Качественный анализ катионов и анионов

 

Теоретические основы. Химические методы качественного анализа основаны на аналитических реакциях, которые имеют специфический эффект (выпадение осадка, выделение газа или изменение цвета раствора) для одного или нескольких ионов, присутствующих в исследуемом растворе. В том случае, если аналитическая реакция характерна для одного иона, ее называют специфической. Например, реакция образования желтого осадка гексанитрокобальтата (III) калия является специфической:

2KCl + Na₃[Co(NO₂)₆] K₂Na[Co(NO₂)₆] + 2NaCl

^{желтый осадок}

В том случае, когда аналитическая реакция имеет сходный эффект для нескольких ионов, она носит название групповой. В частности, ионы Ba²⁺ образуют белые кристаллические осадки с ионами SO₄² , PO₄³ и CO₃² , поэтому нитрат бария – групповой реагент для определения этих ионов.

Качественный анализ можно условно разделить на две части: анализ катионов и анализ анионов. В зависимости от отношения ионов к различным групповым реагентам катионы и анионы делятся на аналитические группы.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ КАТИОНОВ

В основе классификации катионов лежит их различие во взаимодействии с кислотами и основаниями.

Первая аналитическая группа катионов содержит ионы NH₄⁺, Na⁺ и K⁺. Группа не имеет специфического реагента, большинство солей на основе этих ионов хорошо растворимы в воде.

Вторая аналитическая группа катионов включает ионы Ag⁺, Pb²⁺ и Hg₂²⁺. Групповым реагентом является соляная кислота HCl, в присутствии которой происходит осаждение малорастворимых хлоридов вышеуказанных металлов.

В состав третьей аналитической группы катионов входят ионы Ba²⁺ и Ca²⁺, которые образуют белые кристаллические осадки сульфатов кальция и бария при действии на раствор серной кислоты (групповой реагент).

Четвертая аналитическая группа катионов объединяет ионы, основания которых проявляют амфотерные свойства - Al³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺. Групповой реагент – избыток NaOH, который осаждает катионы всех остальных групп (кроме первой) и переводит катионы четвертой группы в форму гидроксокомплексов.

Пятая аналитическая группа катионов содержит ионы Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺. Гидроксид аммония NH₄OH (групповой реагент) переводит их в осадок соответствующих гидроксидов, которые нерастворимы в избытке реагента.

К ионам шестой аналитической группы относятся Cu²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, которые образуют растворимые комплексные аммиакаты в присутствии избытка NH₄OH (групповой реагент).

 

КЛАССИФИКАЦИЯ АНИОНОВ

В основе аналитической классификации анионов лежит их различное отношение к солям бария и серебра.

 

Первая аналитическая группа анионов образована анионами SO₄² , PO₄³ и CO₃² . Эти ионы образуют белые кристаллические осадки в присутствии нитрата бария, который является групповым реагентом.

Вторая аналитическая группа анионов включает ионы Cl , Br и I . Групповой реагент – нитрат серебра, который осаждает вышеуказанные ионы.

Третья аналитическая группа анионов содержит такие ионы, как NO₃ , NO₂ и CH₃COO . Большинство солей на основе этих ионов хорошо растворимо в воде. Групповой реагент отсутствует.

 

Цель работы. Изучение аналитических реакций катионов и анионов и определение состава неизвестного раствора.

 

Порядок работы.

Опыт 1. Качественные реакции катионов и анионов.

Проведите аналитические реакции катионов и анионов, описанные ниже. Обратите внимание на внешний эффект реакций. Результаты оформите в виде таблицы:

 

Группа	Ион	Реагент	Условия	Уравнение реакции	Наблюдения

 

1. Аналитические реакции катионов первой группы

Реакция иона аммония

Концентрированные растворы щелочей выделяют аммиак в газообразном виде из растворов солей аммония.

Налейте в фарфоровую чашку 1 мл раствора соли аммония, добавьте 1 мл концентрированного раствора NaOH и закройте часовым стеклом с прикрепленной индикаторной бумажкой, пропитанной раствором фенолфталеина (газовая камера). Наблюдайте изменение цвета индикаторной бумаги.

Реакция иона натрия

Ионы натрия в растворе можно определить с помощью гексагидроксистибата (V) калия K[Sb(OH)₆].

Возьмите в пробирку 3-5 капель любой соли натрия и добавьте такое же количество раствора K[Sb(OH)₆] (реакция идет в нейтральной среде). Охладите пробирку под струей холодной воды и потрите стеклянной палочкой стенку пробирки. В присутствии ионов натрия выпадает белый кристаллический осадок Na[Sb(OH)₆].

Реакция иона калия

Специфическим реактивом на ионы калия в растворе служит гексанитрокобальтат (III) натрия Na₃[Co(NO₂)₆].

Подкислите раствор, содержащий соль калия, разбавленным раствором уксусной кислоты (рН = 5) и добавьте несколько кристаллов Na₃[Co(NO₂)₆]. Образование желтого осадка K₂Na[Co(NO₂)₆] доказывает присутствие ионов калия в растворе. Ионы аммония мешают определению, поэтому в случае их присутствия в растворе их необходимо удалить кипячением в присутствии NaOH.

 

 

2. Аналитические реакции катионов второй группы

Реакция иона Ag(I)

Соляная кислота образует с Ag⁺ белый осадок хлорида серебра, который растворяется в избытке NH₄OH с образованием комплексного соединения состава.

Возьмите в пробирку 2-3 капли раствора нитрата серебра и добавьте 2 капли разбавленного раствора соляной кислоты. Наблюдайте образование осадка AgCl и его растворение в избытке NH₄OH.

Реакция иона Hg (I)

Соляная кислота HCl образует в присутствии ионов Hg₂²⁺ белый осадок, разлагающийся под действием NH₄OH:

Hg₂²⁺ + 2Cl Hg₂Cl₂

Hg₂Cl₂ + 2NH₄OH_конц. [HgNH₂]Cl + Hg + NH₄Cl + 2H₂O

^{белый осадок черный осадок}

Возьмите в пробирку 2-3 капли раствора нитрата ртути (I) и добавьте 2 капли разбавленного раствора соляной кислоты. Наблюдайте образование белого осадка и изменение его цвета в присутствии NH₄OH.

Реакции иона Pb (II)

a) В присутствии соляной кислоты образуется белый осадок PbCl₂, растворимый в горячей воде.

Возьмите в пробирку 2-3 капли раствора нитрата свинца (II) и добавьте 2 капли разбавленного раствора соляной кислоты. Наблюдайте образование белого осадка. Добавьте дистиллированной воды и нагрейте раствор на водяной бане.

 

б) В присутствии иодида калия образуется желтый осадок иодида свинца (II), который растворяется в горячей воде и кристаллизуется в виде желтых игольчатых кристаллов при охлаждении (золотой дождь).

Возьмите в пробирку 2-3 капли раствора нитрата свинца (II) и добавьте 2 капли раствора иодида калия. Наблюдайте образование желтого осадка. Добавьте дистиллированной воды и нагрейте раствор на водяной бане до растворения иодида свинца. Охладите раствор под струей холодной воды и наблюдайте выпадение золотисто-желтых игольчатых кристаллов («золотой дождь»).

 

 

3. Аналитические реакции катионов III группы

Реакция иона кальция

Оксалат аммония (NH₄)₂C₂O₄ осаждает ионы Ca²⁺ в виде белого кристаллического осадка, растворимого в сильных кислотах и избытке уксусной кислоты (при проведении реакции обратите внимание на рН раствора (нейтральная или слабокислая среда).

Возьмите в пробирку 2-3 капли раствора нитрата или хлорида кальция и добавьте 2 капли раствора оксалата аммония. Наблюдайте образование белого осадка. Испытайте растворимость осадка в разбавленных соляной и уксусной кислотах.

Реакции иона бария

(а) В присутствии серной кислоты ионы Ba²⁺образуют белый кристаллический осадок, нерастворимый в кислотах и щелочах.

Возьмите в пробирку 2-3 капли раствора нитрата или хлорида бария и добавьте 2 капли разбавленного раствора серной кислоты. Наблюдайте образование белого осадка. Испытайте растворимость осадка в кислотах и щелочах.

(б) В нейтральных растворах в присутствии K₂CrO₄ или K₂Cr₂O₇ образуется желтый кристаллический осадок BaCrO₄, который растворим в сильных кислотах.

Возьмите в пробирку 2-3 капли раствора нитрата или хлорида бария и добавьте 2 капли раствора хромата калия. Наблюдайте образование желтого осадка. Испытайте его растворимость в соляной и уксусной кислотах.

 

 

4. Аналитические реакции катионов IV группы

Реакция иона алюминия

Органическое соединение ализарин C₁₁H₆O₂(OH)₂ образует с гидроксидом алюминия малорастворимое комплексное соединение розового цвета.

Поместите на фильтровальную бумагу 1-2 капли любой соли алюминия и подержите ее в парах аммиака (над открытой склянкой с концентрированным раствором гидроксида аммония). Добавьте 1 каплю раствора ализарина и снова поместите бумагу в пары NH₃ на 1-2 минуты. Высушите фильтровальную бумагу над пламенем горелки и наблюдайте образование розового пятна алюминиевого комплекса. (Фиолетовая окраска пятна обусловлена аммонийной солью ализарина, которая разлагается при нагревании).

Реакция иона хрома (III)

Пероксид водорода в щелочных растворах переводит ион хрома (III) в CrO₄² (хромат-ион).

Возьмите в пробирку 2-3 капли раствора любой соли хрома (III), добавьте 6-7 капель раствора NaOH до образования зеленого раствора Na₃[Cr(OH)₆], а затем – 3-4 капли 10%-ного раствора H₂O₂. Нагрейте раствор. Обратите внимание на изменение цвета. (Выделение газа обусловлено процессом разложением пероксида водорода, катализатором которого служат хромат-ионы).

Реакция иона цинка

Дитизон (дифенилтиокарбазон) S=C образует с ионами цинка в слабокислой среде комплексное соединение красного цвета, растворимое в хлороформе CHCl₃.

Возьмите в пробирку 2-3 капли любой соли цинка, добавьте 2-3 капли ацетатного буферного раствора и 2-3 капли раствора дитизона в хлороформе. Встряхните пробирку и наблюдайте изменение цвета органического слоя.

5. Аналитические реакции катионов V группы

Реакция иона железа (II)

Гексацианоферрат (III) калия K₃[Fe(CN)₆] (красная кровяная соль) образует в присутствии ионов Fe (II) темно-синий осадок KFe[Fe(CN)₆].

Возьмите в пробирку 2-3 капли раствора сульфата железа (II) и добавьте 2 капли раствора K₃[Fe(CN)₆]. Наблюдайте образование осадка.

Реакции иона железа (III)

(а) Гексацианоферрат (II) калия K₄[Fe(CN)₆] (желтая кровяная соль) образует в присутствии ионов Fe (III) темно-синий осадок KFe[Fe(CN)₆].

Возьмите в пробирку 2-3 капли раствора хлорида или сульфата железа (III) и добавьте 2 капли раствора K₄[Fe(CN)₆]. Наблюдайте образование осадка.

 

(б) Тиоцианат (роданид) аммония NH₄SCN (или калия KSCN) образует в присутствии ионов Fe (III) кроваво-красный раствор комплексного соединения:

Fe³⁺ + n SCN [Fe(SCN)_n]^{3 n}

Возьмите в пробирку 2-3 капли раствора хлорида или сульфата железа (III) и добавьте 2 капли раствора роданида аммония. Наблюдайте изменение цвета раствора.

Реакция иона марганца (II)

В присутствии азотной кислоты висмутат натрия NaBiO₃ окисляет ионы марганца (II) до марганцевой кислоты HMnO₄.

Возьмите в пробирку 1-2 капли раствора нитрата или хлорида марганца (II), добавьте 1 мл разбавленной азотной кислоты и несколько кристалликов NaBiO₃. Обратите внимание на изменение цвета раствора.

6. Аналитические реакции катионов V группы

Реакция иона меди (II)

Гидроксид аммония образует с ионами меди Cu (II) темно-синий раствор комплексного соединения [Cu(NH₃)₄]²⁺. В присутствии ионов металлов, образующих нерастворимые основания, отделите их осадок на центрифуге и наблюдайте темно-синий цвет раствора.

Возьмите в пробирку 2-3 капли раствора хлорида или сульфата меди (II) и добавьте разбавленный раствор гидроксида аммония до изменения цвета раствора.

Реакция иона кобальта (II)

NH₄SCN (или KSCN) в присутствии органических растворителей образует с ионами Со (II) растворимое комплексное соединение голубого цвета:

Co²⁺ + 4 SCN [Co(SCN)₄]²

Налейте в пробирку 2-3 капли раствора хлорида кобальта (II), добавьте несколько кристаллов NH₄SCN (или KSCN) и 4-5 капель изоамилового спирта или его смеси с эфиром. Встряхните пробирку и наблюдайте появление синего окрашивания органического слоя.

 

Если в растворе одновременно присутствуют ионы Co (II) и Fe (III), синее окрашивание раствора не появляется, так как железо образует с роданид-ионами более прочное комплексное соединение, которое окрашивает раствор в кроваво-красный цвет. Для отделения ионов Co (II) следует добавить к раствору немного кристаллического KF (или NH₄F). В этом случае происходит маскирование ионов Fe (III) (перевод в более прочное бесцветное комплексное соединение K₃[FeF₆]). Поэтому красная окраска раствора не проявляется, и можно открыть ионы Co (II) в присутствии ионов Fe (III).

Реакция иона Ni (II)

Органический реагент – диметилглиоксим (реактив Чугаева), C₄H₈N₂O₂, образует с ионами никеля (II) розовый осадок диметилглиоксимата никеля. Реакция идет в слабощелочной среде в присутствии разбавленного раствора NH₄OH (pH=9):

Ni²⁺ + 2NH₄OH + 2 C₄H₈N₂O₂ Ni(C₄H₇N₂O₂) + 2NH₄⁺ + 2H₂O

Возьмите в пробирку 2-3 капли раствора хлорида или сульфата никеля (II), добавьте несколько капель разбавленного раствора гидроксида аммония и 2 капли раствора диметилглиоксима (реактива Чугаева). Наблюдайте образование осадка.

 

 

7. Аналитические реакции некоторых анионов

Реакция сульфат-ионов SO ₄^2-

Ионы бария образуют с сульфат-ионами белый кристаллический осадок BaSO₄, который нерастворим в сильных минеральных кислотах.

Возьмите в пробирку 2-3 капли раствора сульфата любого металла и добавьте 2 капли раствора нитрата или хлорида бария. Наблюдайте образование белого осадка. Испытайте растворимость осадка в разбавленной азотной кислоте.

Реакция фосфат-ионов РO ₄^3-

Ионы бария образуют с фосфат-ионами белый кристаллический осадок BaНРO₄, который растворим в сильных минеральных кислотах.

Возьмите в пробирку 2-3 капли раствора фосфата натрия или калия и добавьте 2 капли раствора нитрата или хлорида бария. Наблюдайте образование осадка. Испытайте растворимость осадка в разбавленной азотной кислоте. Сравните растворимость фосфата бария с растворимостью сульфата бария.

Реакции карбонат-ионов СO ₃^2-

Ионы бария образуют с карбонат-ионами белый кристаллический осадок, который растворим в кислотах с выделением газа (СО₂).

Налейте в пробирку несколько капель карбоната натрия и добавьте раствор хлорида бария. Наблюдайте образование осадка карбоната бария. Добавьте несколько капель разбавленного раствора азотной кислоты. Выделение газа свидетельствует о присутствии в растворе карбонат-ионов.

Реакции хлорид- и иодид-ионов Cl^- и I^-

В присутствии хлорид-ионов ионы серебра образуют белый осадок AgCl, который растворим в избытке аммиака с образованием комплексного соединения:

¯AgCl + 2NH₃ ® [Ag(NH₃)₂]Cl

Подкисление раствора приводит к разрушению комплексного соединения и образования осадка AgCl.

Осадок AgI – светло-желтый, в избытке аммиака не растворяется.

Возьмите две пробирки и добавьте в одну 2-3 капли раствора хлорида натрия, а в другую – 2-3 капли раствора иодида натрия. Добавьте в каждую пробирку 2 капли раствора нитрата серебра. Наблюдайте образование осадков хлорида и иодида серебра (сравните цвета осадков). Добавьте в каждую пробирку разбавленный раствор гидроксида аммония. В какой из пробирок осадок растворился? Подкислите раствор, содержащий хлорид диамминосеребра, и наблюдайте образование белого осадка AgCl.

Реакция нитрат-ионов NO ₃^-

Дифениламин (C₆H₅)₂NH окисляется нитрат- и нитрит-ионами с образованием продуктов, окрашенных в темно-синий цвет.

Налейте в пробирку несколько капель раствора, содержащего нитрат- или нитрит-анионы, и добавьте (по стенке пробирки) 1 каплю дифениламина (соблюдайте осторожность – соединение растворено в концентрированной серной кислоте!). Наблюдайте образование темно-синего пятна на стенке пробирки.

 

Лабораторная работа 12