Основные операции качественного химического

Анализа

Основные операции качественного анализа связаны с проведением реакций обнаружения (идентификации) и реакций разделения (отделения) ионов. В практикуме качественного анализа обычно используют полумикрометод (при проведении систематических реакций и в ходе анализа) и микрометод (при выполнении микрокристаллоскопических и капельных реакций). Реакции можно проводить:

1) «мокрым» и «сухим» путем. Химический анализ в растворах называют анализом мокрым путем. Для растворения анализируемого вещества применяют дистиллированную воду, уксусную и минеральные кислоты, органические растворители.

В некоторых случаях вещества анализируют сухим путем, без перевода их в раствор. Обычно такой анализ сводится к испытанию способности вещества окрашивать бесцветное пламя в характерный цвет или придавать определенную окраску сплаву, полученному при нагревании анализируемого вещества с другим веществом. Для проведения испытания платиновую проволоку нагревают в пламени горелки и быстро вносят в сухое анализируемое вещество или его смесь с фосфатом натрия или бурой. Вещество или смесь прилипает к проволоке, её опускают в HCl, образующаяся при этом хлористые соединения обладают большой летучестью и окрашивают бесцветное пламя в характерный для исследуемого элемента цвет;

2) микрокристаллическим методом анализа.Этот метод анализа основан на обнаружении соединений тех или иных элементов при помощи реакций, в результате которых образуются соединения, обладающие характерной формой кристаллов. Кристаллы характерной формы получают при работе с чистым веществом путем внесения капли раствора или кристалла реактива в каплю исследуемого вещества, помещенную на предметном стекле. Через некоторое время появляются кристаллы определенного цвета и формы, которые рассматривают в микроскоп;

 

3 ) капельным и пробирочным методом. Большое значение в аналитической химии приобрел т.н. капельный анализ. При капельном анализе проводят отдельные реакции на фарфоровых или стеклянных пластинках или на фильтровальной бумаге. При этом на пластинку или на бумагу наносят каплю испытуемого раствора и каплю реактива, вызывающего характерное цветное окрашивание или образование кристаллов. Этот метод анализа применим не всегда, тем не менее он служит хорошим средством исследования.

4) бесстружковым методом анализа. Этот метод используют для анализа черных, цветных и драгоценных металлов. Он позволяет сохранить целостный и внешний вид образцов. При бесстружковом методе анализа каплю растворителя металла наносят на поверхность образца. Образовавшийся раствор снимают с поверхности металла капилляром. Затем с полученным раствором проводят соответствующие реакции.

 

Анализ смеси катионов и анионов

Для быстрого определения ограниченного числа содержащихся в смеси катионов или анионов удобнее использовать дробный анализ. Полный анализ многокомпонентной смеси можно провести значительно быстрее, если применить систематический анализ. Для удобства проведения систематического анализа все ионы разделяют на группы, используя сходства или различия свойств ионов в отношении действия групповых реактивов. Например, согласно наиболее удобной в качественном анализе кислотно-основной классификации все катионы делятся на шесть групп по их отношению к серной и соляной кислотам, к едким щелочам и гидроокиси аммония (таблица 1).

Первая группа объединяет катионы NH₄⁺, K⁺, Na⁺, которые не осаждаются ни минеральными кислотами, ни щелочами, т.е. не имеют группового реактива. Катионы второй группы Ag⁺, Hg⁺ и Pb²⁺ осаждаются соляной кислотой. Третью группу образуют катионы Ba²⁺, Sr²⁺ и Cа²⁺, которые осаждаются серной кислотой. В четвертую группу объединяются катионы Zn²⁺, Al³⁺, Сr³⁺, Sn⁴⁺, As³⁺ и As⁵⁺, не выпадающие в осадок при добавлении избытка щёлочи. Пятую группу составляют катионы Fe²⁺, Fe³⁺, Mg²⁺, Мn²⁺, Bi³⁺ , Sb³⁺, Sb⁵⁺. Все они осаждаются раствором щёлочи. Шестая группа катионов Hg²⁺, Cu²⁺, Сd²⁺, Со²⁺ и Ni²⁺ образует гидроокиси, растворимые в избытке раствора гидроокиси аммония с образованием растворимых аммиакатов.

В основу классификации анионов положено различие в растворимости солей бария, серебра, кальция, свинца и др. Общепринятой классификации не существует.

По наиболее распространенной классификации все анионы делятся на три аналитические группы (таблица 2).

Таблица 1 − Разделение катионов на группы по кислотно-щелочной

классификации

Гру-ппа	Катионы	Групповой реагент	Получаемые соединения	Групповая характеристика
	K^+, Na^+, NH4^+	Отсутствует		Хлориды, сульфаты и гидроокиси растворимы в воде
	Ag^+, Pb^2+, Hg2^2+	2н раствор HCl	Осадок AgCl и т.п.	Хлориды нерастворимы в воде
	Ba^2+, Sr^2+, Ca^2+	2н раствор H2SO4	Осадок BaSO4 и т.п.	Сульфаты нерастворимы в воде
	Zn^2+,As^5+Sn^4+,Al^3+, Sn^2+, Cr^3+	Избыток 4 н раствора NaOH или KOH	Раствор ZnO2^2-AlO2^-и т.д.	Гидроокиси растворимы в избытке раствора NaOH и KOH
	Mg^2+, Mn^2+, Bi^3+, Fe^2+, Fe^3+, Sb^3+, Sb^5+,	Избыток 25 % - ного раствора NH4OH	Mg(OH) 2, Mn(OH) 2 и т.д.	Гидроокиси нерастворимы в избытке аммиака
	Сu^2+, Hg^2+, Cd^2+, Co^2+, Ni^2+	Избыток 25 % - ного раствора NH4OH	[Cu(NH3)4]^3+, [Hg(NH3)4]^3+ и т.д.	Аммиакаты растворимы в избытке раствора аммиака

В большинстве случаев анионы открываются дробным методом. Групповые реактивы используются не для отделения группы, а для обнаружения присутствия анионов групп.

При выполнении качественного обнаружения катионов и анионов в определяемом объекте вначале проводят предварительные испытания (определяют некоторые катионы и анионы дробным методом). Затем проводят их разделение на соответствующие группы с помощью групповых реактивов. После этого проводят анализ каждой группы катионов или анионов с целью определения отдельных ионов.

 

 

Таблица 2 − Классификация анионов

Груп- па	Анионы	Групповой реак- тив	Характеристика группы
	SO4^2-, SO3^2-, CO3^2-, PO4^3-, SiO3^2-	BaCl2 в нейтральном или слабощелочном растворе	Соли бария нерастворимы в воде
	Cl^-, Br^-, J^-, S^2-	AgNO3 в присутствии HNO3	Соли серебра нерастворимы в воде и в разбавленной азотной кислоте
	NO3^-, NO2^-, CH3COO^-	Группового реагента нет	Соли бария и серебра растворимы в воде

 

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Лабораторная работа «Качественное определение катионов

и анионов» (6 часов)

Краткая характеристика метода

Анализируемый образец может представлять собой раствор с осадком и без осадка или сухой материал, состоящий из смеси соединений. Качественный анализ образца проводят дробным методом, обнаруживая ионы с помощью специфических реакций. Анализ начинают с обнаружения катионов, а именно с катиона аммония, так как он может быть введен в ходе определения с соответствующими реагентами. Затем проводят определение анионов и делают вывод о составе анализируемого образца.

Обнаружение катионов

2. 1. 2. 1 Обнаружение NH⁺₄

Для обнаружения иона аммония используют два способа:

1) реакция со щелочью. 2–3 капли раствора или соли аммония обрабатывают несколькими каплями 2н раствора щёлочи. Выделяющийся газообразный аммиак обнаруживают по изменению цвета индикаторной бумаги или в обычной пробирке, обращая внимание на запах выделяющегося газа. Едкие щёлочи разлагают соли аммония с выделением газообразного аммиака:

NH₄Cl + NaOH = NH₄OH + NaCl;

NH₄OH = NH₃ ↑₊ H₂O;

 

2) Реакция с реактивом Несслера. 2–3 капли испытуемого раствора обрабатывают избытком щёлочи для осаждения окрашенных гидроксидов, мешающих наблюдению окраски осадка, образующегося в результате реакции катиона аммония с реактивом Несслера.

Осадок гидроксидов отделяют от раствора центрифугированием и к центрифугату добавляют реактив Несслера. Реактив Несслера (смесь комплексной соли K₂[HgJ₄c KOH) образует с катионом NH₄⁺ красно-бурый осадок:

 

NH₄Cl +2K₂[HgJ₄] + 4KOH = [ O<Hg-Hg>NH₂ ]J¯ +KCl +7KJ+ 3H₂O.

2.1.2. 3 Обнаружение Са²⁺

Для обнаружения иона Са²⁺ используют два метода:

1) микрокристаллоскопическая реакция в виде гипса. К 1–2 каплям испытуемого раствора добавляют 1 каплю 2 М раствора H₂SO₄, дают постоять несколько минут, отделяют осадок от раствора. Каплю раствора переносят на предметное стекло, выпаривают до появления каемки и рассматривают кристаллы под микроскопом:

CaCl₂ + H₂SO₄ = CaSO₄¯ + 2HCl;

 

2) окрашивание пламени:

Летучие соли кальция окрашивают бесцветное пламя горелки в кирпично-красный цвет.

2.1.2.4 Обнаружение Fe²⁺ и Fe³⁺

Ионы Fе²⁺ и Fe³⁺ необходимо обнаруживать из первоначального раствора, поскольку в ходе анализа при действии ряда групповых реагентов (H₂S, NaOH, H₂O₂ и др.) происходит изменение степени окисления ионов железа.

Обнаружение Fe²⁺: к 1–2 каплям испытуемого раствора добавляют 1–2 капли HCl (1:1) и 1–2 капли K₃[Fe(CN)₆]. Образование характерного тёмно-синего осадка (турнбулевой сини) указывает на присутствие Fe²⁺:

 

3 Fe²⁺ + 2[Fe(CN)₆]^3- = Fe₃[ Fe(CN)₆ ]₂¯;

 

Обнаружение Fe³⁺: к 1–2 каплям испытуемого раствора добавляют 1–2 капли HCl (1:1) и 1–2 капли K₄ [Fe(CN)₆]. Образование характерного синего осадка (берлинская лазурь) указывает на присутствие Fe³⁺:

4Fe³⁺ + 3[Fe(CN)₆ ]^4- = Fe₄[Fe(CN)₆ ]¯.

 

2.1.2.5 Обнаружение Co²⁺, Ni²⁺, Cr³⁺

Указанные катионы обладают специфическими реакциями, что позволяет обнаруживать их в отдельных порциях первоначального раствора.

Обнаружение Co^{2 +}: к 2–3 каплям испытуемого раствора добавляют раствор CH₃COONa для создания рН 4–5, добавляют несколько капель раствора NH₄F (или NaF) для связывания Fe³⁺ в комплекс, несколько капель NH₄NCS и экстрагируют изоамиловым спиртом:

 

CoCl₂ + 4NH₄NCS = (NH₄)₂[ Co(NCS)₄] + 2NH₄Cl.

 

Тетрароданокобальтат аммония имеет сине-голубую окраску. В присутствии комплексного соединения [Co(CNS)]^2- органический слой растворителя окрашивается в синий цвет.

Обнаружение Ni^{2 +} : к 1–2 каплям испытуемого раствора добавляют раствор NH₄F (или NaF) для связывания Fe³⁺ и Cu²⁺, добавляют водный раствор аммиака (NH₄OH) до запаха и 1–2 капли раствора диметилглиоксима (C₄H₈N₂O₂). В присутствии Ni²⁺ образуется характерный осадок ало-красного цвета.

 

NiSO₄ + 2NH₄OH + 2C₄H₈N₂O₂ = Ni(C₄H₇N₂O₂) ¯ + (NH₄)₂SO₄ + 2H₂О).

 

Обнаружение Cr^{3 +}: к 3–4 каплям испытуемого раствора добавляют 3–4 капли 30 %-ного раствора CH₃COOH, 3–4 капли раствора CH₃COONa и избыток (10–12 капель) 5 %-ного раствора ЭДТА (комплексона 3). Содержимое пробирки нагревают на водяной бане. В присутствии Cr³⁺ появляется фиолетовая окраска комплексного соединения Cr³⁺ c ЭДТА.

Обнаружение анионов

2. 1. 3. 1 Обнаружение сульфат - иона SO₄^2-

Для обнаружения SO₄^2- применяют реакцию с BaCl₂ (хлоридом бария). К 3–4 каплям раствора, содержащего сульфат-иона, прибавляют 2–3 капли раствора хлорида бария:

Ba²⁺ + SO₄^2- =ВaSO₄ ¯ _.

 

Cульфат бария обрабатывают 2М раствором HNO₃ или HCl, при этом осадок не должен растворяться.

2.1.3.2 Обнаружение карбонат - иона СO₃^2-

Для обнаружения аниона CO₃^2- применяют следующую специфическую реакцию: в пробирку помещают 5–6 капель исследуемого раствора, приливают такой же объем 2М соляной кислоты HCl. Кислоты разлагают соли угольной кислоты с выделением углекислого газа:

 

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂CO₃ ;

H₂CO₃ = H₂O + CO₂­.

 

Анион CO₃^2- обнаруживают по появлению пузырьков углекислого газа.

2.1.3.3 Обнаружение хлорид - иона Cl^-

Обнаружение проводят в следующей последовательности: в коническую пробирку к 2–3 каплям исследуемого раствора прибавляют 1–2 капли раствора нитрата серебра. Образование белого творожистого осадка свидетельствует о присутствии ионов Cl^-:

 

Ag⁺ + Cl^- = AgCl¯

 

2.1.3.4 Обнаружение нитрат-аниона NO₃^-

Для открытия нитрат-аниона NO₃^- используют следующую реакцию: на чистое и сухое стекло помещают 4–5 капель раствора дифениламина (С₆Н₅NH С₆Н₅) в концентрированной серной кислоте. Вносят туда же каплю испытуемого раствора и перемешивают. В присутствии аниона NO₃^- появляется интенсивно синяя окраска, обусловленная образованием солей дифенилбензидина.

2.1.3.5 Обнаружение ацетат-анионов СH₃COO^-

Cерная кислота, взаимодействуя с ацетатами, вытесняет из них свободную уксусную кислоту, которая, улетучиваясь при нагревании, придает раствору специфический запах уксуса. В пробирку помещают 5–6 капель исследуемого раствора и добавляют 2 капли концентрированной серной кислоты, осторожно нагревают. Уксусную кислоту обнаруживают по запаху:

2CH₃COOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2CH₃COOH.

 

Результаты определения катионов и анионов в анализируемом объекте заносят в лабораторный журнал и таблицу 3.