Основы качественного химического анализа. Методическое пособие с элементами практикума

Осаждение. Для получения осадка к нескольким каплям исследуемого раствора (обычно в центрифужной пробирке) прибавляют пипеткой указанное число капель реагента, предварительно создав нужные условия. После сливания исследуемого раствора и реагента содержимое пробирки необходимо тщательно перемешать и, если нужно, нагреть на водяной бане.

Реакции осаждения могут иметь двоякую цель: качественное обнаружение веществ и отделение одних веществ от других, содержащихся в растворе. В первом случае необязательно, чтобы реакция прошла полностью. Часто бывает достаточно одной капли реагента, чтобы судить об отсутствии или присутствии того или иного вещества. Во втором случае, наоборот, необходимо, чтобы проводимая реакция прошла до конца. Для проверки полноты осаждения после центрифугирования выделившегося осадка к прозрачному раствору добавляют каплю реагента. Если раствор остается прозрачным, осаждение можно считать полным. В противном случае операцию осаждения повторяют.

Выполнение капельных реакций на бумаге. Конец капилляра пипетки погружают на 1-2 мм в соответствующий раствор и дают жидкости подняться в пипетку под действием капиллярных сил. Далее, держа пипетку вертикально, прикасаются ее кончиком к полоске фильтровальной бумаги и, слегка надавливая, выжидают, пока на бумаге не получится влажное пятно диаметром несколько миллиметров. После этого пипетку быстро удаляют, а к центру влажного пятна, соблюдая те же правила, прикасаются капилляром с раствором соответствующего реагента.

Недопустимо, чтобы капли раствора падали на бумагу. Раствор должен медленно впитываться бумагой при соприкосновении с кончиком капилляра. Поэтому не следует набирать в пипетку жидкости больше, чем может быть удержано капиллярными силами.

Капля не должна свисать с кончика капилляра. Иначе она стекает в стороны, не прореагировав с ранее нанесенным на бумагу раствором, реакция становится неотчетливой и может привести к неправильным заключениям.

Чтобы не загрязнять применяемого при реакции реагента, нужно, прежде чем поместить пипетку обратно в склянку, прикоснуться ее концом к чистой поверхности фильтровальной бумаги. Тем самым капля реагента, загрязненная исследуемым раствором, будет удалена из пипетки. Если это правило не выполняется, реагенты быстро приходят в негодность.

Для реакций применяется рыхлая, относительно толстая бумага, хорошо впитывающая растворы. Поскольку минеральные соли, содержащиеся в обыкновенной бумаге, иногда могут мешать обнаружению тех или иных ионов, необходимо пользоваться специальной хроматографической бумагой, а при ее отсутствии – беззольными фильтрами, приготовленными из бумаги, из которой большая часть минеральных солей удалена.

5. Общие указания к работе в лаборатории.

Непременным условием успешной работы в химической лаборатории является серьезное, внимательное отношение к работе, тщательное выполнение всех операций анализа, точное соблюдение условий выполнения химических реакций.

При выполнении всех видов работы следует всегда обращать внимание на чистоту рабочего места, а также склянок, в которых хранятся реактивы. Пролитый раствор следует немедленно вытереть тряпкой, промыть водой и снова тряпкой. Необходимо сохранять один и тот же порядок размещения реактивов в лаборатории. Для того, чтобы использовать реагент, необходимо взять сосуд с ним в руку,

пипеткой отобрать необходимое количество реактива, а затем вернуть ее на свое место. Не следует касаться стенок пробирки, в которой выполняется реакция, пипеткой для отбора реагента. Каждой склянке с реактивом должна соответствовать отдельная пипетка. Следует строго следить, чтобы пипетка из одной склянки не попадала в другую. Со временем склянки покрываются налетом солей. Необходимо время от времени протирать их мягкой тряпкой. Некоторые реагенты разлагаются при хранении, поэтому их заменяют свежеприготовленными.

К работе следует приступать только после тщательного ознакомления с ее содержанием, методикой выполнения, подготовки рабочего места.

Работу в лаборатории нужно организовать так, чтобы во время длительных операций одновременно выполнять другую работу. Например, в то время, когда производится нагревание растворов, можно проводить исследование по обнаружению отдельных ионов или оформлять записи в лабораторном журнале.

С ядовитыми и дурно пахнущими газами нужно работать под тягой.

Все результаты и наблюдения сразу же записываются в лабораторный журнал. Нельзя делать записи на листочках.

При выполнении контрольных задач каждый ион должен быть открыт с помощью нескольких реакций. Результаты анализа сдают преподавателю только убедившись в их достоверности.

Идентификация неорганического вещества химическими методами

Идентификация неорганического вещества состоит из ряда операций, проводимых в определённой последовательности (схема

6.1.1).

Рассмотрим подробно каждый из перечисленных этапов идентификации.

6.1. Предварительные наблюдения и испытания

Предварительные наблюдения и испытания включают: 1) фиксирование цвета образца, 2) наблюдение окрашивания пламени, 3)

испытание на выделение газообразных продуктов разложения под действием кислот и щелочей: −CO2, −NO2, −NH3 и др.

1. Цвет кристаллов или раствора является важным признаком, указывающим на присутствие тех или иных элементов. Известно, что зелёную окраску имеют растворимые соли никеля (II), голубовато- зеленую - железа (II), серо-зеленую - хрома (III), голубую (синюю) - соли меди (II), розовую - соли марганца (II), бурую - соли железа (III), жёлтую - ион CrO42-, оранжевую - ион Cr2O72- и т.д.

2. Ряд элементов можно обнаружить, пользуясь их свойством окрашивать бесцветное пламя горелки в определённый цвет

(табл.6.1.1).

Таблица 6.1.1. Окрашивание пламени летучими соединениями некоторых элементов

Технически идентификацию по окрашиванию пламени осуществляют следующим образом. Берут стеклянную палочку со впаянной в неё нихромовой проволочкой, конец которой имеет форму петли. Убеждаются прежде всего в том, что проволочка чистая, т.е. при прокаливании пламя горелки не окрашивается. В противном случае петлю смачивают раствором HCl и прокаливают, пока пламя не станет бесцветным. После этого на нихромовую петлю помещают исследуемое вещество (лучше сухой образец) и вносят в пламя газовой горелки, визуально фиксируют окраску пламени и далее сравнивают с данными табл. 6.1.1.

3. В ходе предварительных испытаний проверяют действие на исследуемое вещество (лучше сухое) разбавленной серной кислоты.

Если образец содержит CO32--ион, то должен выделяться газ CO2− -

бесцветный, без запаха. Реакция с гидроксидом кальция положительна (см. разд. 7.5.2). При действии на исследуемое вещество концентрированной серной кислоты (Осторожно!) может выделиться NO2−, бурый газ с резким запахом, что свидетельствует о присутствии NO3- - иона.

Если образец содержит NH4+- ион, то при химической обработке его раствором гидроксида натрия должен выделяться газ

NH3−, бесцветный, с резким запахом.

4. Также в ходе предварительных испытаний проверяют пробу: - на присутствие анионов-восстановителей (SO32, I-). К порции исследуемого раствора (2-3 капли) добавляют каплю 2М раствора NaOH, 1-2 капли разбавленного раствора KMnO4 (светло-розового цвета) и нагревают на бане. В присутствии восстановителей выделяется бурый

осадок MnO2·H2O.

Исследуемое вещество (сухой образец)

Предварительные наблюдения и испытания исследуемого образца

Выбор растворителя и перевод исследуемого образца в раствор

Обнаружение аналитической группы катиона и идентификация катиона

Обнаружение аналитической группы аниона и идентификация аниона

Рис. 6.1.1. Схема основных этапов проведения идентификации неорганических веществ

- на присутствие анионов окислителей (NO2-). К порции подкисленного 2М раствора H2SO4 исследуемого раствора (2-3 капли) добавляют 2-3 капли хлороформа или бензола, 1-2 капли 0,5 М раствора KI

и содержимое пробирки встряхивают. В присутствии окислителей слой органического растворителя окрашивается выделившимся I2 в розово- фиолетовый цвет.

Результаты визуального исследования необходимо записать и использовать в ходе последующего анализа. Необходимо помнить, что предварительные наблюдения и испытания носят предположительный характер и эти предположения необходимо доказать соответствующими реакциями.

6.2. Выбор растворителя для перевода исследуемого образца в раствор

Анализ вещества ведётся "мокрым" путём из растворов, поэтому его начинают с подбора растворителя. Подбор растворителя осуществляют с небольшим количеством вещества (несколько крупинок соли и 0,5-1 мл растворителя).

Испытание соли на растворимость в различных растворителях проводят в следующем порядке:

-H2O на холоде и при нагревании;

-2М CH3COOH на холоде и при нагревании;

-2М HCl на холоде и при нагревании;

-2М HNO3 на холоде и при нагревании;

-концентрированные кислоты HCl, HNO3 на холоде и при

нагревании;

-избыток NaOH (KOH);

-избыток NH3×H2O

При растворении исследуемого вещества в воде, кислотах и других растворителях следует внимательно наблюдать за происходящими явлениями, сопровождающими процесс растворения (изменение цвета, выделение газа и др.).

После выбора растворителя готовят раствор для анализа. Для этого берут большую часть образца (оставляя немного на случай проверки) и растворяют в 5-10 мл выбранного растворителя при перемешивании раствора стеклянной палочкой. В случае необходимости раствор нагревают до 80 – 90 0C на водяной бане. Раствор для анализа должен быть истинным (абсолютно прозрачным).

6.3. Анализ соли, растворимой в воде

Обнаружение катиона

Открытие катиона в образце может производиться либо до, либо после обнаружения аниона.

Для обнаружения катиона используют кислотно-основную классификацию, согласно которой катионы делятся на шесть групп в зависимости от их кислотно-основных свойств (табл.1 Приложения). В систематическом анализе смеси, содержащей несколько катионов, классификация используется для обнаружения и разделения различных групп катионов. В анализе индивидуального вещества (например, соли) классификация катионов используется только для обнаружения группы катиона. В этом случае принцип определения катиона заключается в следующем:

1.С помощью групповых реагентов определяют аналитическую группу, к которой принадлежит искомый катион. Групповые реагенты используют в последовательности, указанной в табл. 1 Приложения.

2.Внутри группы катион идентифицируют, проводя соответствующие селективные или специфические реакции. Более подробное описание групповых, селективных и специфических реакций на катионы приведено в разделах 7.3.1 и 7.3.2.

6.3.1. Определение аналитической группы катионов

Работа с таблицей 1 Приложения ведется следующим образом:

I. Обнаружение "хлоридной" группы катионов (Pb2+, Ag+, Hg2+). К двум каплям анализируемого раствора прибавить одну каплю HCl (2н). Выпадение белого осадка хлорида свинца указывает на присутствие катиона "хлоридной" группы.

Pb2+ + 2HCl → PbCl2↓ + 2H+

Осадок PbCl2 растворим в щелочах, в избытке HCl и хлорида щелочного металла, также должен раствориться при нагревании:

PbCl2↓ + 4 NaOH → Na2[Pb(OH)4] + 2NaCl

PbCl2↓ + HCl → H2[PbCl4]

Для понижения растворимости PbCl2 в исследуемый раствор добавляют этиловый спирт.

II. Обнаружение "сульфатной" группы катионов (Ba2+, Sr2+, Ca2+). Если проба на "хлоридную" группу дала отрицательный результат, то к новой порции (двум каплям) исследуемого раствора надо добавить H2SO4 (2н).

Ba2+ + H2SO4 → BaSO4↓ + 2H+

Выпадение белого осадка укажет на присутствие катионов этой группы (Ba2+, Sr2+). Присутствие Ca2+ доказывается отдельной реакцией. CaSO4 может выделиться только из концентрированных солей кальция. В анализе для понижения растворимости сульфата кальция добавляют этиловый спирт. Ba2+ химически более активен, чем Sr2+ и Ca2+, поэтому анализ катионов внутри группы следует начинать с обнаружения Ba2+.

III, IV, V Обнаружение "амфотерной, гидроксидной и аммиакатной" групп катионов (Al3+, Cr3+, Zn2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Mg2+,

Cu2+,, Ni2+). Пробу на катионы III, IV и V групп можно осуществлять только при отсутствии катионов хлоридной и сульфатной групп. Последовательность обнаружения катионов III, IV и V групп приведены на рис. 6.3.1.1.

Al3+ + 3NaOH → Al(OH)3↓ + 3Na+

Fe2+ + 2NaOH → Fe(OH)2↓ + 2Na+

Cu2+ + 2NaOH → Cu(OH)2↓ + 2Na+

III. Обнаружение "амфотерной" группы катионов (Al3+, Cr3+, ). Общее аналитическое свойство катионов этой группы - образование амфотерных гидроксидов, т.е. гидроксидов, растворимых в избытке NaOH. Групповой реагент - раствор NaOH (2н), взятый в избытке. На данном явлении основано отделение катионов III группы от катионов IV, V групп, которые при добавлении избытка щелочи

растворяются:

Al(OH)3↓ + NaOH → Na[Al(OH)4]

Тетрагидроксоалюминат (III) натрия

Cr(OH)3↓ + 3NaOH → Na3[Cr(OH)6]

Тетрагидроксоцинкат(II) натрия

Осадки гидроксидов также растворяются и в кислоте с образованием аквакомплексов:

Al(OH)3↓ + 3HCl + 3H2O → [Al(H2O)6]Cl3