Лабораторна робота №5 п’ята аналітична група катіонів Загальна характеристика катіонів V групи

До п’ятої аналітичної групи належать катіони Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Mg²⁺, Bi³⁺, Sb³⁺, Sb⁵⁺. Ці елементи, за винятком вісмуту і магнію, мають змінну ступінь окиснення і мають тенденцію до комплексоутворювання. Гідроксиди катіонів п^’ятої групи, крім сурми (ІІІ), не мають амфотерних властивостей і не утворюють розчинних амінокомплексів. Вони кількісно осаджуються надлишком гідроксидів NaOH і KOH, які є груповим реагентом.

Реакції і хід аналізу п’ятої аналітичнної групи катіонів

Реакції катіона Fe³⁺

Розчини солей катіону Fe³⁺ мають жовте або червоно-буре забарвлення.

1. Їдкі луги NaOH і КОН, а також аміак NH₄OH утворюють з йонами Fe³⁺ червоно-бурий осад гідроксиду заліза (III) Fe(ОН)₃:

Fe³⁺ + 3 ОН^- = Fe(ОН)₃ .

Гідроксид заліза (III) розчиняється в кислотах і, на відміну від А1(ОН)₃ і Сг(ОН)₃, не розчиняється в надлишку лугу; гідроксид заліза (III) не розчиняється також у солях амонію і, на відміну від Fe(OH)₂, його можна добути дією аміаку на йони Fe³⁺ в присутності солей амонію.

Умови проведення досліду:

• Реакція проводиться при рН > 7.

• Реакцію можна проводити в присутності солей амонію.

Дослід: до 3-4 краплин розчину хлориду заліза (ІІІ), додайте 3-4 краплини дистильованої води і 2-3 краплини лугу. Зверніть увагу на осад, який утворився. Половину осаду з рідиною перелийте в другу пробірку. У першу пробірку додайте 5-7 краплин розчину NH₄Cl, а в другу 4-5 краплин HCl . Де буде розчинятися осад? Напишіть рівняння реакції.

2. Гексоціано-ферат (ІІ) калію K₄[Fe(CN)₆] утворює з йонами Fe³⁺ темно-синій осад берлінської лазурі гексоціано-ферату (ІІ) заліза Fe₄[Fe(CN)₆]₃.

Дослід: візьміть у пробірку 2-3 краплини розчину сульфату заліза (ІІІ), додайте 3-4 краплини дистильованої води, 1-2 краплини соляної кислоти і 2 краплини розчину гексаціано-ферату (ІІ) калію.

Умови проведення реакції:

• Реакція проводиться при рН=2.

• Вільні луги розкладають берлінську лазур.

• Надлишок K₄[Fe(CN)₆] небажаний, оскільки він може викликати утворення розчинної форми берлінської лазурі, а також відновлювати Fe (III) до Fe (II).

Реакцію можна проводити краплинним методом.

3. Роданід амонію NH₄SCN з йонами Fe³⁺ утворює роданід заліза червоно-бурого кольору. Присутність йонів Fe²⁺ не заважає реакції:

Fe³⁺ + 3 SCN^- = Fe(SCN)₃

Дослід: у пробірку налийте 2-3 краплини розчину сульфату заліза (ІІІ), додайте 4 краплини води і 6 краплин розчину роданіду калію. Зверніть увагу на колір розчину.

Умови проведення реакції:

• Реакція проводиться при рН<3.

• Для повного протікання реакції необхідно концентрований розчин NH₄SCN.

Реакції катіона Fe²⁺.

Розчини солей катіону Fe²⁺ забарвлені в блідо-зелений колір.

1. Гідроксиди NaOH, KOH осаджують катіон Fе²⁺ у вигляді гідроксиду заліза Fe(OH)₂:

Fe²⁺ + 2 OH^- = Fe(OH)₂.

Спочатку осад має білий колір, але згодом перетворюється в сіро-зелений. Зміна кольору відбувається при окисленні гідроксиду заліза (II) киснем повітря:

4 Fe(OH)₂ + 2 H₂O + O₂ = 4 Fe(OH)₃.

Дослід: в пробірку налийте 2-3 краплини розчину сульфату заліза (ІІ), додайте 5 краплин дистильованої води і 2 краплини гідроксиду натрію. Зверніть увагу на колір і характер осаду.

2. Розчин аміаку NH₄OH дає з катіоном Fe²⁺ осад гідроксиду заліза(ІІ):

2 NH₄OH + FeSO₄ = Fe(OH)₂ + (NH₄)₂SO₄.

Умови проведення реакції:

• Реакція повинна проводитися при рН=12-13.

• Якщо в розчині є багато солей амонію, то йони Fe²⁺ аміаком не осаджуються.

• При стоянні на повітрі Fe (ОН)₂ поступово окиснюється, в результаті цього випадає менш розчинний гідроксид заліза (III) Fe(ОН)₃.

3. Гексаціано-ферат (ІІІ) калію К₃[Fe(CN)₆] утворює з йонами Fe²⁺ темно-синій осад “турнбулевої сині” Fe₃[Fe (CN)₆]₂. Ця реакція характерна на йони Fe²⁺:

3 FeSO₄ + 2 К₃[Fe(CN)₆] = Fe₃[Fe(CN)₆]₂ + З К₂SO₄.

Умови проведення реакції:

• Реакцію слід проводити при рН=3.

• Осад Fе₃[Fе(CN)₆]₂ не розчиняється в кислотах, але розкладається лугами, в результаті чого утворюється Fe(ОН)₂.

• Катіони Fe³⁺ та інші не заважають проведенню реакції.

Дослід: налийте в пробірку 2-3 краплини розчину сульфату заліза (ІІ), додайте 4-5 краплин дистильованої води і 2 краплини розчину гексоціано-ферату (ІІІ) калію. Зверніть увагу на колір осаду. Перевірте розчинність його в кислотах та лугах.

4. Диметилгліоксим (реактив Чугаєва) утворює з йонами Fe²⁺ комплексну сполуку червоного кольору, яка розчи­няється у воді:

FeCl₂ + 2 H₂D + 3 NH₃ + H₂O = Fe(HD)₂(H₂O)(NH₃) + 2 NH₄Cl.

Дослід: на предметне скло нанесіть краплину досліджуваного розчину, додайте краплину реактиву і краплину гідроксиду амонію. За наявності катіону Fe²⁺ розчин забарвлюється в карміново-червоний колір.

Умови проведення реакції:

• Реакція відбувається в аміачному середовищі рН=9.

• Виявленню йонів Fe²⁺ заважають йони Mn²⁺, Ni²⁺, Fe³⁺.

5. а,а'-дипіридил або о-фенантролін з йонами Fe²⁺ у кислому середовищі утворює комплексну сполуку червоного кольору.

Дослід: на предметне скло нанесіть 2 краплини аналізованого розчину, додайте 2-3 краплини 0,1 н. розчину соляної кислоти і краплину солянокислого розчину реактиву. За наявності катіону Fe²⁺ утворюється стійкий комплекс червоного забарвлення.

Умови проведення досліду:

• Для проведення реакції необхідне кисле середовище, рН=1-2.

• Цю реакцію застосовують для виявлення і кількісного визначення йонів Fe²⁺ в присутності йонів Fe³⁺.

Реакції катіона Mn²⁺

Розчини солей катіону Mn²⁺ мають блідо-рожеве забарвлення.

1. Їдкі луги NaOH і КОН осаджують йони Mn²⁺ у вигляді білого осаду Mn(OH)₂, який розчиняється в розведених кислотах, солях амонію і не розчиняється в лугах:

MnSО₄ + 2 NaOH = Mn(OH)₂ + Na₂SO₄.

Осад Мn(ОН)₂ при окисленні на повітрі швидко буріє, катіон Mn²⁺ перетворюється в катіон Mn⁴⁺, при цьому утворюється метаманганцевиста кислота MnO(OH)₂ або H₂MnO₃.

Дослід: у пробірку вносять 3-4 краплини досліджуваного розчину, 3-4 краплини води і 4-5 краплини їдкого лугу. Пробірку із сумішшю збовтують, поки осад, що утворився, не стане темно-коричневим. Реакція проходить при рН=9-10.

2. Аміак NН₄OH, як і їдкі луги, осаджує йони Мn²⁺ у вигляді Мn(ОН)₂. Але осадження відбувається не повністю. За наявності солей амонію йони Мn²⁺ аміаком не осаджуються.

Дослід: налийте в пробірку 2-3 краплини розчину сульфату мангану, додайте 2-4 краплини води і 3 краплини розчину аміаку. Утвориться білий осад, розчинний у мінеральних кислотах і в надлишку гідроксиду амонію (особливо в присутності солей амонію).

Умови проведення реакції:

• Реакція проходить при рН=9-10.

• Наявність катіонів NH₄⁺ сприяє розчиненню осаду.

3. Окислення катіона Mn²⁺ в MnO₄^-.

Ця реакція має велике значення для виявлення йона Mn²⁺, оскільки дає змогу виявляти його в присутності катіонів всіх аналітичних груп. Окиснення може бути здійснене за допомогою різних окиснювачів у кислому (NH₄)₂S₂O₃, PbO₂, Na₂BiO₃) і лужному (H₂O₂, бромна або хлорна вода, бензидин) середовищах.

Оксид свинцю (IV) PbO₂ в азотнокислому розчині окислюють йони Мп²⁺ до йонів МnO₄^-. При окисленні оксидом cвинцю (IV) PbO₂ реакція відбувається за таким рівнянням:

2 Mn(NO₃)₂ + 5 PbO₂ + 6 HNO₃ = 2 HMnO₄ + 5 Pb(NO₃)₂ + 2 H₂O.

Умови проходження реакції:

• Реакція повинна проходити при рН<2.

• Проходженню реакції заважають відновники (хлориди, броміди і йодиди). Вони окиснюються перманганатом, унаслідок чого його розчин знебарв­люється.

• У досліджуваній пробі розчину повинна бути незначна кількість йонів Мп²⁺, інакше утворюється бурий осад.

• Нагрівання сприяє проходженню реакції.

Дослід: у пробірку поміщають трохи РЬО₂ і доливають 5-7 краплин концентрованої НNО₃. Суміш обережно нагрівають до кипіння, весь час злегка струшуючи пробірку. Потім додають 1-2 краплини досліджуваного розчину і знову нагрівають до кипіння. Після охолодження суміші до неї додають 5-7 краплин води і центрифугують. Забарвлення рідини над осадом у малиново-фіолетовий колір свідчить про наявність мангану.

Реакції катіона Bi³⁺

1. Вода (гідроліз). При додаванні води в невеликій кількості до розчину солей вісмуту внаслідок гідролізу випадають основні солі білого кольору:

BiCl₃ + 2 H₂O = Bi(OH)₂Cl + 2 HCl.

Утворена сіль нестійка, вона розкладається з виділенням води, утворюючи основну сіль BiOCl:

Bi(OH)₂Cl = BiOCl + H₂O.

Умови проведення реакції:

• Реакцію краще проводити з хлоридом вісмуту, оскільки BiOCl менш розчинний ніж BiONO₃.

• Якщо користуються нітратом вісмуту, то необхідно до розчину додати 2-3 краплини хлориду амонію.

• Солі сурми заважають проведенню реакції.

• BiOCl не розчинний у винній кислоті (на відміну від SbOCl).

2. Їдкі луги NaOH і КОН утворюють білий осад гідроксиду вісмуту Ві(ОН)з, який не розчиняється у надлишку розчину лугу, але розчиняється в кисло­тах:

Ві³⁺ + З ОН^- = Вi(ОH)₃.

Дослід: в пробірку налийте 3-4 краплини розчину BiCl₃ і додайте 2-3 краплини розчину лугу. Випаде білий осад.

3. Відновлення катіонів Bi³⁺ до металевого вісмуту (осад чорного кольору).

Дослід: до 3 краплин хлориду олова SnCl₂ додайте надлишок гідроксиду натрію, щоб спочатку розчинився осад Sn(OH)₂, який утворився:

SnCl₂ + 2 NaOH = 2 NaCl + Sn(OH)₂ (H₂SnO₂),

Sn²⁺ + 2 OH^- = Sn(OH)₂,

H₂SnO₂ + 2 NaOH = Na₂SnO₂ + 2 H₂O,

H₂SnO₂ + 2 OH^- = SnO₂^2- + 2 H₂O.

До утвореного лужного розчину додайте 2 краплини розчину солі вісмуту. Випаде чорний осад металічного вісмуту:

Bi(NO₃)₃ + 3 NaOH = Bi(OH)₃ + 3 NaNO₃,

Bi³⁺ + 3 OH^- = Bi(OH)₃,

2 Bi(OH)₃ + 3 Na₂SnO₂ = 2 Bi + 3 Na₂SnO₃ + 3 H₂O,

2 Bi(OH)₃ + 3 SnO₂^2- = 3 SnO₃^2- + 2 Bi + 3 H₂O.

Умови проведення реакції:

• Для проведення реакції береться свіжоприготований розчин хлориду олова (ІІ) SnCl₂.

• Не слід брати великого надлишку лугу.

• Проведенню реакції заважають катіони Ag⁺, Hg²⁺ та ін.

Реакції катіона Mg²⁺

Для виявлення йонів Mg²⁺ використовують реакції утворення важкорозчинних осадів.

1. Їдкі луги NaOH та KOH при відсутності солей амонію осаджують магній з нейтральних розчинів його солей у вигляді білого аморфного осаду гідроксиду магнію Mg(OH)₂.

Дослід: у першу пробірку налийте 4 краплини розчину солі магнію, додайте 4 краплини насиченого розчину NH₄Cl. У другу пробірку налийте 4 краплини розчину солі магнію і додайте 4 краплини води (щоб концентрація розчинів була однаковою). В обидві пробірки додайте осаджувач – NaOH. Чому не утворюється осад у першій пробірці?

Гідроксид магнію Mg(OH)₂ не розчиняється в надлишку лугу, але розчиняється в кислотах і солях амонію.

2. Гідрофосфат натрію Na₂HPO₄ з йонами Mg²⁺ в присутності NH₄OH і NH₄C1 утворює білий кристалічний осад фосфату магнію і амонію MgNH₄PО₄•6H₂O:

MgCl₂ + NH₄ОН + Na₂HPO₄ + 5 H₂O = MgNH₄PO₄ + 6 H₂О + 2 NaCl,

Mg²⁺ + NH₄^- + PO₄^3- + 6 Н₂О = MgNH₄PO₄•6H₂O.

Хлорид амонію додають для того, щоб при дії аміаку не утворився осад Mg(ОН)₂. Крім того, NH₄C1 сприяє осадженню MgNH₄PО₄ дією однойменних йонів NH₄⁺.

Ця реакція є дуже важливою для якісного виявлення і кількісного визначення магнію і фосфату.

Умови проведення реакції:

• Реакція проходить в аміачному середовищі при рН=8.

• Катіони всіх аналітичних груп, окрім першої, можуть заважать проходженню реакції.

Дослід: у пробірку до 2-3 краплин слабкокислого досліджуваного розчину (пробірку струшують) додають 2-3 краплини NH₄ОH, таку саму кількість розчину NH₄C1 і 3-4 краплини розчину Na₂HPО₄. Якщо випадає осад, то додають краплинами НС1 до повного його розчинення. Після цього додають, енергійно струшуючи пробірку, краплинами аміак до появи слабкого запаху. У присутності магнію випаде кристалічний осад MgNH₄РО₄•6Н₂О.

3 . Мікрокристалоскопічне виявлення магнію проводять, користуючись реакцією утворення MgNH₄PО₄. Форма кристалів цієї солі залежить від концентрації розчину і швидкості кристалізації.

Дослід: до краплини досліджуваного розчину на предметному склі додають краплину розчину NH₄C1. Предметне скло перевертають краплиною вниз і тримають протягом 1-2 хв. над склянкою з розчином аміаку, після цього в краплину вносять кристалик Na₂HPO₄ або краплину розчину цієї солі.

При повільній кристалізації з розведених розчинів утворюються кристали у формі призм і трапецій. При швидкій кристалізації з більш концентрованих розчинів кристали виділяються у вигляді зірочок або дендритів.

4. Магнезон І або магнезон II в лужному середовищі забарвлені в червоний або червоно-фіолетовий колір. За наявності гідроксиду магнію утворюється адсорбована сполука, яка забарвлює розчин у темно-синій колір.

Дослід: на предметне скло наносять краплину розчину солі магнію і додають 1-2 краплини лужного розчину реактиву. В залежності від кількості магнію у досліджуваному розчині або утворюється синій осад, або розчин стає синім. Якщо розчин має сильнокислу реакцію, то забарвлення буде жовтим. У цьому випадку до розчину треба додати кілька краплин лугу.

Умови проведення досліду:

• Реакцію слід проводити при рН>10.

• Реакції заважає присутність солей амонію.