Аналитическая реакция тем чувствительней, чем меньше открываемый минимум, чем меньше минимальная концентрация анализируемого раствора, чем больше предельное разбавление.
В качественном анализе неорганических веществ преимущественно исследуют растворы солей, кислот и оснований, которые в водных растворах находятся в диссоциированном состоянии. Поэтому химический анализ водных растворов электролитов сводится к открытию отдельных ионов (катионов и анионов).
Для обеспечения получения наиболее полной информации о качественном составе образца (неорганических веществ) ионы делят на группы. Классификация катионов и анионов по аналитическим группам основана на отношении ионов к действию реагентов, на сходстве и различии признаков образуемых соединений. Разработан ряд классификационных систем, основанных на применении тех или иных групповых реагентов.
В лабораторном учебном практикуме нами рекомендована кислотно-основная классификация катионов, основанная на применении следующих групповых реагентов: хлористоводородной кислоты, серной кислоты, гидроксида натрия, гидроксида аммония. В рамках этой классификации катионы распределены по шести группам.
Практическая работа
Качественные реакции катионов первой аналитической группы NH4+, Na+, К+, (Mg2+)
Цель работы: изучить качественные реакции катионов первой аналитической группы.
Реактивы:
NaOH(10–15%-ный водный раствор);Na2CO3илиK2CO3 (ТВ.);NaHC4H4O6(10–15%-ный водный раствор);Na3[Co(NO2)6] (свежеприготовленный); реактив НесслераK2HgJ4 (щелочной раствор); формалин (33%-ный раствор формальдегида СН2О).
Оборудование: пробирки; штатив; спиртовка; химические стаканы; стеклянные палочки; воронки; бумажные фильтры; нихромовая проволока для петли; плитка.
Общая характеристика катионов первой аналитической группы
К первой аналитической группе анионов относятся Li+,Na+,K+,NH4+, (Mg2+) и некоторые другие катионы. Все эти катионы не имеют общего группового реактива и поэтому они одновременно не могут быть осаждены каким-либо реактивом. Это отличает I группу катионов от всех остальных групп, имеющих групповые реактивы.
Отличительной чертой катионов I аналитической группы является то, что большинство их солей хорошо растворимы в воде. Наиболее растворимыми являются соединения натрия и калия. Так, например, хорошо растворяются в воде хлориды, фториды, карбонаты, сульфаты, фосфаты, сульфиды, гидроксиды и многие другие соединения натрия и калия.
Катионы I аналитической группы бесцветны, поэтому их соли образуют бесцветные растворы. Окрашенными соединениями являются хроматы (желтые), бихроматы (оранжевые), манганаты (зеленые), перманганаты (малиново-красные), гексацианоферраты (II) (желтые), гексацианоферраты (III) (красные), гексанитрокобальтаты (III) (желтые и красные). Окраску этих соединений обусловливают соответствующие анионы.
Все катионы I аналитической группы, кроме ионов аммония, устойчивы к действию окислителей и восстановителей.
Выводы:
1. NH4+–ионы можно открыть в присутствии всех остальных катионов I аналитической группы при помощи едкого натра или едкого кали.
2. Mg2+–ионы, если они будут присутствовать в этой группе, можно открыть в присутствии всех остальных катионов I аналитической группы при помощи гидрофосфата натрия в присутствии NH4OH.
3. Na+–ионы можно открыть в присутствии остальных катионов I аналитической группы при помощи ацетата уранила и, еще лучше, при помощи ацетата цинк-уранила.
4. К+–ионы невозможно открыть в присутствии остальных катионов I аналитической группы, так как NH4+–ионы реагируют аналогичным образом со всеми рективами, образующими осадки с К+–ионами.
5. Открытие К+– ионов можно проводить реактивами –NaHC4H4O6иNa3[Co(NO3)6] в присутствии Na+ иMg2+–ионов.
6. Так как открытию К+– ионов мешаютNH4+-ионы, то при обнаружении К+–ионов необходимо предварительно удалять соли аммония.
7. Для удаления солей аммония с целью открытия ионов калия, можно воспользоваться реакцией с NaOH или Na2CO3. При длительном кипячении указанных реактивов со смесью катионов первой аналитической группы соли аммония разлагаются с выделением аммиака, а соли магния образуют осадок гидроксида магния или гидроксикарбоната магния.
Свойство гидроксикарбоната магния растворяться в растворах солей аммония (в частности, в NH4Cl) может быть использовано для отделения ионов магния от карбонатов катионов второй аналитической группы, которые практически не растворяются в растворах солей аммония.
При выполнении практической работы следует соблюдать последовательность опытов, указанную в таблице. В отчете уравнения проведенных реакций записываются в молекулярной и ионной формах.
Таблица. Действие реактивов на катионы первой аналитической группы
| Реактивы | Катионы | ||
| Na+ | K+ | NH4+ | |
| NaOH,KOH | – | – | Выделяется NH3 (при кипячении) |
| Na2CO3, K2CO3 (при нагревании) | – | – | Выделяется NH3 (при кипячении) |
| Na2HPO4 | – | – | Выделяется NH3(при кипячении) |
| KH2SbO4 | Образуется белый кристаллический осадок NaH2SbO4, который растворяется в воде при нагреваниии, в щелочах на холоду | – | Образуется белый аморфный осадок HSbO3, который растворяется в соляной кислоте и щелочах |
| NaHC4H4O6 | – | Образуется кристаллический осадок KHC4H4O6, который растворяется в воде при нагревании, в щелочах и кислотах на холоду | Образуется белый кристаллический осадок NH4HC4H4O6, который растворяется в щелочах и кислотах |
| Na3[Co(NO2)6] | – | Образуется желтый кристаллический осадок K2Na[Co(NO2)6 Растворяется в минеральных кислотах | Образуется желтый кристаллический осадок (NH4)2Na[Co(NO2)6], который растворяется в минеральных кислотах |
| UO2(CH3COO)2 или (Zn(UO2)3(CH3COO)8 | Образуется зеленовато-желтый кристаллический осадок CH3COONa× (CH3COO)2UO или лимонно-желтый NaZn(UO2)3(CH3COO)9 | – | – |
| Реакция окрашивания пламени | Пламя окрашивается в желтый цвет | Пламя окрашивается в фиолетовый цвет | |
| Реактив Несслера K2HgJ4 | – | – | [OHg2NH2]J Оранжевый осадок |
| Формалин | – | – | Образует |
Качественные реакции катионов второй аналитической группы: Ag+, [Hg2]2+, Pb2+
Цель работы: изучить качественные реакции катионов второй аналитической группы, освоить методы анализа катионов второй группы.
Реактивы: NaOH (водный раствор 10–15 %); Na2CO3,K2CO3 (ТВ.); NaHC4H4O6 (водный раствор 10–15 %); Na3[Co(NO2)6] (свежеприготовленный реактив); реактив Несслера K2HgJ4 (щелочной раствор); формалин (33%-ный раствор формальдегида СН2О).
Оборудование: пробирки; штатив; спиртовка; химические стаканы; стеклянные палочки; воронки; бумажные фильтры; нихромовая проволока для петли; плитку; склянки для слива растворов, содержащих соединения серебра и ртути. Склянки должны быть обязательно промаркированы.
Общая характеристика катионов второй аналитической группы
Ко второй аналитической группе катионов относятся катионы Ag+, [Hg2]2+,Pb2+. Катионы этой группы осаждаются групповым реактивом – хлористоводородной кислотой в виде хлоридов.
Большинство соединений катионов второй аналитической группы бесцветны и малорастворимы в воде.
Окрашенными соединениями являются хроматы, перманганаты, гексанитрокобальтаты (III).
Из окрашенных соединений серебра в аналитической химии имеют значения: арсенат – шоколадного цвета; арсенит, бромид, иодид, фторид, фосфат, карбонат, гексацианоферрат (III), окрашенные в желтый цвет; хромат и дихромат красного цвета; оксид бурого цвета; сульфид – бурый; бромид, фторид, и карбонат [Hg2]2+, имеющие желтую окраску. Из окрашенных соединений свинца имеют значение: иодид – золотисто-желтого цвета, сульфид – черно-бурый, хромат – желтый, дихромат – красный.
В реакциях окисления-восстановления соединения серебра, ртути и свинца (IV) проявляют себя как окислители. Ионы серебра, ртути восстанавливаются до элементарного состояния. Соединения свинца (IV) восстанавливаются до соединений свинца (II). Соединения Pb 2+ способны окисляться до соединений высшей валентности.
Выводы:
1. Катионы Аg+ и Pb2+с групповым реагентом образуют белые осадки, которые можно разделить, прокипятив раствор. При этом хлорид свинца растворяется.
2. «Открыть» катионы свинца можно выполнив реакцию «золотого дождя», перекристаллизовав хлорид свинца в присутствии уксусной кислоты.
3. Взаимодействие этих катионов с другими реактивами (табл.) позволяет легко выявить наличие в образце катионов серебра и свинца.
4. Соединения (соли) серебра в водном растворе на свету неустойчивы, необходимо это учитывать.
При выполнении практической работы следует соблюдать последовательность опытов, указанную в таблице. В отчете уравнения проведенных реакций записываются в молекулярной и ионной формах.
Таблица. Действие некоторых реактивов на катионы второй аналитической группы
| Реактивы | Катионы | ||
| Ag+ | Pb2+ | [Hg2]2+(*) | |
| NaOH, КОН | Ag2O(бурый осадок, растворяется в аммиаке) | Pb(OH)2 (белый осадок, растворяется в избытке реагента) | Hg2O(черный осадок) |
| Растворяются в азотной кислоте | |||
| NH4OH | Ag2O(бурый осадок, растворяется в избытке аммиаке) | Pb(OH)2 (белый осадок, не растворяется в избытке реагента) | Образует черный осадок Hgи амидосоединение ртути [OHg2NH2]+ |
| K2CO3,Na2CO3 | Ag2CO3 (осадок карбоната серебра желтого цвета, растворяется в азотной кислоте, аммиаке) | Pb2(OH)2CO3 (осадок белого цвета, растворяется в минеральных, уксусной кислотах и щелочах) | Hg2CO3 (осадок желтого цвета, быстро разлагается доHgOиHg, при этом выделяетсяCO2) |
| H2SO4 | Ag2SO4 (осадок растворяется в горячей воде) | PbSO4 (осадок растворяется в щелочах, в растворе ацетата аммония и конц.HClиH2SO4) | Hg2SO4 (осадок растворяется в царской водке) |
| Белые осадки | |||
| H2S, (NH4)2S | В солянокислом, щелочном, аммиачном и нейтральном растворах осаждают черные осадки | ||
| Ag2S | PbS | HgS+S | |
| HCl | AgCl | PbCl2 | Hg2Cl2 |
| Белые осадки | |||
| Растворяется в NH4OH, карбонате аммония и тиосульфате натрия с образованием комплексных соединений, в конц.HClcобразованием комплексов [AgCl2]–, [AgCl3]2– | Растворяется в горячей воде, в конц. HClcобразованием комплексов [PbCl3]–, [PbCl4]2– | В растворе аммиака образует черный осадок ClHg2NH2 +Hg |
* Качественные реакции на катионы ртути не выполняются.