Якісний хімічний аналіз. Реакції катіонів 1 та 2 аналітичної групи

Лабораторна робота № 1

Якісний хімічний аналіз. Реакції  катіонів 1 та 2 аналітичної  групи. 

1. Реакції катіонів  І аналітичної  групи

Катіони амонію – NH₄⁺

      1. Луги (NaOH, KOH, Ca(OH)₂) утворюють з іонами амонію нестійкий гідроксид амонію, який розкладається (краще при нагріванні) з виділенням аміаку – безбарвного газу з характерним запахом:

NH₄⁺ +  OH^-  ®  NH₄OH  ®  H₂O  +  NH₃­

      Реакція відома (ще зі шкільного курсу) як найбільш специфічна, тому що усі інші неорганічні  іони такого ефекту не дають і не заважають його спостерігати. Але для того щоб відчути ефект реакції, потрібна значна кількість іонів амонію. Більш чутливою, хоч менш специфічною є реакція Несслера.

      2. Реактив Несслера містить дві  речовини – KOH i K₂[HgJ₄] - у водному розчині. З невеликою кількістью іонів амонію цей реактив утворює червоно–бурий осад оксодимеркурамоній – йодиду:

                                                                  Hg

              NH₄⁺ + 4OH^– + 2[HgJ₄]^2–® [O         NH₂] J¯ + 7J^– + 3H₂O 

                                                                   Hg

який  розчиняється у надлишку NH₄Cl, тому важливо, щоб цього надлишку не було.

      Виконання: у чисту пробірку внести краплю розчину  солі амонію

(NH₄Cl, NH₄NO₃, або (NH₄)₂SO₄), додати 5 - 10 крапель води, перемішати і вилити. До того розчину, який залишився на стінках пробірки, додати 4 - 5 крапель реактиву Несслера (не торкатися пипеткою стінок пробірки!). Спостерігати утворення у пробірці характерного осаду.

      Реакція Несслера протікає у сильно–лужному середовищі (KOH входить до складу реактиву), тому усі катіони, що дають важкорозчинні гідроксиди, випадають в осад. З катіонів першої та другої аналітичних груп тільки катіони магнию дають з реактивом Несслера білий (або жовтуватий внаслідок забруднень) осад, який не заважає спостерігати утворення характерного червоно – бурого осаду, якщо у розчині є амоній. Інші катіони (3 – 5 аналітичних груп), що утворюють темно забарвлені осади гідроксидів, заважають реакції, особливо ферум (ІІІ), який дає з KOH червоно – бурий осад Fe(OH)_{3 .}

Катіони калію – К⁺

   1. Гексанітрокобальтат (ІІІ) натрію  Na₃[Co(NO₂)₆] у нейтральному або слабокислому середовищі утворює з іонами калію жовтий кристалічний осад:

2K⁺  +  Na⁺  +  [Co(NO₂)₆]^3– ® K₂Na[Co(NO₂)₆] ¯

   Виконання: у чисту пробірку внести 1 – 2 краплі розчину солі калію (KCl, KNO₃ або K₂SO₄ ) і додати 2 – 3 краплі розчину Na₃[Co(NO₂)₆] (не торкатися піпеткою стінок пробірки!). Спостерігати утворення жовтого кристалічного осаду. Іноді осад утворюється поступово, протягом кількох хвилин.

   Сильні кислоти і луги розкладають реактив. Для нейтралізації лужного середовища використовують слабку оцтову кислоту, надлишок якої не заважає цій аналітичній реакції.

   Катіони амонію дають з реактивом такий  самий осад, тому при виконанні  задачі перед відкриттям іонів калію у невідомому розчині потрібно з окремою порцією цього розчину виконати реакцію Несслера, щоб упевнитися, що в ньому відсутні іони амонію.

   Розчин  Na₃[Co(NO₂)₆] має темно – коричневий колір з червонуватим відтінком. Реактив готують щодня, тому він зберігається у лабораторії окремо. Якщо розчин має рожевий колір, це означає, що реактив розклався. Такий реактив не дасть характерного осаду з невідомим розчином, навіть якщо там є іони калію. Тому треба приготувати свіжий розчин, або використати реактив №2.

            2. Винна кислота  або її кисла сіль гідротартрат  натрію NaHC₄H₄O₆ у слабокислому середовищі утворює з іонами калію білий кристалічний осад:

K⁺  +  HC₄H₄O₆^–  =  KHC₄H₄O₆ ↓

розчинний у сильних кислотах і лугах. У  сильнокислому середовищі утворюються малодисоційовані молекули слабкої винної кислоти H₂C₄H₄O₆.

У лужному  середовищі кисла сіль переходить у  середню, а тартрат – іон C₄H₄O₆^2– не осаджує іони калію. Слабкі кислоти (наприлад, оцтова) не розчиняють осад і не заважають виконанню реакції.

    Гідротартрат калію може утворювати пересичені розчини. У такому випадку після додавання реактиву, якщо осад не утворився, треба занурити у розчин чисту скляну паличку і потерти нею стінки пробірки, на яких при цьому утворюються центри кристалізації.

    Виконання: у чисту пробірку внести 3 – 4 краплі розчину солі калію і додати 4 – 5 крапель розчину NaHC₄H₄O₆. Якщо осад не утворився, охолодити пробірку під краном з холодною водою, потерти скляною паличкою стінки пробірки.

    Катіони амонію дають такий самий осад. Тому перед відкриттям іонів калію у невідомому розчині треба упевнитися, що там відсутні іони амонію. Якщо ж вони є , треба відокремити їх (солі амонію розкладаються при прожарюванні), а вже потім додавати реактив на іони калію.

Катіони нарію – Na⁺

    Дигідроантимонат калію KH₂SbO₄ у водному розчині перетворюється у гексагідроксостибіат калію:

KH₂SbO₄  +  2H₂O  =  K[Sb(OH)₆] .

З іонами натрію цей реактив дає білий  дрібнокристалічний осад:

Na⁺  +  H₂SbO₄^––  = NaH₂SbO₄ ¯

Для утворення  осаду потрібна досить висока конценрація іонів натрію - реакція малочутлива. Продукт реакції - дигідроантимонат натрію - може утворювати пересичені розчини.

    Виконання: у чисту пробірку внести 5 – 8 крапель  розчину солі натрію

(NaCl, NaNO₃ або Na₂SO₄) і додати 5 – 8 крапель розчину KH₂SbO₄ (не торкатися піпеткою стінок пробірки!). Якщо осад не випадає, треба занурити у розчин чисту скляну паличку і потерти нею стінки пробірки, тримаючи пробірку під краном з холодною водою.

    У сильнолужному середовищі кисла  сіль переходить у розчинну середню і осад не випадає. У кислому середовищі (навіть у слабкокислому, яке дають іони амонію) реактив розкладається і виділяється білий аморфний осад HSbO₃, який заважає спостерігати реакцію на іони натрію. Тому реакція виконується у нейтральному або слабколужному середовищі (рН 7 - 8).

      Іони  магнію заважають реакції, тому що дають  з реактивом білий дрібно-

кристалічний  осад, як і іони нарію. Перед відкриттям іонів натрію у невідомому розчині  потрібно упевнитися, що у ньому відсутні іони магнію, виконавши з окремою порцією цього розчину реакцію на Mg²⁺. Якщо ж іони Mg²⁺ є, їх треба відокремити у вигляді Mg(OH)₂ за допомогою KOH.

Катіони магнію – Mg²⁺

    1. Гідрофосфат натрію Na₂HPO₄ у слабколужному середовищі, яке

створюється амонійною буферною сумішшю (NH₄Cl + NH₄OH), утворює з іонами магнію білий кристалічний осад магній – амоній-фосфату:

Mg²⁺  +  HPO₄^2–  +  NH₄OH  ®  MgNH₄PO₄¯  +  H₂O

розчинний у кислотах (навіть у слабких).

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

(MgCl₂, Mg(NO₃)₂ або MgSO₄) додати 2 – 3 краплі NH₄Cl_, 1 – 2 краплі NH₄OH, перемішати і додати 2 – 3 краплі Na₂HPO₄. Білий кристалічний осад повинен з‘явитися тільки після додавання останнього реактиву.

      Гідрофосфат натрію утворює білі осади також з катіонами другої аналітичної групи:

      3Ca²⁺  + 2HPO₄^2–  + 2NH₄OH ®  Ca₃(PO₄ )₂¯  + 2NH₄⁺ + 2H₂O;

 3Ba ²⁺  + 2HPO₄^2–  + 2NH₄OH ®  Ba₃ (PO₄ )₂¯  + 2NH₄⁺ + 2H₂O.

тому  перед відкриттям Mg²⁺ у невідомому розчині потрібно пересвідчитися, що там відсутні ці іони. Катіони другої аналітичної групи можна відкрити і відокремити від Mg²⁺ за допомогою групового реактиву (NH₄)₂CO₃, який осаджує Ca²⁺ і Ba²⁺ але не осаджує Mg²⁺.

    2. Гідроксид калію КОН осаджує  іони Mg²⁺ у вигляді білого аморфного осаду Mg(ОН)₂. Ця реакція використовується не для відкриття іонів Mg²⁺, а для їх відокремлення перед відкриттям іона Na⁺, якому Mg²⁺ заважає.

    3. Карбонат натрію Na₂CO₃ осаджує іони Mg²⁺  у вигляді білого осаду основного карбонату магнію:

    2Mg²⁺  +  2CO₃^2–  +  H₂O  ® (MgOH)₂CO₃¯  +  CO₂­

який  розчиняється (не осаждується) у присутності  солей амонію. З цією реакцією потрібно ознайомитися більш детально за підручником, щоб зрозуміти, чому Mg²⁺ потрапляє у першу, а не у другу аналітичну групу катіонів.

    Реакції пп. 2 і 3 не використовуються для відкриття Mg²⁺, але вони дуже важливі для хіміко – аналітичної характеристики магнію, тому вивчення їх потрібно залишити як домашнє завдання для роботи з підручником.

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⁺.

2. 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 ¯