Лабораторний практикум Розділ 1. Якісний аналіз неорганічних сполук

1. Класифікація аналітичних реакцій. Систематичний та дробний методи аналізу. Класифікація катіонів та аніонів

Якісний аналіз неорганічних сполук дає можливість визначити якісний склад індивідуальних неорганічних сполук або їх суміші. При цьому використовують аналітичні реакції як для розділення суміші, так і для виявлення речовини (або її структурних елементів). Аналітична реакція – це хімічне перетворення речовини, що аналізується, при дії аналітичного реагенту, яке супроводжується утворенням продуктів з характерними аналітичними ознаками. На результати проведення аналітичної реакції в розчинах впливають: температура, концентрація речовин, рН середовища, наявність других речовин (заважаючих, маскуючих, каталізуючих і ін.).

В практиці якісного аналізу мокрим способом найчастіше використовують такі аналітичні реакції (реагенти): групові, характерні, селективні (вибіркові), специфічні.

Групові реакції (реагенти) використовують для відокремлення катіонів чи аніонів певної аналітичної групи із складної суміші йонів. Наприклад, хлоридна кислота утворює малорозчинні осади з іонами і є груповим реагентом на ці йони.

Характерною реакцією називається аналітична реакція, яка властива тільки певному йону (речовині), за певних умов. Виявити певний йон характерною реакцією (характерним реагентом) можливо тільки при умові відсутності інших йонів у розчині. Наприклад, при аналізі катіонів ІІІ аналітичної групи за кислотно-основною системою виявити йон характерним реагентом амоній оксалатом можна лише за умови відсутності йонів і , оскільки вони з цим реагентом утворюють малорозчинні осади оксалатів.

Селективна реакція дає однакові або подібні аналітичні ознаки з обмеженим числом йонів (2-5). Наприклад, до селективних реакцій відносяться взаємодія диметилгліоксиму (реактиву Чугаєва) з йонами Селективність реакцій можна підвищити шляхом регулювання pH-розчинів, маскуванням певних йонів та ін. Високоселективна реакція, яка дає аналітичний ефект лише з одним йоном і будь-які інші йони в розчині її проведенню не заважають, називається специфічною. Реагент, який дозволяє виявити певний йон при наявності інших йонів, називається специфічним. Так, йони амонію можна виявити лугом. В результаті реакції виділяється амоніак, який забарвлює вологий червоний лакмусовий папірець в синій колір. Цю реакцію можна проводити при наявності інших йонів у розчині, оскільки вона специфічна. Специфічні реакції дають можливість виявляти йони в окремих порціях розчину без будь-якої послідовності. Це найчастіше використовується в дробному методі аналізу.

Суть дробного методу аналізу заключається в тому, що суміш йонів можна проаналізувати, використовуючи специфічні або дробні реакції. Дробними реакціями відокремлюють певний йон від інших йонів досліджуваного розчину (маскуванням, екстракцією чи іншими методами, 1-2 операції), потім його виявляють характерним реагентом. Якщо скористатися дробним методом аналізу неможливо, тоді (а це буває найчастіше) застосовують систематичний метод аналізу.

Систематичний метод аналізу передбачає розділення складної суміші йонів за допомогою групових реагентів на декілька окремих груп. Потім виявляють в певній послідовності окремо йони кожної аналітичної групи (кожен йон відокремлюється, а потім виявляється характерним на нього реагентом).

При виконанні різних досліджень велику увагу приділяють чутливості реакції. Чим меншу кількість речовини можна виявити за тією чи іншою реакцією, тим вона більш чутлива. Кількісно чутливість реакції характеризується: відкриваним мінімумом речовини, мінімальним об’ємом гранично розбавленого розчину, граничною концентрацією або граничним розведенням. Відкриваний мінімум m(x) – це найменша маса речовини (в мікрограмах), яку можна виявити за допомогою даної реакції в мінімальному об’ємі розчину. Мінімальний об’єм гранично розбавленого розчину V_мін – це об’єм розчину який містить відкриваний мінімум. Гранична концентрація С_гран. – це відношення однієї масової частки йона або речовини в розчині до найбільшої маси розчинника. Оскільки розчинник – вода, то маса води в грамах заміняється на см³. Тобто гранична концентрація виражається в г/см³ або г/мл. Аналітична реакція тим чутливіша, чим менший відкриваний мінімум і гранична концентрація. Граничне розведення – величина, зворотна граничній концентрації ( ), виражається в см³/г або мл/г. Наприклад, при виявленні - іона реактивом чутливість реакції характеризується С_гран. = 1:1000000 г/см³, а V_гран =1М10⁶ см³/г. Тобто - іони масою 1г можна виявити в об’ємі 1000 дм³ (або 1000 л) води.

Взаємозв’язок між показниками чутливості виражається загальною формулою: , мкг.

Чутливість реакції залежить від умов її виконання: концентрації речовини, рН середовища, наявності інших йонів, які заважають аналізу та ін. Тому, для підвищення чутливості реакцій, збільшують концентрацію речовини у розчині, попередньо видаляють або маскують йони, які заважають її виявленню, та ін.

Якісний аналіз неорганічних сполук поділяють на аналіз катіонів і аніонів, оскільки більшість неорганічних сполук є електролітами і у водних розчинах знаходяться у вигляді йонів. Виявлення катіонів найчастіше проводиться за систематичним ходом аналізу, оскільки присутність одних йонів заважає виявленню інших. Аналіз аніонів найчастіше проводять дробним методом.

Існує декілька систем аналізу катіонів: сульфідна, кислотно-основна, амоніачно-фосфатна та ін.

В основі класичної сульфідної системи якісного аналізу лежить різна розчинність сульфідів металів у воді. За розчинністю сульфідів катіони елементів діляться на п’ять аналітичних груп.

В основі амоніачно-фосфатної системи аналізу лежить різна розчинність фосфатів катіонів у воді та у водному розчині амоніаку.

Кислотно-основна система аналізу включає шість аналітичних груп і базується на різному відношенні катіонів до сульфатної та хлоридної кислот, лугів та розчину амоніаку.

Таблиця 1.1

Класифікація катіонів за кислотно-основним методом

Група	Катіони	Груповий реагент	Сполуки, що утворюються	Групова характеристика
І		Відсутній		Утворюють розчинні у воді хлориди, сульфати і гідроксиди
ІІ		2 М розчин	Осад:	Утворюють нерозчинні у воді хлориди
ІІІ		1 М розчин , етанол	Осад:	Утворюють нерозчинні або погано розчинні у воді та кислотах сульфати
IV		Надлишок концентрова-ного розчину або	Розчин: , , , , , ,	Утворюють гідроксиди, нерозчинні у воді, але розчинні в надлишку лугу
V		Надлишок концентро-ваного розчину амоніаку	Осад:	Утворюють гідроксиди, нерозчинні у воді, надлишку розчину , та надлишку групового реагенту
VI		Надлишок концентро-ваного розчину амоніаку	Розчин:	Утворюють гідроксиди, які нерозчинні у воді та надлишку розчину , але розчинні в надлишку розчину амоніаку

Із існуючих систематичних методів аналізу катіонів у даному посібнику описано кислотно-основний метод, який має певні переваги, порівняно з іншими, в системі підготовки вчителя хімії і біології і давно впроваджений у практику навчального процесу педагогічних ВНЗ.

Аніони в більшості випадків не заважають виявленню один іншому, тому найчастіше їх виявляють дробним методом, тобто за допомогою окремих реакцій.

Незважаючи на це, при аналізі аніонів використовують і групові реагенти. Але їх використовують не для розділення аніонів, а для виявлення аніонів тієї чи іншої групи. Єдиного принципу розподілення аніонів на групи немає. Різні автори ділять аніони на групи, враховуючи певні їх властивості (окисно-відновні, розчинність певних сполук у воді та інше).

Класифікація аніонів у більшості випадків базується на різній розчинності солей Барію і Аргентуму певних аніонів у воді. Ми вивчимо характерні реакції тільки найпоширеніших аніонів, які поділяються на три окремі групи:

Таблиця 1.2

Група	Аніони	Груповий реагент	Характеристика групи
І		в нейтральному або слабкокислому розчині	Солі Барію нерозчинні у воді
ІІ		в присутності	Солі Аргентуму нерозчинні у воді і розведеній
ІІІ		Відсутній	Солі Барію і Аргентуму розчинні у воді