Лабораторная работа 10 Качественные реакции катионов I-III группы и анионов. Анализ смеси I-III группы и анионов.

Теоретическая часть

Для определения качественного химического состава вещества пользуются как химическими, так и физико-химическими методами анализа.

В качественном анализе используются аналитические реакции. Аналитическая реакция - это реакция, которая сопровождается каким-либо внешним эффектом (образованием или растворением осадка, выделением газа, изменением окраски раствора и т.д.), позволяющим сделать вывод о наличии соответствующих ионов или молекул в анализируемом веществе. Аналитические реакции делятся на специфические и групповые.

Специфическая реакция – это аналитическая реакция, внешний эффект которой характерен только для данного иона или соединения. С помощью специфической реакции ион может быть обнаружен в присутствии других ионов.

Групповая реакция – это реакция, внешний эффект которой характерен для группы ионов. С помощью групповых реакций смеси ионов разделяют на аналитические группы.

Большинство аналитических реакций выполняется в водных растворах. Так как подавляющее большинство неорганических соединений в растворах диссоциировано, то при анализе практически определяются не элементы вообще, а ионы. Поэтому качественный анализ делится на анализ (открытие, обнаружение) катионов и анализ анионов.

Качественный анализ может быть выполнен дробным или систематическим методом.

Дробный метод анализа заключается в том, что ионы открывают в любой последовательности при помощи специфических реакций в отдельных пробах раствора в присутствии других ионов. Однако не всегда дробный метод можно использовать на практике, так как не для всех ионов имеются специфические реакции. Поэтому при анализе смеси ионов в основном пользуются систематическим методом анализа.

Систематический метод качественного анализа заключается в том, что смесь ионов с помощью групповых реагентов предварительно разделяют в определенной последовательности на аналитические группы. Отдельные ионы внутри каждой группы обнаруживаются с помощью их аналитических реакций после разделения или в условиях устраняющих (маскирующих) влияние других ионов.

Катионы делятся на шесть аналитических групп:

Первая аналитическая группа катионов (растворимая группа) включает ионы К⁺, Na⁺ и NH₄⁺. Эта группа не имеет группового реагента, так как большинство соединений катионов этой группы хорошо растворимо в воде.

Вторая аналитическая группа катионов (хлоридная группа) включает катионы Ag⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺. Групповым реагентом является соляная кислота, которая осаждает эти катионы в виде малорастворимых хлоридов.

Третья аналитическая группа катионов (сульфатная группа) включает катионы Ba²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺. Их групповым реагентом является серная кислота, которая осаждает эти катионы в виде малорастворимых в воде сульфатов.

Четвертая аналитическая группа катионов (амфолитная группа) объединяет катионы Аl³⁺, Cr³⁺, Sn²⁺, Zn²⁺. Групповым реагентом служит раствор щелочи, при действии избытка которого образуются растворимые комплексные соединения (гидроксокомплексы).

Пятая аналитическая группа катионов (гидроксидная группа) включает ионы Mg²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Sb³⁺. В качестве группового реагента используется 25%-ный раствор аммиака, который осаждает эти катионы в виде гидроксидов, нерастворимых в избытке реагента.

Шестая аналитическая группа катионов (аммиакатная группа) объединяет ионы Сu²⁺, Co²⁺, Ni²⁺. Групповым реагентом является 25%-ный раствор аммиака, при избытке которого образуются растворимые в воде комплексные соединения (аммиакаты).

Анализ смеси катионов I-VI аналитических групп, основанный на кислотно-основной классификации, начинают обычно с обнаружения иона аммония дробным методом.

Систематический анализ начинают с осаждения и отделения хлоридов катионов II аналитической группы. Затем переводят в осадок и отделяют сульфаты катионов III аналитической группы. При обработке раствора, полученного после осаждения катионов II и III аналитических групп, избытком раствора гидроксида натрия в осадок переводят основные по своей природе гидроксиды катионов V и VI групп, а в растворе остаются катионы IV аналитической группы в виде соответствующих гидроксокомплексов.

При обработке концентрированным раствором аммиака осадка, содержащего катионы V и VI аналитических групп, катионы VI аналитической группы образуют растворимые комплексные соединения - аммиакаты, тогда как катионы V аналитической группы остаются в осадке в виде соответствующих гидроксидов.

После разделения катионов на группы с помощью групповых реагентов проводят обнаружение ионов внутри каждой группы.

Экспериментальная часть

Проведите качественные реакции катионов I-III групп и анионов : Cl^-, NO₃^-, CO₃^2-, SO₄^2-, результаты занесите в таблицу

№ группы, характеристика группы

Катионы/ Анионы

Групповой реагент

Уравнение реакции (в ионном виде)

Характер получаемых соединений, признаки реакции

Качественные реакции I аналитической группы

1. Аналитические реакции катиона калия, К⁺

1.1. Реакция с гексанитрокобальтатом (III) натрия, Na₃[Co(NO₂)₆]. Гексанитрокобальтат (III) натрия с катионами К⁺ при рН 4–5 образует желтый осадок комплексной соли K₂Na[Co(NO₂)₆] - гексанитрокобальтат (III) калия-натрия:

2K⁺ + Na⁺ + [Co(NO₂)₆]^3-  K₂Na[Co(NO₂)₆]

Выполнение реакции: поместить в пробирку 2-3 капли раствора соли калия и осторожно прибавить 1-2 капли свежеприготовленного раствора Na₃[Co(NO₂)₆] или несколько кристалликов сухой соли. Выполнению реакции мешают ионы NH₄⁺, но осадок (NH₄)₂Na[Co(NO₂)₆] легко разлагается при нагревании. Поэтому реакцию следует проводить при нагревании на водяной бане. Остальные катионы I и II аналитических групп проведению этой реакции не мешают. Если рН раствора > 7, то следует добавить по каплям 2М раствор СH₃COOH, если рН раствора < 3, то следует добавить по каплям 2М раствор CH₃COONa для достижения необходимого значения рН. Среда с рН>7 – недопустима.

Записать наблюдения и уравнение реакции в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

1.2. Окрашивание пламени. Летучие соли калия окрашивают пламя газовой горелки в фиолетовый цвет.

Выполнение реакции: чистую нихромовую проволоку опустить в насыщенный раствор соли калия или в сухую соль калия и затем внести её в пламя горелки. Окраску пламени лучше наблюдать через синее стекло. Записать наблюдения в тетрадь.

Для очистки нихромовой проволоки ее необходимо опустить в концентрированный раствор HCl, затем внести в пламя газовой горелки. Повторить эту операцию несколько раз. Отсутствие окрашивания пламени свидетельствует о чистоте нихромовой проволоки.

2. Аналитические реакции катиона аммония, NH₄⁺

2.1. Реакция со щелочами. Щелочи NaOH или КОН взаимодействуют с солями аммония с выделением газообразного аммиака:

NH₄⁺ + OH^-  NH₃ + H₂O

Выделяющийся аммиак можно обнаружить по запаху или с помощью фенолфталеиновой бумажки, смоченной дистиллированной водой. Образующиеся ионы ОН^- изменяют окраску фенолфталеина с бесцветной на малиновую. Реакция специфична, позволяет обнаружить ион аммония в присутствии всех других ионов.

Выполнение реакции: опыт лучше проводить в “газовой камере” - фарфоровой чашке, накрытой часовым стеклом. На внутреннюю поверхность часового стекла поместить смоченный дистиллированной водой кусочек фенолфталеиновой бумаги. В фарфоровую чашку поместить 2-3 капли раствора щелочи и добавить 1-2 капли раствора любой соли аммония. Закрыть фарфоровую чашку часовым стеклом (слегка подогреть ее на водяной бане).

Записать наблюдения и уравнение реакции в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

2.2. Реакция с реактивом Несслера. Реактив Несслера (смесь K₂[HgI₄] и КОН) образует с катионами NH₄⁺ осадок красно-коричневого цвета [OHg₂NH₂]I:

NH₄⁺ + 2[HgI₄]^2- + 4OH^-  [OHg₂NH₂]I + 7I^- + 3H₂O

Выполнение реакции: на предметное стекло или в пробирку поместить 1-2 капли раствора соли аммония и прибавить к нему 2-3 капли реактива Несслера.

Выполнению реакции мешают катионы металлов (например, Fe³⁺, Cr³⁺ и др.), образующие в щелочной среде окрашенные осадки соответствующих гидроксидов.

Записать наблюдения и уравнение реакции в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

Качественные реакции II аналитической группы

Групповым реагентом на катионы II аналитической группы является 2 М раствор соляной кислоты, которая с катионами Ag⁺, Hg₂²⁺ и Pb²⁺ образует белые осадки AgCl, Hg₂Cl₂ и PbCl₂.

1. Аналитические реакции катиона серебра, Ag⁺

1.1. Реакция с хлоридами. Соляная кислота и растворимые в воде хлориды с катионом серебра образуют белый творожистый осадок AgCl:

Ag⁺ + Cl^-  AgCl

Осадок AgCl растворяется в избытке раствора аммиака с образованием бесцветного комплексного соединения [Ag(NH₃)₂]Cl:

AgCl + 2NH₃  [Ag(NH₃)₂]⁺ + Cl^-

Полученное комплексное соединение устойчиво только в присутствии избытка аммиака и может быть разрушено сильными кислотами (HNO₃, H₂SO₄) с образованием осадка AgCl:

[Ag(NH₃)₂]⁺ + Cl^- + 2H⁺  AgCl + 2NH₄⁺

Выполнение реакции: поместить в центрифужную пробирку (короткая коническая пробирка) 2-3 капли раствора соли серебра и прибавить к нему 2-3 капли 2 М раствора HCl.

Отделить осадок от раствора центрифугированием.

К осадку по каплям добавить раствор аммиака до его полного растворения. К полученному раствору добавить 1-2 капли фенолфталеина и затем по каплям раствор HNO₃ до обесцвечивания раствора. Помутнение раствора указывает на образование осадка AgCl.

Записать наблюдения и уравнения реакций в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

1.2. Реакция с иодидом калия, KI. Иодид калия образует с катионом Ag⁺ светло-желтый осадок иодида серебра, практически нерастворимого в воде и концентрированном растворе аммиака:

Ag⁺ + I^-  AgI

Выполнение реакции: поместитьв пробирку 2-3 капли раствора соли серебра и прибавить к нему 2-3 капли раствора иодида калия.

Записать наблюдения и уравнение реакции в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

2. Аналитические реакции катиона ртути (I), Hg₂²⁺

2.1. Реакция с хлоридами. Соляная кислота и растворимые в воде хлориды с катионом ртути (I) образуют белый осадок хлорида ртути (I) - Hg₂Cl₂ (каломель), при взаимодействии которого с раствором аммиака образуется белый осадок соединения [HgNH₂]Cl и выделяется металлическая ртуть черного цвета.

Hg₂²⁺ + 2Cl^-  Hg₂Cl₂

Hg₂Cl₂ + 2NH₃  [HgNH₂]Cl + Hg + NH₄⁺

Выполнение реакции: поместить в пробирку 2-3 капли раствора соли ртути (I) и добавить к нему 3-4 капли 2М раствора HCl. К образовавшемуся осадку добавить 5-10 капель концентрированного раствора аммиака.

Записать наблюдения и уравнения реакций в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

2.2. Восстановление ртути (I) металлической медью. Металлическая медь восстанавливает Hg₂²⁺ до металла с образованием амальгамы:

Hg₂²⁺ + 2Cu  2Hg + Cu²⁺

Выполнение реакции: на медную монету или медную пластинку поместить 2-3 капли раствора соли ртути (I). Через 2-3 минуты смыть раствор водой и потереть поверхность кусочком фильтровальной бумаги.

Записать наблюдения и уравнение реакции в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

3. Аналитические реакции катиона свинца, Pb²⁺

3.1. Реакция с хлоридами. Соляная кислота и растворимые в воде хлориды образуют с катионами свинца Pb²⁺ белый осадок хлорида свинца, растворимый в горячей дистиллированной воде:

Pb²⁺ + 2Cl^-  PbCl₂

Выполнение реакции: поместить в центрифужную пробирку 2-3 капли раствора соли свинца. Прибавить к нему 2-3 капли 2 М раствора HCl.

Осадок отделить от раствора центрифугированием.

К полученному осадку прилить 2-3 мл дистиллированной воды, смесь перемешать стеклянной палочкой и нагреть пробирку на водяной бане.

Записать наблюдения и уравнение реакции в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

3.2. Реакция с иодидом калия, KI. Иодид калия образует с ионами свинца Pb²⁺ осадок золотисто-желтого цвета, растворимый в горячей дистиллированной воде:

Pb²⁺ + 2I^-  PbI₂

При охлаждении раствора PbI₂ снова выпадает в осадок в виде золотисто-желтых кристаллов. Эту реакцию часто называют “реакцией золотого дождя”.

Выполнение реакции: поместить в пробирку 2-3 капли раствора соли свинца и прибавить к нему 2-3 капли раствора иодида калия. К полученному осадку прилить 3-5 мл дистиллированной воды и нагреть пробирку на водяной бане до полного растворения осадка. Охладить пробирку под струей холодной воды. При медленном охлаждении раствора образуются крупные золотисто-желтые кристаллы PbI₂.

Записать наблюдения и уравнение реакции в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

3.3. Реакция с хроматом калия, K₂CrO₄. Хромат калия с катионами свинца Pb²⁺ образует осадок хромата свинца PbCrO₄ желтого цвета, растворимый в сильных кислотах и щелочах, но нерастворимый в уксусной кислоте:

Pb²⁺ + CrO₄^2-  PbCrO₄

2PbCrO₄ + 2H⁺  2Pb²⁺ + Cr₂O₇^2- + H₂O

PbCrO₄ + 3OH^-  [Pb(OH)₃]^- + CrO₄^2-

Выполнение реакции: в пробирку поместить 2-3 капли раствора соли свинца, добавить к нему 2-3 капли раствора хромата калия. Полученный осадок разделить на две части. В первую пробирку с осадком добавить 4-5 капель 2 М раствора NaOH или КОН. Во вторую пробирку с осадком добавить 4-5 капель 2 М раствора уксусной кислоты, СН₃СООН.

Записать наблюдения и уравнения реакций в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

Качественные реакции катионов III аналитической группы

Групповым реагентом на катионы III аналитической группы является 1 М раствор серной кислоты, которая с катионами Ba²⁺и Ca²⁺ образует осадки белого цвета малорастворимых сульфатов ВaSO₄ и CaSO₄.

1. Аналитические реакции катиона бария, Ва²⁺

1.1. Реакция с серной кислотой. Серная кислота и растворимые сульфаты с ионами бария Ва²⁺ образуют белый кристаллический осадок, нерастворимый в минеральных кислотах:

Ba²⁺ + SO₄^2-  BaSO₄

Выполнение реакции: поместить в пробирку 1-2 капли раствора соли бария и добавить к нему 2-3 капли 1 М раствора H₂SO₄.

Записать наблюдения и уравнение реакции в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

1.2. Реакция с хроматом калия, K₂CrO₄ или дихроматом калия, K₂Cr₂O₇. Хромат калия с ионами бария Ва²⁺ при рН = 4-5 образует желтый осадок хромата бария ВаCrO₄:

Ba²⁺ + CrO₄^2-  ВаCrO₄

Хромат бария растворим в сильный кислотах, но нерастворим в уксусной кислоте. При проведении реакции в уксуснокислой среде определению иона бария не мешают ионы Ca²⁺, так как CaCrO₄ растворим в воде.

Выполнение реакции: смешать в пробирке по 5 капель растворов хлорида бария и хромата калия. Полученный осадок разделить на две пробирки. В первую пробирку с осадком добавить 2-3 мл 2 М раствора HCl, а в другую - 2-3 мл 2 М раствора СН₃СООН.

Записать наблюдения и уравнение реакции в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

1.3. Окрашивание пламени. Летучие соли бария окрашивают пламя газовой горелки в желто-зеленый цвет.

Выполнение реакции: чистую нихромовую проволоку опустить в насыщенный раствор соли бария или в сухую соль и затем внесите её в пламя газовой горелки. Записать наблюдения в тетрадь.

2. Аналитические реакции катиона кальция, Са²⁺

2.1. Реакция с серной кислотой. Серная кислота и растворимые сульфаты образуют с катионом кальция Са²⁺ в концентрированных растворах кристаллы гипса CaSO₄2Н₂О белого цвета, имеющие игольчатую форму:

Сa²⁺ + SO₄^2- + 2Н₂О  СaSO₄ + 2Н₂О

Выполнение реакции: поместить на предметное стекло 1 каплю раствора соли кальция, прибавить к нему 1 каплю 1 М раствора H₂SO₄ и 1 каплю С₂Н₅ОН для уменьшения растворимости. Осторожно нагрейть предметное стекло на водяной бане до появления белых кристаллов гипса. Рассмотреть их под микроскопом.

Записать наблюдения и уравнение реакции в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

2.2. Реакция с оксалатом аммония, (NH₄)₂C₂O₄. Оксалат аммония с ионами кальция Са²⁺ образует белый кристаллический осадок CаC₂O₄, нерастворимый в уксусной кислоте, но растворимый в сильных кислотах:

Сa²⁺ + C₂O₄^2-  CаC₂O₄

Выполнение реакции: поместить в пробирку 1-2 капли раствора соли кальция, 3-4 капли раствора (NH₄)₂C₂O₄ и 1-2 капли 2 М раствора аммиака. Полученный осадок разделить на две части. В первую пробирку с осадком добавить 2-3 мл 2 М раствора HCl, а в другую - 2-3 мл 2 М раствора СН₃СООН.

Записать наблюдения и уравнение реакции в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

2.3. Окрашивание пламени. Летучие соли кальция окрашивают пламя газовой горелки в оранжево-красный цвет.

Выполнение реакции: чистую нихромовую проволоку опустить в насыщенный раствор хлорида кальция или в сухую соль и затем внести её в пламя газовой горелки. Записать наблюдения в тетрадь.

Аналитические реакции анионов

Общепринятой классификации анионов не существует. Чаще всего используется классификация анионов по растворимости их солей бария и серебра.

I Аналитическая группа анионов объединяет ионы SO₄^2-, CO₃^2-, PO₄^3-, SiO₃^2-, которые образуют малорастворимые соли бария. Групповым реагентом является раствор хлорида бария BaCl₂.

II Аналитическая группа анионов включает ионы Cl^-, Br^-, I^-, S^2-, которые образуют малорастворимые соли серебра. Групповым реагентом является раствор нитрата серебра AgNO₃.

III Аналитическая группа анионов объединяет ионы NO₃^-, CH₃COO^-, большинство солей которых хорошо растворимы в воде. Группового реагента нет.

Анализ анионов имеет свои особенности. Анионы открывают дробным методом в отдельных порциях исследуемого раствора. При выполнении характерных реакций на анионы следует обратить особое внимание на свойства и растворимость получаемых осадков солей бария и серебра (т.к. внешний вид осадков многих анионов практически одинаков).