Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Пятницький, аналітична хімія.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
6.95 Mб
Скачать

Розділ 11. V аналітична група катіонів § 67. Загальна характеристика групи

До V аналітичної групи катіонів належать іони металів миш'яку, сурми, олова та інших (наприклад, молібдену, вольфраму). Елементи V групи роз­ташовані в другій половині IV і V великих періодів, містяться в IV (олово) і V (миш'як і сурма) групах елементів періодичної системи.

Сульфіди катіонів V аналітичної групи, як і сульфіди катіонів IV групи, не розчиняються в розведених кислотах і осаджуються сірководнем у кис­лому середовищі. Проте, на відміну від більшості сульфідів катіонів IV гру­пи, сульфіди V групи розчиняються при дії на них сульфідів і полісульфідів лужних металів або амонію. При цьому утворюються тіосолі (сульфосолі). Наприклад:

As2S3 + Na2S = 2NaAsS2; SnS2 + (NH4)2S = (NH4)2SnS3.

Тіосолі можна розглядати як солі кисневих кислот, в яких роль кисню відіграє сірка. Тому і реакції утворення тіосолей схожі на реакції утворення солей кисневих кислот. Так, солі кисневих кислот утворюються при взає­модії оксиду металу з оксидом неметалу (кислотний оксид), тіосолі ж утво­рюються при взаємодії сульфідів лужних металів або амонію з тіоангідри-дом. Наприклад, реакція

Ma2S + As2S3 = 2NaAsS2 схожа на реакцію

Na20 + As203 = 2NaAsCy

Отже, сульфіди V аналітичної групи відрізняються кислотним характером і їх можна розглядати як тіоангідриди тіокислот. У вільному стані тіокис­лоти не існують, вони утворюються при взаємодії тіосолі з кислотою і відра­зу ж розкладаються, виділяючи H2S і відповідний сульфід. Наприклад:

2HAsS2 = H8S + As2Ss.

250

Тіосолі, як і солі кисневих кислот лужних металів і амонію, розчиняють­ся V воді.

Для порівняння в табл. 13 наведено кисневі кислоти, відповідні їм солі й тіосолі катіонів V аналітичної групи.

Відомі також змішані тіосолі, в яких лише частина кисню заміщена ато­мами сірки, наприклад Na3AsOS3, Na3SbS02 тощо.

Кислотний характер сульфідів катіонів V аналітичної групи випливає, як зазначено вище, з положення цих елементів у періодичній системі.

Таблиця 13. Кисневі кислоти, їх солі і тіосолі катіонів V аналітичної групи

Киснева кислота

Сіль кисневої кислоти

Тіосіль

Олов'яниста

Гідростаніт натрію

Тіосіль невідома

H2Sn02

NaHSn02

Олов'яна

Станат натрію

Тіостанат натрію

H2Sn03

Na2Sn03

Na2SnS3

Метасурм'яниста

Метастибіт натрію

Метатіостибіт натрію

HSb02

NaSbO,

NaSbS2

Сурм'яниста

Стибіт натрію

Тіостибіт натрію

H3Sb03

Na3Sb03

Na3SbS3

Метасурм'яна

Метастибіат натрію

Метатіостибіат натрію

HSb03

NaSb03

NaSbS3

Сурм'яна

Стибіат натрію

Тіостибіат натрію

H3Sb04

Na3Sb04

Na3SbS4

Метамиш'яковиста

Метаарсеніт натрію

Метатіоарсеніт натрію

HAs02

NaAs02

NaAsS2

Миш'яковиста

Арсеніт натрію

Тіоарсеніт натрію

HgAsOg

Na3As03

Na3AsS3

Метамиш'якова

Метаарсенат натрію

Метатіоарсенат натрію

HAs03

NaAsO:i

NaAsS3

Миш'якова

Арсенат натрію

Тіоарсенат натрію

H3As04

Na3As04

Ka3.\sS4

Знаходячись у другій половині великих періодів, вони мають неметалічні властивості, що й зумовлює кислотний характер їх оксидів і сульфідів. Най-сильніше неметалічний характер виявляється в елементів V групи Sb і As, особливо у вищих ступенях їх окислення. Тому й виразніше виявляється кислотний характер у сульфідів Sb2S5 і As2S6. Навпаки, кислотний характер сульфідів олова (елементу IV групи) виявляється тільки в сполуці вищої валентності SnS2. Сульфід олова (II) є основним оксидом, тому з (NH4)2S і Na2S тіосолей не утворює. Ось чому для відокремлення V групи катіонів від IV групи у вигляді тіосолей треба іони Sn2+ окислити в іони SnIv. Окис­люють полісульфідом амонію (NH4)2S2, яким звичайно користуються для розчинення сульфідів V аналітичної групи.

Полісульфід амонію добувають збовтуванням розчину сульфіду амонію із сіркою. Утворений при цьому розчин полісульфіду амонію є сумішшю різ­них сульфідів: (NH4)2S, (NH4)2S2, (NH4)2S3...(NH4)2S9. У цьому розчині є

251

також вільна сірка в розчиненому стані. Проте полісульфід амонію зобра­жують формулою (NH4)2S„ або (NH4)2S2.

Полісульфід амонію —окислювач. Ця його якість зумовлюється тим,

що іони So-, Бз- та інші, так само як іони 0\~ в пероксиді водню, приймають електрони і перетворюються в іони S"-. Наприклад:

О2- = [—О—О-]2- + 2е = 202~;

S;~ = [— S—S—]2~ + 2е = 2S2~.

Вважають також, що полісульфід амонію є окислювачем ще й тому, що розчинена в ньому вільна сірка відновлюється до іонів S ~:

S° -J- 2е = S2~.

Тому при дії полісульфідом амонію на сульфіди миш'яку (III) As.,S3, сурми (III) SboS3 і олова (II) SnS вони окислюються, утворюючи відповідні тіосолі (NH4)3AsS4, (NH4)S SbS4 і (NH4)2 SnS3.

Сульфід міді частково розчиняється в полісульфіді амонію, тому іноді для розчинення сульфідів V групи замість (NH4)2S2 використовують Na2S або K2S. У цьому разі крім сульфідів миш'яку, сурми і олова (IV) розчиняєть­ся також і сульфід ртуті (II).

Отже, при дії полісульфіду амонію і сульфіду натрію сульфіди V і IV аналітичних груп катіонів розділяються не повністю. У першому випадку частково мідь, у другому — ртуть (II) переходить у розчин разом з катіонами V групи. Тому що SnS не утворює з Na2S тіосолі, олово (II) залишається в оса­ді із сульфідами катіонів IV групи. Отже, деякі сульфіди залежно від умов поводять себе по-різному. Це свідчить проте, що різкої межі між основними і кислотними сульфідами не існує.

Сульфід миш'яку (V), маючи більш кислотні властивості, ніж сульфіди сурми і олова, розчиняється навіть у карбонаті амонію \ але не розчиняється в концентрованій соляній кислоті:

As2S5 + З (NH4)2 С03 = (NH4)3 AsS4 + (NH4)3 As03S + 3C02.

Сульфіди сурми і олова розчиняються в концентрованій соляній кислоті. Сірководень, що виділяється під час реакції, відновлює сурму і олово до нижчих ступенів валентності, при цьому частина сульфід-іонів окислюється до вільної сірки. Наприклад:

Sb 2S5 + 6НС1 = 2SbCI3 + 2S + 3H2S.

Сульфіди V групи реагують з азотною кислотою, утворюючи відповідні кислоти: миш'якову, сурм'яну й олов'яну і виділяючи вільну сірку. Наприклад:

3As2S5 + IOHNO3 + 4Н20 = 6H3As04 + 10NO -(- 15S.

1 У процесі реакції утворюється тіосіль (NH4)3AsS4 і тіоокеосіль (NH^AsOsS.

252

При дії на As2S6 концентрованою азотною кислотою утворюється сірчана кислота:

AsaS6 + 40HNO3 = 2H3As04 + 40NO2 + 5H2S04 + 12H20.

Миш'якова кислота добре розчиняється у воді, сурм'яна і олов'яна кис­лоти у воді не розчиняються. Отже, якщо на сульфіди V груші подіяти азот­ною кислотою, можна відокремити миш'як від сурми і олова; перший перейде в розчин у вигляді миш'якової кислоти, а сурма й олово у вигляді нероз­чинних кислот залишається в осаді.

§ 68. Миш'як

Природні сполуки. Миш'як іноді зустрічається в самородному стані. Найважливіші руди миш'яку: реальгар As2S2 і аурипігмент As2S3. Миш'як міститься також у складі червоного нікелевого колчедану NiAs, кобальтового блиску CoAsS, шмальтину (Co, Ni) As2, арсенопіриту FeAsS та багатьох інших мінералів. У невеликих кількостях миш'як є в усіх цинкових, мід­них і залізних рудах. Тому в звичайних сортах цинку, міді, сірчаної кислоти та інших речовин, виготовлених із цих матеріалів, містяться домішки миш'яку.

Властивості. Миш'як — метал сталево-сірого кольору, крихкий, легко розтирається в порошок. Густина його 5,7 • 103 кг/м3. При нагріванні миш'як сублімується і утворює отруйну пару з характерним запахом час­нику. При сильному нагріванні на повітрі металічний миш'як згоряє бла­китним полум'ям, при цьому утворюється білий дим As203. Миш'як не роз­чиняється в соляній і розведеній сірчаній кислотах. Він розчиняється в гаря­чій концентрованій H2S04. При розчиненні виділяється SO,. Гаряча розведе­на азотна кислота легко розчиняє миш'як; при цьому утворюється метами-ш'яковиста кислота HAs02:

As + 2Н20 — Зі = HAs02 -f ЗН+;

NOJ" + 4Н+ -f ЗІ = NO + 2Н20;

As + N07 + Н+ = HAs02 + NO.

При дії концентрованою азотною кислотою або царською водкою миш'як окислюється до миш'якової кислоти. Наприклад:

As + 5HN03 = H3As04 -f 5N02 + Н20.

Миш'як утворює два оксиди: As203 і As.,05.

Оксид миш'яку (III) As203 є дуже важливою сполукою миш'яку. Він існує в аморфній і кристалічній формах. Незалежно від форми As203 дуже отруйний. Смертельна доза — 60—200 мг. As203 — амфотерний оксид. Роз­чиняється в лугах і кислотах.

Луги і карбонати лужних металів реагують з As203, утворюючи солі, які називаються арсенітами. Ці солі є похідними мета-і піромиш'яковистої кислот. Так, формула арсеніту натрію NaAs02 (похідна метакислоти), арсе­ніту амонію — (NH4)4As205 (похідна пірокислоти).

253

Рівняння реакцій розчинення As>03 в лугах і карбонатах лужних металів можна записати так:

2СО^~ + 2Н20 = 2HCOJ- + 20Н~;

Asa03 + 20Н- = 2AsO^ + Н20;

As203 + 2СО|_ + Н20 = 2AsO^ + 2HC(}f,

або

As203 + 2Na2C03 + Н20 = 2NaAs02 + 2NaHC03.

As203 розчиняється в концентрованій НС1, у солянокислому розчині міститься і AsCl3, і HAsOo, що видно з таких рівнянь:

As203 + Н20 *± 2HAs02;

HAs02 + 3HCi «± AsCi3 + 2H20.

У розчині в невеликих кількостях містяться також іони As07 і As3+, які утворюються при дисоціації HAs02 І AsCl3. Збільшення концентрації НС1 сприяє утворенню AsCl3. Із зменшенням концентрації НС1 внаслідок розведення розчину водою збільшується концентрація HAs02.

У розчинах солей миш'яковистої кислоти поряд з іонами AsOF існують, також у рівновазі, іони AsOJj-:

AsO^ + H20 tt As03f+2H+.

Отже, в лужних розчинах арсенітів переважають іони AsO^-, а в кис­лих — іони AsOJ".

Хлорид миш'яку (III) AsCl3 у водних розчинах легко гідролізує:

AsCI3 + 3H20 & H3As03 + 3HC1.

З наведеного рівняння видно, що у водному розчині хлориду миш'яку містяться іони As3+ і AsO?!-. У сильносолянокислому розчині міститься більше іонів As3+, у слабкокислому розчині переважають іони AsO3-.

Оксид миш'яку (V) As205 — кислотний оксид. З лугами він утворює солі мета- HAs03 І ортомиш'якової H3As04 кислот. Наприклад, NaAs03 — мета-арсенат і Na3As04 — ортоарсенат натрію.

Арсенати лужних металів і гідроарсенати лужноземельних металів роз­чиняються у воді. Усі інші арсенати у воді не розчиняються, але розчиняють­ся в мінеральних кислотах.

Реакції іонів миш'яку (III). Миш'як (III) перебуває в розчинах у вигляді аніонів AsOiT, As03~. У кислих розчинах, які містять ці аніони, є помітна кількість іонів As3+.

Сірководень H2S не осаджує з нейтральних розчинів сульфіду миш'яку, бо за цих умов утворюється розчинна тіосіль:

Аі61~ + 3HaS == As$l~ + ЗНаО.

254

У 6 н. розчині НС1 сірководень з іонами As02 утворює жовтий осад суль­фіду миш'яку (III):

2As07 + 2Н+ + 3H2S = As2S3 + 4Н20,

або

2NaAs02 -f 3H2S + 2НСІ = As2S3 + 2NaCl + 4H20.

Осад сульфіду миш'яку (III) легко розчиняється в розчинах їдких лугів (цим він відрізняється від сульфіду олова (II)), у розчинах карбонатів луж­них металів і амонію, в розчинах сульфідів і полісульфідів лужних металів і амонію, у концентрованій HN03 і царській водці. Сульфід миш'яку не роз­чиняється в концентрованій НС1 (цим він відрізняється від сульфідів олова і сурми). Розчинення сульфіду миш'яку (III) в полісульфіді або карбонаті амонію і в лугах можна зобразити такими рівняннями:

As2S3 + 3S2- = 2AsS^- + S,

або

As2S3 + 3 (NH4)2 S2 = 2 (NH4)3 AsS4 + S; As2S3 + ЗСОз~ = AsS^~ -4- AsO|~ + 3C02,

або

As2S3 -f 3Na2C03 = Na3AsS3 -f Na3As03 + 3C02; As2S3 + 60H~ = AsS|~ -f AsC^~H- 3H20,

або

As2S3 -f 6NaOH = Na3AsS3 -f Na3As03 -f 3H20.

При розчиненні сульфіду миш'яку (III) в концентрованій HN03 сірка й миш'як окислюються і утворюється миш'якова і сірчана кислоти:

1 28

As2S3 + 20Н2О — 28е = 2As04~ + 3SO*- + 40H+ ; N0^- + 2Н+ + є = N02 + Н20;

As2S3 + 28NOJ" + 16Н+ = 2AsQ3- + 3S0*- + 28N02 + 8H20,

або

As2S3 + 28HN03 = 2H3As04 + 3H2S04 + 28N02 + 8H20.

При дії на тіосіль миш'яку кислотою випадає осад сульфіду миш'яку і виділяється сірководень:

2AsS^~ + 6Н+ = As2S3 -f 3H2S,

або

2Na3AsS3 + 6HC1 = As2S3 + 6NaCl -f 3H20.

Тіосульфат натрію Na2S203 з іонами AsCb- в кислих розчинах утворює жовтий осад сульфіду миш'яку:

2AsO|- + 3S20|_ + 6Н+ = As2S3 + 3S0^_ + 3H20,

255

або

2Na3As03 + 3Na,S20:! + 6HC1 = As2S3 -f 3Na2S04 + 6NaCl -f 3H20.

Нітрат срібла AgN03 осаджує з нейтральних розчинів солей миш'яко­вистої кислоти жовтий осад арсеніту срібла Ag3As03 (на відміну від шоколад­но-коричневого осаду арсенату срібла):

Na3As03 + 3AgN03 = Ag3AsOa -f 3NaN03. Осад арсеніту срібла розчиняється в азотній кислоті і аміаку. В остан­ньому випадку утворюються комплексні іони [Ag(NH3)2]+:

Ag3As03 + 6NH3 = 3 [Ag (NH3)2]+ + AsO^",

або

Ag3As03 + 9NH4OH = 3 [Ag (NH3)2] OH + (NH4)3 As03 + 6H20.

Магнезіальна суміш (суміш MgCl2, NH4OH і NH4C1) із солями миш'яко­вистої кислоти осаду не утворює (на відміну від солей миш'якової кислоти).

Сульфат міді CuS04 в аміачному розчині (аміакат міді) утворює з арсе­нітами зеленувато-жовтий осад арсеніту міді (II) Cu3 (As03)2 (на відміну від блакитного осаду арсенату міді).

Розчин йоду окислює іони AsC>3~ в As04_; при цьому буре забарвлення, властиве розчину йоду, зникає. Реакція відбувається за рівнянням

AsO^- + І2 + Н20 «± AsO^- + 2І~ -f 2Н+.

Щоб змістити рівновагу вправо, зв'язують іони Н+ добавлянням NaHC03. Отже, рівняння реакції можна записати так:

Na3As03 -f I2 -f 2NaHC03 = Na3As04 + 2NaI + H20 + 2C02.

Водень у момент виділення відновлює миш'як (V) і миш'як (III) до миш'яковистого водню, який із солями срібла або ртуті (II) утворює жовтий або бурий осад.

Виконання реакції. У пробірку вносять 3—5 краплин до­сліджуваного розчину, алюмінієву стружку і 0,5—І мл 2 н. розчину NaOH. Пробірку затикають ватним тампоном, насиченим розчином ацетату свинцю (для поглинання сірководню). Зверху пробірку закривають фільтрувальним папером, змоченим краплиною розчину AgN03 або HgCl.,. Утворення жовтої або бурої плями на папері вказує на наявність миш'яку.

Реакції іонів миш'яку (V). Миш'як (V) перебуває в розчині виключно

у вигляді аніонів ksO\~ або AsOr (H2AsOr і HAsOT).

Сірководень H2S тільки при тривалому пропусканні його крізь гарячий сильносолянокислий розчин солі миш'якової кислоти осаджує суміш сульфі­дів миш'яку As2S5, As2S3 і вільну сірку. Сірководень частково відновлює іони AsOil- в AsO.3-, а останні утворюють з H2S осад As2S3. При цьому від­буваються такі реакції:

AsO^~ + H2S = AsO^- -f H20 + S; 2AsO^~ + 3H2S + 6H+ = As2S3 + 6HaO.

256

Осад сульфіду миш'яку (V) розчиняється в лугах, карбонатах лужних металів і амонію, в розчинах сульфідів, полісульфідів лужних металів і амонію, в концентрованій азотній кислоті, в царській водці, але не розчи­няється в соляній кислоті.

Сульфід миш'яку (V) As2S6 в полісульфіді амонію і азотній кислоті роз­чиняється за такими рівняннями реакцій:

As2S5 + 3S2~ = 2AsS^- + 3S,

або

1

40

As2S5 + 3 (NH4)2 S2 = 2 (NH4)3 AsS4 -f 3S. As2S5 -f 28H20 + 40e = 2AsO^_ + 5SOj_ -f 56H+, NOJ- + 2H+ -f і = N02 + H20,

As2S5 + 40NOJ- + 24H+ = 2AsO^_ + 5SO*- + 40NO2 + 12H20. У молекулярній формі:

As2S5 + 40HNO3 = 2H3As04 + 5H2S04 + 40NO, + 12H20.

Тіосульфат натрію Na2S203 з кислих розчинів при нагріванні осаджує сульфід миш'яку (III).

Нітрат срібла AgN03 в нейтральному розчині утворює з іонами AsC>4осад арсенату срібла Ag3As04 шоколадно-бурого кольору (на відміну від жовтого осаду арсеніту срібла):

• Na3As04 -f 3AgN03 = Ag3As04 + 3NaN03.

Осад арсенату срібла розчиняється в азотній кислоті і аміаку.

Магнезіальна суміш, із солями миш'якової кислоти утворює білий осад MgNH4As04 (цим As04_ відрізняється від арсенітів). Цій реакції заважають іони РО?_.

Молібдат амонію в азотнокислому розчині утворює із солями миш'яко­вої кислоти жовтий осад арсеномолібдату амонію (NH4)3 [As (Mo3O10)4]. Реакція відбувається за таким рівнянням:

H3As04 + 12 (NH4)2 Mo04 + 21HN03 =

= (NH4)3 [As (Mo3O10)4] + 21NH4N03 + 12H20.

Арсеномолібдат амонію не розчиняється в азотній кислоті, але розчи­няється в суміші соляної і азотної кислот, а також у лугах і аміаку. В ос­танньому випадку реакція має такий вигляд:

(NH4)S [As (MosO10)4] + 24NH4OH = (NH4)S As04 + 12 (NH4)2 Mo04 + 12H20.

Виконання реакції. До 3—5 краплин досліджуваного розчи­ну добавляють 7—10 краплин 2 н. розчину HN03, 7—10 краплин азотнокис­лого розчину (NH4)2 Mo04 і нагрівають цю суміш. У присутності іонів миш'я­ку (V) утворюється жовтий осад. Цій реакції заважають іони РО?-.

Сульфат міді CuS04 в аміачному розчині (аміакат міді) утворює з арсе­натами осад Cu3 (As04)2 блакитного кольору.

9 І-1946

257

Йодид калію КІ іонами миш'якової кислоти окислюється до вільного йо­ду, внаслідок чого розчин буріє. Іони AsO^ відновлюється до AsC>3~. Реак­ція відбувається в кислому середовищі за рівнянням

AsO;j- + 21- + 2Н+ *± AsO^- + І2 + Н20. У молекулярній формі

Na3As04 + 2KI + 2HC1 <± Na3As03 + І2 + 2KC1 + Н20.

Ця реакція оборотна. Для зміщення рівноваги реакції вправо треба збільшити концентрацію іонів Н+ у розчині.

Виконання реакції. У пробірку вносять 3—5 краплин дослі­джуваного розчину, добавляють 3—5 краплин розчину КІ, 2—3 краплини 2 н. розчину СН3СООН, 2—3 краплини 1%-го розчину крохмалю, потім су­міш збовтують. Забарвлення розчину в синій колір вказує на присутність іонів As04~ в розчині. Окислювачі заважають цій реакції.

Водень у момент виділення відновлює сполуки миш'яку (III) і миш'яку (V) до миш'яковистого водню, який з нітратом срібла утворює сполуку AggAs • 3AgN03 жовтого кольору. Ця сполука розкладається водою. При розкладанні виділяється чорний осад металічного срібла. Реакції відбу­ваються за такими рівняннями:

1 AsO^-+ 11Н+ + 8е= AsH3 + 4H20; 4 Zn — 2е = Zn2+; 1. AsO;j- + 4Zn + 11H+ = AsH3 + 4Zn2+ + 4H20;

2. 6AgN03 + AsH3 = AsAg3 ■ 3AgN03 + 3H+ + ЗМО";

3. AsAg3 • 3AgN03 + 3H20 = H3As03 + 3HN03 + 6Ag.

Виконання реакції. У пробірку вносять 3—5 краплин дослі­джуваного розчину, 2—3 гранули цинку, 0,5—І мл 4 н. розчину НС1 (цинк і соляна кислота — без миш'яку). Пробірку затикають ватним тампоном, просоченим насиченим розчином ацетату свинцю (для поглинання можливої домішки сірководню). Зверху пробірку накривають фільтрувальним папе­ром, змоченим краплиною розчину AgN03. У присутності миш'яку через 2—3 хв пляма на папері забарвлюється в темно-жовтий або чорний колір.

Присутність сурми заважає реакції внаслідок утворення SbH3, який також забарвлює папір, змочений розчином AgN03. Тому при застосуванні цієї реакції AsH3 виділяють у лужному розчині. У цих умовах SbH3 не утворюється і реакція стає специфічною реакцією на миш'як.

Виконання реакції. У пробірку вміщують 2—3 гранули цинку (вільного від миш'яку), 3—4 мл 2 н. розчину NaOH і нагрівають вміст пробірки до кипіння. Коли починається реакція, нагрівання припиняють і добавляють у пробірку кілька краплин досліджуваного розчину. Якщо потрібно, вміст пробірки знову нагрівають, поки не почнеться реакція, потім накривають отвір пробірки папером, змоченим краплиною розчину

258

AgN03. У присутності миш'яку через кілька хвилин на папері виникає темна пляма.

Сполуки миш'яку (V) в цих умовах реагують дуже повільно, тому краще спочатку відновити миш'як за допомогою H2S03.