1 курс / Химия / Катионы

Федеральное агентство по образованию

Томский государственный архитектурно-строительный университет

ХИМИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ.

КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ КАТИОНОВ

Методические указания к лабораторной работе Составители Т.В. Лапова, А.Н. Павлова, Л.В. Касицкая

Томск 2008

1

Цель работы

Практическое знакомство с качественным химическим анализом, его методами и приемами проведения.

Задачи

Изучить действие групповых реагентов и проделать частные реакции на катионы I–VI групп кислотно-основной классификации.

Оборудование и реактивы

1. Растворы солей, содержащих катионы: NH4+, K+, Na+, Pb2+, Ag+, Ca2+, Ba2+, Al3+, Cr3+, Zn2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Mg2+,

Cu2+, Ni2+, Co2+. Сухие соли: хлориды или нитраты натрия, калия, кальция и бария; PbO2.

2.Групповые реагенты (растворы): 2н HCl, 2н H2SO4, 2н NaOH, 2н NH4OH, конц. NH4OH.

3.Частные реагенты (растворы): K2[HgI4] + KOH (реак-

тив Несслера), KI, K2CrO4, (NH4)2C2O4, K2Cr2O7, спиртовой раствор ализарина, K4[Fe(CN)6], NH4CNS, K3[Fe(CN)6], NH4Cl, Na2HPO4, бромная вода, конц. HNO3, конц. HCl, CH3COOH, CH3COONa.

4.Фильтровальная бумага, предметные стекла, лакмусовые бумажки, нихромовые проволочки, впаянные в стеклянные палочки или графитовые стержни, спиртовки, штативы с пробирками для полумикроанализа.

Теоретическая часть

Качественный анализ является разделом аналитической химии – науки о методах определения химического состава и строения веществ и материалов. Целью качественного

3

анализа является химическая идентификация веществ, т. е. обнаружение элементарных объектов, входящих в состав анализируемого вещества.

В зависимости от количества анализируемого вещества, объема растворов, используемых для анализа, а также от применения техники выполнения эксперимента методы анализа делят на макро-, полумикро-, микро-, ультрамикро- и субмикрометоды (табл. 1).

Таблица 1

Классификация методов анализа по массе и объему взятого для анализа вещества

При обучении студентов чаще всего применяется полумикрометод анализа, который имеет ряд преимуществ: экономятся время и реагенты, повышается надежность результатов анализа благодаря использованию более специфических и высокочувствительных реагентов, уменьшается расход реактивов и материалов.

Анализ исследуемого вещества можно проводить «сухим» и «мокрым» путем. Анализ «сухим» путем проводится с твердыми веществами. Он делится на пирохимический анализ, который проводят при высокой температуре (основан на способности некоторых веществ окрашивать в характерный цвет бесцветное пламя горелки или давать окра-

4

шенные «перлы» при сплавлении с бурой), и анализ методом растирания порошков.

Реакции «сухим путем» играют в качественном анализе вспомогательную роль. Наибольшее значение имеют реакции «мокрым» путем, при котором определение состава вещества осуществляют в растворах путем добавления соответствующих реактивов.

Методы качественного анализа основаны на ионных реакциях, которые позволяют идентифицировать элементы в форме тех или иных ионов. Для открытия ионов в растворах применяют различные характерные реакции, которые сопровождаются внешними эффектами – возникновением аналитического сигнала, например, изменением цвета раствора, выпадением или растворением осадка, выделением газа. Вещества, с помощью которых открывают ионы, называются реагентами на соответствующие ионы, а происходящие при этом химические превращения – аналитически-

ми реакциями.

Применяемые в качественном анализе реакции должны протекать быстро, отличаться высокой чувствительностью и являться по возможности необратимыми.

Чувствительность количественно характеризуют пределом обнаружения.

Предел обнаружения – это наименьшая концентрация (сmin), при которой по данной методике можно обнаружить искомые элементарные объекты с вполне определенной вероятностью (P), обычно равной единице. Предел обнаружения обозначают сmin, P и выражают в г/мл.

Для удобства предложено пользоваться отрицательным логарифмом предела обнаружения pD = –lgсmin, 1. Реакциями с высоким пределом обнаружения считают реакции со значением pD = 3–4, если pD = 5–6 это реакции со средним пределом обнаружения, если pD = 7–8 реакции с низким

5

пределом обнаружения. Чаще всего для обнаружения ионов применяют реакции со средним пределом обнаружения. Чем ниже предел обнаружения, тем чувствительнее аналитическая реакция.

По числу компонентов, взаимодействующих в данных условиях с применяемым реагентом и дающих аналитический сигнал, реакции и реагенты делятся на групповые, избирательные и специфические.

Групповыми называются реакции, когда с реагентом в данных условиях взаимодействует и дает аналитический

сигнал целая группа ионов; реагент называется групповым. Например, S2– при pH = 5 осаждает Ag+, Pb2+, Bi3+, Cd2+,

Sn2+, 4+ и др. Следовательно, S2– – групповой реагент, а осаждение сульфидов – групповая реакция. Групповые реакции в основном используют для разделения целых групп ионов.

Избирательными (селективными) называются реакции,

когда с реагентом в данных условиях взаимодействует и дает аналитический сигнал ограниченное число компонентов; реагент называется избирательным. Например, магнезиальная смесь (аммиачный раствор MgCl2 и NH4Cl) образует белый мелкокристаллический осадок с двумя ионами PO43– и AsO43–. Избирательные реакции используют как для разделения, так и для обнаружения ионов.

Специфическими называются реакции, когда с реагентом в данных условиях взаимодействует и дает аналитический сигнал один компонент; реагент называется специфическим. Например, с диацетилдиоксимом в аммиачной среде красный осадок образует Ni2+. Такие реакции очень удобны для обнаружения ионов, но число их ограниченно.

Большое значение имеют условия проведения аналитических реакций. При изменении условий (pH раствора, введение маскирующего агента, температура и т.д.) групповые реакции могут стать избирательными, а избирательные –

6

специфическими или наоборот. Так, S2– – групповой реагент, но после введения в раствор CN–, большинство ионов металлов связываются в прочные комплексы и S2– осаждает только Cd2+ и Zn2+. CN– – маскирующий агент, реакция стала избирательной.

Методы обнаружения ионов:

1) микрокристаллоскопический анализ основан на на-

блюдении под микроскопом характерной формы, цвета и размера кристаллов химически индивидуального вещества, образующихся на предметном стекле;

2)капельный метод анализа основан на взаимодействии капли анализируемого раствора и капли реагента. Реакции выполняются на фильтровальной бумаге или капельной пластинке четырьмя способами: наложением капель реагента и исследуемого раствора, нанесением капель образца на реактивную бумагу, нанесением реактива на поверхность образца, выделением газов с их последующим воздействием на реактивную бумагу или на каплю реагента;

3)дробный анализ – обнаружение компонентов в отдельных порциях анализируемого раствора без предварительного отделения мешающих компонентов. При этом для подавления мешающих сигналов соответствующие компоненты маскируют. Обычно не удается устранить влияние всех мешающих компонентов введением в раствор одного агента, поэтому, учитывая свойства мешающих ионов, необходимо подобрать несколько маскирующих агентов, что и является основной трудностью при проведении анализа данным методом;

4)систематический анализ – разделение компонентов

спомощью групповых реагентов на несколько групп, с последующим разделением в рамках каждой группы. При этом получают растворы, содержащие по одному или два

иона, которые используют для обнаружения этих ионов с помощью реакций, являющихся в данных условиях спе-

7

цифическими. Данный метод анализа трудоемкий и длительный, но при тщательном соблюдении методики обеспечивает получение надежных результатов.

дробно-систематическим методом, при котором большинство катионов стараются обнаружить дробным методом. В систематическом ходе анализа, проводимом после дробных испытаний, обнаруженные ионы только отделяют от других, а в повторном их обнаружении уже нет необходимости. Такой ход анализа позволяет значительно сократить общую продолжительность анализа.

Для проведения систематического анализа катионов разработаны десятки различных схем. Все варианты обычно подразделяют на сероводородные методы и бессероводородные методы.

Сероводородными называют такие методы, в которых осаждение некоторых групп катионов осуществляют с помощью сероводорода. Ряд групп выделяют с помощью других групповых реагентов. Существенным недостатком данного метода является ядовитость сероводорода.

Бессероводородные методы подразделяются на две группы. К первой группе относятся методы, в которых сульфидионы (S2–), необходимые для осаждения групп, получают путем гидролитического разложения соединений, содержащих серу в степени окисления –2. В бессероводородных методах второй группы используется различная растворимость хлоридов, сульфатов, фосфатов, гидроксидов и т.п., например, разделение катионов по кислотно-основному методу.

Кислотно-основная классификация находит в последнее время самое широкое применение, так как имеет ряд преимуществ: при разделении катионов на группы используются все основные свойства элементов (кислотно-основные,

8

комплексообразующие и др.), небольшая длительность анализа, отсутствие необходимости в специальном оборудовании (как в сероводородных методах). Согласно кислотноосновной классификации все катионы делят на 6 аналитических групп.

Кислотно-основная классификация катионов

I группа катионов – растворимая (Na+, K+, NH4+). Группового реагента нет.

II группа катионов – хлоридная (Ag+, Pb2+, Hg22+). Групповой реагент – 2н раствор HCl осаждает соответствующие хлориды.

III группа катионов – сульфатная (Ca2+, Ba2+, Sr2+).

Групповой реагент – 2н H2SO4 осаждает соответствующие сульфаты.

IV группа катионов – амфотерная (Al3+, Cr3+, Zn2+, Sn2+, Sn4+, As3+, 5+). Групповой реагент – 2н NaOH образует растворимые в избытке реагента гидроксиды.

V группа катионов – гидроксидная (Fe2+, 3+, Mn2+, Mg2+, Bi3+, Sb3+, 5+). Групповой реагент – 2н NaOH осаждает соответствующие гидроксиды.

VI группа катионов – аммиакатная (Cu2+, Ni2+, Co2+, Cd2+, Hg2+). Групповой реагент – 2н NH4OH образует гидроксиды, растворимые в избытке реагента с образованием аммиакатов.

Порядок выполнения работы

1. Частные реакции на катионы первой группы

1.1. Реакции катионов аммония (NH4+)

1) Реакции со щелочами.

9

При нагревании аммонийных солей с NaOH и KOH выделяется аммиак, который легко узнать по запаху или по посинению влажной красной лакмусовой бумажки.

К2–3 каплям раствора или крупинке сухой соли аммония

впробирке прибавляют 3–4 капли щелочи и, держа влажную красную или фиолетовую лакмусовую бумажку у отверстия пробирки, нагревают ее на водяной бане. Наблюдают изменение цвета лакмусовой бумажки.

2) Реакция с реактивом Несслера.

Реактив Несслера (смесь K2[HgI4] с KOH) дает с ионами NH4+ красно-бурый осадок иодида оксодимеркураммония: NH4Cl + 2K2[HgI4]+ 4KOH=[NH2Hg2O]I + 3H2O + 7KI + KCl.

К1–2 каплям раствора соли аммония приливают 5–6 капель воды и 1–2 капли реактива Несслера. Наблюдают образование оранжево-коричневого осадка.

1.2. Реакции катионов калия (K+)

1) Реакция окрашивания пламени.

Платиновую или нихромовую проволочку, впаянную в стеклянную палочку, сначала очищают неоднократным смачиванием в концентрированной соляной кислоте и прокаливанием в пламени горелки до тех пор, пока пламя не перестанет окрашиваться (можно воспользоваться очищенным графитовым стержнем простого карандаша). Очищенную проволочку опускают в раствор KCl или, смочив в концентрированной HCl, прикасаются к какой-либо другой твердой соли калия и вносят сначала в основание пламени горелки, а затем переводят в часть пламени с наивысшей температурой. Наблюдают окрашивание пламени горелки в фиолетовый цвет через синее стекло, поглощающее желтый цвет пламени, окрашенного следами натрия.

1.3. Реакции катионов натрия (Na+)

10