Систематический анализ смеси катионов I и II групп

Цель работы: провести качественный анализ раствора, в котором возможно присутствие ионов , K⁺, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Ba²⁺.

Сущность работы. Согласно сульфидной классификации ионы , K⁺, Na⁺ и Mg²⁺ относятся к I аналитической группе, а ионы Ca²⁺ и Ba²⁺ – ко II аналитической группе.

Катионы II группы мешают обнаружению катионов I группы, поэтому их надо предварительно отделить, используя групповой реагент – (NH₄)₂CO₃ в присутствии аммиачного буфера:

В результате выполнения групповой реакции катионы II группы перейдут в осадок в виде карбонатов, а катионы I группы останутся в растворе:

NH4^+, K^+, Na^+, Mg^2+, Ca^2+, Ba^2+
+ (NH4)2CO3, NH4OH, NH4Cl, t °
Раствор: , K^+, Na^+, Mg^2+		Осадок: CaCO3, BaCO3

После разделения на группы проводят анализ раствора и анализ осадка. Осадок необходимо предварительно растворить. Для этого используют уксусную кислоту:

BaCО₃¯ + 2СН₃СООН ® (СН₃СОО)₂Ba + CО₂­ + H₂O

СaCО₃¯ + 2СН₃СООН ® (СН₃СОО)₂Сa + CО₂­ + H₂O

Ион Ba²⁺ мешает обнаружению иона Ca²⁺, поэтому необходимо провести разделение этих ионов внутри группы. Для этих целей используется та же реакция, с помощью которой открывают Ba²⁺, действуя раствором K₂Cr₂О₇ в присутствии ацетатного буфера (СН₃СООН и СН₃СООNa):

2Ba²⁺ + K₂Cr₂О₇ + H₂O ® 2BaCrО₄¯ + 2K⁺ + 2H⁺

В результате ион Ba²⁺ переходит в осадок в виде хромата, а ион Ca²⁺ остается в фильтрате, где его и открывают с помощью характерной реакции.

При анализе раствора, содержащего катионы I группы, также необходимо провести разделения внутри группы. Ионы NH₄⁺ мешают обнаружению K⁺ и Na⁺, поэтому прежде всего их надо удалить. Удаление проводится путем выпаривания раствора до сухих солей и прокаливания сухого остатка до полного удаления NH₄⁺:

В растворе, полученном после удаления , находятся K⁺, Na⁺ и Mg²⁺, причем ионы Mg²⁺ мешают обнаружению ионов Na⁺. Поэтому проводят их разделение, используя реакцию со щелочью KOH:

Мg²⁺ + 2KОН ® Мg(ОН)₂¯ + 2K⁺

В полученном фильтрате открывают ионы Na⁺.

Для обнаружения отдельных ионов в лабораторной работе используют следующие характерные реакции:

 

Ион	Реагент, условия проведения реакции	Аналитическая реакция	Аналитический эффект
Катионы I группы
NH4^+	NaOH (КОН), t °, индикаторная бумага	NH4^+ + OH^– ® NH3 + + H2O	Посинение индикаторной бумаги
реактив Несслера, t °	NH3 + 2K2[HgI4] + 3KOH ® HN-Hg2IOH¯ + 7KI + + 2H2O	Образование красно-бурого осадка или желтого окрашивания
К^+	Na2PbCu(NO2)6, t °	2K^+ + Na2PbCu(NO2)6 ® ® K2PbCu(NO2)6 + 2Na^+	Образование черных кубических кристаллов
Mg^2+	КОН, t °	Мg^2+ + 2КОН ® ® Мg(ОН)2¯ + 2К^+	Образование белого аморфного осадка
Na2HPO4 в присутствии NH4OH и NH4Сl	Mg^2+ + HPO4^2– + NH3 ® ® NH4MgPO4↓	Образование белого кристаллического осадка
Na^+	KH2SbO4, t ° (микрокристаллоскопическая реакция)	Na^+ + KH2SbO4 ® ® NaH2SbO4 + K^+	Образование бесцветных прозрачных кристаллов зернообразной формы
KH2SbO4, рН = 7 (пробирочная реакция)	Na^+ + KH2SbO4 ® ® NaH2SbO4¯ + K^+	Образование белого кристаллического осадка
Катионы II группы
Ba^2+	K2Cr2О7 в присутствии СН3СООН и СН3СООNa	2Ba^2+ + K2Cr2О7 + H2O ® ® 2BaCrО4¯ + 2K^+ + 2H^+	Образование желтого мелкокристаллического осадка
Ca^2+	(NH4)2C2O4, t °	Са^2+ + ® СаС2О4¯	Образование белого кристаллического осадка

Выполнение работы. Получают пробу для проведения анализа, записывают ее номер в лабораторный журнал. Описывают внешний вид раствора (окраска, прозрачность). Далее используют отдельные порции исследуемого раствора для проведения предварительных испытаний и систематического хода анализа.

Предварительные испытания

Определение реакции среды. Определяют значение рН раствора с помощью универсальной индикаторной бумаги, нанеся каплю раствора на полоску универсальной индикаторной бумаги стеклянной па лочкой и сравнив полученную окраску с цветной шкалой.

Обнаружение . Реакцию проводят в «газовой камере», состоящей из двух часовых стекол одинакового размера. На нижнее стекло помещают 1–2 капли анализируемого раствора, 1–2 капли 2 н. раствора NaOH и накрывают другим стеклом, на вогнутую поверхность которого прикреплен кусочек влажной индикаторной бумаги (рис. 1). Посинение индикаторной бумаги свидетельствует о наличии в растворе ионов NH₄⁺.

Проба на присутствие K⁺. Если ионNH₄⁺ не обнаружен, то можно провести пробу на ион K⁺ в предварительных испытаниях. На предметное стекло помещают каплю исследуемого раствора и нагревают его на плитке до появления каемочки сухой соли. На некотором расстоянии от нее наносят каплю Na₂PbCu(NO₂)₆. Реактив осторожно подводят к сухой каемочке соли и через 2–3 мин рассматривают выпавшие кристаллы под микроскопом.

Если в растворе присутствуют ионы K⁺, то образуются кубические кристаллы K₂PbCu(NO₂)₆ черного или коричневого цвета (рис. 2). Ионы NH₄⁺ образуют такие же кристаллы и поэтому мешают реакции.

Систематический ход анализа

2.1. Разделение катионов на группы. К 10–12 каплям исследуемого раствора приливают 1–2 капли NH₄ОН и по каплям – NH₄Сl (для растворения осадка Мg(ОН)₂, который может образоваться при действии NH₄ОН). Даже если осадок не образовался, все равно надо добавить 1–2 капли NH₄Сl для создания буферного раствора.

Затем приливают к раствору избыток (NH₄)₂СО₃ и нагревают содержимое пробирки на водяной бане до 60–70ºС. Если осадок карбонатов катионов II группы образовался, то его отделяют центрифугированием. Чтобы убедиться в полноте осаждения катионов II группы, к прозрачному раствору над осадком добавляют несколько капель (NH₄)₂СО₃. Если раствор мутнеет, прибавляют еще (NH₄)₂СО₃, нагревают, центрифугируют и снова проверяют полноту осаждения.

После проведения групповой реакции катионы I и II групп оказываются разделенными: фильтрат содержит катионы I группы, а осадок – катионы II группы в виде карбонатов.

2.2. Анализ фильтрата.

Удаление NH₄⁺. Фильтрат переносят в фарфоровый тигель, ставят его на плитку и выпаривают досуха. Затем оставляют тигель на плитке на 20–30 мин для прокаливания сухих солей. Когда прекратится выделение белого дыма, тигель снимают с плитки тигельными щипцами и дают ему остыть. Добавляют в тигель несколько капель дистиллированной воды для растворения сухого остатка.

В полученном растворе проверяют полноту удаления ионов NH₄⁺ с помощью реактива Несслера. Для этого каплю раствора переносят на часовое стекло и добавляют 1–2 капли реактива Несслера. Если выпадает красно-бурый осадок, то раствор содержит заметные количества ионов . Если образуется желтое окрашивание, то в растворе есть следовые количества ионов . В случае положительной пробы с реактивом Несслера выпаривание и прокаливание продолжают проводить до тех пор, пока проба не даст отрицательный результат. Полезно сделать холостой опыт, поместив на такое же стекло 1–2 капли реактива Несслера и сравнивая окраски основной и холостой проб.

Обнаружение K⁺ выполняют, как описано выше, если в предварительных испытаниях его не проводили.

Обнаружение Мg²⁺. Ионы Мg²⁺ открывают, используя одну из реакций:

– к 2–3 каплям раствора прибавляют несколько капель NH₄Cl, NH₄OH и Na₂HPO₄. В присутствии Mg²⁺ выпадает белый осадок магнийаммонийфосфата NH₄MgPO₄;

– к 2–3 каплям раствора добавляют несколько капель 2 н. раствора KОН. Содержимое пробирки нагревают на водяной бане. Образование белого аморфного осадка указывает на присутствие ионов Мg²⁺.

Обнаружение ионов Na⁺ можно проводить только в отсутствие ионов Мg²⁺ и NH₄⁺, используя микрокристаллоскопическую или пробирочную реакцию с KH₂SbO₄.

Проведение реакций в отсутствие ионов Мg²⁺

1. Микрокристаллоскопическая реакция с KH₂SbO₄. Каплю раствора, полученного после удаления ионов NH₄⁺, выпаривают досуха на предметном стекле. Затем прямо на высохшую каплю наносят каплю раствора KH₂SbO₄. Если ионы Na⁺ присутствуют, то под микроскопом отчетливо видны бесцветные прозрачные кристаллы зернообразной формы (рис. 3). Кристаллы образуются в месте соединения капли реактива и высушенной капли. Часто кристаллы встречаются только в определенном месте капли и их нужно поискать. При выполнении этой реакции необходимо провести холостой опыт, т. к. в растворе самого реактива практически всегда под микроскопом заметны кристаллы. Они имеют другую форму, которая отличается от формы, приведенной на рис. 3.

2. Пробирочная реакция с KH₂SbO₄. В пробирку наливают 2–3 капли раствора, полученного после удаления ионов NH₄⁺. Затем создают строго нейтральную среду, добавляя пипеткой раствор HNO₃ или KOH до рН 7 по индикаторной бумаге. К нейтральному раствору прибавляют равный объем раствора реактива KH₂SbO₄ и перемешивают стеклянной палочкой. Образование белого кристаллического (не аморфного!) осадка свидетельствует о наличии в растворе ионов Na⁺. Для ускорения образования осадка надо потереть палочкой о стенки пробирки и охладить ее содержимое.

Проведение реакции с предварительным отделением ионов Мg²⁺

Если ионы Мg²⁺ были обнаружены в предыдущем испытании, то их необходимо предварительно отделить. Для этого к отдельной порции раствора из тигля добавляют несколько капель 2 н. раствора KОН, нагревают на водяной бане и центрифугируют. Проверяют полноту осаждения Мg²⁺, снова центрифугируют и отбрасывают осадок Мg(ОН)₂.

Полученный фильтрат нейтрализуют 2 н. раствором НСl до рН 7 по индикаторной бумаге (избыток кислоты недопустим из-за разложения KH₂SbO₄ в кислой среде!) и выпаривают досуха в фарфоровом тигле. Сухой остаток растворяют в 2–3 каплях дистиллированной воды. В полученном растворе обнаруживают ионы Na⁺ микрокристаллоскопической реакцией с KH₂SbO₄ (рис. 3).

2.3. Анализ осадка

Растворение осадка. Осадок карбонатов растворяют в 8–10 каплях 2 н. уксусной кислоты, добавляя ее небольшими порциями и перемешивая содержимое пробирки стеклянной палочкой.

Обнаружение Ва²⁺. Отдельную порцию полученного уксуснокислого раствора нагревают на водяной бане и добавляют несколько капель CH₃COONa. Затем добавляют избыток K₂Cr₂O₇ так, чтобы раствор стал оранжевым. Если при этом выпадает желтый мелкокристаллический осадок, то в анализируемом растворе присутствуют ионы Ва²⁺.

После охлаждения в раствор над осадком добавляют еще несколько капель K₂Cr₂O₇, проверяя таким образом полноту осаждения ионов Ва²⁺. После полного осаждения ионов Ва²⁺ осадок ВаCrО₄ отделяют центрифугированием, а фильтрат используют для обнаружения ионов Са²⁺.

Обнаружение Са²⁺. Катионы открывают в отдельной пробе раствора, не содержащего ионов Ba²⁺. Для этого к 1–2 каплям раствора прибавляют 2–3 капли раствора (NH₄)₂C₂O₄ и нагревают раствор на водяной бане. В присутствии катионов кальция образуется белый кристаллический осадок оксалата кальция.

При отсутствии ионов Ва²⁺ в анализируемом растворе пробу на наличие ионов Са²⁺ лучше провести в свежей порции уксуснокислого раствора, полученного при растворении осадка карбонатов.

 

Лабораторная работа № 2