Лекция 7. Аналитические группы катионов.

План.

1. Деление ионов на аналитические группы.

2. Классификация катионов на группы.

3. Общая характеристика аналитических групп катионов и их частные реакции.

Д.з. по уч. Пустоваловой стр. 138-171, конспект.

1. Деление ионов на аналитические группы.

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.

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.

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 IV Б 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

2. Классификация катионов на группы.

Кислотно-щелочной метод анализа катионов основан на различной растворимости в воде хлоридов и сульфатов и на различной растворимости гидроксидов в воде, избытке щёлочи и водном растворе аммиака. Групповыми реактивами являются хлороводородная и серная кислоты, щёлочь и водный раствор аммиака.

Номер группы	I		II		III	IV	V		VI
Название	Раствори-мая		Хлоридная		Сульфатная	Амфотерная	Гидроксидная		Аммиакатная
Групповой реагент	Нет		HCl (2 моль/л)		H2SO4 (2 моль/л)	NaOH, избыток	NaOH		NH4OH конц.
Ионы	K+, Na+, NH4+, Li+		Ag+, Hg22+, Pb2+		Ba2+, Ca2+, Sr2+	Al3+, Cr3+, Zn2+, Sn2+, Sn4+, V(V), Mo(VI)	Bi(III), Fe2+, Fe3+, Mn2+, Mg2+, Sb(III), Sb(V), Zr4+, Ti4+		Hg2+, Cu2+, Co2+, Ni2+, Cd2+
Действие групповых реагентов	Практически все соединения растворимы в воде		Хлориды нерастворимы в воде и разбавлен-ных кислотах		Сульфаты нерастворимы в воде и кислотах	Гидроксиды растворимы в избытке щелочи и в кислотах	Гидроксиды нерастворимы в щелочах, растворимы в кислотах		Гидроксиды растворимы в избытке водного раствора аммиака
Катион		Воздействие и реактив		Наблюдаемая реакция
Li +		Пламя		Карминово-красное окрашивание
Na +		Пламя		Жёлтое окрашивание
K +		Пламя		Фиолетовое окрашивание
Ca2 +		Пламя		Кирпично-красное окрашивание
Sr2 +		Пламя		Карминово-красное окрашивание

Группа катио-нов	I	II	III			IV				V
			А		Б	А		Б
Характеристика группы	Сульфиды и карбонаты раство-римы в воде	Сульфиды раство-римы в воде, карбонаты - нет	Сульфиды или образующиеся вместо них гидроксиды растворимы в разбавленных кислотах			Сульфиды нерастворимы в разбавленных кислотах
			Гидрок-сиды амфотерны	Гидрокси-ды неамфотерны		Сульфи-ды нерастворимы в Na2S	Сульфиды растворимы в Na2S		Хлориды нерастворимы в воде
Катио-ны	Na+, K+, NH4+	Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+	Al3+, Cr3+, Zn2+	Fe2+, Fe3+, Mn2+, Co2+, Ni2+		Cu2+, Bi3+, Cd2+	As(III, V), Sb(III, V), Sn2+, Sn(IV), Hg2+		Ag+, Hg22+, Pb2+
Групповой реагент	Нет	(NH4)2CO3	(NH4)2S в присутствии NH4OH и NH4Cl			H2S в присутствии HCl			HCl

ХАРАКТЕРИСТИКА 1 ГРУППЫ КАТИОНОВ

К первой группе катионов относятся катионы К⁺, Na⁺, NH₄⁺. В отличии от катионов других групп почти все соли натрия, калия и аммония хорошо растворимы в воде. Катионы К⁺, Na⁺, NH⁺₄ бесцветны. NaOH и КОН – сильные основания, а гидрат аммиака NH₃Н₂О - слабое основание. Аналитическим признаком катионов первой группы является отсутствие группового реактива.

ЧАСТНЫЕ РЕАКЦИИ КАТИОНОВ ПЕРВОЙ ГРУППЫ

РЕАКЦИЯ КАТИОНА КАЛИЯ К⁺

1.Реакция окрашивания пламени. Летучие соли калия окрашивают бесцветное пламя в фиолетовый цвет.

ВЫПОЛНЕНИЕ РЕАКЦИИ: Соль калия смачивают хлороводородной кислотой и вносят на проволоке в бесцветное пламя - ионы калия окрашивают пламя в фиолетовый цвет.

2. Гексанитрокобальтат (III) натрия осаждает из нейтрального или слабокислого раствора, желтый кристаллический осадок гексанитрокобальтата (III) калия-натрия K₂[Na Co (NO₂ )₂]_6. К 1 мл раствора соли калия добавляют 1 мл реактива.

РЕАКЦИЯ КАТИОНА НАТРИЯ Na⁺

1. Реакция окрашивания пламени. Соли натрия окрашивают пламя в желтый цвет. ВЫПОЛНЕНИЕ РЕАКЦИИ - такое же, как для ионов калия.

2. Гексагидроксостибиат (Y) калия K[Sb (ОН)₆] дает с солями натрия в нейтральной или слабощелочной среде медленно образующийся белый кристаллический осадок. К 1 мл раствора соли натрия добавляют 1,5 мл реактива. Пробирку с испытуемым раствором охлаждают под струей воды, одновременно потирая стекляной палочкой внутренние стенки пробирки.

РЕАКЦИЯ ИОНА АММОНИЯ NH⁺₄

Реактив Несслера (смесь K[Hg I₄]c КОН) дает с солями аммония красно-бурый осадок. К 1 мл раствора соли аммония добавляют 1,5 мл реактива Несслера.

ХАРАКТЕРИСТИКА II ГРУППЫ КАТИОНОВ

Ко второй аналитической группе катионов относятся ионы Рb²⁺, Hg₂²⁺, Ag^+. Соли этих катионов почти все плохо растворяются в воде. Хорошо растворимы только нитраты катионов этой группы, а также ацетаты серебра и свинца. Катионы Pb²⁺, Ag⁺, Hg₂²⁺ бесцветны.

ЧАСТНЫЕ РЕАКЦИИ КАТИОНОВ ВТОРОЙ ГРУППЫ.

РЕАКЦИИ КАТИОНА СВИНЦА Pb²⁺

1. Хлороводородная кислота НСl и растворимые хлориды осаждают белый хлопьевидный осадок хлорида свинца (II), легко растворимы в горячей воде.

В пробирку приливают I мл раствора нитрата свинца и добавляют 1 мл раствора HСl. К раствору с осадком добавляют 3 мл дистиллированной Н₂О и нагревают смесь. Наблюдают растворение осадка и постепенное его выпадение при охлаждении раствора.

2. Иодид калия с солями свинца дает желтый осадок. Реакция часто применяется для открытия ионов Pb²⁺. К 1 мл раствора нитрата свинца добавляют 1 мл раствора иодида калия. В полученный раствор с осадком добавляют 2 мл воды и 3-4 капли разбавленной уксусной кислоты и нагревают, затем охлаждают содержимое пробирки под струей воды. Растворившийся при нагревании осадок иодида свинца вновь выпадает в виде золотистых чешуек.

3. Хромат калия К₂ СrО₄ выделяет из растворов солей свинца желтый осадок хромата свинца. К 1мл раствора соли свинца добавляют 1 мл раствора хромата калия.

РЕАКЦИИ КАТИОНА СЕРЕБРА Ag⁺

1. Хлороводородная кислота и растворимые хлориды осаждают из нейтральных и кислых растворов солей серебра белый творожистый осадок хлорида серебра. Осадок легко растворяется в избытке аммиака. Эту реакцию применяют для открытия иона Ag⁺ . В пробирку помещают 0,5 мл раствора нитрата серебра и добавляют к нему 0,5 мл разбавленной НС1. К раствору с осадком добавляют несколько капель конц. раствора NH₃ до растворения осадка Ag (NH₃)₂ Сl

2. Иодид калия образует с ионом Ag ⁺ светло-желтый осадок. К 0,5 раствора нитрата серебра добавляют 0,5 мл раствора йодида калия.

З. Хромат калия К₂ СгО₄ из растворов солей серебра осаждают кирпично-красный осадок хромата серебра.. К 0,5 мл раствора нитрата серебра добавляют 0.5 мл раствора хромата калия.

РЕАКЦИИ КАТИОНА РТУТИ (I) Hg²⁺₂ .

Хлороводородная кислота и растворимые хлориды из растворов солей ртути (Г) осаждают хлорид ртути (I) - осадок белого цвета. Водный раствор аммиака окрашивают осадок в черный цвет, обусловленный образованием черной мелкораздробленной ртути, (опыт не делают, но в таблицу записывают).

ХАРАКТЕРИСТИКА ТРЕТЬЕЙ ГРУППЫ КАТИОНОВ

Катионы III группы - Ca²⁺, Ba²⁺ и Sr²⁺ - осаждаются серной кислотой и её солями, которые являются групповыми реагентами. При взаимодействии с сульфат-ионом катионы III группы дают нерастворимые в воде сульфаты бария и стронция и плохо растворимый сульфат кальция. Они образуют, кроме сульфатов, нерастворимые в воде карбонаты, фосфаты и сульфиты. Ва²⁺, Sr²⁺, Са²⁺ катионы бесцветны. Галогениды, нитраты, ацетаты этих катионов хорошо растворимы в воде. Гидроксиды этих катионов являются сильными электролитами, а сульфаты не растворяются в воде. Поэтому групповым реактивом является серная кислота. Соединения кальция, бария и стронция широко применяют как реактивы, минеральные краски, строительные материалы.

В медицинской практике применяют соли кальция и бария. Сульфат кальция CaSO₄ (Calcii sulfas), или гипс, применяют для наложения повязок, при изготовлении зубных порошков. Хлорид кальция CaCl₂ (Calcii chloridum), глюконат кальция Ca(C₆H₁₁O₇) (Calcii gluconas), лактат кальция Ca(C₃H₃O₂) (Calcii lactas) используют при аллергических заболеваниях, как кровоостанавливающие средства, при пониженной свертываемости крови. Карбонат кальция CaCO₃ (Calcii carbonas), или мел, обладает антацидной активностью, способен снижать повышенную кислотность желудочного сока. Он входит в состав зубных порошков и паст. Соединения кальция играют важную роль в организме человека, входя в состав костей, тканей, крови. Они регулируют деятельность системы свертывания крови, нервные и иммунные процессы, работу сердца.

Из солей бария в медицине применяется не пропускающий рентгеновские лучи сульфат бария BaSO₄ (Barii sulfas) как рентгеноконтрастное средство при рентгеноскопии желудка и кишечника.

ЧАСТНЫЕ РЕАКЦИИ КАТИОНА БАРИЯ Ва²⁺

1. Разбавленная серная кислота и растворимые сульфаты образуют белый осадок сульфата бария. Осадок не растворяется в кислотах и щелочах. К 0,5 мл раствора соли бария добавляют 1 каплю разбавленной серной кислоты.

2. Хромат калия осаждает из нейтральных или уксуснокислых растворов бариевой соли хромат бария желтого цвета, К 0,5 мл раствора бариевой соли добавляют 0,5 мл раствора хромата калия.

ЧАСТНЫЕ РЕАКЦИИ КАТИОНА КАЛЬЦИЯ Са²⁺

Оксалат аммония (NH₄)₂С₂О₄ дает на холоду в нейтральных или слабощелочных растворах белый осадок оксалата кальция. Это наиболее важная качественная реакция иона кальция. К 0,5 мл раствора хлорида кальция добавляют 0% мл раствора оксалата аммония.

ХАРАКТЕРИСТИКА 4 ГРУППЫ КАТИОНОВ

К четвертой группе катионов относятся Cr³⁺, Zn²⁺, Al³⁺. Хорошо растворимы в воде сульфаты, нитраты, хлориды, бромиды, иодиды алюминия, цинка и хрома. Ионы Аl³⁺, Zn²⁺ ,бесцветны, соединения Cr³⁺ окрашены в зелёный или фиолетовый цвет. Гидроксиды этих катионов являются амфотерными соединениями и растворяются в избытке щелочи. Ионы Аl³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺ обладают способностью к комплексообразованию.

РЕАКЦИИ КАТИОНА ХРОМА (III)

1. Едкие щелочи из раствора соли хрома (III) выделяют серо-зеленый аморфный осадок гидроксида хрома (III). К 1 мл раствора соли хрома добавляют 0,5 мл щелочи, а затем еще несколько капель. Наблюдают выпадение и последующее растворение осадка.

2. Пероксид водорода Н₂О₂ в присутствии щелочи окисляет нон Cr³⁺ в хромат-ион СгО^2-₄.

В пробирку 1 мл р-ра хрома (III) и приливают р-р щелочи до растворения образовавшегося осадка. Прибавляют 1 мл р-ра пероксида водорода и слегка подогревают. Наблюдают переход окраски из зелёной в жёлтую.

РЕАКЦИИ КАТИОНА ЦИНКА (II)

1. Едкие щелочи из р-ра солей цинка выделяет белый студенистый осадок гидроксида, растворяющийся в избытке щелочи. К 0,5 мл р-ра соли цинка добавляют по каплям р-ра щелочи. Наблюдают выпадение и последующее растворение осадка.

2. Красная кровяная соль КзFe(CN)₆ с солями цинка дает коричнево-желтый осадок гексацнаноферрата (III) цинка, К 0,5 мл раствора соли цинка прибавляют 0,5 мл р-ра красной кровяной соли.

РЕАКЦИИ КАТИОНА АЛЮМИНИЯ (III)

1. Едкие щелочи из р-ра солей алюминия выделяет белый студенистый осадок гидроксида алюминия, растворяющийся в избытке щелочи, К 0,5 мл р-ра соли прибавляют по каплям р-ра щелочи. Наблюдают выпадение и последующее растворение осадка.

2. Ализарин образует с гидроксидом алюминия ярко-красное соединение, так называемое «алюминевый лак».

В пробирку помещают 1 мл соли алюминия и добавляют р-р аммиака до образования осадка. Нагревают смесь и добавляют 2 мл раствора ализарина, Осадок Аl(ОН)₃ оказывается при этом окрашенным в ярко-красный цвет.

ХАРАКТЕРИСТИКА 5 ГРУППЫ КАТИОНОВ

К пятой группе катионов относятся ионы Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Mg²⁺.

Ионы Mn²⁺, Mg²⁺ бесцветны, ионы Fe²⁺ бледно-зелёные, а ионы Fe³⁺ жёлто-бурые. Нитраты, сульфаты и хлориды катионов пятой группы растворимы в воде. Гидроксиды – слабые труднорастворимые электролиты. Они не растворяются в избытке щёлочи и растворе аммиака, чем отличаются от гидроксидов четвертой и шестой групп. Групповым реактивом на пятую аналитическую группу является NaOH.

РЕАКЦИИ КАТИОНА ЖЕЛЕЗА (II)

1. Едкие щелочи осаждают гидроксид железа (II) бледно-зеленого цвета

К 0,5 мл р-ра сульфата железа (II) прибавляют 0,5 мл раствора щелочи. Наблюдают изменение окраски при стоянии.

2.Красная кровяная соль - гексацианоферрат (III) выделяет темно-синий осадок турбулевой сини. 0,5 мл р-ра сульфата железа (II) подкисляют 2-3 каплями разбавленной серной к-ты и добавляют 1 каплю красной кровяной соли.

РЕАКЦИИ КАТИОНА ЖЕЛЕЗА (III)

1.Едкие щелочи и аммиак выделяют бурый студенистый осадок гидроксида железа (III). К 0,5 мл раствора хлорида железа добавляют 0,5 мл р-ра щелочи.

2.Роданид калия KSCN дает с раствором соли железа (III) в слабокислой среде кроваво-красное окрашивание. В пробирку помещают 0,5 мл р-ра хлорида железа (III) и 1 каплю роданида калия.

3. Гексацианоферрат калия (II) - желтая кровяная соль осаждает из растворов солей железа (III) берлинскую лазурь - осадок интенсивного синего цвета. К 0,5 мл раствора хлорида железа (III) добавляют 1-2 капли раствора желтой кровяной соли.

РЕАКЦИИ КАТИОНА МАРГАНЦА (II)

1 Едкие щелочи с солями марганца (II) дают осадок телесного цвета гидроксида марганца (II), буреющий на воздухе. К 0,5 мл р-ра соли марганца добавляют 0,5 мл раствора щелочи.

2. Пероксид водорода H₂O₂ в присутствии щелочей окисляет соли марганца (II) до темно-бурого цвета соединения марганца (IY) К 0,5 мл р-ра соли марганца добавляют 1 мл р-ра щелочи и 0,5 мл р-ра Н₂О₂.

РЕАКЦИИ КАТИОНА МАГНИЯ (II)

Гидрофосфат натрия Na₂HPO₄ в присутствии аммиака образует с ионом магния белый кристаллический осадок аммоний-магний фосфата MgNH₄ РО₄ . Эта реакция - важнейшая качественная реакция на ион магния. В пробирку помещают 1 мл р-ра хлорида магния, 1 мл р-ра аммиака и 1 мл р-ра хлорида аммония до полного растворения осадка гидроксида магния. Затем к полученному раствору добавляют 1 мл р-ра гидрофосфата натрия.

ХАРАКТЕРИСТИКА ШЕСТОЙ ГРУППЫ КАТИОНОВ

К шестой группе катионов относятся катионы меди, ртути (II), кобальта, никеля, кадмия.

Хлориды, сульфаты и нитраты этих катионов хорошо растворимы в воде. Растворы солей меди (II) окрашены в голубой цвет, кобальта (II) - в розовый, а никеля (II) - в зелёный. Гидроксиды катионов являются труднорастворимыми соединениями. Для катионов 6-й группы характерны реакции комплексообразования. Групповым реактивом является раствор аммиака.

РЕАКЦИИ КАТИОНА МЕДИ (II)

1. Едкие щелочи из р-ра солей меди (II) выделяют на холоду голубой осадок гидроксида меди (II). К 0,5 мл р-ра сульфата меди добавляют 0,5 мл р-ра щелочи.

2. Водный р-р аммиака, взятый в избытке, образует с солями меди комплексное соединение синего цвета. К 0,5 мл соли меди добавляют избыток раствора аммиака.