3. Качественные реакции на катионы

3.1. «Сероводородная» классификация катионов

Катионов, подлежащих распознаванию, у нас гораздо больше, чем анионов, поэтому самостоятельное построение классификации, как в п. 2, заняло бы слишком много времени. Вам предлагается готовая классификация катионов (см. таблицу 3), и нужно лишь проверить её на отдельных примерах.

Таблица 3. Пять групп сероводородной классификации катионов

(не путать с группами Периодической системы!)

№	Аналитическая характеристика	Катионы, цвет осадков
1	Сульфиды осаждаются сероводородом даже в кислой среде, но растворяются в растворах сульфидов щелочных металлов или аммония	Hg2+ (чёрный) Sb3+ (оранжевый) Sn4+ (жёлтый)
2	Сульфиды осаждаются сероводородом даже в кислой среде, но не растворяются в растворах сульфидов щелочных металлов или аммония	Cd2+ (жёлтый) Sn2+ (коричневый) Bi3+, Pb2+, Cu2+ (чёрные)
3а	Сульфиды малорастворимы в воде, но растворимы в кислотах, поэтому не осаждаются сероводородом в кислой среде, но осаждаются сульфидом натрия или аммония	Fe3+, Fe2+, Co2+, Ni2+ (чёрные); Zn2+ (белый) Mn2+ (розовый или зелёный)
3б	По внешним признакам похоже на группу 3а, но сульфиды разлагаются водой, и вместо них выпадают гидроксиды с выделением H2S↑	Al3+ (белый) Cr3+ (зелёный)
4	Сульфиды не осаждаются, но карбонатом аммония из нейтрального раствора осаждаются карбонаты	Ca2+, Sr2+, Ba2+ (белые)
5	Не осаждаются ни сульфидом, ни карбонатом аммония	Li+, Na+, K+, NH4+, Mg2+

Сероводород ядовит и дурно пахнет, поэтому все опыты с ним нужно выполнять в вытяжном шкафу и остатки после опытов выливать не в раковину, а в специальную банку под тягой. В лаборатории H₂S получают обычно по реакции сульфида железа с раствором серной или соляной кислоты:

FeS + 2H⁺ → Fe²⁺ + H₂S↑.

Налейте очень небольшие (порядка 1 мл) количества растворов солей Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, Cd²⁺, Sb³⁺ в отдельные пробирки, добавьте в каждую такой же объём разбавленной (5–10%) HCl и либо добавьте водный раствор H₂S, либо пропустите через растворы ток газа H₂S, предварительно разбавив раствор и погрузив трубочку до дна пробирки. Увидев результат, сполосните трубочку и погрузите её в новый раствор.

Соли железа (2+) при хранении окисляются воздухом до железа (3+), особенно быстро – в растворе, поэтому вместо раствора будет выдан, скорее всего, твёрдый FeSO₄∙7H₂O, который надо предварительно растворить в воде.

При разбавлении раствора SbCl₃ может появиться белое помутнение (SbOCl) вследствие усиления гидролиза, но это не мешает образованию сульфида сурьмы.

При пропускании сероводорода в кислый раствор Fe³⁺ тоже может появиться белое помутнение, но это не сульфид железа (он чёрный и растворим в кислоте), а сера, образующаяся в результате окислительно-восстановительной реакции:

2Fe³⁺ + H₂S → 2Fe²⁺ + 2H⁺ + S↓

Там, где выпал осадок сульфида, попытайтесь его растворить в растворе сульфида натрия или аммония. При этом будет выделяться сероводород, т.к. растворы кислые, поэтому опыт надо делать под тягой. Надо иметь в виду, что сероводород был вряд ли добавлен в избытке, поэтому осаждение катионов в виде сульфида могло быть неполным. Тогда при добавлении Na₂S количество осадка будет поначалу даже увеличиваться. Поэтому раствора анализируемой соли надо брать поменьше, после образования осадка желательно слить с него прозрачный раствор, а Na₂S добавить побольше, чтобы произошло полное осаждение сульфида поливалентного металла, и он мог дальше растворяться в избытке сульфида натрия с образованием тиосоли, например:

Sb₂S₃ + 3S^2– → 2SbS₃^3–.

Согласно табл. 3, SnS, в отличие от SnS₂, не должен растворяться в растворе сульфида натрия или аммония. Но. как упомянуто в п. 2.1, в сульфиде может быть примесь дисульфида, который окисляет SnS в SnS₂, и тогда растворение происходит: SnS + S₂^2– → SnS₃^2–. Поэтому надо предварительно проверить сульфид на примесь полисульфида, как указано в п. 2.1.

Если сульфид в кислом растворе не выпал, возьмите другую порцию раствора той же соли (без добавления кислоты), прибавьте очень немного раствора сульфида натрия и осторожно понюхайте: выделяется ли сероводород? Выпадает ли осадок?

Поведение катионов группы 3а в этом опыте выражается общим уравнением

M²⁺ + S^2- → MS↓,

но в случае Fe³⁺ нужно также учесть окислительно-восстановительную реакцию, упомянутую выше.

Поведение катионов группы 3б выражается общим уравнением:

2M³⁺ + 3S^2- + 6H₂O → 2M(OH)₃↓ + 3H₂S↑.

Образующиеся гидроксиды алюминия и хрома амфотерны, а раствор сульфида натрия сильно щелочной из-за гидролиза, поэтому при избытке сульфида осадки могут раствориться, но это совсем не тот случай, что в аналитической группе 1.

Ознакомившись со свойствами катионов сурьмы, кадмия, железа и алюминия, надо принять к сведению, что другие катионы тех же групп ведут себя аналогично.