می‌باشد. اگر اتم به صورت یک کره فرض شود شعاع اتمی را باید فاصله بین مرکز هسته و دورترین مکانی که احتمال یافتن الکترون در آن وجود دارد، در نظر گرفت ولی تراکم ابر الکترونی در اتمها متغیر می‌باشد و احتمال یافتن الکترون تا بی‌نهایت وجود دارد. از اینرو جدا کردن یک اتم تنها و اندازه گیری آن غیر ممکن می‌باشد. برای اندازه گیری شعاع اتم ، اندازه گیری فاصله بین هسته‌های دو اتم که باهم پیوند کووالانسی تشکیل داده‌اند امکان‌پذیر می‌باشد. با تقسیم کردن طول پیوند بر 2 ، شعاع اتمی که شعاع کووالانسی هم نامیده می‌شود بدست می‌آید.
اگر شعاع اتمی کلر از طول پیوندی که کلر با اتم دیگری مثل کربن ایجاد کرده است، کم شود شعاع اتمی کربن بدست می‌آید. البته استفاده از این روش نارسائیهایی هم به همراه دارد، زیرا شعاع اتمی موثر یک عنصر در پیوند با اتمهای مختلف ممکن است متفاوت باشد. ولی بطور کلی این روش برای تعیین روال تغییرات اندازه اتمی روش مفیدی می‌باشد.
شعاع یونی
هرگاه الکترونگاتیوی اتمهایی که در پیوند شرکت دارند، تفاوت زیادی با هم داشته باشد، بین آنها انتقال الکترون برای یونهای با بار مخالف صورت می‌گیرد. معمولا از ترکیب یک فلز با انرژی یونش پائین و یک نا فلز با الکترونگاتیوی بالا پیوند یونی تشکیل می‌شود. تهیه نمونه‌ای از یک ماده تشکیل شده از یک نوع یون برای تعیین شعاع یونی کاری بس دشوار است.
اما با مطالعه پراش اشعه ایکس می‌توان فاصله مراکز یونهای مماس با یکدیگر را بدست آورد البته تعیین سهم هر یک از یونها در این طول پیوند (یعنی شعاع هر یک از یونها) آسان نیست. در بلورهای یونی ، برخلاف مولکولهای کووالانسی که از نصف کردن طول پیوند دو اتم یکسان ، شعاع کووالانسی بدست می‌آید اندازه یونهای مثبت و منفی متفاوت می‌باشد و تقسیم فاصله دو یون بطور مساوی نمی تواند صحیح باشد.
روش تعیین شعاع یونی
برای
حل این مساله می‌توان ترکیبی مثل لیتیم را در نظر گرفت که اندازه کاتیون
خیلی کوچک و اندازه آنیون خیلی بزرگ می‌باشد. در این صورت فرض می‌شود که
یونهای ید با یکدیگر مماس هستند و از تقسیم فاصله بین دو آنیون یدید بر دو
شعاع یون یدید بدست می‌آید، البته این روش نمی‌تواند برای تقسیم فاصله بین
دو آنیون در بلورهای معمولی بکار رود. زیرا در این ترکیبات آنیونها باهم در
تماس نمی‌باشند.
اما با معلوم شدن شعاع یون یدید می‌توان شعاعهای
کاتیونی را با در دست داشتن فواصل بین هسته‌ای مشاهده شده برای ترکیباتی
که به خاطر بزرگ بودن کاتیونها وآنیونها با هم در تماس نیستند، بدست آورد .
شناسایی كاتیونها
بطور كلی روشهای متفاوتی برای شناسایی انیونها و كاتیونها وجود دارد.
یكی
از روشهای ساده برای شناسایی كاتیونها، استفاده از آزمایش شعله و مشاهده ی
تغییر رنگ شعله به وسیله ی كاتیون فلزی مورد نظر است. البته قبل از آن
باید رنگ شعله ایجاد شده به وسیله ی كاتیونهای متفاوت را دانست. اینكه رنگ
شعله ی كاتیونهای لیتیم، كلسیم و استرانسیم هر سه به رنگ قرمز هستند یا
اینكه مس شعله را به رنگ سبز در می آورد.
یك دسته دیگر از روشهای مهم
شناسایی كاتیونها ، طیف بینی یا spectroscopy می باشد. از انواع
طیف‌بینی‌های اتمی و مولكولی و آن هم از نوع نشری، جذبی و فلوئورسانس برای
جداسازی و شناسایی عناصر استفاده می‌كنند. لازمه‌ی تولید طیفهای فرابنفش و
مرئی عناصر، كه در شناسایی عناصر روش مهمی به شمار می‌رود، این است كه
نمونه‌های آزمایشی به اتم تبدیل شوند. در این فرایند اجزای تشكیل دهنده‌ی
نمونه‌ی آزمایشی، تجزیه شده و به ذرات بنیادی گازی (اتمها یا یونها) تبدیل
می‌شوند. سپس طیف نشری، جذبی یا فلوئورسانس اتمها یا یونهای حاصل به عنوان
مبنای تجزیه‌ی كیفی و كمی عناصر موجود در نمونه به كار می‌روند. لازمه‌ی
اینكه نمونه به ذرات بنیادی گازی (اتمها یا یونها) تبدیل شوند این است كه
در محیطی با دمای بسیار بالا قرار بگیرد، برای اینكار از راههای مختلفی
استفاده می‌كنند. از جمله می‌توان به قوس الكتریكی، جرقه، پلاسما یا شعله
اشاره نمود. به وسیله‌ی این روشها، ضمن اینكه نمونه به اتم تبدیل می‌شود،
كسر كوچكی از ذرات دچار برانگیختگی الكترونی می‌شوند. بازگشت ذرات اتم
شده‌ی برانگیخته شده به حالتهای پایه‌ی آنها، طیفهای نشری تولید می‌كند كه
برای تجزیه و شناسایی مفید هستند
اما برای شناسایی كاتیونها، معرف های
شیمیایی نیز وجود دارند كه برای هر كاتیون یا هر گروه یك معرف خاص استفاده
می شود، به عنوان مثال
برای تشخیص یا اندازه گیری غلظت نیکل یا آهن
راههای مختلفی وجود دارد. یکی از این راهها برای تشخیص و اندازه گیری نیکل،
استفاده از واکنشگر کی لیت ساز است. یک واکنشگر کی لیت ساز بی نظیر برای
نیکل، ماده ای به نام دی متیل گلی اکسیم است که یک ماده ی رسوب دهنده ی آلی
با خاصیت بی نظیر است. تنها نیکل II توسط این عامل در محلولهای قلیایی
ضعیف رسوب داده می شود. این ماده دارای فرمول مولکولی CH3-C=N-OH)2) است.
رسوبی که این کی لیت ساز با نیکل به وجود می آورد به قدری حجیم است که
مقادیر اندک نیکل را به راحتی می توان با استفاده از این روش اندازه گیری
نمود.
برای آهن، استفاده از واکنشگرهای مربوطه برای ساخت کمپلکسهای جذب
انتقال بار است. این کمپلکسها به راحتی جذب تابش دارند تا الکترون از گروه
الکترون دهنده به گروه الکترون گیرنده انتقال یابد. به این ترتیب با
استفاده از ماده ی مورد نظر که می تواند در محیط حضور داشته باشد و با یون
آهن II یا III تشکیل کمپلکس دهد و سپس با اندازه گیری مقدار جذب فوتون می
توان به مقدار وجود آهن پی برد. این کمپلکسها عبارتند از تیوسیانات و فنولی
آهن III ، کمپلکس O- فنانترولین آهن II . اینها از روشهای انتخابی هستند.
یعنی شما هر یون دیگری که در محیط داشته باشید، وقتی O- فنانترولین به محیط
اضافه کنی، تنها با آهن II واکنش می دهد و به بقیه ی یونها کاری ندارد.
روشهای دیگر اندازه گیری یونهای فلزی، استفاده از انواع روشهای اسپکتوفتومتری مانند طیف بینی نشری شعله ای می باشد .
معرف كاتیونهای گروه چهارم و پنجم، به طور مشخص H2S می باشد.
برای
شناسایی یون سرب، چندین روش وجود دارد. برای واكنش یون سرب می توان از
محلول سرب نیترات Pb(NO3)2 و یا سرب استات Pb(CH3COO)2 استفاده نمود. روش
های شناسایی عبارتند از:
1- اثر محلول كلریدریك اسید رقیق: با كلریدریك اسید ، رسوب سفید سرب كلرید تولید می شود كه در سرما در آب غیر محلول است:
Pb(NO3)2 + 2HCl --> PbCl2 + 2HNO3
2- اثر محلول پتاسیم یدید: رسوب زردرنگ سرب یدید در حضور مقدار اضافی پتاسیم یدید تولید می گردد.
Pb(NO3)2 + 2KI --> PbI2 + 2KNO3
3- اثر سولفوریك اسید رقیق: رسوب سفید رنگ PbSO4 در حضور اضافی معرف تولید می گردد.
Pb(NO3)2 + H2SO4 --> PbSO4 + 2HNO3
4- اثر پتاسیم كرومات: رسوب زردرنگ سرب كرومات تولید می شود:
Pb(NO3)2 + K2CrO4 --> PbCrO4 + 2KNO3
كاتیون قلع Sn می تواند حالت های اكسایش 2 یا 4 داشته باشد و شناسایی این دو یون به طرق مختلفی صورت می گیرد:
برای بررسی كاتیون Sn2+ از محلول قلع IIكلرید SnCl2 استفاده می شود. یک روش ان در زیر آمده است:
1- اثر H2S . رسوب قهوه ای رنگ قلع سولفید از محلولی كه زیاد اسیدی نباشد، بدست می آید:
SnCl2 + H2S --> SnS + 2H