Сірководнева класифікація катіонів

Сірководнева класифікація катіонів

№ групи	Катіони	Груповий реагент	Характеристика групи
І	K^+, Na^+, NH4^+, Mg^2+	немає	–
ІІ	Ca^2+, Ba^2+, Sr^2+	(NH4)2CO3 + NH4OH + NH4Cl Карбонати не розчиняються у воді	CaCO3, SrCO3, BaCO3 - білі
ІІІ	Fe^2+, Fe^3+, Mn^2+, Zn^2+, Co^2+, Ni^2+, Al^3+, Cr^3+	(NH4)2S, pH 9,25 (NH4OH + NH4Cl) Сульфіди не розчиняються у воді, аміаку, розчиняються у НС1	Al(OH)3 - білий Cr(OH)3 – сіро-фіолетовий Fe2S3, FeS, NiS, CoS – чорні; ZnS – білий MgS – тілесний
IV	а) Cu^2+, Hg^2+, Cd^2+, Bi^3+, (Pb^2+); б) As(III, V), Sb (III, V), Sn (II, IV)	H2S, pH 0,5 Сульфіди не розчиняються в НС1	СuS, HgS,Bi2S3 – чорнi; CdS, As2S3, SnS2 – жовті; Sb2S3, Sb2S5 – оранжово-червоні; SnS – бурий; As(V) відновлюється в процесі осадження, As2S3 виділяється тільки в 6 М НС1
V	Ag^+, Pb^2+, Hg2^2+	2 M HCl	AgCl, PbCl2, Hg2Cl2 - білі

Таблиця 3.2.

Кислотно-основна класифікація катіонів

№ групи	Катіони	Груповий реагент	Характеристика групи
І	K^+, Na^+, NH4^+	Немає. Хлориди, сульфати, гідроксиди розчинні у воді.	–
ІІ	Ag^+, Pb^2+, Hg2^2+	2 M HCl. Хлориди не розчиняються у воді та кислотах	AgCl, PbCl2, Hg2Cl2
ІІІ	Ca^2+, Ba^2+, Sr^2+	1 М H2 SO4 Сульфати не розчиняютьсяу воді і кислотах	Ca SO4, Sr SO4, Ba SO4
IV	Zn^2+, Al^3+, Cr^3+ As(III, V), Sn (II, IV)	Надлишок 4 М NaOH або KOH. Гідроксиди не розчиняються у воді, розчиняються в кислотах і в лугах	[Zn(OH)4]^2–, [Al(OH)4]^–, [Cr(OH)4]^–, SnO2^2–, SnO3^2–, AsO3^3–, AsO4^3–
V	Mg^2+, Mn^2+, Bi^3+, Fe^2+, Fe^3+, Sb (III, V)	Надлишок 25% NH4OH/ Гідроксиди не розчиняються у воді, аміаку і лугах	Mg(OH)2, Mn(OH)2, Bi(OH)3,Fe(OH)2, Fe(OH)3, Sb(OH)3, SbO(OH)3
VI	Cu^2+, Hg^2+, Cd^2+, Co^2+, Ni^2+	Надлишок 25% NH4OH. Гідроксиди не розчиняються у воді, надлишку лугу. Розчиняються в аміаку з утворенням аміакатів	[Cu(NH3)4]^2+,[Hg(NH3)4]^2+, [Cd(NH3)4]^2+,[Co(NH3)6]^2+, [Ni(NH3)6]^2+

Ідентифікація катіонів за сірководневою схемою

3.1.1. Характеристика реакцій катіонів першої та другої аналітичних груп:

K⁺, Na⁺, NH₄⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Ba²⁺

З багатьох катіонів першої та другоїаналітичних груп ми вивчаємо ті, що

безпосередньо пов‘язані з харчуванням людини. Тільки катіони барію отруйні і небезпечні для людини, але вони часто використовуються як важливий аналітичний реактив.

Катіони амонію утворюються при розчиненні харчових продуктів у концентрованій сірчаній (сульфатній) кислоті. Органічні сполуки при цьому руйнуються, а аміногрупи амінокислот, з яких побудовані білки, перетворюються на іони амонію. Визначивши кількість іонів амонію у розчині, що утворилися, визначають загальний вміст білків у харчовому продукті.

Натрій, калій, кальцій та магній у вигляді відповідних сполук споживаються людиною щодено у кількості від 0,5 до 5 г – це макроелементи. Натрію ми споживаємо більше ніж потрібно, звикнувши додавати NaCl під час приготування їжі. Тому дуже важливо врівноважувати це споживанням продуктів, багатих на калій, оскільки саме іони натрію і калію у певному співвідношенні підтримують осмотичну рівновагу в організмі людини і регулюють водний обмін. Кальцій потрібен дітям, у яких формуються кістки, і дорослим, оскільки він має протизапальні властивості і виконує багато інших функцій в організмі. Магній нормалізує діяльність нервової системи, знімає спазми, розширює судини та має інші важливі властивості.

Катіони першої та другоїаналітичних груп утворюються елементами основних підгруп першої та другоїгруп періодичної системи. Усі однозарядні катіони належать до першої аналітичної групи разом з іонами амонію. Іони NH₄⁺ у розчині за своїм зарядом і розмірами такі ж, як і іони К⁺. Оскільки осади солей утворюються за рахунок електростатичної взаємодії між катіоном і аніоном, іони NH₄⁺ утворюють осади з усіма реактивами на іони К⁺ і заважають відкриттю калію.

Катіони Mg²⁺ залишаються у розчині разом з катіонами першої аналітичної групи, коли усі інші двозарядні катіони осаждуються карбонатом амонію – груповим реактивом другої аналітичної групи. Тому катіони магнію відносять саме до першої, а не до другої аналітичної групи.

Порядок відкриття катіонів першої аналітичної групи у невідомому розчині

Після виконання аналітичних реакцій студент одержує пробірку з розчином, що містить один з катіонів першої аналітичної групи. Потрібно визначити, який саме. У пробірку з невідомим розчином нічого додавати не можна, а тільки чистою піпеткою відбирати невеликі порції цього розчину у чисту пробірку і там виконувати аналітичні реакції. Порядок виконання аналітичних реакцій з окремими порціями невідомого розчину визначається їх специфічністю. Відкриттю натрію заважають іони NH₄⁺ і Mg²⁺, а відкриттю К⁺ - іон NH₄⁺. З іншего боку, відкриттю NH₄⁺ Mg²⁺ та інші катіони першої групи не заважають. Тому спочатку треба відкрити NH₄⁺ та Mg²⁺, а якщо вони відсутні, шукати К⁺ та Na⁺.

Реакції катіонів другої аналітичної групи

Груповий реактив (NH₄)₂CO₃ – карбонат амонію - у слаболужному середовищі (рН 9), яке створюється амонійною буферною сумішшю (NH₄Cl + NH₄OH), осаджує катіони другої аналітичної групи (краще при нагріванні) у вигляді білих кристалічних осадів:

Ca²⁺ + CO₃^2– ® CaCO₃ ¯

Ba²⁺ + CO₃^2– ® BaCO₃ ¯

Виконання: в одну пробірку взяти 2 – 3 краплі розчину солі барію

(Ва(NO₃)₂ або BaCl₂), в іншу - 2 – 3 краплі солі кальцію (Са(NO₃)₂ або СaCl₂), додати у кожну 3 – 4 краплі NH₄Cl, і 2 – 3 краплі NH₄OH, нагріти і додати 3 – 4 краплі розчину (NH₄)₂CO₃. Спостерігати утворення однакових за зовнішнім виглядом білих осадів.

За допомогою цієї реакції можна відкрити катіони другої аналітичної групи у присутності катіонів першої аналітичної групи, а також відділити будь–який катіон другої групи від будь–якого катіона першої аналітичної групи (крім NH₄⁺).

Осад карбонатів розчиняється не тільки у сильних, а й у слабких кислотах, надлишок яких не заважає подальшому аналізу:

CaCO₃¯ + 2CH₃ COOH ® Ca²⁺ + 2CH₃COO^– + H₂O + CO₂­;

BaCO₃¯ + 2CH₃ COOH ® Ba²⁺ + 2CH₃COO^– + H₂O + CO₂­;

Катіони барію – Ва²⁺

1. Біхромат калію K₂Cr₂O₇ (діхромат калію) утворює з іонами Ва²⁺ жовтий кристалічний осад хромату:

2Ba²⁺ + CrO₇^2–+ H₂O «2BaCrO₄¯ + 2H⁺­;

який розчиняється у сильних кислотах, але не розчиняється в оцтовій кислоті. Як видно з рівняння реакції, при перетворениі діхромату у хромат у розчині з‘являється сильна кислота (вільні іони Н⁺), яка спричиняє зворотню реацію – розчинення осаду. Для повного осадження Ba²⁺ потрібно змістити рівновагу вправо, зв‘язуючи іони Н⁺ ацетатом натрію у молекули оцтової кислоти, яка не заважає осадженню:

H⁺ + CH₃ COO^– «CH₃COOH

Виконання: у чисту пробірку взяти 2 – 3 краплі розчину солі барію

(Ва(NO₃)₂ або BaCl₂), і додати 3 – 4 краплі жовтого розчину K₂Cr₂O₇. Спостерігати утворення незначної кількості жовтого осаду. Додати 2 – 3 краплі розчину CH₃COONa і спостерігати різке збільшення кількості жовтого осаду.

Катіони кальцію та усі інші катіони першої та другої аналітичних груп не заважають цій реакції.

Катіони кальцію – Са²⁺

1. Оксалат амонію (NH₄)₂C₂O₄ осаджує кальцій у видгляді білого кристалічного осаду оксалату кальцію:

Ca²⁺ + C₂O₄^2– = CaC₂O₄¯,

який розчиняється у сильних кислотах і не розчиняється в оцтовій кислоті.

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

(Са(NO₃)₂ або СaCl₂), і додати 2 – 3 краплі розчину(NH₄)₂C₂O₄. Спостерігати утворення білого осаду.

Катіони барію утворюють з оксалатом амонію такий самий білий осад і заважають виконанню реакції на кальцій у невідомому розчині. Тому спочатку потрібно відкрити Ва²⁺ за допомогою K₂Cr₂O₇, і відокремити осад, а вже потім до розчину, в якому відсутні іони Ва²⁺, додавати (NH₄)₂C₂O₄ і відкривати Са²⁺.

Аналітичні реакції аніонів

Усі аніони поділяються на три аналітичні групи залежно від розчинності солей барію і срібла. Аніони першоі аналітичної групи осаджуються катіонами Ва²⁺, аніони другої аналітичної групи осаджуються катіонами Ag⁺, аніони третьої аналітичної групи не мають групового реактива.

У скороченому курсі якісного аналізу з аніонів першої аналітичної групи вивчаються сульфат-, сульфіт-, карбонат- і фосфат-іони, другої – хлорид-, бромід-, йодид-іони, третьої – ацетат-, нітрит- і нітрат-іони. Усі вони мають безпосереднє відношення до харчових продуктів: фосфор, сірка і хлор належать до макроелементів; ацетат і аніони інших органічних кислот входять до складу богатьох харчових продуктів, надаючи їм первого смаку; карбонати і сульфати широко застосовуються у харчових технологіях; нітрати і особливо нітрити негативно впливають на організм людини, їх вміст у харчових продуктах повинен постійно контролюватися методами аналітичної хімії.

Аналіз солей

У скороченому курсі якісного аналізу макро- та мікроелементів аналіз

невідомої речовини є аналізом простої солі, яка містить тільки один катіон та один аніон і розчинна у воді. Сіль видається у сухому вгляді у день виконання індивідуального завдання.

І. Підготовчі операції. Описати зовнішній вигляд солі (кристалічна форма, колір, гігроскопічність тощо) і приготувати її розчин у воді у співвідношенні 1:10. Для цього у чисту пробірку насипати частину виданої солі і долити 10 частин дистильованої води, перемішати скляною паличкою. Цією ж паличкою нанести краплину розчину солі на один край універсального індикаторного папірця (жовтого кольору), з іншого краю – краплину дистильованої води, у якій розчиняли сіль. Порівняти зі шкалою рН і визначити, як змінює розчинена сіль рН води. Зменшення рН вказує на гідроліз солі слабкої основи та сильної кислоти, збільшення – на гідроліз солі сильної основи і слабкої кислоти. Незначний гідроліз (незначну зміну рН) індикаторним папірцем визначити не можна.

Визначення рН розчину солі необхідно перед виконанням багатьох аналітичних реакцій, тому що вони протікають тільки у певному середовищі.

ІІ. Відкриття катіону солі. Спочатку відкривають аналітичну групу, а вже потім – сам катіон. Реакції виконують у чистих пробірках з невеликими порціями розчину солі.

1. Відкриття катіонів V групи: додати 2 М розчин НСІ. Утворення білого осаду вказує на присутність катіону V групи (Pb²⁺). З новою порцією розчину солі виконати реакцію на Pb²⁺ з KJ (“золотий дощ”) або з K₂CrO_4.

2. Відкриття катіонів IV групи. Якщо з НСІ білий осад не утворився, до того ж розчину додати ще НСІ і розчин Н₂S (має неприємний запах). Утворення темного осаду (CuS чорний, SnS коричневий) вказує на присутність катіону IV групи. З новою порцією розчину солі виконати реакції на Cu²⁺ з NH₄OH або K₄[Fe(CN)₆]. Якщо Cu²⁺ немає - на Sn²⁺ з HgCI₂ або з FeCI₃+K₃[Fe(CN)₆].

3. Відкриття катіонів ІІІ групи. Якщо з НСІ і Н₂S осаду не було, треба взяти у чисту пробірку нову порцію розчину солі і виконати реакцію з груповим реактивом ІІІ аналітичної групи катіонів: додати по 2 краплі розчинів NH₄CI та NH₄OH, 4 - 5 крапель розчину (NH₄)₂S. Утворення чорних осадів FeS, Fe₂S₃, CoS, NiS або тілесного MnS вказує на присутність катіону ІІІ групи. У чистих пробірках з новими порціями розчину солі виконати індивідуальні реакції на Fe²⁺, Fe³⁺, Co²⁺ , Mn²⁺ та Ni²⁺.

4. Відкриття катіонів ІІ групи. Якщо з груповими реактивами на V, IV та ІІІ аналітичні групи осаду не було, з новою порцією розчину солі виконати реакцію з груповим реактивом ІІ аналітичної групи катіонів: додати по 2 краплі розчинів NH₄CI та NH₄OH, 4 - 5 крапель розчину (NH₄)₂CO₃. Утворення білого осаду вказує на присутність катіону ІІ групи. З новою порцією розчину солі виконати реакцію на Ва²⁺ з K₂Cr₂O₇. Якщо Ва²⁺ немає, виконати реакцію на Са²⁺ з (NH₄)₂C₂O₄.

5. Відкриття катіонів І групи. Якщо з груповим реактивами V, IV, III та ІІ груп осадів не було, в окремих порціях розчину солі відкривають катіони першої аналітичної групи у певній послідовності: NH₄⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺.

ІІІ. Відкриття аніону солі. Спочатку відкривають аналітичну групу, а потім – сам аніон. Не треба шукати аніони, які з уже відкритим катіоном утворюють нерозчинні у воді солі.

1. Відкриття І аналітичної групи аніонів. До нейтрального розчину солі додати ВаСІ₂ (або Ва(NО₃)₂). Утворення білого осаду (BaSO₄, BaSO₃, BaCO₃, Ba₃(PO₄)₂) вказує на присутність аніону І групи. Перевірити розчинність осаду у сильних кислотах - HCI або HNO₃. Нерозчинність у сильних кислотах вказує на присутність BaSO₄. Але аніон SO₄^2– може утворитися у розчині при окисненні SO₃^2–, тому з новою порцією розчину солі потрібно виконати реакцію на SO₃^2–. Якщо осад повністю розчиняється у сильних кислотах, потрібно шукати CO₃^2– або PO₄^3–.

Якщо розчин солі кислий (рН 4 - 5 і менше), після додавання ВаСІ₂ (якщо осад не випадає) додавати по краплині 2 M NH₄OH до нейтральної або слабколужної реакції розчину (рН більше 7). Якщо і у цьому випадку білий осад не випадає, аніонів І групи у розчині немає.

2. Відкриття аніонів ІІ аналітичної групи. До нової порції розчину солі додати 1 - 2 краплі AgNO₃. Утворення світлого осаду (AgCI - білий, AgBr - блідо-жовтий, AgJ - світло-жовтий) вказує на присутність аніону ІІ групи тільки у тому випадку, якщо цей осад не розчиняється у сильних кислотах (HNO₃ розведена). Додати до осаду 4 - 5 крапель 2 М HNO₃, перемішати, упевнитися у тому, що осад не розчинився (суміш не стає прозорою). З новою порцією розчину виконати реакцію з хлорною водою і визначити, який саме аніон ІІ групи входить до складу солі.

3. Відкриття аніонів ІІІ аналітичної групи. Якщо ні катіони Ва²⁺, ні катіони Ag⁺у відповідних умовах не осаджують аніон солі, він належить до ІІІ групи. З окремими порціями розчину солі виконати реакції на СН₃СОО^–, NO₂^– і тільки потім – на NO₃^– - іони.

Визначивши катіон і аніон солі, скласти звіт про роботу і записати відповідь – формулу солі.

Література

1. Жаровський Ф.Т., Пилипенко А.Т., П‘ятницький І.В. Аналітична хімія. - К.:

Вища школа, 1969. - 560 с.

2. Алексеев В.Н. Курс химического качественного полумикроанализа. - М.:Химия, 1973. - 584 с.

3. Алемасова А.С., Зайцев В.М., Єнальєва Л.Я., Щепіна Н.Д., Гождзінський С.М. Аналітична хімія / Під ред. В.М. Зайцева. – Донецьк.: Ноулідж., 2010. – 410 с.

Контрольні запитання

1. У якій послідовності слід відкривати катіони першої аналітичної групи?

2. У якому середовищі проходить реакція Несслера?

3. Чим відрізняються сульфіди катіонів четвертої аналітичної групи від сульфідів катіонів третьої аналітичної групи і як це використовується у якісному аналізі?

4. Які іони відкривають за допомогою диметилгліоксиму і дифеніламіну?

5. До невідомого розчину додали розчин AgNO₃, утворився світлий осад. Що потрібно перевірити, шоб упевнитися в тому, що аніон належить до другої аналітичної групи?

6. Що таке маскування і як воно використовуєть ся в аналітичній хімії?

7. Що таке екстракція і в яких реакціях вона використовується?

8. Які аналітичні групи не мають групового реактиву?

 

Сірководнева класифікація катіонів

№ групи	Катіони	Груповий реагент	Характеристика групи
І	K^+, Na^+, NH4^+, Mg^2+	немає	–
ІІ	Ca^2+, Ba^2+, Sr^2+	(NH4)2CO3 + NH4OH + NH4Cl Карбонати не розчиняються у воді	CaCO3, SrCO3, BaCO3 - білі
ІІІ	Fe^2+, Fe^3+, Mn^2+, Zn^2+, Co^2+, Ni^2+, Al^3+, Cr^3+	(NH4)2S, pH 9,25 (NH4OH + NH4Cl) Сульфіди не розчиняються у воді, аміаку, розчиняються у НС1	Al(OH)3 - білий Cr(OH)3 – сіро-фіолетовий Fe2S3, FeS, NiS, CoS – чорні; ZnS – білий MgS – тілесний
IV	а) Cu^2+, Hg^2+, Cd^2+, Bi^3+, (Pb^2+); б) As(III, V), Sb (III, V), Sn (II, IV)	H2S, pH 0,5 Сульфіди не розчиняються в НС1	СuS, HgS,Bi2S3 – чорнi; CdS, As2S3, SnS2 – жовті; Sb2S3, Sb2S5 – оранжово-червоні; SnS – бурий; As(V) відновлюється в процесі осадження, As2S3 виділяється тільки в 6 М НС1
V	Ag^+, Pb^2+, Hg2^2+	2 M HCl	AgCl, PbCl2, Hg2Cl2 - білі

Таблиця 3.2.