Качественные реакции в химии. Воронкова, Новгородцева, Мирошниченко. Качественные реакции в хи. Омского государственного технического университета Омск Издательство Омгту 2019 Сведения об издании 1, 2 Омгту, 2019 isbn 9785814929617 2
 Скачать 2 Mb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ ———————————— Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Омский государственный технический университет НА. Воронкова, Л. В. Новгородцева, А. А. Мирошниченко КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ В ХИМИИ Учебное текстовое электронное издание локального распространения Рекомендовано редакционно-издательским советом Омского государственного технического университета Омск Издательство ОмГТУ 2019 ———————————————————————————————— Сведения об издании 1 , 2 © ОмГТУ, 2019 ISBN 978-5-8149-2961-7 2 УДК 542.9 ББК 24.4 В Рецензенты Т. С. Химич, завкафедрой «Техносферная и экологическая безопасность ФГБОУ ВО «СибАДИ», канд. техн. наук НМ. Невенчанная, доцент кафедры Агрохимия и почвоведение ФГБОУ ВО «ОмГАУ им. ПА. Столыпина» Воронкова, НА. Качественные реакции в химии Электронный ресурс : практикум НА. Воронкова, Л. В. Новгородцева, А. А. Мирошниченко ; Минобрнауки России, ОмГТУ. – Электрон. текст. дан. (1,98 Мб). – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2019. – 1 электрон. опт. диск. – Минимальные системные требования процессор Intel Pentium 1,3 ГГц и выше оперативная память 256 Мб и более свободное место на жестком диске 260 Мб и более операционная система Microsoft Windows XP/Vista/7/10; разрешение экрана 1024×768 и выше акустическая система не требуется дополнительные программные средства Adobe Acrobat Reader 5.0 и выше. – ISBN 978-5-8149-2961-7. В практикуме представлены теоретические основы качественного анализа катионов и анионов в неорганической и аналитической химии, а также качественные реакции органических соединений, с помощью которых осуществляют элементный и функциональный анализ. Особое внимание уделено выбору аналитических реакций и способам их выполнения, а также требованиям, предъявляемым к качественным реакциям. Издание содержит тестовые задания и контрольные вопросы, рекомендовано студентам бакалавриата всех форм обучения, направлений и специальностей, изучающим дисциплину Химия, для самостоятельной работы. Редактор О. В. Маер Компьютерная верстка О. Г. Белименко Для дизайна этикетки использованы материалы из открытых интернет-источников ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Сводный темплан 2019 г. © ОмГТУ, 2019 Подписано к использованию 09.12.19. Объем 1,98 Мб. ПРЕДИСЛОВИЕ Практикум состоит из двух разделов, посвященных качественному анализу неорганических и органических химических соединений. В первом разделе описано разделение катионов по шести аналитическим группами анионов потрем в соответствии с кислотно-основной классификацией. Этот раздел включает в себя лабораторные работы двух типов изучение реакций для катионов и анионов, входящих в каждую аналитическую группу, и изучение систематического хода анализа смеси нескольких групп. Во втором разделе приведены используемые в неорганической и аналитической химии качественные реакции, с помощью которых осуществляют элементный и функциональный анализ органических соединений, те. определяют, какие элементы и функциональные группы входят в состав органического соединения. Кроме того, в пособии подробно рассмотрены основные понятия идентификации чувствительность, селективность и специфичность аналитических реакций описаны методы дробного и систематического анализов. Особое внимание уделено выбору аналитических реакций и способам их выполнения, а также требованиям, которые предъявляются к качественным реакциям. Для лучшего понимания и закрепления теоретического материала практикум содержит тестовые задания, контрольные вопросы по разделам. Практикум предназначен для самостоятельной работы студентов всех форм обучения, направлений и специальностей, изучающих дисциплину Химия. 4 1. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Качественный анализ может использоваться для идентификации в исследуемом объекте атомов (элементный анализ, молекул (молекулярный анализ, простых или сложных веществ (вещественный анализ, фаз гетерогенной системы (фазовый анализ, функциональных групп органических соединений функциональный анализ. Качественный анализ необходим для обоснования выбора метода количественного анализа того или иного материала или способа разделения смеси веществ. ОСОБЕННОСТИ АНАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ И СПОСОБЫ ИХ ВЫПОЛНЕНИЯ Обнаруживают вещества с помощью химических реакций или по физическим аналитическим свойствам. В соответствии с этим различают химические или физические (физико-химические) методы качественного анализа. Из физических методов наибольшее развитие получил спектральный анализ, люминесцентные методы, полярография, хроматографический анализ. Анализируемые вещества могут находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии, поэтому качественные аналитические реакции выполняют сухими мокрым способами (газометрическое определение чаще используется в количественном анализе. Анализ сухим способом осуществляют с помощью таких приемов, как пробы на окрашивание пламени, получение цветных стекол (перлов) и рассмотрение металлических корольков. Эти приемы называются пирохимиче- скими. Выполняя пробы окрашивания пламени, исследуемое вещество на петле платиновой (или нихромовой) проволочки вносят в бесцветное пламя горелки. По характерной окраске пламени узнают о присутствии того или иного элемента, например, натрий дает ярко-желтый цвет, калий – фиолетовый, медь – ярко- зеленый, кальций – кирпично-красный и т. д. (рис. 1.1). Окрашенные стекла, или перлы, готовят сплавлением исследуемого вещества с Na 2 B 4 О 7 ·10H 2 О (или с NaNH 4 HPО 4 ·4H 2 О) в ушке платиновой проволоки над пламенем. Окраска перла указывает на присутствие того или иного металла. Так, хром окрашивает перл в зеленый цвет, кобальт – в синий, марганец – в фиолетовый (рис. 1.2). Корольки металлов получают при прокаливании анализируемых минералов на древесном угле с помощью паяльной трубки. По их внешнему виду можно судить о составе испытываемого материала. Рис. 1.1. Качественные реакции ионов металлов по окраске пламени Рис. 1.2. Качественные реакции ионов металлов по окраске перлов Флавицким Ф. М. (1898) предложен метод растирания твердого анализируемого вещества с твердым реактивом. Метод применим в тех случаях, когда при растирании порошков образуются окрашенные соединения или выделяются газообразные вещества. Например, при растирании в фарфоровой ступке нескольких кристаллов Ос твердым NH 4 SCN появляется синяя окраска комплексной соли (О о + 4NH 4 SCN → (О + (NH 4 ) 2 S О 4 Если исследуемое вещество содержит Fe(III), то при растирании с (NH 4 )SCN появляется красно-бурое окрашивание При растирании смеси соли аммония с Са(ОН) 2 выделяется аммиак, обнаруживаемый по характерному запаху. Метод растирания, позволяющий работать сочень небольшим количеством веществ, применяется в полумикро- и микрохимическом анализе. Анализ сухим способом используют главным образом в полевых условиях. В лабораторных условиях чаще применяют реакции, происходящие в растворах. Вещество переводят в раствор, в котором обнаруживают те или иные ионы. Крупным достижением практики качественного анализа явился разработанный в 1920 г. НА. Танаевым и Ф. Файглем метод капельного анализа. Осуществляется он путем взаимодействия капли анализируемого раствора и капли реактива на стеклянной, фарфоровой пластинке или на фильтровальной бумаге. Для качественного анализа пригодны не все реакции, а лишь те, которые сопровождаются каким-либо внешним эффектом выпадением или растворением осадка, изменением окраски анализируемого раствора, выделением газообразных веществ. Такие реакции называют аналитическими. ТРЕБОВАНИЯ К АНАЛИТИЧЕСКИМ РЕАКЦИЯМ . Ч УВСТВИТЕЛЬНОСТЬ РЕАКЦИЙ . С ЕЛЕКТИВНЫЕ И СПЕЦИФИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ Аналитическая реакция должна протекать достаточно быстро и полно. При ее выполнении необходимо соблюдать условия, которые определяются свойствами получающегося продукта. Несоблюдение этих условий может привести к неправильным результатам. Одно из условий – среда. Например, нельзя обнаружить ион Са 2+ действием (NH 4 ) 2 C 2 О 4 в присутствии сильной кислоты, так как СаC 2 О 4 растворим в сильных кислотах. Осадок AgCl растворим в NH 4 OH , поэтому он не может быть получен в аммиачной среде. Другое условие – поддержание необходимой температуры раствора. Большинство аналитических реакций проводят при комнатной температуре или при охлаждении пробирки водой из-под крана. Некоторые реакции требуют нагревания (обнаружение иона действием щелочи на исследуемый раствор. Еще одно условие – достаточно высокая концентрация обнаруживаемого иона, если реакция идет в растворе. Здесь необходимо сказать о чувствительности аналитических реакций, которая определяет возможность обнаружения вещества или иона в растворе. Порог чувствительности характеризуют количественно с помощью обнаруживаемого минимума или минимальной концентрации. Обнаруживаемый минимум – это наименьшее количество вещества, которое удается определить с помощью данной реакции. В качественном анализе применяют только те реакции, обнаруживаемый минимум которых не превышает 50 мкг (1 мкг = г. Порог чувствительности не является постоянной характеристикой аналитической реакции он зависит от условий выполнения реакции кислотности среды, концентрации реагентов, температуры, присутствия посторонних веществ и др. Основным способом повышения чувствительности является концентрирование веществ, которое проводят, упаривая раствор, экстрагируя вещества подходящим растворителем, соосаждая с коллекторами, и другими способами. Перспективно также использование органических реактивов и физических методов обнаружения. Различают специфические и селективные реакции. Селективные, или избирательные, реакции дают сходный внешний эффект с несколькими веществами или ионами. Например, оксалат аммония образует осадки с катионами Са 2+ , Ва 2+ , Sr 2+ . Чем меньше таких ионов, тем более выражена избирательность реакции. Специфической называют такую реакцию, которая позволяет обнаружить вещество или ион в присутствии других веществ. Специфична, например, реакция обнаружения иона действием щелочи при нагревании, так как в этих условиях аммиак может выделиться только из солей аммония NH 4 Cl + NaOH → NH 3 ↑ + НО + NaCl. Специфична реакция йода с крахмалом, реакция с тиоцианат-ионом с образованием кроваво-красного иона и некоторые другие. Однако специфических реакций сравнительно немного. ДРОБНЫЙ И СИСТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Метод дробного обнаружения ионов основан на применении специфических и селективных реакций (иногда прибегают к маскированию мешающих веществ. Он позволяет обнаружить ионы в отдельных порциях исследуемого раствора и производится в любой последовательности. Если используемые реакции не селективны, а мешающее действие посторонних веществ устранить не удается, то применяют систематический ход анализа. Систематический ход анализа – это определенная последовательность выполнения аналитических реакций, при которой каждый ион обнаруживают после того, как будут обнаружены и удалены мешающие ионы. Допустим, что раствор нужно испытать на присутствие катионов Санов нем одновременно может содержаться и ион Ва 2+ . Катион Са 2+ принято обнаруживать в виде оксалата СаСl 2 + (О = О + 2NH 4 Cl. Эта реакция достаточно чувствительна, ноне селективна, так как оксалат аммония дает белый кристаллический осадок не только с Са 2+ , но также с Ва 2+ Поэтому прежде чем определять Са 2+ , необходимо проверить, присутствует ли в растворе мешающий ион Ва 2+ . Последний можно обнаружить в отдельной порции раствора, действуя дихроматом калия, в реакции с которым Ва 2+ дает характерный желтый осадок 2Ва 2+ + НО + СО 2– → 2ВаСrO 4 ↓ + 2Н + Присутствие иона Сане мешает обнаружению Вас помощью этой реакции, так как хромат кальция довольно хорошо растворим вводе (выпадает в осадок только из очень концентрированных растворов солей кальция. Дальнейший ход анализа зависит от результата проведенного испытания. Если окажется, что ион Ва 2+ отсутствует, тов другой порции раствора можно идентифицировать Са 2+ , действуя оксалатом аммония. Если же Ва 2+ присутствует, то прежде чем определять Са 2+ , следует полностью удалить из раствора ионы бария. Для этого навесь раствор действуют избытком хромата (или дихромата) калия, убеждаются, что ионы Ва 2+ полностью осаждены в виде хромата бария и, отделив осадок, обнаруживают ионы кальция. Отделяя один ион от другого, нужно внимательно следить за полнотой разделения, иначе результаты будут ошибочными. Входе систематического анализа ионы выделяют из сложной смеси не по одному, а небольшими группами, пользуясь одинаковым отношением их к некоторым реактивам. Реактивы, позволяющие выделить из сложной смеси группу ионов, называют групповыми. Например, катионы Ag + , Рb 2+ и Hg 2 образуют с анионами малорастворимые хлориды, тогда как хлориды всех других распространенных катионов хорошо растворимы вводе. Поэтому действуя на анализируемый раствор раствором хлороводородной кислоты, можно осадить Ag + , Р, Hg 2 и таким образом отделить их от остальных катионов. HCl здесь – групповой реактив (реагент. КЛАССИФИКАЦИИ КАТИОНОВ Удобство применения групповых реагентов в том, что они позволяют сложную аналитическую задачу разделить на несколько более простых. На этой основе разработаны аналитические классификации катионов и анионов. Каждая из них рассчитана на использование 3–4 общих реактивов. Наибольшее распространение получили сульфидная, кислотно-основная и аммиачно-фосфатная классификации катионов, основанные на применении соответствующих групповых реактивов. Аналитические классификации катионов базируются на их свойствах и тесно связаны с положением элементов в Периодической системе Д. И. Менделеева. Так, во всех классификациях есть группа катионов, не имеющая группового реактива – Li + , Na + , К + (и близкий к К + по радиусу ион NH 4 + ). Это катионы s 1 - элементов с электронной структурой благородного газа, низкой электропроводностью, малым радиусом, малыми поляризующими свойствами и малой поляризуемостью. Большинство их солей растворимо вводе вследствие высокой полярности связи, близкой к ионной. В Периодической системе они располагаются в главной подгруппе первой группы. В сульфидной классификации к этой группе также отнесен ион Mg 2+ , обладающий близкими свойствами с В табл. 1.1 приведена сульфидная классификация катионов. Сложную по составу систему разделяют предварительно с помощью групповых реагентов на группы и подгруппы, а затем проводят обнаружение ионов внутри каждой группы. Сульфидный метод хорошо отработан, отличается большой строгостью разделения и высокой чувствительностью используемых реакций. Недостатком метода является применение сероводорода, вследствие его ядовитости необходимы специальные помещения, обязательна вентиляция, использование индивидуальных средств защиты. От этого недостатка свободны бессероводородные методы ив частности, кислотно-основной метод, базирующийся на отношении катионов к серной и соляной кислотам, щелочами раствору аммиака. Таблица 1.1 Сульфидная классификация катионов Сульфиды, растворимые вводе Сульфиды, нерастворимые вводе или разлагаются водой с образованием нерастворимых в ней гидроксидов) Карбонаты, растворимые вводе Карбонаты, нерастворимые вводе Сульфиды, растворимые в разбавленных кислотах (или разлагаются водой с образованием растворимых в кислотах гидроксидов) Сульфиды, нерастворимые в разбавленных кислотах 1- я группа 2- я группа 3- я группа 4- я группа 5- я группа Na + , К, NH 4 + , Mg 2+ * и др. Ca 2+ , Cr 2+ , и др. Al 3+ , Cr 3+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Mn 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , и др. 1- я подгруппа – хлориды, нерастворимые вводе, Р, Hg 2 2+ 2- я подгруппа – хлориды, растворимые вводе С, Cd 2+ , Сульфиды, растворимые в Na 2 S: Hg 2+ , As 3+ , As 5+ , Sb 3+ , Sb 5+ , Sn 2+ , и др. Группового реагента нет Групповой реагент Групповой реагент (NH 4 ) 2 S Групповой реагент H 2 S в присутствии HCl. Реагент, осаждающий 1- ю подгруппу HCl Групповой реагент Na 2 S * Карбонат магния, отнесенный к й группе, растворяется только в присутствии солей аммония. Поданной классификации катионы делятся на 6 аналитических групп табл. 1.2). Таблица 1.2 Деление катионов на группы по кислотно-основной классификации Группа Катионы Групповой реагент Получаемое соединение Групповая характеристика I Li + , К, Na + , Нет – Хлориды, сульфаты и гидроксиды, растворимые вводе, Р, Hg 2 2+ 2 н. HCl Осадки AgCl, РbСl 2 , Хлориды, нерастворимые вводе Ва 2+ , Сан. H 2 SО 4 Осадки О, О, SrSО 4 Сульфаты, нерастворимые или плохо растворимые вводе и кислотах IV Zn 2+ , Al 3+ , Cr 3+ , Sn 2+ , Sn 4+ , As 3+ , Избыток 4 н. NaOH или КОН Растворы [Zn(OH) 4 2– , ОНО, О Гидроксиды, растворимые в избытке щелочей V Mg 2+ , Mn 2+ , Bi 3+ , Fe 2+ , Избыток 25%- ного NH 4 OH Осадки Mg(OH) 2 , Mn(OH) 2 , Bi(OH) 3 , Fe(OH) 2 , Fe(OH) 3 , Sb(OH) 3 , Гидроксиды, нерастворимые в избытке NH 4 OH VI Cu 2+ , Hg 2+ , Cd 2+ , Co 2+ , Избыток 25%- ного NH 4 OH Растворы [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ , [Hg(NH 3 ) 4 ] 2+ , [Cd(NH 3 ) 4 ] 2+ , [Co(NH 3 ) 4 ] 2+ , Гидроксиды, растворимые в избытке раствора NH 4 OH Выполнение анализа по кислотно-основной схеме имеет определенные преимущества – используются кислотно-основные свойства элементов, способность к комплексообразованию, амфотерность гидроксидов, что обусловлено их положением в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева – исключается токсичное действие сероводорода – сокращаются затраты времени на анализ. АНАЛИЗ КОНКРЕТНЫХ ОБЪЕКТОВ Перед выполнением анализа полезно рассмотреть образец под микроскопом, обращая внимание на цвет и форму отдельных частиц. Иногда это позволяет получить предварительные данные об однородности образца и о числе компонентов в нм. Закончив визуальные исследования, приступают к подготовке образца к анализу. Твердые вещества растирают в агатовой или фарфоровой ступке, так как измельченное вещество легче растворяется. Кроме того, если анализируемый объект представляет собой смесь веществ или природный объект (минерал, руда, при измельчении достигают равномерного смешения всех составных веществ объекта. Кусок сплава с помощью напильника или сверла превращают в стружки или опилки. Измельченный образец делят натри (в случае сплавов или металлов на две) части. Одну из них используют для предварительных испытаний, и остаток сохраняют на случай повторения анализа. В остальных частях обнаруживают катионы и анионы. Количество образца должно быть оптимальным нельзя брать как слишком много, таки слишком мало вещества. В первом случае можно получить искаженную информацию о способности образца растворяться в томили ином растворителе, а во втором можно столкнуться со сложностью обнаружения некоторых ионов. Обычно берут навеску 25 мг, после её растворения объем раствора доводят до 1 мл. Предварительные испытания и растворение вещества. К предварительным испытаниям относят исследования поведения образца в пламени. Их начинают, внося небольшое количество вещества в петле платиновой проволоки в пламя газовой горелки. Обугливание и сгорание пробы говорит о присутствии органических веществ, мгновенное улетучивание – солей аммония, окрашивание пламени – катионов, обладающих этим свойством. Далее пробу подвергают нагреванию в пламени на фарфоровой пластинке или шпателе, добавляя в случае необходимости некоторые реактивы. При этом с пробой может происходить ряд изменений, характер которых позволяет делать некоторые заключения табл. 1.3). Целесообразно затем получить перлы (стекла) буры или гидрофосфата аммония. Далее проводят нагревание пробыв пробирке. Возгонка пробыв верхнюю часть пробирки свидетельствует о присутствии солей аммония и некоторых органических соединений. Если при нагревании выделяются пары жидкости, которые конденсируются в верхней части пробирки, их испытывают на реакцию среды с помощью индикаторных бумажек. Кислая реакция среды указывает на присутствие сильных кислот и их солей со слабыми основаниями, щелочная – щелочей и солей слабых кислот и сильных оснований. Таблица 1.3 Изменения проб при нагревании на пластинке Характер изменений Выводы Не изменяется Отсутствуют ртуть, соли аммония, карбонаты, органические соединения, кристаллогидраты Плавится Могут присутствовать нитраты, нитриты, карбонаты, перхлораты щелочных металлов, кристаллогидраты (квасцы, сульфаты Na, К, Mg, тиосульфаты Na, К) Обугливается Присутствуют органические соединения, оксалаты, тартраты, цитраты Изменяет цвет Обесцвечивание – окисление сульфидов (CuS → О разложение высших оксидов (Р PbO); потемнение – образование оксидов CuO, Fe 2 O 3 , СаО, М позеленение – образование соли хрома, хроматов Возгоняется Бесцветные пары – соли NH 4 + , С 2– , S 2– , ClO 4 – , С желтые пары – NO 3 – , NO 2 – , BrO 3 – ; фиолетовые пары – IO 3 – , Можно обнаружить некоторые анионы, добавляя к анализируемой пробе кислоты, если при этом выделяются газы, то по их характеру судят об анионе, входящем в состав вещества. Например, если выделяется H 2 S (запах тухлых яиц, то можно предположить, что в составе пробы есть S 2– , SO 3 2– – , S 2 O 3 Результаты предварительных испытаний должны быть подтверждены систематическим анализом. Пробы на растворимость сухого вещества начинают с обработки нескольких крупинок холодной дистиллированной водой, а если потребуется, то нагревают. Если вещество нерастворимо вводе, испытывают растворимость его при комнатной температуре и при нагревании в уксусной кислоте, затем в разбавленной и концентрированной хлороводородной и азотной и, наконец, в царской водке. Устойчивыми к действию перечисленных растворителей могут быть сульфаты бария, свинца, стронция, хлорид, бромид, иодид серебра, оксиды алюминия, хрома, кремния. Их переводят в растворимое состояние сплавлением со щелочами, карбонатами или гидросульфатами щелочных металлов. Но может быть так, что часть пробы растворима вводе, часть – в кислотах, часть в концентрированных кислотах и т. д. В этом случае целесообразно провести дробное растворение пробы и получить ряд фракций растворов, содержащих различные катионы и анионы. Растворяя вещество, следят за внешними эффектами (выделение газа, тепла, изменение цвета. Затем приступают к идентификации катионов. Входе анализа смеси катионов получают некоторые сведения о присутствии анионов. Так, если сухое вещество растворилось в уксусной, разбавленной хлороводо- родной или азотной кислоте ив нем обнаружены катионы бария, то, очевидно, оно не содержит сульфат-ионов. Определение анионов иногда требует специальной подготовки сухого вещества беспрепятственное обнаружение возможно лишь в присутствии катионов калия, натрия и аммония. Что же касается катионов других аналитических групп, то они мешают нахождению анионов (дают осадки, проявляют окисли- тельно-восстановительные свойства и т. п. Чтобы удалить эти катионы и перевести все соли в натриевые, анализируемое вещество кипятят с карбонатом натрия (содой. Около 0,1 г сухого вещества смешивают в тигле с 0,4 г карбоната натрия, приливают 50–60 капель воды и кипятят 5 минут, добавляя воду взамен испарившейся. Затем содержимое тигля переносят в коническую пробирку, центри- фугируют и отделяют осадок. Полученный центрифугат (жидкость) называют содовой вытяжкой. В ней и обнаруживают анионы, нейтрализовав содовую вытяжку уксусной кислотой для удаления избытка карбоната натрия. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ КАТИОНЫ Работа 1. Качественные реакции катионов первой аналитической группы по кислотно-основной классификации (Li |