Аналитические группы ионов и Периодический закон Д. И. Менделеева



Мы поможем в написании ваших работ!


Мы поможем в написании ваших работ!



Мы поможем в написании ваших работ!


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Аналитические группы ионов и Периодический закон Д. И. Менделеева



Любая аналитическая классификация ионов основана на их химических свойствах, обусловленных положением элемента в Периодической системе и электронным строением.

Аналитические классификации создавались на основе многолетнего опыта работы химиков-аналитиков, но по мере расширения и углубления теории химии появилась возможность их интерпретации с позиций Периодического закона.

Так, согласно сульфидной классификации в I аналитическую группу выделяются катионы, не имеющие группового реактива, – Li+, Na+, K+. Это катионы s1-элементов с электронной структурой благородного газа, низкой относительной электроотрицательностью и малым радиусом. Большинство их солей растворимо в воде вследствие высокой полярности связи, близкой к ионной. В Периодической системе они располагаются в главной подгруппе I группы. К этой же аналитической группе относят ион аммония NH4+, близкий к K+ по радиусу, и ион Mg2+, обладающий близкими свойствами с Li+.

Во II аналитическую группу выделяются катионы, осаждаемые карбонатом аммония в присутствии аммиачного буфера. Это катионы s2-элементов – Ca2+, Ba2+, Sr2+, которые располагаются в главной подгруппе II группы Периодической системы.

К III аналитической группе относятся катионы, которые под действием сульфида аммония в среде амммиачного буфера осаждаются в виде сульфидов или гидроксидов. Те катионы, которые осаждаются в виде гидроксидов, имеют законченные 2- или 8-электронные внешние уровни, как катионы I и II аналитических групп. Катионы
III группы, которые образуют нерастворимые сульфиды, имеют незаконченный уровень с числом электронов от 8 до 18. Катионы
IV и V групп имеют законченный 18-электронный уровень.

Таким образом, аналитические свойства катионов связаны с их положением в Периодической системе, и аналитические классификации логически вытекают из Периодического закона.

Надо отметить, что в любую аналитическую классификацию невозможно объединить ионы так, чтобы в одну аналитическую группу входили ионы, образованные элементами только одной группы Периодической системы. Причины этого следующие:

ü некоторые элементы образуют различные катионы, например, Fe3+ и Fe2+, Нg2+ и Нg22+, Сu2+ и Сu+;

ü один и тот же элемент может образовывать и катионы, и анионы, например, Mn2+ и MnO4, Сr3+ и Cr2O72–, CrO42–.

Принципиальное различие в распределении элементов по группам Периодической системы Д. И. Менделеева и по аналитическим группам заключается в следующем. В основу распределения элементов по группам Периодической системы положены электронные конфигурации их атомов, а в основу распределения ионов по аналитическим группам – свойства их соединений.

Классификация методов анализа в зависимости
от величины пробы

В зависимости от массы пробы (m) или её объёма (V) различают следующие методы анализа.

1) Макроанализ (грамм-метод):


m = 1–10 г;

V = 10–100 мл.


Реакции проводят в обычных пробирках, химических стаканах. Осадки отделяют от раствора фильтрованием.

2) Полумикроанализ (сантиграмм-метод):


m = 0,05–0,5 г;

V = 1–10 мл.


Похож на макроанализ, но используют меньшие количества веществ, а осадки отделяют от раствора центрифугированием. В полумикроанализе применяют пробирочные реакции (см. с. 19).

3) Микроанализ (миллиграмм-метод):


m = 10–3–10–6 г;

V = 10–1 – 10–4 мл.


 

Используют капельные и микрокристаллоскопические реакции (см. с. 19).

4) Ультрамикроанализ (микрограмм-метод):


m = 10–6 – 10–9 г;

V = 10–7 – 10–10 мл.


Для проведения ультрамикроанализа требуется особое оборудование.

5) Субмикроанализ (нанограмм-метод):


m = 10–9 – 10–12 г;

V = 10–7 – 10–10 мл.

 

 


Для проведения субмикроанализа также требуется особое оборудование.

В настоящее время для проведения качественного химического анализа различных объектов используют полумикроанализ и микроанализ.

Техника эксперимента в качественном анализе

В качественном анализе используют пробирочные, капельные и микрокристаллоскопические реакции.

Пробирочные реакции проводят в небольших пробирках вместимостью от одного до нескольких миллилитров, куда помещают одну или несколько капель анализируемого раствора. Аналитический эффект (появление, изменение или исчезновение окраски; образование или растворение осадка; выделение пузырьков газа) наблюдают визуально. Например, пробирочные реакции используют для обнаружения ионов Mg2+ по образованию белого аморфного осадка Mg(OH)2, обнаружения ионов Ва2+ по образованию жёлтого мелкокристаллического осадка ВаCrO4, проведения пробы на выделение газов при анализе смеси анионов и т. д.

Выполняя капельные реакции, визуально изучают продукт реакции, который образуется при смешении одной капли реагента с одной каплей анализируемого раствора. Капельные реакции проводят:

1. на поверхности пластинки (стеклянной, фарфоровой, пластмассовой). Этот способ позволяет отчётливо наблюдать появление или исчезновение окраски, образование осадка;

2. на полоске фильтровальной бумаги. Этот способ используют для цветных капельных реакций;

3. в микрогазовой камере. Этот способ используют для капельных реакций, протекающих с образованием газообразных продуктов.

Пример проведения капельной реакции на поверхности пластинки (часовом стекле) – обнаружение следовых количеств ионов аммония с реактивом Несслера; на полоске фильтровальной бумаги – обнаружение ионов Zn2+ c дитизоном, хромат-ионов с бензидином; в микрогазовой камере – обнаружение ионов аммония по посинению влажной индикаторной бумаги в результате выделения NH3 под действием щёлочи.

Микрокристаллоскопические реакции проводят на предметном стекле, затем рассматривают под микроскопом характерную форму кристаллов. Например, ионы К+ образуют характерные кубические кристаллы чёрного или коричневого цвета K2Pb[Cu(NO2)6] при действии реагента Na2Pb[Cu(NO2)6], а ионы Na+ – прозрачные бесцветные кристаллы в виде удлинённых зёрен при действии реагента KH2SbO4.

 

Методы разделения и обнаружения ионов,

имеющих наибольшее значение

в химической технологии

В производственной деятельности инженеры-технологи сталкиваются с необходимостью контролировать качественный состав сырья и продукции на различных этапах технологического процесса. Наиболее часто в химической технологии применяются соединения катионов I–III аналитических групп, поэтому в настоящем учебном пособии рассматриваются методы разделения и обнаружения только тех ионов, которые наиболее часто встречаются при анализе различных природных и промышленных объектов.

 

Лабораторная работа №1

«Качественные реакции на катионы I аналитической группы».

Общая характеристика

В I аналитическую группу входят катионы Na+, K+, NH4+, Mg2+.

Ионы Na+ и K+относятся к I группе Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Большинство солей катионов этой группы хорошо растворимо в воде. Главное отличие катионов I группырастворимость в воде их сульфидов, гидроксидов, карбонатов и хлоридов. Поэтому катионы I группы не осаждаются групповыми реагентами других групп, а остаются в растворе. Ионы магния, который находится во II группе Периодической системы элементов, по некоторым химическим свойствам ближе к катионам щелочных, а не щелочноземельных металлов. При осаждении II аналитической группы карбонатом аммония в присутствии NH4Cl ионы Mg2+ остаются в растворе.

Все катионы I аналитической группы бесцветны. Окраска некоторых солей обусловлена окраской анионов. Группового реагента, осаждающего все катионы I аналитической группы, нет.

 

Опыт 1. Характерные реакции на ион Na+

Описание 1. Микрокристаллоскопическая реакция с антимонатом калия.

Если в анализируемом раствореотсутствуют ионы NH4+ и Mg2+, то ионы Na+ открывают микрокристаллоскопической реакцией с антимонатом калия KH2SbO4. При этом в нейтральной среде образуется белый мелкокристаллический осадок антимоната натрия NaH2SbO4:

Na+ + KH2SbO4 → NaH2SbO4↓ + K+.

В сильнощелочной среде осадок не образуется, а из сильнокислых растворов выпадает белый аморфный осадок метасурьмяной кислоты HSbO3, поэтому при рассмотрении под микроскопом необходимо убедиться в том, что полученный осадок – кристаллический. Реакцию проводят на холоду. Мешающие ионы – Li+, NH4+, Mg2+.

Описание 2. Микрокристаллоскопическая реакция с цинкуранилацетатом.

КатионыNa+ открывают также микрокристаллоскопической реакцией с цинкуранилацетатом, образующим характерные жёлтые октаэдрические и тетраэдрические кристаллы натрийцинкуранилацетата, не растворимого в уксусной кислоте:

Na+ + Zn[(UO2)3(CH3COO)8] + CH3COO + 9H2O →

→ NaZn[(UO2)3(CH3COO)9]·9H2O .

Мешающие ионы – Li+, K+, NH4+, Mg2+.

На предметное стекло помещают каплю раствора, содержащего ионы натрия, и каплю уксуснокислого раствора цинкуранилацетатом. При облучении ультрофиолетовым светом наблюдают образование характерных кристаллов.

Описание 3. Окрашивание пламени.

Соли натрия окрашивают пламя в интенсивно-жёлтый цвет.

Опыт 2. Характерные реакции на ион K+

 

Описание1. Микрокристаллоскопическая реакция с гексанитрокупратом (II) натрия и свинца.

КатионыK+ в нейтральной среде образуют с гексанитрокупратом (II) натрия и свинца Na2Pb[Cu(NO2)6] чёрные кубические кристаллы K2Pb[Cu(NO2)6]:

2K+ + Na2Pb[Cu(NO2)6] → K2Pb[Cu(NO2)6] + 2Na+ .

На предметное стекло помещают 1 каплю раствора, содержащего ионы калия. Рядом помещают 1 каплю раствора K2Pb[Cu(NO2)6]. Стеклянной палочкой соединяют капли и дают постоять. Рассматривают под микроскопом образовавшиеся кристаллы.

Описание 2. Реакция с гексанитрокобальтатом (III) натрия.

Ионы K+образуют с гексанитрокобальтатом (III) натрия жёлтый кристаллический осадок состава K2Na[PbCo(NO2)6]:

2K+ + Na3[Co(NO2)6] → K2Na[Co(NO2)6] + 2Na+ .

К 2-3 каплям раствора, содержащего ионы калия, добавляют 2-3 капли раствора реагента и слегка нагревают в водяной бане. Образуется желтый осадок. Если раствор кислый, необходимо добавить СН3СООNa до рН 4-5.

Описание 3. Окрашивание пламени.

Соли калия окрашивают пламя в фиолетовый цвет.

 

Опыт 3. Характерные реакции на ион NH4+

Описание 1. Реакция со щелочами.

В пробирку поместить 5-6 капель раствора соли аммония, добавить столько же раствора NaOH. Нагреть пробирку и выделяющиеся из пробирки пары внести мокрую фенолфталеиновую бумажку. Она краснеет. Обратите внимание на запах выделяющегося газа.

NH4Cl + NaOH =

NH4+ + OH → NH3↑ + H2O.

Описание 2.Реакция с реактивом Несслера.

К 1-2 каплям раствора, содержащего ионы аммония, добавляют 1-2 капли реактив Несслера в щелочной среде образует с ионами аммония характерный красно-бурый (оранжевый)осадок:

NH4+ + 2K2[HgI4] + 4KOH → [OHg2NH2]I↓ + KCl + 7KI + 3H2O.

Если концентрация ионов NH4+ мала, осадок не выпадает, а раствор окрашивается в оранжевый цвет. Это наиболее специфическая реакция на ионы NH4+. Катионы I и II групп не мешают определению, т. к. образуют бесцветные гидроксиды.

 

Опыт 4. Характерные реакции на ион Mg2+

Описание 1. Реакции со щелочами и аммиаком.

К 1-2 каплям раствора, содержащего катионы Mg2+, прибавляют 1-2 капли гидроксида аммиака или натрия, образуется белый аморфный осадок гидроксида магния Mg(OH)2:

Mg2+ + 2OH→ Mg(OH)2↓.

Осадок не растворяется в щелочах, но растворяется в кислотах.

Описание 2. Реакция с гидрофосфатом натрия.

К 1-2 каплям раствора, содержащего катионы Mg2+, прибавляют 2-3 капли 2М раствора соляной кислоты, 1 каплю гидрофосфата натрия и при присутствии аммиачного буферного раствора (рН=9) выпадает белый мелкокристаллический осадок магнийаммонийфосфата NH4MgPO4:

Mg2+ + HPO42– + NH3 → NH4MgPO4↓.

Реакцию можно провести как микрокристаллоскопическую.

 

Методы разложения и удаления солей аммония

 

Ионы NH4+ мешают открытию ионов Na+ и K+, поэтому при проведении анализа поступают следующим образом:

─ сначала открывают ионы NH4+;

─ затем полностью удаляют ионы NH4+ (если обнаружены);

─ после полного удаления ионов NH4+ открывают Na+ и K+.

Существуют следующиеспособы удаления катионов NH4+:

1) анализируемый раствор, содержащий катионы аммония, подкисляют концентрированной азотной или соляной кислотой, досуха упаривают в фарфоровой чашке, а затем прокаливают сухой остаток до полного удаления NH4+. Полноту удаления контролируют качественной реакцией с реактивом Несслера;

2) к анализируемому раствору добавляют раствор щёлочи с последующим нагреванием до полного удаления NH4+. Полноту удаления контролируют по влажной индикаторной бумаге.

 

Систематический ход анализа катионов I группы

 

При изучении реакций катионов I аналитической группы можно сделать следующие выводы:

а)присутствие иона NH4+ мешает открытию иона К+ всеми реактивами и открытию иона Na+ реактивом KH2SbO4;

б) обнаружению ионов NH4+ и Mg2+ другие катионы I группы не мешают;

в) ион К+ может быть обнаружен в присутствии ионов Na+ и Mg2+;

г) ионы NH4+ можно удалить из раствора выпариванием и последующим прокаливанием;

д) ионы Mg2+ можно удалить из раствора осаждением в виде Mg(OH)2.

Исходя из этого, систематический ход анализа должен включать следующие операции, которые выполняются в строго определённой последовательности:

1) обнаружение иона NH4+;

2) удаление иона NH4+ (если обнаружен);

3) обнаружение иона К+;

4) обнаружение иона Mg 2+;

5) осаждение иона Mg 2+ (если обнаружен);

6) обнаружение иона Na+.

Схема отделения и разделения ионов внутри I аналитической группы при проведении систематического анализа представлена на рис. 2.

Раствор: NH4+ Na+ К+ Mg 2+
Упаривание раствора и прокаливание сухого остатка

 

 

Газовая фаза: NH3­   Раствор: Na+ К+ Mg 2+
      +КОН
       

 

      Раствор: Na+ К+ Осадок: Mg(OH)2

Рис. 2. Схема разделения катионов I группы

«Качественные реакции на катионы II аналитической группы».

Общая характеристика

Во II аналитическую группу входят катионы Ca2+, Ba2+, Sr2+.

Катионы II аналитической группы осаждаются из водных растворов в виде малорастворимых карбонатов. Групповым реагентом является карбонат аммония (NH4)2CO3 в присутствии NH4OH и NH4Cl (pH≈9,2). При этом значении рН достигается практически полное осаждение карбонатов II группы, а ионы I группы остаются в растворе.

Все карбонаты хорошо растворимы в кислотах, в том числе и слабой уксусной кислоте, с выделением газообразного диоксида углерода, поэтому их осаждение нельзя проводить в кислой среде. Соли Ca2+ и Ba2+ бесцветны. Окраска некоторых солей обусловлена окраской анионов. Растворы гидроксидов Ca2+ и Ba2+ – сильные основания.

Опыт 5. Характерные реакции на ион Ca2+

Описание 1. Реакция с оксалатом аммония.

К 2-3 каплям раствора, содержащего ионы Ca2+, добавляют 2-3 капли раствора реагента. В результате реакции образуется белый кристаллический осадок оксалата кальция CaC2O4:

Ca2+ + C2O42– → CaC2O4↓.

Реакцию проводят в слабокислой среде (рН ≈6–6,5) в присутствии уксусной кислоты, в которой CaC2O4 не растворяется.

Мешают ионы Mg2+, Ba2+, Sr2+, дающие аналогичные осадки.

Описание 2. Реакция с гексацианоферратом (II) калия.

На часовом стекле перемешивают каплю раствора с 2-3 каплями раствора реагента, затем добавляют 1-2 капли раствора хлорида аммония, каплю этанола и снова перемешивают. В результате образуется белый кристаллический осадок гексацианоферрата (II) аммония и кальция (NH4)2Ca[Fe(CN)6]:

2NH4+ + Ca2+ + [Fe(CN)6]4– → (NH4)2Ca[Fe(CN)6]↓.

Осадок не растворим в уксусной кислоте.



Последнее изменение этой страницы: 2016-04-23; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 34.204.180.223 (0.015 с.)