Содержание

1. Качественный анализ катионов…………………………………………10

   0. Аналитическая классификация катионов……………………………..………10

   1. Классификация анионов и групповых реактивов………………………….....14

   2. Кислотно-основная схема проведение анализа смеси катионов…….............19

1. 3. 1. Аналитические реакции катионов I аналитической группы (Na⁺, K⁺, NH₄⁺)……………………………………………………………………………..19

1. 3. 2. Аналитические реакции катионов II аналитической группы (Ag⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺)………………………………………………………………………24

1. 3. 3. Аналитические реакции катионов III аналитической группы (Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺)………………………………………………………………………..27

1. 3. 4. Аналитические реакции катионов IV аналитической группы (Al³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺, As (III), As (V), Sn (II), Sn (IV))……………………………………31

1. 3. 5. Аналитические реакции катионов V аналитической группы (Bi³⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Sb³⁺, Sb (V))………………………………………………….41

1. 3. 6. Аналитические реакции катионов VI аналитической группы (Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺)…………………………………………………………...49

2. Качественный анализ анионов………………………………………………55

2. 1. Аналитическая классификация анионов…………………………………55

2. 1. 1. Аналитические реакции анионов I аналитической группы (Cl^-, Br^-, I^-, S^2-, NO^2-, NO^3-)…………………………………………………………………...56

2. 1. 2. Аналитические реакции анионов II аналитической группы (SO₄^2-, SO₃^2-, S₂O₃^2-, CO₃^2-, PO₄^3-, AsO₄^3-, AsO₃^3-)……………………………………………61

2. 2. Заключение…………………………………………………………………66

3. Качественный анализ неизвестного вещества………………………………66

3. 1. Применение экстракции в качественном анализе………………………..67

3. 2. Анализ смеси ионов с применением хроматографии……………………68

3. 3. Предварительные испытания и подготовка вещества к анализу………..70

4. Основы качественного анализа органических соединений………………...72

4. 1. Принципы идентификации органического соединения…………………72

4. 2. Качественный элементный анализ………………………………………..74

4. 3. Качественный функциональный анализ………………………………….78

Задание для контрольной работы по аналитической химии………………….83

Рекомендуемая литература…………………………………………………….119

1. Качественный анализ катионов

1.1. Аналитическая классификация катионов

В основу классификации ионов в аналитической химии положено различие в растворимости образуемых ими солей и гидроксидов, позволяющее отделять (или отличать) одни группы ионов от других.

Существуют разные системы группового разделения ионов: сероводородная, кислотно-основная, аммиачно-фосфатная, тиоацетамидная и т. д. Каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки. Основным недостатком сероводородной системы является необходимость работы с сероводородом, что требует хорошей вентиляции, склонность к образованию коллоидных сульфидных осадков, в результате чего нарушается разделение катионов на группы, и т. д. В кислотно-основной системе при разделении групп можно встретиться с затруднениями, особенно если концентрации разделяемых катионов сильно различаются. С подобными же затруднениями можно встретиться и в других системах разделения. Сознательный подход к групповому разделению позволяет в каждом конкретном случае использовать для этой цели метод, наиболее подходящий для анализируемой смеси ионов.

Классический систематический метод качественного анализа катионов основан на сульфидной классификации катионов, в которой катионы подразделяются на пять групп на основании различия в растворимости их сульфидов, хлоридов, карбонатов и гидроксидов (см. таб. 5,0)

Основываясь на приведенных в табл. 5,0 данных, операцию обнаружения катионов различных аналитических групп проводят следующим образом.

1. Исследуемый раствор подкисляют разбавленной НCl. При этом ионы V группы осаждаются в виде соответствующих хлоридов.

2. Отделив осадок, пропускают через кислый раствор газообразный H₂S. При этом катионы IV группы осаждаются в виде сульфидов. Для отделения ионов IVБ подгруппы осадок обрабатывают Na₂S, после чего в осадке остаются только сульфиды катионов IVА подгруппы.

3. Раствор после отделения осадка сульфидов ионов IV группы нейтрализуют NH₄OH (с NH₄C1) и обрабатывают (NH₄)₂S. При этом осаждаются сульфиды или гидроксиды (в случае А1³⁺_,Сг³⁺) катионов III группы.

4. Разрушив избыток (NH₄)₂S кипячением с уксусной кислотой, на раствор действуют (NH₄)₂CO₃. При этом катионы II группы выпадают в осадок в виде карбонатов, а катионы I группы остаются в растворе, где их и открывают.

Обнаружение иона NH₄⁺, который в ходе анализа вводят в раствор с реактивами, проводят в отдельной порции исследуемого раствора с помощью специфической реакции (щелочь в газовой камере) или реактива Несслера, представляющего собой смесь K₂[HgI₄] и КОН. Реактив Несслера при взаимодействии с солями аммония образует красно-бурый осадок:

NH₄C1 + 2K₂[HgI₄] + 4КОН = [OHg₂NH₂]I + 7KI + KCl + 3H₂O

Теоретически базой для классификации катионов может слу­жить Периодическая система элементов Менделеева, которая ха­рактеризуется четкой аналогией совокупных свойств элементов внутри каждой их группы. Однако при огромной предсказатель­ной и обобщающей способности периодического закона нельзя требовать в каждом конкретном случае оптимального выбора ана­литических групп. Это очевидно, поскольку многие элементы Периодической системы характеризуются набором степеней окисления, радикально изменяющим его поведение в растворе, на­пример, превращение катиона в анион, его растворимость или комплексообразующую способность.

Иллюстрацией этого могут служить пары: Мn²⁺—МnО₄^-, Сr³⁺— Сr₂О₇^-, S^2—SО₄²⁺, и др. При этом часто внутри группы элементов в периодической системе сходство химических свойств элементов гораздо меньше, чем у диагональных соседей в таблице. В этом можно убедиться, попарно сравнивая свойства у Li — Na – Mg или Ве —В—Аl и т.д.

Поэтому аналитическая классификация катионов на группы проводится не по всей совокупности химических свойств элемен­тов, а по небольшому числу выбранных свойств конкретных ионов, которые определяют конкретную специфику их качественного анализа.

В каждом отдельном случае, исходя из определенных частных соображений, выбирают свойства катионов для распределения их на группы. В результате созданы разные классификации катионов и, как следствие этого, разные схемы анализа: кислотно-основ­ная, сероводородная, аммиачно-фосфатная, тиоацетамидная, бифталатная и др. Каждая из этих схем анализа обладает опреде­ленными достоинствами и недостатками, но в конечном итоге при тщательном выполнении все они дают правильные результаты.

В основу кислотно-основной схемы анализа положено разное отношение катионов к действию на них разных кислот и оснований, в частности, НСl, Н₂SО₄, NаОН, NН₄ОН. В соответствии с их действием выделены шесть групп катионов.

I группа: Na⁺, К⁺, NН₄. Эти катионы в большинстве случаев образуют хорошо растворимые соли и группового реагента не имеют;

2. группа: Аg⁺, Нg₂²⁺, Рb²⁺. Эти катионы образуют малораство­римые хлориды. Групповым реагентом является раствор хлористо­водородной кислоты.

Среди хлоридов этих катионов наибольшее значение произведения растворимости у РbСl₂ (1,6-10^-5), поэто­му часть ионов Pb²⁺ остается в растворе и в ходе систематического качественного анализа попадает в III группу катионов;

2. группа: Са²⁺, Sr²⁺, Ва²⁺, Рb²⁺. Эти катионы образуют малорас­творимые сульфаты. Групповой реагент — раствор серной кисло­ты. Из сульфатов катионов этой группы наибольшей растворимо­стью обладает сульфат кальция (произведение растворимости — 2,5 • 10^-5). Для снижения растворимости рекомендуется добавлять равный объем этилового спирта;

IV группа: Аl³⁺, Сr³⁺, Zn²⁺, Аs(III), Аs(V), Sn(II), Sn(IV). Эти катионы образуют амфотерные гидроксиды или растворимые соли кислородсодержащих кислот и поэтому хорошо растворяются в избытке щелочей. Групповым реагентом для этой группы служит раствор гидроксида натрия;

V группа: Вi³⁺, Fе³⁺, Fе²⁺, Мg²⁺, Мn²⁺, Sb(III), Sb(V). Эти катионы характеризуются образованием малорастворимых гидроксидов или кислородсодержащих кислот. Групповым реагентом явля­ется гидроксид натрия;

VI группа: Сd²⁺, Со²⁺, Сu²⁺, Ni²⁺, Нg²⁺. Эти катионы характери­зуются существованием прочных растворимых в воде аммиакатов, в результате образования которых нерастворимые гидроксиды легко переходят в раствор. Групповой реагент — раствор аммиака.

В соответствии с этой классификацией систематический ход качественного анализа смеси катионов может быть представлен следующей схемой (рис. 4.1). В результате получается шесть фрак­ций раствора, содержащих катионы только своей аналитической группы. На следующей стадии анализа каждый катион может быть определен внутри группы с помощью характерных реакций.