Методичка Аналит.химия - Качественный анализ. Тольяттинский государственный университет качественный анализ лабораторный практикум Тольятти
 Скачать 0.52 Mb.
|
|
ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ Лабораторный практикум Тольятти Издательство ТГУ 2014 Министерство образования и науки Российской Федерации Тольяттинский государственный университет Институт химии и инженерной экологии Кафедра «Химия, химические процессы и технологии» КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ Лабораторный практикум Составители В. С. Писарева, О. Б. Григорьева, А. А. Голованов Тольятти Издательство ТГУ 2014 УДК 543.2 ББК П Рецензенты: … д. х. н., профессор кафедры «Химия, химические процессы и технологии» Г.И. Остапенко П Качественный анализ: лабораторный практикум / сост. В.С. Писарева, О.Б. Григорьева, А.А. Голованов. – Тольятти : Изд-во ТГУ, 2014. – 60 с. : обл. В практикуме рассмотрены вопросы качественного анализа неорганических веществ в рамках дисциплины «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа». Предназначен для студентов направлений подготовки 020100 «Химия», 240100 «Химическая технология» и 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» очной и заочной форм обучения. УДК 543.2 ББК Рекомендовано к изданию научно-методическим советом Тольяттинского государственного университета. © ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», 2014 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Предметом аналитической химии как науки является теория и практика химического анализа. Аналитическая химия разрабатывает методы качественного и количественного анализа вещества, основу которых главным образом составляют химические реакции как средство получения информации о химическом составе вещества. При исследовании состава неизвестного вещества качественный анализ всегда предшествует количественному анализу, без полученной информации на первом этапе трудно подобрать оптимальные условия для дальнейшего исследования структуры и свойств вещества. Качественный анализ, как правило, основывается на химических превращениях, при которых исследуемое вещество образует новое соединение, обладающее характерными свойствами: цветом, специфическим запахом, физическим состоянием, структурой и др. Такие превращения называют качественной аналитической реакцией, а вещества, вызывающие это превращение, называют реагентами (реактивами). Основные типы реакций, используемых в качественном анализе, – это кислотно-основное взаимодействие, реакции осаждения, окисления-восстановления и образования комплексных соединений. Используемые при этом реакции, подразделяют на общие, при которых реактив реагирует аналогично с несколькими ионами, и частные реакции – свойственны определенному иону. Кроме указанных реакций, в качественном анализе различают реакции обнаружения или открытия (распознавания) и разделения, которые применяют для разделения образцов, представляющих собой смесь веществ. Реакции химического анализа чаще всего проводят в растворе, то есть анализ проводят мокрым способом. В качественном анализе используются реакции, которые проводят сухим способом. Известно, что некоторые вещества (их пары) окрашивают бесцветное пламя горелки в характерный цвет или придают определенную окраску плаву (перлу), полученному при нагревании вещества с тетраборатом натрия в ушке платиновой проволоки. Реакции сухим способом осуществляют также путем растирания порошков исследуемого вещества и сухого реагента, при этом, как правило, образуются легко летучие продукты с характерным запахом или иными свойствами. Следует отметить, что большой популярностью пользуется капельный анализ. Он основан на явлениях капиллярности и адсорбции. Реакции проводят на фарфоровых или стеклянных пластинках или на фильтровальной бумаге. Реакции, как правило, очень чувствительны, на анализ берут капельку раствора и наносят на подготовленную пористую поверхность, по появлению пятна характерной окраски судят о присутствии в образце соответствующего компонента. При проведении качественного анализа чаще всего используют полумикрохимический метод, который сохраняет в основном принципы макрохимического анализа. Чувствительность реакции определяется наименьшим количеством вещества, которое может быть обнаружено данным реактивом в капле раствора (0,01–0,03 мл). С чувствительностью взаимосвязаны такие величины, как открываемый минимум, минимальная (предельная) концентрация и предельное разбавление. Аналитическая реакция тем чувствительней, чем меньше открываемый минимум, чем меньше минимальная концентрация анализируемого раствора, чем больше предельное разбавление. В качественном анализе неорганических веществ преимущественно исследуют растворы солей, кислот и оснований, которые в водных растворах находятся в диссоциированном состоянии. Поэтому химический анализ водных растворов электролитов сводится к открытию отдельных ионов (катионов и анионов). Для обеспечения получения наиболее полной информации о качественном составе образца (неорганических веществ) ионы делят на группы. Классификация катионов и анионов по аналитическим группам основана на отношении ионов к действию реагентов, на сходстве и различии признаков образуемых соединений. Разработан ряд классификационных систем, основанных на применении тех или иных групповых реагентов. В лабораторном учебном практикуме нами рекомендована кислотно-основная классификация катионов, основанная на применении следующих групповых реагентов: хлористоводородной кислоты, серной кислоты, гидроксида натрия, гидроксида аммония. В рамках этой классификации катионы распределены по шести группам (табл. 1). Таблица 1 Кислотно-основная классификация катионов
Классификация анионов основана на взаимодействии их с групповыми реагентами, которая представлена в табл. 2. Таблица 2 Аналитическая классификация анионов
Лабораторная работа № 1 Качественные реакции катионов первой аналитической группы NH4+, Na+, К+, (Mg2+) Цель работы: изучить качественные реакции катионов первой аналитической группы. Реактивы: NaOH (10–15%-ный водный раствор); Na2CO3 или K2CO3 (ТВ.); NaHC4H4O6 (10–15%-ный водный раствор); Na3[Co(NO2)6] (свежеприготовленный); реактив Несслера K2HgJ4 (щелочной раствор); формалин (33%-ный раствор формальдегида СН2О). Оборудование: пробирки; штатив; спиртовка; химические стаканы; стеклянные палочки; воронки; бумажные фильтры; нихромовая проволока для петли; плитка. Общая характеристика катионов первой аналитической группы К первой аналитической группе к анионов относятся Li+, Na+, K+, NH4+, (Mg2+) и некоторые другие катионы. Все эти катионы не имеют общего группового реактива и поэтому они одновременно не могут быть осаждены каким-либо реактивом. Это отличает I группу катионов от всех остальных групп, имеющих групповые реактивы. Отличительной чертой катионов I аналитической группы является то, что большинство их солей хорошо растворимы в воде. Наиболее растворимыми являются соединения натрия и калия. Так, например, хорошо растворяются в воде хлориды, фториды, карбонаты, сульфаты, фосфаты, сульфиды, гидроксиды и многие другие соединения натрия и калия. Катионы I аналитической группы бесцветны, поэтому их соли образуют бесцветные растворы. Окрашенными соединениями являются хроматы (желтые), бихроматы (оранжевые), манганаты (зеленые), перманганаты (малиново-красные), гексацианоферраты (II) (желтые), гексацианоферраты (III) (красные), гексанитрокобальтаты (III) (желтые и красные). Окраску этих соединений обусловливают соответствующие анионы. Все катионы I аналитической группы, кроме ионов аммония, устойчивы к действию окислителей и восстановителей. Выводы
Таблица 3 Действие реактивов на катионы первой аналитической группы
Свойство гидроксикарбоната магния растворяться в растворах солей аммония (в частности, в NH4Cl) может быть использовано для отделения ионов магния от карбонатов катионов второй аналитической группы, которые практически не растворяются в растворах солей аммония. При выполнении лабораторной работы следует соблюдать последовательность опытов, указанную в таблице. В отчете уравнения проведенных реакций записываются в молекулярной и ионной формах. Лабораторная работа № 2 Качественные реакции катионов второй аналитической группы: Ag+, [Hg2]2+, Pb2+ Цель работы: изучить качественные реакции катионов второй аналитической группы, освоить методы анализа катионов второй группы. Реактивы: NaOH (водный раствор 10–15 %); Na2CO3, K2CO3 (ТВ.); NaHC4H4O6 (водный раствор 10–15 %); Na3[Co(NO2)6] (свежеприготовленный реактив); реактив Несслера K2HgJ4 (щелочной раствор); формалин (33%-ный раствор формальдегида СН2О). Оборудование: пробирки; штатив; спиртовка; химические стаканы; стеклянные палочки; воронки; бумажные фильтры; нихромовая проволока для петли; плитку; склянки для слива растворов, содержащих соединения серебра и ртути. Склянки должны быть обязательно промаркированы. Общая характеристика катионов второй аналитической группы Ко второй аналитической группе катионов относятся катионы Ag+, [Hg2]2+, Pb2+. Катионы этой группы осаждаются групповым реактивом – хлористоводородной кислотой в виде хлоридов. Большинство соединений катионов второй аналитической группы бесцветны и малорастворимы в воде. Окрашенными соединениями являются хроматы, перманганаты, гексанитрокобальтаты (III). Из окрашенных соединений серебра в аналитической химии имеют значения: арсенат – шоколадного цвета, арсенит, бромид, иодид, фторид, фосфат, карбонат, гексацианоферрат (III), окрашенные в желтый цвет, хромат и дихромат красного цвета, оксид бурого цвета, сульфид – бурый, бромид, фторид, и карбонат [Hg2]2+, имеющие желтую окраску. Из окрашенных соединений свинца имеют значение: иодид – золотисто-желтого цвета, сульфид – черно-бурый, хромат – желтый, дихромат – красный. В реакциях окисления-восстановления соединения серебра, ртути и свинца (IV) проявляют себя как окислители. Ионы серебра, ртути восстанавливаются до элементарного состояния. Соединения свинца (IV) восстанавливаются до соединений свинца (II). Соединения Pb2+ способны окисляться до соединений высшей валентности. Таблица 4 Действие некоторых реактивов на катионы второй аналитической группы
* Качественные реакции на катионы ртути не выполняются. Выводы 1. Катионы Аg+ и Pb2+ с групповым реагентом образуют белые осадки, которые можно разделить, прокипятив раствор. При этом хлорид свинца растворяется. 2. «Открыть» катионы свинца можно выполнив реакцию «золотого дождя», перекристаллизовав хлорид свинца в присутствии уксусной кислоты. 3. Взаимодействие этих катионов с другими реактивами (табл…) позволяет легко выявить наличие в образце катионов серебра и свинца. 4. Соединения (соли) серебра в водном растворе на свету неустойчивы, необходимо это учитывать. При выполнении лабораторной работы следует соблюдать последовательность опытов, указанную в табл… . В отчете уравнения проведенных реакций записываются в молекулярной и ионной формах. Лабораторная работа № 3 Качественные реакции катионов третьей аналитической группы Цель работы: изучить качественные реакции катионов третьей аналитической группы, освоить систематический метод анализа смеси катионов третьей аналитической группы. Реактивы: см. табл. 5. Оборудование: пробирки; штатив; спиртовка; химические стаканы; стеклянные палочки; воронки; бумажные фильтры; нихромовая проволока для петли; плитку; склянки для слива растворов, содержащих соединения серебра и ртути. Склянки должны быть обязательно промаркированы. Общая характеристика катионов третьей аналитической группы К третьей группе катионов относятся катионы: Ca2+, Sr2+, Ba2+. Катионы этой группы осаждаются в присутствии NH4Cl + NH4OH реактивом (NH4)2СO3 в виде карбонатов. Большинство соединений третьей аналитической группы бесцветны и мало растворимы в воде. Нерастворимы в воде фториды, сульфаты, сульфиты, карбонаты, оксалаты, фосфаты, хроматы бария и стронция. Все катионы третьей группы устойчивы по отношению к действию окислителей и восстановителей. В таблице 5 указаны те реакции, которые рекомендованы студентам в учебном практикуме. Выводы 1. При сопоставлении действия реактивов на катионы третьей аналитической группы необходимо отметить, что: обнаружению Ca2+ мешают ионы стронция и бария, следовательно, при обнаружении ионов кальция необходимо отделить Sr2+ и Ba2+ . 2. В отсутствии катионов Ba2+ можно обнаружить Sr2+ с помощью реакции с насыщенным раствором (NH4)2SO4. 3. Для отделения ионов бария от других катионов можно воспользоваться действием K2CrO4 в уксуснокислой среде. Хроматы кальция и стронция в этих условиях растворимы. 4. Свойство оксалата кальция не растворяться в уксусной кислоте может быть использовано для обнаружения Ca2+ в растворе, в присутствии катионов стронция и бария. Таблица 5 Действие некоторых реагентов на катионы третьей аналитической группы
* Реакцию рекомендуют выполнять методом бумажной хроматографии. Лабораторная работа № 4 Качественные реакции катионов четвертой аналитической группы Цель работы: изучить качественные реакции на катионы IV аналитической группы, ознакомиться с ходом разделения смеси катионов четвертой аналитической группы. Реактивы: см. табл. 6. Оборудование и материалы: пробирки; штативы; спиртовки; стаканы химические; стеклянные палочки; воронки; бумажные фильтры; нихромовая проволока; плитка. Общая характеристика катионов четвертой аналитической группы кислотно-основного метода Катионы пятой аналитической группы включают: Zn2+, Al3+, Sn2+, Cr3+, As3+ As5+. Групповым реагентом на катионы этой группы катионов является гидроксид натрия (обычно избыток) в присутствие пероксида водорода, который осаждает катионы в виде гидроксидов, растворимых в избытке реактива с образованием гидроксокомплексов: Al3+ + 3OH– = Al(OH)3 Al(OH)3 + 3OH– = [Al(OH)6]3– Cr3+ + 3OH– = Cr(OH)3 Cr(OH)3 + 3OH– = [Cr(OH)6]3– Zn2+ + 2OH– = Zn(OH)2 Zn(OH)2 + 2OH– = [Zn(OH)4]2– Sn2+ + 2OH– = Sn(OH)2 Sn(OH)2 + 4OH– = [Sn(OH)6]4– Осадки гидроксидов катионов четвертой группы не растворяются в водном аммиаке, за исключением гидроксида цинка, который растворяется в водном растворе аммиака с образованием аммиачного комплекса [Zn(NH3)4]2+. Открыть катионы алюминия можно капельным методом реакцией с ализарином. Открытию алюминия мешают катионы хрома, цинка, олова. Мешающие катионы можно перевести в малорастворимые соединения гексацианоферратом (II). Присутствие олова доказывают реакциями с солями ртути и солями висмута в щелочной среде. Ртуть и висмут при реакции с оловом восстанавливаются до металлического состояния и выпадают в виде черных осадков. В отчете уравнения реакций ионного обмена записываются в молекулярной и сокращенной ионной формах. Окислительно-восстановительные процессы оформляются с указанием окислителя и восстановителя и записью уравнения в молекулярной форме и электронного баланса. Выводы 1. В четвертой группе присутствуют катионы, обладающие окислительно-восстановительными свойствами Sn2+, Cr3+. В присутствии пероксида водорода катионы Sn2+, Cr3+, As3+ окисляются соответственно до гексагидроксостаннат-ионов [Sn(OH)6]4–, хромат-ионов CrO42–, арсенат-ионов AsO43–. 2. Используя реакции катионов четвертой группы с органическими реагентами, в результате которых образуются комплексы с характерной окраской, открытие этих катионов упрощается. 3. Соли олова в водном растворе заметно гидролизуются, для проведения качественных реакций необходимо подкислять раствор, чтобы подавить гидролиз. Таблица 6 Качественные реакции катионов четвертой аналитической группы
* При осуществлении реакций катионов с органическим реагентами необходимо соблюдать условия проведения этих реакций. 4. Окисление олова азотнокислым висмутом проходит в сильно щелочной среде, чтобы в растворе образовался висмутат-ион (висмутат готовят в отдельной пробирке – водный раствор азотнокислого висмута подщелачивают и небольшое количество этого раствора приливают к раствору соли олова). 5. Реакция образования надхромовой кислоты может проводиться в присутствии остальных катионов этой группы, т.е. как предварительные испытания. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||