Как определять качественный анализ катионов

Как определять качественный анализ катионов

Как известно из курса неорганической химии, к анионам отно­сятся отрицательно заряженные частицы, состоящие из отдельных атомов или групп атомов различных элементов. Эти частицы могут нести один или несколько отрицательных зарядов. В отличие от катионов, которые в большинстве своем состоят из одного атома, анионы могут иметь сложный состав, состоящий из нескольких атомов.Общепринятой классификации анионов не существует. Разными авторами предложены различные системы классификации их.В настоящем руководстве принята наиболее часто применяемая классификация, по которой все анионы делятся на три аналитические группы в зависимости от растворимости их бариевых и серебряных селей.В данном случае групповыми реагентами являются растворимые соли бария и серебра (табл. 1).

Таблица № 1

Классификация анионов

Группа	Анионы	Групповой реагент	Характеристика группы
SO4 2- , SO3 2- , СO3 2- , РO4 3- , SiO3 2-	Хлорид бария ВаСl2 в нейтральном или слабо­щелочном растворе	Соли бария практически нерастворимы в воде
С1 — , Вг — , I — , S 2-	Нитрат серебра AgNO3 и присутствии HNO3	Соли серебра практически нерастворимы в воде и разбавленной кис­лоте
NO3 — , NO2 — , CH3COO —	Группового реагента нет	Соли бария и серебра растворимы в воде

Связь сульфидной классификации катионов с электронной

Кислотно-основная схема проведения анализа смеси катионов

1. 3. 1. Аналитические реакции катионов I аналитической группы (Na + ,К + , NH₄ + )

Реакции катионов калия.

Реакция с гексанитрокобалътиатом(III) натрия Nа₃[Со(NО₂)₆]:

При добавлении двух-трех капель реактива к такому же коли­честву раствора соли калия образуется желтый кристаллический осадок. Реакцию следует проводить в слабокислой среде (рН = 3…5), в отсутствие ионов аммония, сильных окислителей и восстанови­телей.

Реакция с гидротартратом натрия NаНС₄Н₄О₆:

К двум-трем каплям исследуемого раствора добавляют раствор Реактива, затем следует потереть стеклянной палочкой о стенки пробирки. Через некоторое время появляется белый кристалли­ческий осадок калиевой соли. Реакцию проводят при рН — 5. 7 в холодном растворе. Ионы аммония мешают проведению реакции. Реакция малочувствительна.

Реакция с тетрафенилборатом натрия Na[В(С₆Н₅)₄]:

При смешении растворов образуется объемистый мелкокристаллический осадок белого цвета нерастворимый в разбавленных кислотах. Реакция весьма чувствительна. Ионы аммония мешают проведению реакции.

Микрокристаллоскопическая реакция с гексанитрокупратом на­трия и свинца Nа₂Pb[Сu(NО₂)₆]:

Реакцию проводят на предметном стекле: каплю исследуемого раствора подсушите на водяной бане, и добавьте каплю раствора тройного нитрита. В присутствии ионов калия под микроскопом видны характерные черные кубические кристаллы К₂Pb[Сu(NО₂)₆] (рис. 4.2).

Окрашивание пламени соединениями калия: проба проводится в пламени газовой горелки. Для этого небольшую порцию исследу­емого раствора или твердого вещества на чистой нихромовой или алюминиевой проволоке вносят в пламя горелки. В присутствии соединений калия пламя окрашивается в фиолетовый цвет. Со­единения натрия мешают проведению опыта. Для устранения его влияния пламя горелки следует рассматривать через синий стек­лянный фильтр (кобальтовое стекло).

Реакции ионов натрия.

Реакция с гексагидроксиантимонатом (V) калия — К[Sb(ОН)₆]:

После добавления раствора реактива к исследуемому раствору следует потереть стеклянной палочкой стенки пробирки. При этом образуется белый кристаллический осадок натриевой соли. Его следует отличать от аморфного осадка метасурьмяной кислоты (НSbО₃), которая может выпасть в осадок при рН < 7. Реакция малочувствительна. Ионы аммония и ионы других аналитических групп мешают.

В присутствии ионов натрия в нейтральной среде образуется лимонно-желтый крупнокристаллический осадок. Реакция специ­фична. Соединение легко образует пересыщенные растворы, по­этому осадок образуется только через несколько минут. Если прово­дить реакцию в присутствии ионов Zn 2+ или Мg 2+ , то она идет быстро с образованием желтых осадков тройных солей, напри­мер, NaZn(UO₂)₃(СН₃СОО)₉— 9Н₂О, NаМg(UO₂)₃(СН₃СОО)₉ 9Н₂О соответственно. При наблюдении кристаллов в микроскоп видны правильные тетраэдры и октаэдры (рис. 4.3). Полученные осадки обладают сильной люминесценцией в УФ-свете.

Окрашивание пламени соединениями натрия: проба проводится в пламени газовой горелки. Для этого небольшую порцию исследу­емого раствора или твердого вещества с помощью чистой нихро­мовой или алюминиевой проволоки вносят в пламя горелки. В при­сутствии соединений натрия пламя окрашивается в ярко-желтый цвет. Проба очень чувствительна, поэтому для предотвращения ошибки следует проверить чистоту всех инструментов.

Реакции ионов аммония.

Реакции с едкими щелочами NаОН и КОН:

Едкие щелочи при нагревании выделяют из растворов солей аммония газообразный аммиак, который может быть обнаружен не только по характерному запаху, но и другими способами, на­пример, с помощью влажной фильтровальной бумаги, пропитан­ной раствором фенолфталеина. В присутствии газообразного ам­миака индикаторная бумага краснеет.

Действие реактива Несслера |К₂[HgI₄] + КОН>:

В присутствии солей аммония образуется характерный красно-бурый осадок. Малые количества солей аммония дают желто-оранжевое или желтое окрашивание. Реакция очень чувствительна. Воз­можно пожелтение раствора от действия аммиака, содержащего­ся в воздухе. Реакции мешают катионы, образующие окрашенные гидроксиды.

Отношение ионов аммония к действию реагентов на К + : все реагенты на ион калия в присутствии NН₄ + показывают эф­фекты, не отличимые по виду от действия иона К + .

Заключение

Установление присутствия тех или иных катионов в исследуе­мом растворе значительно облегчает обнаружение анионов. Поль­зуясь таблицей растворимости, можно заранее предсказать наличие в исследуемом растворе отдельных анионов. Например, если соль хорошо растворяется в воде и в нейтральном водном растворе обна­ружен катион Ва 2+ , то этот раствор не может содержать анионы SO₄ 2- , CO₃ 2- , SO₃ 2- .Определив предварительно присутствие отдельных групп анио­нов, обнаруживают их соответствующими групповыми и характер­ными для них реакциями. В зависимости от присутствия тех или иных анионов и катионов схемы анализа могут быть самыми раз­личными. Например, водный раствор исследуемого вещества имеет нейтральную реакцию. При действии на отдельную пробу его рас­твором соляной кислоты образуется осадок, который растворяется в горячей воде. Это позволяет сделать вывод, что в растворе при­сутствует катион Рb 2+ . Проверяют катион Рb 2+ — частной реакцией с иодидом калия KI. Далее обнаруживают анионы. Ими могут быть только анионы третьей группы, так как только они образуют с катиономРb 2+ растворимые в воде соли. Испытание на анионы первой группы. К 2—3 каплям нейтрального или слабощелочного раствора добавляют 2 капли раствора хлорида бария. Если осадок выпадает, то присутствуют анионы первой группы. Испытание на анионы второй группы. 2 капли раствора подкисляют 2 каплями 2 н. раствора азотной кислоты и добавляют каплю раствора нитрата серебра. Выпадение осадка указывает на при­сутствие анионов второй группы. Испытание на анионы третьей группы. Если при испытании на анионы первой и второй групп осадки не выпали, то, возможно, присутствуют анионы третьей группы.

Содержание

1. Качественный анализ катионов…………………………………………10

Аналитическая классификация катионов……………………………..………10

Классификация анионов и групповых реактивов…………………………. 14

Кислотно-основная схема проведение анализа смеси катионов……. 19

1. 3. 1. Аналитические реакции катионов I аналитической группы (Na + , K + , NH₄ + )……………………………………………………………………………..19

1. 3. 2. Аналитические реакции катионов II аналитической группы (Ag + , Hg₂ 2+ , Pb 2+ )………………………………………………………………………24

1. 3. 3. Аналитические реакции катионов III аналитической группы (Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ , Pb 2+ )………………………………………………………………………..27

1. 3. 4. Аналитические реакции катионов IV аналитической группы (Al 3+ , Cr 3+ , Zn 2+ , As (III), As (V), Sn (II), Sn (IV))……………………………………31

1. 3. 5. Аналитические реакции катионов V аналитической группы (Bi 3+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Mg 2+ , Mn 2+ , Sb 3+ , Sb (V))………………………………………………….41

1. 3. 6. Аналитические реакции катионов VI аналитической группы (Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Cd 2+ , Hg 2+ )…………………………………………………………. 49

2. Качественный анализ анионов………………………………………………55

2. 1. Аналитическая классификация анионов…………………………………55

2. 1. 1. Аналитические реакции анионов I аналитической группы (Cl — , Br — , I — , S 2- , NO 2- , NO 3- )…………………………………………………………………. 56

2. 1. 2. Аналитические реакции анионов II аналитической группы (SO₄ 2- , SO₃ 2- , S₂O₃ 2- , CO₃ 2- , PO₄ 3- , AsO₄ 3- , AsO₃ 3- )……………………………………………61

3. Качественный анализ неизвестного вещества………………………………66

3. 1. Применение экстракции в качественном анализе………………………..67

3. 2. Анализ смеси ионов с применением хроматографии……………………68

3. 3. Предварительные испытания и подготовка вещества к анализу………..70

4. Основы качественного анализа органических соединений………………. 72

4. 1. Принципы идентификации органического соединения…………………72

4. 2. Качественный элементный анализ………………………………………..74

4. 3. Качественный функциональный анализ………………………………….78

Задание для контрольной работы по аналитической химии………………….83

1. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ КАТИОНОВ

Аналитическая классификация катионов

В основу классификации ионов в аналитической химии положено различие в растворимости образуемых ими солей и гидроксидов, позволяющее отделять (или отличать) одни группы ионов от других.

Существуют разные системы группового разделения ионов: сероводородная, кислотно-основная, аммиачно-фосфатная, тиоацетамидная и т. д. Каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки. Основным недостатком сероводородной системы является необходимость работы с сероводородом, что требует хорошей вентиляции, склонность к образованию коллоидных сульфидных осадков, в результате чего нарушается разделение катионов на группы, и т. д. В кислотно-основной системе при разделении групп можно встретиться с затруднениями, особенно если концентрации разделяемых катионов сильно различаются. С подобными же затруднениями можно встретиться и в других системах разделения. Сознательный подход к групповому разделению позволяет в каждом конкретном случае использовать для этой цели метод, наиболее подходящий для анализируемой смеси ионов.

Классический систематический метод качественного анализа катионов основан на сульфидной классификации катионов, в которой катионы подразделяются на пять групп на основании различия в растворимости их сульфидов, хлоридов, карбонатов и гидроксидов (см. таб. 5,0)

Основываясь на приведенных в табл. 5,0 данных, операцию обнаружения катионов различных аналитических групп проводят следующим образом.

1. Исследуемый раствор подкисляют разбавленной НCl. При этом ионы V группы осаждаются в виде соответствующих хлоридов.

2. Отделив осадок, пропускают через кислый раствор газообразный H₂S. При этом катионы IV группы осаждаются в виде сульфидов. Для отделения ионов IVБ подгруппы осадок обрабатывают Na₂S, после чего в осадке остаются только сульфиды катионов IVА подгруппы.

3. Раствор после отделения осадка сульфидов ионов IV группы нейтрализуют NH₄OH (с NH₄C1) и обрабатывают (NH₄)₂S. При этом осаждаются сульфиды или гидроксиды (в случае А1 3+ _,Сг 3+ ) катионов III группы.

4. Разрушив избыток (NH₄)₂S кипячением с уксусной кислотой, на раствор действуют (NH₄)₂CO₃. При этом катионы II группы выпадают в осадок в виде карбонатов, а катионы I группы остаются в растворе, где их и открывают.

Обнаружение иона NH₄ + , который в ходе анализа вводят в раствор с реактивами, проводят в отдельной порции исследуемого раствора с помощью специфической реакции (щелочь в газовой камере) или реактива Несслера, представляющего собой смесь K₂[HgI₄] и КОН. Реактив Несслера при взаимодействии с солями аммония образует красно-бурый осадок:

Теоретически базой для классификации катионов может слу­жить Периодическая система элементов Менделеева, которая ха­рактеризуется четкой аналогией совокупных свойств элементов внутри каждой их группы. Однако при огромной предсказатель­ной и обобщающей способности периодического закона нельзя требовать в каждом конкретном случае оптимального выбора ана­литических групп. Это очевидно, поскольку многие элементы Периодической системы характеризуются набором степеней окисления, радикально изменяющим его поведение в растворе, на­пример, превращение катиона в анион, его растворимость или комплексообразующую способность.

Иллюстрацией этого могут служить пары: Мn 2+ —МnО₄ — , Сr 3+ — Сr₂О₇ — , S 2— SО₄ 2+ , и др. При этом часто внутри группы элементов в периодической системе сходство химических свойств элементов гораздо меньше, чем у диагональных соседей в таблице. В этом можно убедиться, попарно сравнивая свойства у Li — Na – Mg или Ве —В—Аl и т.д.

Поэтому аналитическая классификация катионов на группы проводится не по всей совокупности химических свойств элемен­тов, а по небольшому числу выбранных свойств конкретных ионов, которые определяют конкретную специфику их качественного анализа.

В каждом отдельном случае, исходя из определенных частных соображений, выбирают свойства катионов для распределения их на группы. В результате созданы разные классификации катионов и, как следствие этого, разные схемы анализа: кислотно-основ­ная, сероводородная, аммиачно-фосфатная, тиоацетамидная, бифталатная и др. Каждая из этих схем анализа обладает опреде­ленными достоинствами и недостатками, но в конечном итоге при тщательном выполнении все они дают правильные результаты.

В основу кислотно-основной схемы анализа положено разное отношение катионов к действию на них разных кислот и оснований, в частности, НСl, Н₂SО₄, NаОН, NН₄ОН. В соответствии с их действием выделены шесть групп катионов.

I группа: Na + , К + , NН₄. Эти катионы в большинстве случаев
образуют хорошо растворимые соли и группового реагента не
имеют;

II группа: Аg + , Нg₂ 2+ , Рb 2+ . Эти катионы образуют малораство­римые хлориды. Групповым реагентом является раствор хлористо­водородной кислоты.

Среди хлоридов этих катионов наибольшее значение произведения растворимости у РbСl₂ (1,6-10 -5 ), поэто­му часть ионов Pb 2+ остается в растворе и в ходе систематического качественного анализа попадает в III группу катионов;

III группа: Са 2+ , Sr 2+ , Ва 2+ , Рb 2+ . Эти катионы образуют малорас­творимые сульфаты. Групповой реагент — раствор серной кисло­ты. Из сульфатов катионов этой группы наибольшей растворимо­стью обладает сульфат кальция (произведение растворимости — 2,5 • 10 -5 ). Для снижения растворимости рекомендуется добавлять равный объем этилового спирта;

IV группа: Аl 3+ , Сr 3+ , Zn 2+ , Аs(III), Аs(V), Sn(II), Sn(IV). Эти
катионы образуют амфотерные гидроксиды или растворимые соли
кислородсодержащих кислот и поэтому хорошо растворяются в
избытке щелочей. Групповым реагентом для этой группы служит
раствор гидроксида натрия;

V группа: Вi 3+ , Fе 3+ , Fе 2+ , Мg 2+ , Мn 2+ , Sb(III), Sb(V). Эти катионы характеризуются образованием малорастворимых гидроксидов или кислородсодержащих кислот. Групповым реагентом явля­ется гидроксид натрия;

VI группа: Сd 2+ , Со 2+ , Сu 2+ , Ni 2+ , Нg 2+ . Эти катионы характери­зуются существованием прочных растворимых в воде аммиакатов,
в результате образования которых нерастворимые гидроксиды легко
переходят в раствор. Групповой реагент — раствор аммиака.

В соответствии с этой классификацией систематический ход качественного анализа смеси катионов может быть представлен следующей схемой (рис. 4.1). В результате получается шесть фрак­ций раствора, содержащих катионы только своей аналитической группы. На следующей стадии анализа каждый катион может быть определен внутри группы с помощью характерных реакций.

Источник



Аналитическая химия

Лабораторная работа № 1. Анализ катионов первой аналитической группы

Анализ катионов I аналитической группы

Оглавление

1. Общая характеристика катионов I аналитической группы

К катионам I группы относят ионы щелочных металлов (K + , Na + , Li + ) и NH₄ + .

Катионы щелочных металлов имеют законченные 2- или 8-электронные оболочки, подобные оболочкам инертных (благородных) газов. На внешнем электронном уровне находится 1 электрон, поэтому в сложных (гетероатомных) соединениях они проявляют только одну степень окисления +1. Для них характерны соединения с ионной связью (вспомните, NaCl, KNO₃) хорошо растворимые в воде, поэтому I группа не имеет группового реагента.

В водных растворах ионы щелочных металлов бесцветны, поскольку они не поглощают кванты света в видимой области спектра. Другое дело атомы щелочных металлов, образующиеся из ионов при нагревании в пламени горелки. Для перехода из основного в возбужденное состояние (переход электрона на более высокий энергетический уровень) атомам щелочных металлов необходима сравнительно небольшая энергия. Примерно через 10 −8 с, происходит переход в основное состояние (электрон возвращается на нижний энергетический уровень).

За счет выделения избыточной энергии в видимой области спектра пламя становится карминово-красным (Li + ), желтым (Na + ) или фиолетово-розовым (K + ).

Большинство образуемых этими элементами солей хорошо растворимы в воде. Особенно важна для анализа растворимость в воде их сульфидов, гидроксидов, карбонатов и хлоридов, что отличает первую группу катионов от всех остальных аналитических групп. Аналогично ведут себя и соли аммония.

Водные растворы солей катионов I группы бесцветны.

2. Реакции обнаружения катионов I аналитической группы

Цель работы: Изучение реакций обнаружения катионов I аналитической группы.

В ходе работы студенты получают практические навыки выполнения аналитических реакций, характерных для катионов I аналитической группы, осуществления контроля за кислотностью реакционной среды и температурными условиями протекания реакций, правильного и безопасного использования центрифуги для отделения осадков, проведения микро- кристаллоскопического анализа.

Полученные знания и умения необходимы при проведении анализа образца неизвестного состава, в частности, при выполнении контрольной работы № 1.

Водные растворы солей катионов I группы бесцветны.

2.1 Реакции К + — ионов

1. Реакция с гексанитрокобальтиатом (III) натрия

Гексанитрокобальтиат (III) натрия (кобальтинитрит натрия) Na₃[Co(NO₂)₆] образует с ионами калия в нейтральной или слабокислой (рН = 5) среде желтый осадок преимущественного состава K₂Na[Co(NO₂)₆]:

Выполнение реакции:

1-2 капли раствора соли калия помещают в коническую пробирку и добавляют 1-2 капли раствора кобальтинитрита натрия и, если осадок не выпадет, дают постоять 2-3 минуты. Образуется хорошо различимый осадок желтого цвета, который отделяют от раствора на центрифуге.

ВНИМАНИЕ. Для проведения реакции следует использовать только свежеприготовленный раствор реагента (темно-желтого цвета); розовый цвет раствора свидетельствует о том, что реагент разложился и не пригоден для анализа.

При малой концентрации ионов K + осадок может не образоваться. В этом случае рекомендуется реакционную смесь охладить под струей водопроводной воды и потереть внутренние стенки пробирки стеклянной палочкой. Наличие после центрифугирования на дне пробирки желтого пятна осадка указывает на присутствие ионов калия.

Ион аммония образует аналогичный желтый осадок (NH₄)₂Na[Co(NO₂)₆], отличие его от соответствующего соединения калия заключается в том, что он разлагается при нагревании. Реакцию следует проводить при нагревании, или в присутствии NH₄ + обнаружение ионов калия проводят по п.2. Остальные катионы первой и второй групп проведению этой реакции не мешают.

2. Обнаружение K + -ионов в присутствии ионов NH₄ + .

При обнаружении ионов калия в присутствии ионов аммония последние необходимо удалить, переведя их в гексаметилентетрамин (уротропин) действием формальдегида в щелочной среде (рН 10):

Выполнение реакции:

В коническую пробирку помещают по 2-3 капли растворов солей калия и аммония, 5-6 капель формалина (40 % раствор формальдегида) и 1 каплю фенолфталеина. Затем осторожно по каплям добавляют раствор Na₂CO₃ до появления устойчивой красной окраски индикатора, что указывает на сильно щелочную среду (рН > 10), и полученную реакционную смесь около минуты нагревают на водяной бане. Затем раствор охлаждают под водопроводной водой, подкисляют уксусной кислотой до исчезновения красной окраски (рН = 5) и к 2-3 каплям полученного раствора добавляют 2-3 капли раствора кобальтинитрита натрия. Наблюдают образование желтого осадка по реакции. Если осадок не образуется, то потирают стенки пробирки стеклянной палочкой до помутнения раствора и отделяют выделившийся осадок на центрифуге.

3. Реакция с гидротартратом натрия , NaHC₄H₄O_6.

Гидротартрат натрия, NaHC₄H₄O₆ образует с ионом К + белый кристаллический осадок КНС₄Н₄О₆, растворимый в НCl, КОН, в воде при нагревании и нерастворимый в СН₃СООН. Мешает ион NH₄ + , образующий белый осадок с аналогичными свойствами.

Выполнение реакции:

В пробирку внесите 5 капель раствора КСl, 5 капель раствора реагента. Для ускорения реакции можно потереть стенки пробирки палочкой с тупым кончиком. Убедитесь, что выпавший осадок кристаллический – быстро оседает на дно пробирки.

Разделите содержимое пробирки на 4 части, перенеся 3 части капилляром в 3 чистые пробирки, и

– к 1-ой добавьте 5 капель воды и поставьте в горячую водяную баню – осадок растворился – почему?

• растворимость большинства веществ с повышением температуры увеличивается.

– ко 2-ой добавьте 5 капель 2М НСl – осадок растворился – почему?

• HCl – кислота более сильная, чем винная H₂C₄H₄O₆. Осадок растворяется,

так из-за образования более слабой кислоты H₂C₄H₄O₆ равновесие осадок ↔ раствор смещается вправо.

– к 3-ей добавьте 5 капель 2М CH₃COOH – осадок не растворился – почему?

– к 4-ой добавьте 5 капель 2 М KОН – осадок растворился – почему?

• в результате реакции

образуется слабый электролит – H₂O и равновесие осадок ↔ раствор смещается вправо.

Условия обнаружения иона К + :

а) достаточно большая концентрация К + в растворе;

б) нейтральная или слабокислая (pH 4- 7) среда;

в) комнатная температура;

г) отсутствие иона NH₄ + .

4. Микрокристаллоскопическая реакция.

“Тройной нитрит”, Na₂PbCu(NO₂)₆, реагент ярко-зеленого цвета, образует с ионом К + черные кубические кристаллы. Для ускорения реакции можно добавить несколько кристалликов твердого NaNO₂.

Определению мешает NH₄ + , так как он образует аналогичные черные кубические кристаллы.

Выполнение реакции:

На предметное стекло поместите 1 каплю раствора KCl, на некотором расстоянии от нее 1 каплю раствора NH₄Cl, подсушите на воздухе. К обеим каплям прибавьте по 1капле реагента. Рассмотрев под микроскопом края капель, убедитесь, что образовавшиеся кристаллы идентичны.

Условия обнаружения иона К + : отсутствие иона NH₄ + .

5. Платинохлористводородная кислота H₂[PtCl₆]

Платинохлористводородная кислота H₂[PtCl₆] дает в достаточно концентрированных растворах солей калия желтый кристаллический осадок хлороплатината калия:

Выполнение реакции:

В пробирку внесите 5 капель раствора КСl и 5 капель раствора реагента. Для ускорения реакции можно потереть стенки пробирки палочкой с тупым кончиком. Убедитесь, что выпавший осадок кристаллический – быстро оседает на дно пробирки.

Ион аммония дает аналогичный осадок.

6. Хлорная кислота HClO₄ дает белый осадок перхлората калия:

Выполнение реакции:

1-2 капли раствора соли калия помещают в пробирку, добавляют 3 капли хлорной кислоты. Наблюдают образование белого осадка.

7. Реакция окрашивания пламени.

Выполнение реакции:

Чистую нихромовую проволочку смочите раствором КСl и внесите в пламя горелки (не забудьте, горячая зона пламени находится в верхнем конусе). Пламя окрасится в фиолетовый цвет.

Мешает Na + , окрашивающий пламя в интенсивный желтый цвет, но если рассматривать окраску пламени через индиговую призму (темно-синее стекло), Na + не мешает.

2.2 Реакции Na + -ионов

1. Реакция с цинкуранилацетатом (микрокристалоскопическая).

Цинкуранилацетат (раствор Zn(UO₂)₃(CH₃COO)₈ в разбавленной уксусной кислоте) образует с ионами натрия желтый осадок натрийцинкуранилацетата тетраэдрической и октаэдрической формы:

Выполнение реакции:

На чистое и сухое предметное стекло помещают 1 каплю раствора хлорида натрия, 1 каплю воды и 1 каплю раствора цинкуранилацетата

Осторожно смешивают капли стеклянной палочкой и через 2-3 минуты рассматривают под микроскопом форму образовавшихся кристаллов, которые представляют собой правильные октаэдры или тетраэдры желтоватого цвета (рис.2).

Эта реакция специфична для ионов натрия, присутствие других катионов I и II аналитических групп не мешает его обнаружению.

2. Реакция с дигидроантимонатом калия.

Дигидроантимонат калия KH₂SbO₄ (кислая калиевая соль ортосурьмяной кислоты H₃SbO₄) дает с растворами солей натрия белый кристаллический осадок дигидроантимоната натрия:

Выполнение реакции:

Для выполнения реакции к 2-3 каплям раствора соли натрия нужно прибавить равный объем раствора реагента и потереть стенки пробирки стеклянной палочкой. Убеждаются в том, что осадок кристаллический (Важный признак NaH₂SbO₄! По выпадению аморфного осадка нельзя делать заключения о присутствии Na + в растворе). Для этого раствор оставляют на некоторое время, чтобы осадок успел сформироваться, затем закрывают отверстие пробирки пробкой и переворачивают пробирку. На стенках будут заметны крупные кристаллы кубической формы.

При выполнении рассматриваемой реакции должны соблюдаться следующие условия:

а) достаточно большая концентрация соли натрия;

б) нейтральная реакция исследуемого раствора (рН ≈ 7);

в) ведение реакции на холоду, поскольку растворимость NaH₂SbO₄ сильно возрастает с повышением температуры.

г) отсутствие иона NH₄ + .

3. Реакция окрашивания пламени.

Выполнение реакции:

Чистую нихромовую проволочку смочите раствором NaCl и внесите в пламя горелки. Появится интенсивная, долго неисчезающая желтая окраска.

2.3 Реакции NH₄ + -ионов

1. Реакция со щелочью

Едкие щелочи (NaOH, KOH) выделяют из растворов солей аммония при нагревании газообразный аммиак:

Выполнение реакции:

2-3 капли раствора соли аммония вносят в пробирку, осторожно, не касаясь стенок пробирки, добавляют 3-4 капли раствора NaOH или KOH, закрывают пробирку ватным тампоном и кладут сверху полоску универсальной индикаторной бумаги, смоченную дистиллированной водой.

Пробирку с полученной реакционной смесью нагревают на водяной бане, и выделяющийся аммиак обнаруживают по посинению универсальной индикаторной бумаги. Обнаружить аммиак можно также по запаху.

Реакция чувствительна, специфична и позволяет дробно обнаруживать ион аммония в присутствии катионов всех аналитических групп.

2. Реакция с реактивом Несслера.

Реактив Несслера (раствор K₂[HgI₄] в KOH) в присутствии NH₄ + -ионов образует характерный красно-бурый осадок:

Выполнение реакции:

1-2 капли раствора соли аммония помещают в пробирку, добавляют 5 капель воды и 2-3 капли реактива Несслера. Наблюдают образование красно-бурого осадка.

Проведению реакции мешают катионы других аналитических групп, образующие окрашенные осадки гидроксидов. Реакция очень чувствительная, однако, менее специфична, чем реакция со щелочью.

3. Отношение NH₄ + к действию реагентов на К + и Na + .

Изучив важнейшие качественные реакции NH₄ + , выясним как он относится к действию реагентов, применяемых при обнаружении К + и Na + . Это необходимо для понимания систематического хода анализа смеси катионов I группы.

а) NaHC₄H₄O₆, Na₃[Co(NO₂)₆], Na₂PbCu(NO₂)₆ дают с NH₄ + соответствующие осадки, по виду неотличимые от осадков, образуемых К + . Убедитесь в этом на опыте (для выполнения реакции с NaHC₄H₄O₆ следует брать достаточно концентрированный (насыщенный) раствор NH₄Cl). Следовательно присутствие NH₄ + мешает обнаружению К + .

б) KH₂SbO₄ при взаимодействии с растворами солей аммония вследствие присущей им (благодаря гидролизу) кислой реакции может выделить белый аморфный осадок HSbO₃, образующийся по уравнениям:

Следовательно, присутствие NH₄ + мешает также и обнаружению Na + этой реакцией.

Однако, применяя микрокристаллоскопическую реакцию с цинкуранилацетатом, Na + можно обнаружить в присутствии NH₄ + .

Вывод: ион NH₄ + мешает обнаружению К + и Na + , поэтому:

а) присутствие NH₄ + в растворе следует установить, прежде чем приступить к обнаружению К + и Na + ;

б) если ион NH₄ + обнаружен, он должен быть полностью удален из раствора.

Удаление иона NH₄ +

Способов удаления NH₄ + много. Для удаления иона аммония обычно пользуются летучестью его солей при нагревании. Рассмотрим один из них, простой и надежный.

Анализируемый раствор досуха выпаривают в фарфоровой чашечке на

песочной бане, прибавляют 2-3 капли HNO₃ (1:1) и вновь выпаривают досуха.

При повышенной температуре протекает реакция,

в результате которой, NH₄NO₃ необратимо разлагается с образованием летучих продуктов – N₂O и H₂O.

Полагается проверить полноту протекания реакции. Для этого сухой остаток растворяют в небольшом количестве воды и, взяв каплю полученного раствора, выполняют реакцию обнаружения NH₄ + с помощью реактива Несслера (см. ниже). Если реакция положительная, раствор в чашечке выпаривают досуха, обрабатывают cухой остаток HNO₃ и вновь проверяют полноту удаления NH₄ + .

Источник

Системы качественного анализа

Сульфидная система анализа катионов. В основе классической сульфидной системы качественного ана­лиза лежит растворимость сульфидов, хлоридов и карбонатов. На основании различной их растворимости катионы элементов делятся на пять аналитических групп. Наиболее полно сульфидная система анализа катионов представлена в учебнике А. П. Крешкова «Основы аналитической химии».

К первой аналитической группе относятся катионы щелочных металлов: К + , Na + , а также катионы NH₄ + и Mg 2+ . Она не имеет общего (группового) реагента. Каждый катион этой группы откры­вается своими характерными реакциями, проводимыми в определен­ной последовательности.

Вторая аналитическая группа включает катионы щелочноземельных металлов: Ва 2+ , Sr 2+ , Са 2+ . Они осаждаются общим групповым реагентом — карбонатом аммония (NН₄)₂СО₃ в аммиачном буфер­ном растворе (смеси NH₄OH и NH₄C1) в виде нерастворимых в воде карбонатов МеСО₃. Катионы второй аналитической группы не осаждаются сульфи­дом аммония и сероводородом.

К третьей аналитической группе относятся катионы А1 3+ , Cr 3+ , Fe 3+ , Fe 2+ , Ni 2+ , Со 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ и др. Они осаждаются из нейтральных или щелочных растворов (рН = 7-9) общим групповым реаген­том — сульфидом аммония (NH₄)₂S в виде нерастворимых в воде сульфидов и гидроксидов.

Третья группа катионов подразделяется на две подгруппы. В первую подгруппу входят катионы А1 3+ , Сr 3+ и др., не рассмат­риваемые в данном пособии. Катионы этой подгруппы осаждаются групповым реагентом — сульфидом аммония (NH₄)₂S в аммиачном буферном растворе в виде гидроксидов. Вторая подгруппа — ионы Mn 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Со 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ и др. Катионы этой подгруппы осаждаются групповым реагентом — сульфидом аммония (NH₄)₂S в виде сульфидов.

Катионы третьей аналитической группы не осаждаются серово­дородом из кислого раствора в виде сульфидов.

К четвертой аналитической группе катионов относятся ионы Сu 2+ , Cd 2+ , Hg 2+ , Bi 3+ , As 3+ , As 5+ , Sb 5+ , Sb 3+ , Sn 2+ , Sn 4+ и др. Все катионы четвертой группы осаждаются сероводородом в кислой среде при рН 0,5 в виде сульфидов. Сульфиды их практи­чески нерастворимы в воде и в разбавленных минеральных кислотах. Общий групповой реагент- сероводород H₂S в присутствии соля­ной кислоты. На основании различной растворимости сульфидов четвертой группы в растворе сульфида натрия Na₂S, а также в растворе поли­сульфида аммония (NH₄)₂S, четвертую группу подразделяют на две подгруппы: подгруппу меди, включающую катионы Сu 2+ , Cd 2+ , Hg 2+ , Bi 3+ и др., и подгруппу мышьяка, включающую катионы As +3 , As +5 , Sb +3 , Sb +5 , Sn 2+ , Sn +4 и некоторые другие. Сульфиды под­группы меди не растворяются в растворе сульфида натрия и в растворе полисульфида аммония. Сульфиды подгруппы мышьяка хорошо растворяются в сульфиде натрия с образованием тиосолей.

Тиосоли представляют собой соли соответствующих тиокислот, последние образуются при замещении ионов кислорода в кислород­ных кислотах ионами серы. Например, при замещении ионов кисло­рода ионами серы в мышьяковой кислоте H₃AsO₄ получается тиомышьяковая кислота H₃AsS₄; в сурьмяной кислоте — тиосурьмяная кислота H₃SbS₄ и т. д. При действии на осадок сульфидов катионов пятой группы суль­фидом натрия Na₂S получаются тиосоли, например:

Тиосоли хорошо растворимы в воде и поэтому легко отделяются от осадка сульфидов подгруппы меди фильтрованием.

К пятой аналитической группе катионов относятся ионы Ag + , [Hg₂] 2+ , Pb 2+ и др. Хлориды их нерастворимы в воде и в разбавленных кислотах. Групповой реагент — 2 н. раствор соляной кислоты.

Деление катионов на пять аналитических групп значительно упрощает проведение анализа и дает возможность, действуя групповыми реагентами в определенной последовательности, проводить систематический анализ смесей катионов.

Систематический ход анализа катионов в сульфидной системе начинается с осаждения катионов пятой группы 2 н. раствором со­ляной кислоты и последующим отделением и определением состава осадка хлоридов. Затем осаждается четвертая аналитическая группа катионов действием сероводорода в солянокислой среде. Выпавший осадок сульфидов отфильтровывают, промывают и анализируют. После отделения катионов пятой и четвертой групп осаждаются и отделяются катионы третьей аналитической группы. Осаждение ведут свежеприготовленным раствором сульфида аммония в аммиачно-буферном растворе при рН = 7-9. Выпавший осадок гид­роксидов и сульфидов отфильтровывают и анализируют на катионы третьей группы.

Раствор солей катионов первой и второй аналитических групп выпаривают при добавлении уксусной кислоты. При этом сульфид аммония (NH₄)₂S разлагается, а избыток накопившихся солей аммония удаляют. Затем катионы второй группы осаждаются дей­ствием карбоната аммония (NH₄)₂CO₃ в присутствии аммиачно-буферного раствора (NH₄OH и NH₄Cl). Осадок карбонатов от­фильтровывают и анализируют, а в оставшемся фильтрате открыва­ют катионы первой группы.

Классическая сульфидная система анализа катионов в течение длительного времени изменялась и совершенствовалась, однако до сих пор она имеет следующие недостатки.

Растворимость сульфидов ряда катионов третьей и четвер­той аналитических групп близка, поэтому разделение катионов не­полное. Осаждение сульфидов четвертой группы нередко сопровожда­ется соосаждением катионов третьей группы. Например, с сульфи­дом олова в значительном количестве соосаждаются сульфиды ни­келя и кобальта, а с сульфидом кадмия — сульфид цинка, что не­редко приводит к полной или частичной потере соосаждающихся катионов. Открытие катионов первой группы в конце всех операций также иногда приводит к неточным результатам, так как их концентрация в растворе вследствие многократного разбавления становится не­достаточной, что и приводит к потере того или иного катиона.

Для проведения полного анализа катионов затрачивается много времени (до 25 -30 ч), что не соответствует требованиям современ­ного производства. В процессе работы применяется сероводород, получение и использование которого связано с организацией спе­циально оборудованной комнаты.

Из других систем анализа катионов необходимо отметить аммиачно-фосфатную систему.

Источник

Качественные реакции на катионы (Таблица)

Выпадение белого мелкокристаллического осадка, не растворимого в кислотах (даже в азотной кислоте HNO₃):

Гидратированные ионы Сu 2+ имеют голубую окраску

Выпадение черного осадка:

Выпадение белого осадка, не растворимого в HNO₃, но растворимого в конц. NH₃ · Н₂O:

При реакции на катион выпадает осадок грязно-зеленого вета Fe(OH)₃

2) гексациано-феррат (III) калия (красная кровяная соль) K₃[Fe(CN)₆]

Выпадение синего осадка:

1) гексациано-феррат (II) калия (желтая кровяная соль) K₄[Fe(CN)₆]

Выпадение синего осадка:

2) роданид-ион SCN —

Появление ярко-красного окрашивания за счет образования комплексных ионов Fe(NSC) 2+ , Fe(NSC)₂ + и другие

Осадок темно-бурого цвета Fe(OH)₃

щелочь (амфотерные свойства гидроксида)

Выпадение белого осадка гидроксида алюминия при приливании первых порций щелочи и его растворение при дальнейшем приливании

H + (кислая среда)

Индикаторы: лакмус метиловый оранжевый

При качественной реакции на катион происходит красное окрашивание

OH — недостаток, по каплям

Белый осадок — Zn(OH)₂ или H₂ZnO₂ — растворимый в избытке щелочи (при этом образуется раствор Me₂ + [Zn(OH)₄] 2- )

OH — недостаток, по каплям

Серо-голубой осадок — Cr(OH)₃ или H₃CrO₃ — растворимый в избытке щелочи (при этом образуется раствор Me + [Cr(OH)₄] — )

Выпадает белый осадок Mg(OH)₂↓

_______________

Источник информации:Насонова А.Е. Химия в таблицах. 8-11 класс. Справочное пособие, 2000

Источник

Определение катионов кислотно-основным методом анализа

Аналитическая химия – это наука о методах определения качественного и количественного химического состава соединений и их химической структуры. Один из разделов аналитической химии — качественный анализ, целью которого является обнаружение составных частей неизвестного индивидуального вещества или их смеси. Для решения этой задачи пользуются так называемыми аналитическими реакциями, которые сопровождаются характерными внешними эффектами: выделение газа, образование осадка, образование комплексного иона. Реакции, сопровождающиеся внешним эффектом, характерным только для одного иона или соединения, называются специфическими. Таких реакций мало. Очень часто реакции дают внешний эффект, характерный для нескольких ионов. Так же в качественном анализе применяются реакции, основанные на индивидуальных свойствах образовавшихся продуктов, например, на способности осадков растворяться в кислотах, щелочах и других реагентах.

Для обнаружения ионов при их совместном присутствии в растворе, каком-либо природном или промышленном объекте применяют дробный или систематический методы анализа. Дробный метод анализа заключается в обнаружении иона посредством специфической реакции. Применение этого метода ограничено, поскольку таких реакций немного. В процессе систематического анализа проводится предварительное разделение всех ионов на так называемые аналитические группы и обнаружение того или иного иона осуществляется в присутствии ограниченного числа других ионов. Систематический ход анализа обычно проводят «мокрым» путем, так как реакции между ионами обычно протекают в водных растворах. Существуют разные схемы систематического анализа, основанные на различном отношении групп ионов к действию определенных реагентов. Наиболее распространены кислотно-щелочная и сероводородная схемы анализа катионов. Сероводородный метод анализа катионов является классическим. Он основан на различной растворимости сульфидов, гидроксидов, карбонатов и хлоридов. В этом методе катионы делят на пять аналитических групп. У каждой из них есть свой групповой реагент, за исключением первой группы катионов. В качестве группового реагента используется такой реактив, который реагирует со всеми катионами данной группы в одних и тех же условиях и дает возможность отделить катионы данной группы. Групповыми реагентами являются хлороводородная кислота, сероводород, сульфид аммония, карбонат аммония. Кислотно-щелочной метод анализа катионов основан на различной растворимости в воде хлоридов и сульфатов и на различной растворимости гидроксидов в воде, избытке щелочи и водном растворе аммиака. Групповыми реактивами являются хлороводородная и серная кислота, щелочь и водный раствор аммиака. В кислотно-щелочном методе катионы делят на шесть аналитических групп.

В соответствии с кислотно-щелочной схемой анализа принята следующая классификация катионов:

Продукты реакции (краткая характеристика)

Ag + , Hg₂ 2+ , Pb 2+

Белые аморфные хлориды нерастворимы в воде и разбавленных растворах кислот.

Белые кристаллические сульфаты нерастворимы в воде. Сульфат бария нерастворим в минеральных кислотах даже при нагревании.

Al 3+ , Zn 2+ , Cr 3+ , Sn(II), Sn(IV), As(III), As(V)

Раствор, содержащий CrO₄ 2– , желтого цвета. В остальных случаях образуются бесцветные растворы. Гидроксиды растворяются в избытке щелочей.

Mg 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Fe 3+

H₂MnO₃, Fe(OH)₃ – осадки бурого цвета. В остальных случаях осадки белого цвета. Гидроксиды нерастворимы в избытке щелочи.

Источник