Класифікації йонів на аналітичні групи (угрупування)

При проведенні систематичного аналізу студентам слід знати найбільш поширені схеми класифікацій катіонів та аніонів на групи (угрупування).

Для проведення систематичного ходу аналізу іони поділяють на аналітичні групи. Цей поділ базується на відношенні окремих катіонів і аніонів до дії певних реагентів та на різній розчинності сполук цих іонів у воді, кислотах, лугах або інших розчинах.

Аналітична група — це така група іонів, яка з певним реактивом дає подібні аналітичні реакції. Існує кілька класифікацій катіонів на аналітичні групи (сульфідна,кислотно-лужна і аміачно-фосфатна).

Класичною вважається сульфідна (сірководнева) класифікація катіонів на групи. Вона логічна, тісно пов’язана з Періодичною системою елементів, базується на використанні властивостей різних сполук елементів – сульфідів, карбонатів, хлоридів, аміакатів, полісульфідів тощо. Нижче приводяться три найбільш поширені класифікації катіонів на групи – сульфідна (табл. 6). Фундаментом якісного аналізу аніонів є класифікація їх на групи, що базується на різній розчинності відповідних солей барію чи аргентуму (табл. 7).

Таблиця 6

Сірководнева (сульфідна) класифікація катіонів на групи

Номер група	Катіони	Груповий реагент	Продукти реакції, їх властивості
1	Li^+, Na^+, K^+, NH4^+, Mg^2+	Відсутній	Відсутні
2	Ca^2+, Sr^2+, Ba^2+, (Pb^2+)	(NH4)2CO3 (у присутності NH3·H2O+ NH4Cl)	Осади (CaCO3, SrCO3, BaCO3) розчиняються в кислотах, не розчиняються в лугах, розчині амоніаку
3	Zn^2+, Al^3+, Cr^3+, Mn^2+, Ni^2+, Co^2+, Fe^2+, Fe^3+	(NH4)2S (у присутності NH3·H2O+ NH4Cl)	Осади (ZnS, MnS, NiS, CoS, FeS, Fe2S3, Al(OH)3, Cr(OH)3) розчиняються в кислотах
4	Cu^2+, Cd^2+, Hg^2+, Bi^3+, Sb^3+, Sn^2+, Sn^4+, As^3+	H2S (у присутності HCl)	Осади (CuS, CdS, HgS, Bi2S3, Sb2S3, SnS, SnS2, As2S3) не розчиняються в кислотах. Сульфіди Sb2S3, SnS, SnS2, As2S3 розчиняються в амонію полісульфіді (NH4)2Sx
5	Ag^+, Pb^2+, Hg2^2+	HCl	Осади (AgCl, PbCl2, Hg2Cl2) не розчиняються в розведених кислотах

Таблиця 7

Класифікація аніонів на групи

 

Номер групи	Аніони	Груповий реагент	Продукти реакції, їх властивості
1	SO4^2-, SO3^2-, S2O3^2-, CO3^2-, C2O4^2-, PO4^3-, B4O7^2-, AsO3^3-, AsO4^3-, SiO3^2-, F^-	BaCl2	Осади барієвих солей мають різну розчинність у кислотах: BaSO4 не розчинний у сильних (мінеральних) кислотах; BaSO3, BaC2O4, BaF2  не розчинні в ацетатній кислоті; інші солі добре розчинні у кислотах
2	Cl^-, Br^-, I^-, CN^-, SCN^-, S^2-	AgNO3 (у присутності HNO3)	Солі аргентуму не розчинні у воді та нітратній кислоті
3	NO3^-, NO2^-, CH3COO^-	Відсутній	Відсутні

 

Обладнання, необхідне для проведення якісного аналізу.

 

1.11.1. Реактивні склянки.

Найзручніше користуватись невеликими склянками місткістю 20-50 мл, в яких зберігаються розчини всіх потрібних реагентів. Зручно такі склянки використовувати в комплекті з піпетками, поміщеними в щільну гумову пробку (рис.6). Таким чином вміст склянок досить надійно ізолюється від повітря, пилу, бруду тощо. Відбирати вміст склянки можна лише за допомогою піпетки. Не слід наливати розчин прямо зі склянки. Після відбору розчину піпеткою її треба повернути на місце, щоб не переплутати пробок із піпетками з різних склянок. Останнє може призвести до забруднення реактивів. Не слід також торкатися піпеткою стінок пробірки, предметного скла і т.п., так як при цьому також можливе забруднення.

Рис.6 Штатив з набором реактивів

 

Склянки з реактивами розміщуються у визначеному порядку в штативі для реактивів. Кожен штатив встановлюється на робочому столі і служить для індивідуальної роботи. Категорично забороняється виймати склянки з штатива, так як це може призвести до порушення порядку в їх, розміщенні. Склянки з недостатньо стійкими, отруйними, дурнопахнучими, сухими речовинами, а також концентровані кислоти та основи зберігаються у витяжній шафі і служать для загального користування.

 

Пробірки.

Для індивідуальної роботи студенту надається комплект пробірок – як звичайних, так і центрифужних (рис. 7), які зберігаються в штативі. Пробірки перед використанням ретельно миють, а тоді ополіскують дистильованою водою. В деяких випадках вимиті пробірки сушать.

При дослідженні реакцій, що супроводжуються виділенням газів (CO₂, SO₂, H₂S), отвір пробірки закривають пробкою з газовідвідною трубкою. Кінець останньої занурюють у розчин реагенту.

 

Рис. 7. Центрифужна (а) і звичайна (б) пробірки

Стакани та тиглі.

Випаровування розчинів зразків, висушування препаратів, їх розчинення зручно проводити в хімічних стаканах (рис. 8) чи фарфорових чашках (тиглях). Скляні стакани не можна нагрівати на відкритому вогні. Краще це робити на електричній плитці, попередньо поклавши на нагрівник шматок азбестової матерії. Прожарювання, плавлення зразків проводять лише у фарфорових тиглях у муфельних печах.

 

 

Рис. 8. Хімічний стакан

 

Піпетки.

Піпетки (рис. 9) використовуються для відбору певної частини (аліквоти) розчинів досліджуваної речовини чи реагенту, інколи – для відділення розчину над осадом. Гумовою грушею заповнюють піпетку, попередньо занурену носиком у відповідний розчин. Невірне користування піпеткою може бути причиною багатьох неправильних висновків стосовно складу досліджуваної речовини. Тому слід пам'ятати й дотримуватись найпростіших правил:

ü Піпетки перед використанням ретельно миють, а тоді промивають дистильованою водою.

ü Після роботи не слід класти піпетку на стіл чи штатив, а негайно її вимити й помістити в чисту пробірку.

Рис. 9. Піпетки для якісного аналізу

 

Миття посуду. Хімічний посуд повинен бути чистим. Його миють йоржиками розчинами соди, лугу, миючими засобами. Полоскання здійснюють теплою, тоді холодною та дистильованою водою. Посуд вважається чистим, якщо з внутрішньої частини вода витікає, не залишаючи краплин. При наявності краплин посуд слід мити знову.

Іноді для миття використовують хромову суміш, якою заливають посуд. Залишки хромової суміші добре промивають водою. При роботі з хромовою сумішшю слід бути дуже обережним. Висушують посуд у сушильній шафі.

 

 

1.12. Загальна характеристика п ершої аналітичної групи катіонів

 

До першої аналітичної групи відносять катіони К⁺, Na⁺, NH₄⁺, Mg²⁺. Більшість солей цих катіонів добре розчинні у воді, тому перша аналітична група катіонів не має групового реагента. У водних розчинах всі катіони першої аналітичної групи безбарвні.

Хімічні елементи, катіони яких входять до першої аналітичної групи, розміщені в ІА групі. При утворенні катіонів вони легко віддають по одному електрону, утворюючи електронну структуру інертного газу, наприклад:

₊₁₁Na Is² 2s² 2p⁶ 3s¹ = [Ne] 3s¹  [Ne] 3s°,

Na - e^- →Na⁺.

Віддаючи електрони, атоми s¹-елементів виявляють сильні відновні властивості, що підтверджується від'ємними значеннями окисно-відновних потенціалів у межах 3,0 - 2,7 В. Внаслідок втрати електронів атоми стають катіонами, які з переважною більшістю неметалів утворюють типові іонні сполуки, що добре розчиняються у воді. Катіони першої аналітичної групи характеризуються низькими значеннями відносних електронегативностей і малими іонними радіусами.

З гідроксогрупою (ОН^-) катіони К⁺ і Na⁺ утворюють сильні луги – їдкий натрій (NaОН) і їдкий калій (КОН). Гідроксид амонію (NH₄ОН) – слабка основа з константою дисоціації 1,8 ∙ 10^-5.

Катіон амонію NH₄⁺ також віднесено до першої аналітичної групи катіонів, оскільки він утворює добре розчинні у воді солі, як і йони лужних металів. Треба знати, що солі амонію, на відміну від солей К⁺ і Na⁺, розкладаються при нагріванні і, відповідно, можуть бути видалені з суміші прокалюванням розчину.

Метал магній відноситься до другої групи періодичної системи, у всіх сполуках має ступінь окиснення +2 і відрізняється від інших катіонів першої аналітичної групи деякими властивостями. Так, гідроксид Mg(ОН)₂, на відміну від NaОН, КОН і NH₄ОН, погано розчинний у воді, і є досить слабкою основою. Іон Mg²⁺ є перехідним між катіонами першої і другої груп. Основний карбонат (MgОН)₂СО₃, як і карбонати катіонів другої групи, погано розчинний у воді, однак добре розчиняється в надлишку солей амонію і при дії карбонату амонію (NH₄)₂СО₃ в присутності хлориду амонію NH₄Cl не випадає в осад. Тому Mg²⁺ залишається в розчині разом з катіонами К⁺, Na⁺, NH₄⁺.

Катіони першої аналітичної групи беруть участь в біохімічних і агрохімічних процесах. Вони можуть знаходитися у ґрунті, як в рухомому (доступному для засвоєння рослинами), так і у зв’язаному вигляді.

У водній витяжці з ґрунту йони К⁺, Na⁺, NH₄⁺, Mg²⁺ знаходяться у вигляді легкорозчинних солей (хлоридів, сульфатів, нітратів, карбонатів тощо).

Для лужних ґрунтів характерний підвищений вміст солей натрію (Na₂SO₄, NaCl, NaHCO₃).

При цьому навіть незначний вміст у ґрунті гідрокарбонату натрію є дуже шкідливим для рослин і приводить до їх загибелі.

Іони К⁺ і NH₄⁺, на противагу катіону Na⁺, необхідні для мінерального живлення рослин.

Магній міститься в зеленому пігменті рослин – хлорофілі. Тому незначний вміст солей Mg²⁺  у ґрунті сприяє нормальному розвитку рослин.

Катіони І-ої аналітичної групи входять до складу важливих мінеральних добрив. Калій вносять у ґрунт у вигляді калійної селітри, сульфату, хлориду й інших солей.

Йон NH₄⁺ міститься в амонійній селітрі, сульфаті і хлориді амонію, в амофосі NH₄H₂PO₄ і диамофосі (NH₄)₂НРО_4.

Натрій – складова частина чилійської селітри (NaNО₃). Магній входить до складу доломіту СаСО₃∙МgСО₃, який використовують як вапняне і магнезіальне добриво.

Крім того, сполуки натрію і калію (хлориди, фосфати, гідрокарбонати, складні органічні речовини) є складовими частинами тканин та фізіологічних розчинів тварин. 0,9%-ний розчин NaCl (фізіологічний розчин) використовують при втратах крові та біологічних дослідженнях.

Гідрокарбонат натрію й оксид магнію служать для нейтралізації надлишкової кислотності шлункового соку. Броміди калію і натрію використовуються для заспокоювання нервової системи.

Відомо, що солі амонію утворюються при загниванні білків, а тому наявність їх у природних водах свідчить про забруднення.