Качественный анализ на обнаружение КАТОНОВ. Общая характеристика группы

• Название: Общая характеристика группы
• Анкор: Качественный анализ на обнаружение КАТОНОВ.doc
• Дата: 15.12.2017
• Размер: 203.5 Kb.
• Имя файла: Качественный анализ на обнаружение КАТОНОВ.doc
• Тип: Документы; #11570
• страница: 1 из 4

Реакции обнаружения катионов I аналитической группы

Общая характеристика группы

Большинство солей, образованных катионами K⁺, Na⁺, NH₄⁺, растворимы в воде. Растворимы также и гидроксиды этих катионов. Калия и натрия гидроксиды являются сильными основаниями, гидроксид же аммония относят к основаниям слабым. Соли натрия и калия (сульфаты, нитраты, хлориды) гидролизу не подвергаются, соли же аммония и сильных кислот гидролизу подвергаются (в результате гидролиза растворов этих солей создается кислая среда).

Водные растворы солей катионов I группы бесцветны. Группового реактива I группа катионов не имеет.

Реакции катиона калия (K⁺)

1. Натрия гексанитрокобальтат (III) – Na₃[Co(NO₂)₆] дает с растворами солей калия желтый кристаллический осадок K₂Na[Co(NO₂)₆]:

2 KCl + Na₃[Co(NO₂)₆] → K₂Na[Co(NO₂)₆]↓ + 2 NaCl

2 K⁺ + Na⁺ + [Co(NO₂)₆]³‾ → K₂Na[Co(NO₂)₆] ↓

Реакцию нужно вести в слабокислой (уксусной) или нейтральной среде. Сильные кислоты разрушают реактив с выделением азотистой кислоты. Щелочная среда также недопустима, так как при действии щелочей реактив разрушается с образованием бурого осадка кобальта (III) гидроксида. Эта реакция очень чувствительна – предельное разбавление 1:13000, а предел обнаружения калия составляет 20 мкг. Реакцию используют для осаждения иона K⁺ из сыворотки при перманганатометрическом определении калия в крови.

Нужно иметь ввиду, что ион аммония с натрия гексанитрокобальтатом (III) также дает желтый осадок и, следовательно, в присутствии иона аммония эту реакцию использовать для открытия иона калия нельзя.

2. Винная (виннокаменная) кислота H₂C₄H₄O₆ и натрия гидротартрат NaHC₄H₄O₆ осаждают ионы калия из нейтральных и слабокислых растворов (рН 4-5) в виде очень мелких белых кристаллов калия гидротартрата:

H₂C₄H₄O₆ + KCl + CH₃COONa → KHC₄H₄O₆↓ + NaCl + CH₃COOH

H₂C₄H₄O₆ + K⁺ + CH₃COO‾ → KHC₄H₆O₆↓ + CH₃COOH
NaHC₄H₄O₆ + KCl → KHC₄H₄O₆↓ + NaCl

HC₄H₄O₆‾ + K⁺ → KHC₄H₄O₆↓

Калия гидротартрат хорошо растворим в минеральных кислотах и щелочах, но мало растворим в воде и органических кислотах (уксусной, муравьиной и др.). Однако повышение температуры значительно увеличивает растворимость калия гидротартрата в воде и в органических кислотах. При растворении его в минеральных кислотах образуется винная кислота, а в щелочах – средняя соль или, соответственно, двойная соль этой кислоты, которые в воде хорошо растворимы: KHC₄H₄O₆ + HCl → H₂C₄H₄O₆ + KCl

КHC₄H₄O₆↓ + H⁺ → H₂C₄H₄O₆ + K⁺
KHC₄H₄O₆ + KOH → K₂C₄H₄O₆ + H₂O

KHC₄H₄O₆↓ + OH‾ → K⁺ + C₄H₄O₆²‾ + H₂O
KHC₄H₄O₆ + NaOH → KNaC₄H₄O₆ + H₂O

KHC₄H₄O₆↓ + OH‾ → K⁺ + C₄H₄O₆²‾ + H₂O

В связи с тем, что при взаимодействии ионов калия с винной кислотой образуется свободная минеральная кислота и поэтому создается кислая среда раствора, эту реакцию следует проводить в присутствии натрия ацетата. Последний, вступая в обменное разложение с образующейся при реакции минеральной кислотой, нейтрализует ее и тем самым создает уксуснокислую среду, в которой осадок KHC₄H₄O₆ нерастворим:

H₂C₄H₄O₆ + KCl → KHC₄H₄O₆↓ + HCl

HCl + CH₃COONa → CH₃COOH + NaCl

или суммарно:

H₂C₄H₄O₆ + KCl + CH₃COONa → KHC₄H₄O₆↓ + CH₃COOH + NaCl

Таким образом, при изучении химического взаимодействия катионов калия с натрия гидротартратом или винной кислотой, необходимо соблюдать следующее непременное условие: реакцию вести на холоду и в нейтральной среде. Если при этом оказывается, что среда, из которой необходимо обнаружить ионы калия, кислая, ее нейтрализуют натрия гидроксидом (по лакмусу), если же щелочная – нейтрализуют кислотой (лучше уксусной).

Предел обнаружения калия – 1,2 мг.

Натрия гидротартрат дает осадок и с катионом аммония (NH₄HC₄H₄O₆), который по свойствам аналогичен KHC₄H₄O₆. Следовательно, ион аммония мешает открытию иона калия указанным реактивом.

Реакции катиона натрия (Na⁺)

Калия гексагидроксостибиат (Y) K[Sb(OH)₆] c катионом натрия в нейтральных и слабощелочных растворах образует белый кристаллический осадок Na[Sb(OH)₆]:

K[Sb(OH)₆] + NaCl → Na[Sb(OH)₆] ↓ + KCl

[Sb(OH)₆]‾ + Na⁺ → Na[Sb(OH)₆] ↓

С повышением температуры растворимость Na[Sb(OH)₆] значительно увеличивается. В разбавленных щелочах этот осадок не растворяется.

С минеральными кислотами калия гексагидроксостибиат (Y) вступает в химическое взаимодействие с образованием ортосурьмяной кислоты, которая тотчас же разлагается с выделением метасурьмяной кислоты в виде аморфного осадка:

К[Sb(OH)₆] ↓ + HCl → HSbO₃↓ + КCl + 3H₂O

[Sb(OH)₆]‾ + H⁺ → HSbO₃↓ + 3H₂O

Следовательно, в кислой среде открывать катионы натрия калия гексагидроксостибиатом (Y) нельзя, так как в этой среде образуется осадок, даже в отсутствии ионов натрия.

Хотя образующийся при этом осадок и аморфный, однако, по внешнему виду отличить его от кристаллического осадка довольно трудно. Таким образом, кислая среда всегда вызывает "переоткрытие" катионов натрия (калия гексагидроксостибиатом (Y)), так как всякий кислый раствор, если он и не содержит эти катионы, будет давать осадок.

Катионы всех остальных аналитических групп (за исключением Ag⁺, Ni²⁺ и Co²⁺) в той или иной степени с калия гексагидроксостибиатом (Y) также образуют осадок: или в виде соответствующей соли ортосурьмяной кислоты, или же в виде HSbO₃ за счет гидролиза их солей и создания тем самым кислой среды раствора.

Таким образом, при открытии катионов натрия калия гексагидроксостибиатом (Y) должны соблюдаться следующие условия:

а) концентрация ионов натрия должна быть достаточно велика;

б) производить эту реакцию следует на холоду;

в) анализируемый раствор должен быть нейтральным или слабощелочным, но ни в коем случае не кислым;

г) в нем должны отсутствовать почти все остальные катионы (за исключением Ag⁺, Ni²⁺, Co²⁺); наличие даже следовых количеств NH₄⁺ разлагают К[Sb(OH)₆] с выделением белого аморфного осадка HSbO₃, который можно принять за осадок Na[Sb(OH)₆].

д) следует перемешать содержимое пробирки стеклянной палочкой и слегка потереть ею о стенки пробирки (для создания центров кристаллизации).
Реакции катиона аммония (NH₄⁺)

1. Едкие щелочи – NaOH или KOH выделяют из растворов солей аммония при нагревании газообразный аммиак: _t

NH₄Cl + NaOH → NaCl + NH₃↑ + H₂O

NH₄⁺ + ОН‾ → NH₃↑ + H₂O

Эта реакция очень специфична. Предел обнаружения аммония 0,2 мкг.

2. Реактив Несслера – K₂[HgI₄]+KOH образует с ионами аммония характерный красно-бурый осадок:

Hg




NH₄Cl + 2 K₂[HgI₄] + 4 KOH → O NH₂ I ↓ + 7 KI + KCl + 3 H₂O
Hg
NH₄⁺ + 2[HgI₄] ²‾ + 4 ОН‾ → [Hg₂ONH₂]I↓ + 7 I ‾ + 3H₂O

Реакция чувствительна и специфична. Предел обнаружения аммония 0,15 мг. Однако нужно иметь ввиду, что реактив Несслера в своем составе содержит щелочь (КОН); большинство же катионов со щелочами дают нерастворимые в воде основания и многие из них окрашены (например, железа (III) гидроксид – красно-бурого цвета).

3. При изучении реакций на катион К⁺ катион NH₄⁺ мешает открытию иона калия, т.к. с реактивом натрия гексанитрокобальтатом (III) ион аммония дает желтый осадок, образующийся при действии натрия гексанитрокобальтата (III). Из этого следует, что открывая ион калия, нужно быть уверенным в отсутствии иона аммония. Если же ион аммония присутствует в задаче, то его нужно удалить. Для этого пользуются летучестью солей аммония при нагревании. Если соль – хлорид аммония, то реакция идет по следующей схеме: _t

NH₄Cl ↔ NH₃ ↑ + HCl

Проверяют полноту удаления солей аммония обработкой сухого остатка щелочью при нагревании на часовом стекле.

Реакции обнаружения катионов II аналитической группы

Общая характеристика группы

Из солей этих катионов хорошо растворимыми в воде являются лишь нитраты. Оксиды и гидроксиды трудно растворимы. Cеребра (I) гидроксид неустойчив: в момент образования большая часть молекул разлагается по схеме:

2 AgOH ↔ Ag₂O↓ + H₂O

Серебра (I) гидроксид – сильное основание и поэтому растворимые его соли (например, нитрат) гидролизу практически не подвергается, т.к. является солью сильного основания и сильной кислоты.

Свинца (II) гидроксид – слабое основание, проявляющее амфотерные свойства. Отсюда следует, что свинца (II) нитрат гидролизу подвергается, и раствор этой соли имеет кислую реакцию.

Соляная кислота с ионами серебра, свинца, ртути (I) образует трудно растворимые осадки хлоридов. Так как остальные катионы, изучаемые нами, не дают нерастворимых хлоридов, соляная кислота может быть использована в качестве группового реактива на катионы II группы.

Химический анализ катионов II группы имеет большое значение в определении качества изделий из стекла, пищевых продуктов и т.д., поэтому при изучении реакций катионов II группы и при проведении анализа смеси катионов этой группы, следует быть очень внимательными и вдумчиво относиться к условиям проведения тех или иных реакций.

РЕАКЦИИ ОБНАРУЖЕНИЯ КАТИОНОВ СВИНЦА (Pb²⁺)

1. Калия иодид KI – дает с ионами свинца осадок ярко-желтого цвета:

Pb(NO₃)₂ + 2 KI → PbI₂↓ + 2 KNO₃

Pb²⁺ + 2 I‾ → PbI₂↓

Осадок растворим в горячей воде в уксусной среде. После охлаждения выпадают красивые золотистые кристаллы свинца (II) иодида. Предел обнаружения свинца – 100 мкг.

Реакция неселективна: Ag⁺, Hg₂²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺ взаимодействуют с KI. Поэтому для обнаружения свинца предварительно выделяют осадок хлоридов свинца, серебра и ртути (I). При обработке этого осадка горячей водой растворяется только свинца хлорид. К полученному водному раствору после охлаждения прибавляют калия иодид и наблюдают выпадение желтого осадка.

2. Серная кислота и растворимые сульфаты образуют с ионами свинца белый кристаллический осадок свинца (II) сульфата. Осадок растворим при нагревании в едких щелочах с образованием натрия тетрагидроксоплюмбата (II):

Pb(NO₃)₂ + H₂SO₄ → PbSO₄↓ + 2 HNO₃

Pb²⁺ + SO₄²‾ → PbSO₄↓

_t

PbSO₄ + 4 NaOH → Na₂[Pb(OH)₄] + Na₂SO₄

PbSO₄ + 4 OH‾ → [Pb(OH)₄]²‾ + SO₄²‾

Осадок растворим также в растворе аммония ацетата при нагревании.

3. При добавлении калия дихромата или калия хромата к нейтральному или уксуснокислому раствору соли свинца образуется осадок ярко-желтого цвета PbCrO₄:

2 Pb(NO₃)₂ + K₂Cr₂O₇ + 2 CH₃COONa + H₂O →

2 PbCrO₄↓ + 2 CH₃COOH + 2 KNO₃ + 2 NaNO₃

2 Pb²⁺+ Cr₂O₇²‾ + 2 CH₃COO‾ + H₂O → 2 PbCrO₄↓ + 2 CH₃COOH

Осадок PbCrO₄ малорастворим в разбавленных HNO₃ или HCl; практически нерастворим в аммиаке, уксусной кислоте, ацетате и тартрате аммония. Растворяется в NaOH и концентрированной HNO₃. Например:

PbCrO₄↓ + 4 NaOH → Na₂[Pb(OH)₄] + Na₂CrO₄

Эта реакция позволяет отличить PbCrO₄ и BaCrO₄, который не растворяется в NaOH.

Предел обнаружения свинца – 20 мкг. Мешают Ba (II), Sr (II), Bi (III), Hg (II), Ag (I), образующие с хромат-ионами окрашенные осадки.
Реакции обнаружения катионов ртути (I) (Hg₂²⁺)

1. Наиболее характерной, достаточно чувствительной и в то же время, по существу, специфической реакцией на катионы одновалентной ртути является рассмотренное выше взаимодействие ртути (I) хлорида с раствором аммиака (образование черного осадка, состоящего из смеси хлорида меркураммония и металлической ртути). Этой реакцией, как правило, и пользуются в аналитических лабораториях для открытия катионов Hg₂²⁺.

2. Характерной реакцией для катиона Hg₂²⁺ является также взаимодействие их с калия иодидом, при которой образуется темно-зеленый осадок Hg₂I₂. Однако в присутствии катионов Ag⁺ и Pb²⁺ открывать ионы Hg₂²⁺ этой реакцией нельзя, так как они с калия иодидом образуют осадки AgI и PbI₂, желтый цвет которых будет маскировать окраску осадка ртути (I) иодида. Из катионов других групп открытию Hg₂²⁺ этой реакцией мешают Cu²⁺ и при значительных концентрациях – Bi³⁺ и Fe³⁺. При наличии примеси катиона Hg²⁺ с недостатком KI сначала образуется осадок HgI₂ морковного цвета, а при добавлении избытка калия иодида HgI₂ растворяется, а в осадок выпадает Hg₂I₂ темно-зеленого цвета, растворимый в избытке реактива c образованием черного осадка металлической ртути:

Hg₂(NO₃)₂ + 2 KI → Hg₂I₂↓ + 2 KNO₃

Hg₂²⁺ + 2 I‾ → Hg₂I₂↓

Hg₂I₂ + 2 KI → K₂[HgI₄] + Hg↓

Hg₂I₂ + 2 I‾ → [HgI₄]²‾ + Hg↓

Таким образом, если в растворе отсутствуют катионы Ag⁺, Pb²⁺, Cu²⁺ и в значительных концентрациях Bi³⁺ и Fe³⁺, то калия иодид будет специфическим реактивом на катионы одновалентной ртути, так как все остальные катионы не будут мешать открытию Hg₂²⁺ этим реактивом.

3. Металлическая медь восстанавливает ртуть из ее солей в виде металлической ртути (осадок черного цвета). Эту реакцию рекомендуют проводить капельным методом. При очень малых концентрациях Hg₂²⁺ пятно получается светло-серого цвета, так как на поверхности медной пластинки образуется амальгама меди.

Cu + Hg₂(NO₃)₂ → 2 Hg↓ + Cu(NO₃)₂

Cu + Hg₂²⁺ → 2 Hg↓ + Cu²⁺

4. Калия хромат дает при нагревании с солями ртути (I) кирпично-красный осадок Hg₂CrO₄, растворимый в азотной кислоте.

Hg₂(NO₃)₂ + K₂CrO₄ → Hg₂CrO₄↓ + 2 KNO₃

Hg₂²⁺ + CrO₄²‾ → Hg₂CrO₄↓
Реакции обнаружения катионов серебра (Ag⁺)

1. Калия иодид KI – дает с ионами серебра осадок бледно-желтого цвета:

AgNO₃ + KI → AgI↓ + KNO₃

Ag⁺ + I‾ → AgI↓

Осадок нерастворим в растворе аммиака, кислотах. Открытию катиона Ag⁺ данной реакцией мешают катионы Hg₂²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺.

2. Калия хромат при взаимодействии с солями серебра образует кирпично-красный осадок Ag₂CrO₄, растворимый в азотной кислоте и NH₄OH, но нерастворимый в уксусной кислоте: Ag₂(NO₃)₂ + K₂CrO₄ → Ag₂CrO₄↓ + 2 KNO₃

2 Ag⁺ + CrO₄²‾ → Ag₂CrO₄↓

Реакции обнаружения катионов III аналитической группы