3.1.1.1. Реакції катіонів і аналітичної групи

Катіони амонію – NH₄⁺

1. Луги (NaOH, KOH, Ca(OH)₂) утворюють з іонами амонію нестійкий гідроксид амонію, який розкладається (краще при нагріванні) з виділенням аміаку – безбарвного газу з характерним запахом:

NH₄⁺ + OH^-  NH₄OH  H₂O + NH₃

Реакція відома (ще зі шкільного курсу) як найбільш специфічна, тому що усі інші неорганічні іони такого ефекту не дають і не заважають його спостерігати. Але для того щоб відчути ефект реакції, потрібна значна кількість іонів амонію. Більш чутливою, хоч менш специфічною є реакція Несслера.

2. Реактив Несслера містить дві речовини – KOH i K₂HgJ₄ - у водному розчині. З невеликою кількістью іонів амонію цей реактив утворює червоно–бурий осад оксодимеркурамоній – йодиду:

Hg

NH₄⁺ + 4OH^– + 2HgJ₄^2– O NH₂ J + 7J^– + 3H₂O

Hg

який розчиняється у надлишку NH₄Cl, тому важливо, щоб цього надлишку не було.

Виконання: у чисту пробірку внести краплю розчину солі амонію

(NH₄Cl, NH₄NO₃, або (NH₄)₂SO₄), додати 5 - 10 крапель води, перемішати і вилити. До того розчину, який залишився на стінках пробірки, додати 4 - 5 крапель реактиву Несслера (не торкатися пипеткою стінок пробірки!). Спостерігати утворення у пробірці характерного осаду.

Реакція Несслера протікає у сильно–лужному середовищі (KOH входить до складу реактиву), тому усі катіони, що дають важкорозчинні гідроксиди, випадають в осад. З катіонів першої та другої аналітичних груп тільки катіони магнию дають з реактивом Несслера білий (або жовтуватий внаслідок забруднень) осад, який не заважає спостерігати утворення характерного червоно – бурого осаду, якщо у розчині є амоній. Інші катіони (3 – 5 аналітичних груп), що утворюють темно забарвлені осади гідроксидів, заважають реакції, особливо ферум (ІІІ), який дає з KOH червоно – бурий осад Fe(OH)_{3 .}

Катіони калію – К⁺

1. Гексанітрокобальтат (ІІІ) натрію Na₃Co(NO₂)₆ у нейтральному або слабокислому середовищі утворює з іонами калію жовтий кристалічний осад:

2K⁺ + Na⁺ + Co(NO₂)₆^3–  K₂NaCo(NO₂)₆ 

Виконання: у чисту пробірку внести 1 – 2 краплі розчину солі калію (KCl, KNO₃ або K₂SO₄ ) і додати 2 – 3 краплі розчину Na₃Co(NO₂)₆ (не торкатися піпеткою стінок пробірки!). Спостерігати утворення жовтого кристалічного осаду. Іноді осад утворюється поступово, протягом кількох хвилин.

Сильні кислоти і луги розкладають реактив. Для нейтралізації лужного середовища використовують слабку оцтову кислоту, надлишок якої не заважає цій аналітичній реакції.

Катіони амонію дають з реактивом такий самий осад, тому при виконанні задачі перед відкриттям іонів калію у невідомому розчині потрібно з окремою порцією цього розчину виконати реакцію Несслера, щоб упевнитися, що в ньому відсутні іони амонію.

Розчин Na₃Co(NO₂)₆ має темно – коричневий колір з червонуватим відтінком. Реактив готують щодня, тому він зберігається у лабораторії окремо. Якщо розчин має рожевий колір, це означає, що реактив розклався. Такий реактив не дасть характерного осаду з невідомим розчином, навіть якщо там є іони калію. Тому треба приготувати свіжий розчин, або використати реактив №2.

2. Винна кислота або її кисла сіль гідротартрат натрію NaHC₄H₄O₆ у слабокислому середовищі утворює з іонами калію білий кристалічний осад:

K⁺ + HC₄H₄O₆^– = KHC₄H₄O₆ ↓

розчинний у сильних кислотах і лугах. У сильнокислому середовищі утворюються малодисоційовані молекули слабкої винної кислоти H₂C₄H₄O₆.

У лужному середовищі кисла сіль переходить у середню, а тартрат – іон C₄H₄O₆^2– не осаджує іони калію. Слабкі кислоти (наприлад, оцтова) не розчиняють осад і не заважають виконанню реакції.

Гідротартрат калію може утворювати пересичені розчини. У такому випадку після додавання реактиву, якщо осад не утворився, треба занурити у розчин чисту скляну паличку і потерти нею стінки пробірки, на яких при цьому утворюються центри кристалізації.

Виконання: у чисту пробірку внести 3 – 4 краплі розчину солі калію і додати 4 – 5 крапель розчину NaHC₄H₄O₆. Якщо осад не утворився, охолодити пробірку під краном з холодною водою, потерти скляною паличкою стінки пробірки.

Катіони амонію дають такий самий осад. Тому перед відкриттям іонів калію у невідомому розчині треба упевнитися, що там відсутні іони амонію. Якщо ж вони є , треба відокремити їх (солі амонію розкладаються при прожарюванні), а вже потім додавати реактив на іони калію.

Катіони нарію – Na⁺

Дигідроантимонат калію KH₂SbO₄ у водному розчині перетворюється у гексагідроксостибіат калію:

KH₂SbO₄ + 2H₂O = KSb(OH)₆ .

З іонами натрію цей реактив дає білий дрібнокристалічний осад:

Na⁺ + H₂SbO₄^–– = NaH₂SbO₄ 

Для утворення осаду потрібна досить висока конценрація іонів натрію - реакція малочутлива. Продукт реакції - дигідроантимонат натрію - може утворювати пересичені розчини.

Виконання: у чисту пробірку внести 5 – 8 крапель розчину солі натрію

(NaCl, NaNO₃ або Na₂SO₄) і додати 5 – 8 крапель розчину KH₂SbO₄ (не торкатися піпеткою стінок пробірки!). Якщо осад не випадає, треба занурити у розчин чисту скляну паличку і потерти нею стінки пробірки, тримаючи пробірку під краном з холодною водою.

У сильнолужному середовищі кисла сіль переходить у розчинну середню і осад не випадає. У кислому середовищі (навіть у слабкокислому, яке дають іони амонію) реактив розкладається і виділяється білий аморфний осад HSbO₃, який заважає спостерігати реакцію на іони натрію. Тому реакція виконується у нейтральному або слабколужному середовищі (рН 7 - 8).

Іони магнію заважають реакції, тому що дають з реактивом білий дрібно-

кристалічний осад, як і іони нарію. Перед відкриттям іонів натрію у невідомому розчині потрібно упевнитися, що у ньому відсутні іони магнію, виконавши з окремою порцією цього розчину реакцію на Mg²⁺. Якщо ж іони Mg²⁺ є, їх треба відокремити у вигляді Mg(OH)₂ за допомогою KOH.

Катіони магнію – Mg²⁺

1. Гідрофосфат натрію Na₂HPO₄ у слабколужному середовищі, яке

створюється амонійною буферною сумішшю (NH₄Cl + NH₄OH), утворює з іонами магнію білий кристалічний осад магній – амоній-фосфату:

Mg²⁺ + HPO₄^2– + NH₄OH  MgNH₄PO₄ + H₂O

розчинний у кислотах (навіть у слабких).

Виконання: у чисту пробірку взяти 1 – 2 краплі розчину солі магнію

(MgCl₂, Mg(NO₃)₂ або MgSO₄) додати 2 – 3 краплі NH₄Cl_, 1 – 2 краплі NH₄OH, перемішати і додати 2 – 3 краплі Na₂HPO₄. Білий кристалічний осад повинен з‘явитися тільки після додавання останнього реактиву.

Гідрофосфат натрію утворює білі осади також з катіонами другої аналітичної групи:

3Ca²⁺ + 2HPO₄^2– + 2NH₄OH  Ca₃(PO₄ )₂ + 2NH₄⁺ + 2H₂O;

3Ba ²⁺ + 2HPO₄^2– + 2NH₄OH  Ba₃ (PO₄ )₂ + 2NH₄⁺ + 2H₂O.

тому перед відкриттям Mg²⁺ у невідомому розчині потрібно пересвідчитися, що там відсутні ці іони. Катіони другої аналітичної групи можна відкрити і відокремити від Mg²⁺ за допомогою групового реактиву (NH₄)₂CO₃, який осаджує Ca²⁺ і Ba²⁺ але не осаджує Mg²⁺.

2. Гідроксид калію КОН осаджує іони Mg²⁺ у вигляді білого аморфного осаду Mg(ОН)₂. Ця реакція використовується не для відкриття іонів Mg²⁺, а для їх відокремлення перед відкриттям іона Na⁺, якому Mg²⁺ заважає.

3. Карбонат натрію Na₂CO₃ осаджує іони Mg²⁺ у вигляді білого осаду основного карбонату магнію:

2Mg²⁺ + 2CO₃^2– + H₂O  (MgOH)₂CO₃ + CO₂

який розчиняється (не осаждується) у присутності солей амонію. З цією реакцією потрібно ознайомитися більш детально за підручником, щоб зрозуміти, чому Mg²⁺ потрапляє у першу, а не у другу аналітичну групу катіонів.

Реакції пп. 2 і 3 не використовуються для відкриття Mg²⁺, але вони дуже важливі для хіміко – аналітичної характеристики магнію, тому вивчення їх потрібно залишити як домашнє завдання для роботи з підручником.