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Vidéo de la leçon : Analyses des cations Chimie

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à identifier quelques ions positifs en solution aqueuse en fonction de leur couleur, et de comment ils réagissent avec l’hydroxyde de sodium et l’hydroxyde d’ammonium.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à identifier différents ions chargés positivement en solution aqueuse en fonction des couleurs de leurs solutions, et de comment ils réagissent en présence de solutions d'hydroxyde de sodium et d’hydroxyde d’ammonium. Nous allons également voir un test spécifique utilisé seulement pour le cation ammonium. Nous allons seulement étudier quelques-uns des ions les plus courants que vous pourriez retrouver en solution dans le laboratoire. Bien évidemment, il existe beaucoup plus de cations, mais cette sélection présente une variété intéressante de réponses. Si vous utilisez vos talents de détective, vous pourriez peut-être déterminer lequel de ces éléments est présent dans une solution particulière.

Voyons maintenant ces ions. Tout d’abord, nous avons l’ion aluminium qui porte une charge de trois plus. Ensuite, nous avons l’ion calcium qui porte une charge de deux plus. Puis, l’ion chrome trois qui porte une charge de trois plus, et deux formes différentes de l’ion fer : le fer deux et le fer trois, qui portent respectivement des charges de deux plus et de trois plus. Finalement, l’ion cuivre deux qui porte une charge de deux plus, et le dernier de nos cations métalliques, le zinc deux plus. Nous allons également examiner l’ion ammonium, NH4+. Bien sûr, pour obtenir une solution contenant l'un de ces ions, nous devons avoir un composé ionique dissout. Ce qui signifie que si nous avons certains de ces cations chargés positivement, nous aurons besoin de quelques anions qui sont chargés négativement, comme par exemple des anions chlorure ou nitrate.

Dans cette vidéo, nous allons supposer que nous utilisons des sels de chlorure de tous ces cations. Les chlorures sont tous solubles dans l’eau, ou du moins légèrement solubles. Nous allons commencer par examiner chaque ion individuellement, puis nous les comparerons. Mais avant cela, examinons tout d'abord les tests. Les tests que nous utiliserons se réfèrent à la couleur des ions en solution, bien que nous nous concentrerons davantage sur les résultats des tests chimiques. Notre premier test chimique consiste en un traitement avec une solution d'hydroxyde de sodium, d’abord sous forme diluée, puis en excès. Les cations métalliques que nous allons examiner produisent un précipité suite au traitement avec une solution diluée d'hydroxyde de sodium. Certains de ces précipités disparaissent ensuite lors du traitement avec de l'hydroxyde de sodium en excès. Notre deuxième test chimique consiste en un traitement avec de l’hydroxyde d’ammonium dilué, puis en excès.

Certains ions réagissent différemment en présence d'une solution d’hydroxyde d’ammonium ou d’une solution d’hydroxyde de sodium, ce qui nous permet de les distinguer les uns des autres. Il existe également un test spécifique pour l’ion ammonium que nous aborderons plus tard. En laboratoire, vous pouvez rencontrer l’hydroxyde de sodium sous différentes formes, par exemple sous forme de poudre blanche ou de granules, ou encore sous forme de solution claire et incolore. L’hydroxyde d’ammonium ressemble à ceci. Il s'agit également d'une solution claire et incolore. Si vous ajoutez de l’ammoniac (NH3) à de l’eau, vous produirez de l’hydroxyde d’ammonium. Vous verrez parfois solution d’ammoniaque, hydroxyde d’ammonium ou solution d’hydroxyde d’ammonium. Ces différents termes font tous référence à la même substance.

Le terme dilué est toutefois un terme relatif. Avec une solution d’hydroxyde de sodium ou d’hydroxyde d'ammonium, vous pouvez considérer une concentration d’environ 0,1 mole par litre, alors qu’une solution concentrée peut avoir une concentration d’une ou de plusieurs moles par litre. Si nous utilisions une solution concentrée plutôt qu’une solution diluée, nous pourrions obtenir directement le résultat espéré pour le test en présence d'un excès. Cependant, méfiez-vous de ces concentrations qui ne sont données qu'à titre indicatif. Les résultats de ces tests dépendront de la quantité ajoutée, et de la concentration de cations en solution.

Il est maintenant temps de passer à notre premier candidat. Une solution de chlorure d’aluminium est claire et incolore. Si nous prenons une solution contenant des ions Al3+, et que nous y ajoutons une solution diluée d’hydroxyde de sodium, nous obtiendrons un précipité blanc d’AlOH3 : de l’hydroxyde d’aluminium. Mais quelque chose d’un peu différent se produit lorsque nous ajoutons de l'hydroxyde de sodium en excès. S’il y a suffisamment d’hydroxyde de sodium dans la solution, le précipité d’hydroxyde d’aluminium réagira davantage et disparaîtra. Dans cette vidéo, nous n'examinerons pas la nature des produits impliqués lors de la dissolution des précipités. Nous nous concentrons plutôt ici sur le comportement des précipités et leur couleur.

Prenons maintenant un nouveau tube à essai contenant notre solution pour effectuer le test suivant. Si nous ajoutons une solution diluée d’hydroxyde d’ammonium à une solution contenant des ions Al3+, nous obtiendrons le même précipité blanc d’hydroxyde d’aluminium que nous avons obtenu avec l’hydroxyde de sodium. Tout comme la solution d’hydroxyde de sodium, l’hydroxyde d’ammonium agit comme une source d’ion hydroxyde. Cependant, si vous ajoutez de l’hydroxyde d’ammonium en excès ou concentré, le précipité ne se dissoudra pas.

Encore une fois, nous n’allons pas en expliquer les raisons ; il suffit simplement de s’en rappeler. Au cours de ces deux tests chimiques, des ions hydroxyde ont été ajoutés aux ions aluminium, formant ainsi un précipité d’hydroxyde d’aluminium. L’anion hydroxyde porte une charge de un moins, et nous en avons donc besoin de trois pour équilibrer la charge trois plus de l’aluminium. Voici donc notre équation ionique équilibrée. Nous devons également ajouter des symboles d’état, en prenant soin d’inclure un symbole de solide pour notre précipité.

Maintenant que nous avons étudié un des cations, nous pouvons examiner les autres plus rapidement. Voici tout ce dont nous avons besoin de remplir pour l’ion suivant, soit le calcium deux plus. Une solution nouvellement préparée de chlorure de calcium est claire et incolore. Le traitement d’une solution contenant des ions calcium deux plus avec de l'hydroxyde de sodium dilué produira un précipité blanc d'hydroxyde de calcium. L'ajout d'hydroxyde de sodium en excès n’affectera pas le précipité qui ne se dissoudra pas. D’autre part, l’ajout d’une solution d’hydroxyde d’ammonium à une solution d’ions calcium deux plus ne produira pas de précipité. L'ajout d'hydroxyde d’ammonium en excès n’aura aucun effet additionnel. Contrairement aux ions aluminium, les ions calcium ne portent qu’une charge de deux plus, et nous avons donc besoin de seulement deux ions hydroxyde pour équilibrer les charges.

L'ion suivant est le chrome trois. Une solution de chlorure de chrome trois est vert foncé, bien que ce composé ne soit que légèrement soluble. L’ajout d’une solution diluée d’hydroxyde de sodium à une solution d’ions chrome trois plus produira un précipité gris-vert d’hydroxyde de chrome trois. L'ajout d'une solution d’hydroxyde de sodium en excès entraînera la disparition de ce précipité gris-vert. Si nous utilisons plutôt de l’hydroxyde d’ammonium dilué, nous obtiendrons le même précipité gris-vert d’hydroxyde de chrome trois. Toutefois, l’ajout d’hydroxyde d’ammonium en excès n’aura aucun effet et le précipité restera donc présent. Puisque les trois ions chrome portent une charge de trois plus, nous nous retrouvons avec la formule CrOH3 pour l’hydroxyde.

Nous avons ensuite le fer deux, Fe2+. Les solutions de chlorure de fer deux sont vertes. L’ajout d’une solution diluée d’hydroxyde de sodium à une solution de Fe2+ produira un précipité vert pâle d’hydroxyde de fer deux, mais l’ajout d’hydroxyde de sodium en excès n’aura pas d'autre effet. L’ajout d’une solution diluée d’hydroxyde d’ammonium produira le même précipité vert pâle, et l'ajout d'hydroxyde d'ammonium en excès n'aura également aucun autre effet. Comme dans le cas du calcium, nous avons besoin de seulement deux ions hydroxyde par ion deux plus pour équilibrer les charges. Le candidat suivant, le Fe3+, présente une couleur très différente de celle du Fe2+, et il faut faire bien attention à cette différence.

Au lieu d’être verte, une solution de chlorure de fer trois est jaune ou brune. Le résultat d’un test avec une solution diluée d'hydroxyde de sodium donnera un précipité rouge-brun d'hydroxyde de fer trois, et un test avec de l'hydroxyde de sodium en excès n'aura aucun autre effet. L’ajout d’hydroxyde d’ammonium dilué produira le même précipité rouge-brun d’hydroxyde de fer trois. Et en excès ne produira aucun autre effet. Nous voyons donc le même phénomène de précipitation avec le fer deux et le fer trois, mais des couleurs très différentes. Comme avec l’aluminium et le chrome trois, nous avons besoin de trois ions hydroxyde pour équilibrer la charge du Fe3+, ce qui nous donne du FeOH3.

Nous allons maintenant examiner le cuivre deux. Les solutions de chlorure de cuivre deux sont bleues. L’ajout d’une solution diluée d’hydroxyde de sodium à une solution de cuivre deux plus produira un précipité bleu pâle d’hydroxyde de cuivre deux. et l'ajout d’hydroxyde de sodium en excès n'aura pas d'autre effet. L’ajout d’hydroxyde d’ammonium dilué produira le même précipité bleu pâle d’hydroxyde de cuivre deux. Cependant, en présence d’un excès d'hydroxyde d’ammonium, ce précipité réagira, se dissoudra et la solution deviendra bleu foncé. L'équation ionique pour la production du précipité initial est simplement Cu2+ plus 2OH− réagissent pour former du CuOH2. Encore une fois, nous n’allons pas nous attarder sur la nature du produit lorsque le précipité est dissout.

Abordons maintenant le dernier de nos cations métalliques. Les solutions de chlorure de zinc sont incolores. L’ajout d’une solution diluée d’hydroxyde de sodium à une solution d’ions Zn2+ produira un précipité blanc d’hydroxyde de zinc. En présence d’une solution d'hydroxyde de sodium en excès, le précipité réagit et se dissout. Nous obtiendrons exactement le même résultat avec une solution d’hydroxyde d’ammonium, c'est-à-dire que le précipité blanc d’hydroxyde de zinc se dissoudra en présence d’hydroxyde d’ammonium en excès. Dans notre équation ionique équilibrée, les ions de zinc deux plus et les ions OH− sont dans un rapport un pour deux.

Passons maintenant au seul cation non-métallique de cette vidéo. Le chlorure d’ammonium est incolore en solution. Nous pouvons détecter les ions ammonium en ajoutant de l’hydroxyde de sodium sous forme solide ou en solution. Essentiellement, il se produit une réaction acido-basique au cours de laquelle l’ion ammonium acide réagit avec l’ion hydroxyde basique pour produire de l’ammoniac gazeux et de l’eau liquide. Vous pouvez ainsi voir une production de bulles, mais comme l’ammoniac est incolore, comment pouvons-nous savoir s'il s'agit bien d'ammoniac? Le moyen le plus évident est par son odeur, car l’odeur de l’ammoniac est très caractéristique. Cependant, il est préférable de ne pas inhaler de l’ammoniac. La meilleure option est plutôt de vérifier si le gaz obtenu est basique en utilisant du papier tournesol rouge humide. Si le gaz est effectivement de l’ammoniac, il se dissoudra dans l’eau, ce qui fera passer le papier tournesol au bleu. Dans certains cas, vous devrez peut-être chauffer la solution pour produire suffisamment d’ammoniac afin d'effectuer ce test.

Voici maintenant tous les ions que nous avons étudiés dans cette vidéo. Regardons-les tous en même temps. Voici les cations, et voici les tests. J’ai isolé l’ion ammonium pour le moment. Si nous obtenons un précipité au cours d'un test particulier, nous le cocherons, sinon nous mettrons une croix. Pour tous les ions métalliques présentés dans cette vidéo, nous obtenons un précipité lorsque nous traitons leurs solutions avec une solution diluée d’hydroxyde de sodium. Pour l’aluminium, le calcium et le zinc, le précipité est blanc, tandis que pour le chrome trois, le fer deux, le fer trois et le cuivre deux, les précipités sont tous de couleurs différentes. Pour les ions aluminium, chrome trois et zinc, l’ajout d’hydroxyde de sodium en excès entraîne la dissolution du précipité. Pour les autres ions, l’ajout d’une solution d’hydroxyde de sodium en excès n’affecte pas le précipité.

Si au lieu de cela nous utilisons une solution d’hydroxyde d’ammonium, nous obtenons exactement les mêmes résultats pour tous les ions avec l’hydroxyde d’ammonium dilué, à l’exception du calcium pour lequel nous n’obtenons pas de précipité. Et il n’y a toujours pas de précipité si nous ajoutons de l’hydroxyde d’ammonium en excès. Pour les ions de cuivre deux et de zinc, lorsque nous ajoutons de l’hydroxyde d’ammonium en excès, le précipité réagit et se dissout. Dans le cas des ions cuivre deux, la solution devient d'un bleu beaucoup plus foncé qu’avant. Pour les autres ions métalliques, l’ajout d’hydroxyde d’ammonium en excès n’aura pas d’effet sur le précipité. Enfin, pour l’ion ammonium, il suffit d’ajouter de l’hydroxyde de sodium et un peu de chaleur. Nous pouvons ensuite tester le gaz dégagé avec du papier tournesol rouge humide qui devrait passer au bleu. Il est maintenant temps de passer à la pratique.

Lequel des cations métalliques suivants ne produit pas de précipité lorsque quelques gouttes d'une solution aqueuse d’ammoniaque sont ajoutées à un de ses sels ou à une de ses solutions? (A) le Zn2+, (B) l'Al3+, (C) le Ca2+, (D) le Cr3+ ou (E) le Cu2+.

La question décrit ces cinq possibilités comme étant des cations métalliques. Nous avons affaire à des cations de zinc, d’aluminium, de calcium, de chrome et de cuivre. On nous demande lequel de ces cations métalliques sous forme de sel ou en solution ne réagira pas en présence d'une solution d'ammoniaque pour produire un précipité. La formule de l’ammoniac est le NH3. L’ammoniac peut réagir avec l’eau pour produire de l’hydroxyde d’ammonium (ammoniaque), qui est une bonne source d’ions hydroxyde. La question ne nous indique pas directement si l’hydroxyde d’ammonium est dilué, en excès ou concentré. Mais comme on mentionne l'ajout de seulement quelques gouttes, nous pouvons supposer qu’il est dilué.

La question est : que se passera-t’-il lors du traitement de chacun de ces ions avec une solution d'ammoniaque diluée ? Les ions Zn2+ réagiront pour produire un précipité blanc d’hydroxyde de zinc, et nous obtiendrons une réaction similaire avec les ions Al3+, qui produiront de l’hydroxyde d’aluminium. Cependant, les ions calcium deux plus ne réagissent pas en présence d'une solution d'hydroxyde d’ammonium, quelle que soit sa concentration. Il n’y a pas de moyen facile d'en comprendre la raison. Il vous suffira simplement de vous en rappeler. En contrepartie, les ions chrome trois réagissent pour former un précipité gris-vert d’hydroxyde de chrome trois, tandis que nous obtenons un précipité bleu pâle d’hydroxyde de cuivre deux avec le cuivre deux plus.

Par contre, cette question peut porter à confusion, étant donné que nous ne sommes pas tout à fait certains s’il s’agit d'hydroxyde d’ammonium dilué ou en excès. En présence d’hydroxyde d’ammonium en excès, les précipités formés avec les ions Zn2+ et Cu2+ se dissolvent. Toutefois, comme nous en ajoutons seulement quelques gouttes, nous pouvons être assez confiants que nous avons affaire à une solution diluée. Par conséquent, parmi les cinq possibilités, le seul cation métallique qui ne produit pas de précipité lorsqu’il est traité avec quelques gouttes d'une solution aqueuse d'ammoniaque est le calcium deux plus.

Terminons maintenant avec les points clés à retenir. Différents cations peuvent être détectés en fonction des précipités qu’ils forment ou qu'ils ne forment pas. Et ceci sont les ions et les tests que nous avons examinés : Voici la couleur des précipités que nous obtenons lorsque nous traitons chacun de ces ions avec une solution diluée d’hydroxyde de sodium. Si nous les traitons avec une solution d’hydroxyde de sodium en excès, les précipités obtenus avec l’aluminium trois plus, le chrome trois plus et le zinc deux plus se dissoudront. Si au lieu d’utiliser de l’hydroxyde de sodium dilué, nous utilisons de l’hydroxyde d’ammonium (également connu sous le nom de solution aqueuse d'ammoniaque), nous obtiendrons exactement les mêmes précipités, à l'exception du calcium pour lequel nous n’obtiendrons pas du tout de précipité.

Si nous les traitons ensuite avec de l’hydroxyde d’ammonium en excès, les précipités obtenus avec le cuivre deux plus et le zinc deux plus se dissolvent. Les autres précipités demeureront inchangés. Finalement, le dernier cation, l’ammonium, peut être détecté en le traitant avec de l’hydroxyde de sodium et éventuellement un peu de chaleur. Nous pouvons sentir l’ammoniac gazeux dégagé, ou le détecter en utilisant un papier tournesol rouge humide, qui devrait passer au bleu.

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