9. Общая характеристика катионов третьей группы

9.1. Степень окисления

Алюминий (3s²3p¹) и цинк (4s²3d¹⁰) имеют постоянные степени окисления - три и два соответственно, и в условиях анализа в реакции окисления-восстановления не вступают.

Хром (4s¹3d⁵) - элемент VI группы ПСМ -имеет валентности II, III, VI. Соединения двухвалентного хрома неустойчивы и в условиях анализа легко превращаются в Cr³⁺. При окислении трёхвалентного хрома в щелочной среде перекисью водорода образуется хромат жёлтого цвета (соль хромовой кислоты - H₂CrO₄), в котором хром шестивалентен:

t⁰

2CrCl₃ + 10NaOH + 3H₂O  2Na₂CrO₄ + 8H₂O + 6NaCl

зелёный жёлтый

2Cr³⁺ + 8OH^- - 3e  CrO₄^2- + 4H₂O

3 H₂O₂ + 2e 2OH^-

2Cr³⁺ + 10ОH^- + 3H₂O₂  2CrO₄^2- + 8H₂O

При этом окраска раствора меняется из зелёной в жёлтую. Хром (VI) присутствует в растворах в виде анионов CrO₄^2- (щелочная среда) или Cr₂O₇^2- (кислая среда) вследствие равновесия (1).

2CrO₄^2- +2H⁺  Cr₂O₇^2- +H₂O

жёлтый оранжевый

9.2. Свойства гидроксидов

Все гидроксиды катионов третьей группы амфотерны и при действии избытка сильной щёлочи на соли этих ионов идут реакции:

Al³⁺ + 4OH^-  AlO₂^- + 2H₂O или [Al(OH)₄]^-

алюминат тетрагидрооксоалюминат-ион

бесцветный

Zn²⁺ + 4OH^-  ZnO₂^2- + 2H₂O или [Zn(OH)₄]^2-

цинкат тетрагидроксоцинкат-ион

бесцветный

Cr³⁺ + 4OH^-  CrO₂^- + 2H₂O или [Cr(OH)₄]^-

хромит тетрагидроксохромат (III)-ион

зелёный

С раствором аммиака соли катионов алюминия и хрома (III) образуют осадки соответствующих гидроксидов, а соль цинка, в отличие от них, в избытке NH₄OH легко растворяется с образованием комплексной соли - аммиаката цинка, что делает его похожим на катионы V аналитической группы:

Zn²⁺ + 6NH₄OH  [Zn(NH₃)₄]²⁺ + 6H₂O

Zn(OH)₂ + 6NH₄OH  [Zn(NH₃)₄](OH)₂ + 6H₂O

В анализе этой реакцией пользуются для отделения катиона Zn²⁺ от Al³⁺ и Cr³⁺.

9.3. Гидролиз солей

Все соли хрома, алюминия и цинка, образованные сильными кислотами, подвергаются ступенчатому гидролизу по катиону, а значит, имеют кислую реакцию:

AlCl₃ + HOH  2AlOHCl₂ + HCl

Al³⁺+ HOHAlOH²⁺+ H⁺

Zn²⁺ + HOH  ZnOH⁺ + H⁺

ZnOH⁺ + HOH  Zn(OH)₂ + H⁺

Cr³⁺ +HOH Cr(OH)²⁺ +H⁺

Алюминаты, хромиты и цинкаты также очень сильно гидролизуются и имеют щелочную реакцию, например:

CrO₂^- + H₂O  HCrO₂ + OH^-

9.4. Комплексообразование

Ионы цинка и хрома (III) образуют комплексы с различными лигандами: катионные- с аммиаком и водой, анионные - с гидроксид - ионом и другими отрицательно заряженными лигандами.

Координационные числа их равны: у цинка – IV; у алюминия – IV, VI; хрома - VI.

9.5. Окраска соединений

Растворы солей алюминия и цинка бесцветны. Соединения хрома (III) в кислой среде имеют окраску от фиолетовой до зелёной, а в щелочной среде - ярко-зелёные.

Соединения хрома (VI) в кислой среде оранжевого цвета, в щелочной - жёлтого цвета.

9.6. Техника безопасности

При работе руководствоваться общими правилами работы в химической лаборатории.

Лабораторная работа № 3

«Изучение свойств катионов III аналитической группы и анализ их смеси»

Цель работы: изучение свойств солей, гидроксидов ионов Al³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺; знакомство с методами разделения и обнаружения.

9.7. Общие реакции катионов третьей группы

Проделать и записать уравнения реакций с 1-2 каплями солей катионов Al³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺ согласно табл. 4. Реакции по пунктам 1,2,3 проделывать в одной пробирке, доливая реактивы в последовательности: NaOHNaOH_избH₂O₂.

Таблица 4

Реактивы	Условия проведения реакций	катионы
		Al3+	Cr3+	Zn2+
1. NaOH	Недостаток	Al(OH)3 белый	Cr(OH)3 серо-зелёный	Zn(OH)2  белый
2. NaOH	Избыток (до растворения осадков)	AlO2- бесцветный	CrO2- зелёный	ZnO22- бесцветный
3. NaOH+H2O2	Избыток нагреть	AlO2- бесцветный	CrO42- жёлтый	ZnO22- бесцветный
4. NH4OH	Избыток	Al(OH)3	Cr(OH)3	[Zn(NH3)4]2+
5. Na2CO3		Al(OH)3	Cr(OH)3	(ZnOH)2CO3  белый