Общая и аналитическая химия. Лабораторный практикум

ному определяемому химическому соединению или его состав- ной части (например, иону). Такие реакции очень важны для анализа, но их немного. К их числу относится, в частности, реак- ция для открытия (определения) иона аммония [NH4]+, проте- кающая при нагревании согласно схеме

Иногда специфичность достигается варьированием условий эксперимента; для этого, очевидно, необходимо знать химиче- ские свойства всех компонентов, присутствующих в растворе.

Систематический анализ предполагает системное, после- довательное определение и разделение компонентов с помощью так называемых групповых реагентов. Внутри групп анализ проводят, используя селективные и специфические реакции.

Групповыми называют реакции, в которых целая группа ио- нов дает одинаковый аналитический сигнал с тем или иным хи- мическим реагентом. Такой реагент имеет собирательное назва- ние групповой реагент. Например, групповой реакцией для ио- нов Ca2+, Sr2+, Ba2+ является их взаимодействие с SO42-, c кото- рым они образуют белые кристаллические осадки CaSO4, SrSO4 и BaSO4 соответственно. Такие реакции указывают на наличие или отсутствие целой группы ионов.

Селективными называют реакции, в которых небольшое число ионов дает одинаковый аналитический сигнал с реаген- том. Реагент, дающий подобный аналитический сигнал, назы- вают селективным. Так, гексанитритокобальтат(III) натрия об- разует желтые осадки с ионами K+ и [NH4]+, образующимися в результате реакций

Na3[Co(NO2)6] + 2K+ → NaK2[Co(NO2)6] + 2Na+ , (1.2)

Na3[Co(NO2)6] + 2[NH4]+ → Na[NH4]2[Co(NO2)6] + 2Na+. (1.3)

Чем меньшее число ионов дает одинаковый эффект с реа- 60

гентом, тем большей селективностью обладает реагент. Высшей степенью селективности является специфичность, о которой уже говорилось несколько ранее.

Цель работы: экспериментальное осуществление анали- тических реакций на различные катионы и анионы.

Оборудование и реактивы

1.Водные растворы, содержащие катионы металлов 1–6 аналитических групп.

2.Водные растворы, содержащие анионы 1–3 аналитиче- ских групп.

3.Пробирки.

Методика выполнения работы

II.1.1. Качественные селективные реакции катионов Селективные реакции Pb2+. К 1 мл раствора, содержащего

Pb2+, прилейте 3-4 капли раствора KI. Наблюдайте выделение жёлтого осадка йодида свинца(II) по реакции

К 1 мл раствора, содержащего Pb2+, прилейте 3-4 капли рас- твора тетраоксохромата(VI) калия К2CrO4 или гептаоксодихро- мата(VI) калия К2Cr2O7 и 2 капли раствора ацетата натрия CH3COONa. Наблюдайте появление жёлтого осадка тетраоксо- хромата(VI) свинца(II) согласно реакции

Прилейте к каждому из этих осадков раствор NaOH. Что наблю- дается?

Селективная реакция Ba2+. К раствору, содержащему Ba2+ (1-2 капли), прилейте раствор CH3COONa (3-4 капли) и К2Cr2O7 (1-2 капли). Нагрейте пробирку с этой смесью на водяной бане. Наблюдайте выделение жёлтого кристаллического осадка тетра- оксохромата(VI) бария согласно реакции по уравнению:

61

Прилейте к каждому из этих осадков раствор NaOH. Что наблю- дается?

Селективная реакция Sr2+. К раствору, содержащему Sr2+ (1- 2 капли), прилейте 3-4 капли раствора «гипсовой воды» (насы- щенного раствора CaSO4). Наблюдайте образование осадка или мути при потирании палочкой о стенки пробирки или при на- гревании, связанное с образованием достаточно устойчивых пе-

Отмечается ли аналогичное явление при приливании рас- твора «гипсовой воды» к раствору, содержащему Ba2+?

Селективные реакции Ca2+. К раствору, содержащему Ca2+ (1-2 капли), прилейте 1-2 капли раствора оксалата аммония [NH4]2C2O4. Наблюдайте образование белого кристаллического осадка оксалата кальция, не растворимого в уксусной кислоте, согласно реакции по уравнению:

Нанесите на предметное стекло по одной капле раствора, содержащего Ca2+, и раствора H2SO4 и подсушите получившую- ся смесь до образования белой кромки. Затем охладите стекло и рассмотрите под микроскопом образовавшиеся кристаллы гипса в виде длинных игл, собранных в розетки и пучки. Реакция про- текает согласно уравнению:

Селективная реакция Al3+. На фильтровальную бумагу на- несите 2 капли раствора AlCl3, подержите ее 2-3 мин над 25 % водным раствором аммиака (NH3·H2O), после чего на получен- ное влажное пятно нанесите 1 каплю спиртового раствора 1,2- дигидроксиантрацендиона-9,10 (ализарина). Выдержите бумагу над парами аммиака и осторожно подсушите ее над пламенем

62

газовой горелки; при этом пятно приобретет розово-красный цвет, связанный с образованием координационного соединения Al(III) с 1,2-дигидроксиантрацендионом-9,10 (так называемого «алюминиевого лака») согласно брутто-реакции:

Селективная реакция Cr3+. К 2-3 каплям раствора соли Cr3+ добавьте твердую динатриевую соль N,N,N′,N′-этилендиамин- тетрауксусной кислоты (H4Edta) Na2H2Edta·2H2O (трилон Б) в таком минимальном количестве, чтобы он полностью не раство- рился и нагрейте в течение 3-5 мин на кипящей водяной бане. Наблюдайте появление фиолетовой окраски раствора, связанной с образованием координационного соединения фиолетового цвета – так называемого комплексоната хрома(III) по реакции:

тетрахлорметане CCl4 имеющего зелёную окраску. Наблюдайте изменение окраски раствора на пурпурно-красную, связанную с образованием дитизоната цинка(II) по брутто-реакции

К 2-3 каплям раствора соли Zn2+ добавьте столько же тетра- тиоцианатомеркуриата(II) аммония [NH4]2[Hg(SCN)4]. Наблю- дайте образование белого кристаллического осадка тетратио-

Модифицируйте предыдущий эксперимент, добавив в реак- ционную смесь дополнительно 1-2 капли 0,02 % раствора Co(NO3)2. Наблюдайте образование голубого или синего осадка

ZnCo[Hg(SCN)4] по схеме:

Zn2+ + Co2+ + [Hg(SCN)4]2-→ ZnCo[Hg(SCN)4]2. (1.14)

Селективные реакции Fe3+. К 2 каплям раствора, содержа- щего Fe3+, прибавьте одну каплю 2 М раствора HCl и 3-4 капли раствора K4[Fe(CN)6]. Наблюдайте образование темно-синего

К 1-2 каплям раствора соли Fe3+ добавьте 4-5 капель раство- ра тиоцианата (роданида) аммония NH4SCN. Наблюдайте появ- ление кроваво-красного окрашивания раствора, связанного с об- разованием комплекса железа(III) по реакции

Селективная реакция Fe2+. К двум каплям раствора соли Fe2+ добавьте одну каплю 2 М раствора НCl и 2 капли раствора K3[Fe(CN)6]. Наблюдайте образование синего осадка так назы- ваемой «турнбуллевой сини», идентичного по составу «берлин- ской лазури», в соответствии с реакцией:

Осадок нерастворим в кислотах, но легко разрушается под действием раствора NaOH с образованием Fe(OH)3.

Селективная реакция Mn(II). К двум каплям раствора соли Mn2+ добавьте одну каплю 2 M раствора HNO3 и несколько кри- сталликов твёрдого триоксовисмутата(V) натрия NaBiO3, после

64

чего встряхните пробирку с полученным раствором. Наблюдай- те появление розово-фиолетового или малинового окрашивания, связанного с образованием тетраоксоманганат(VII)-аниона MnO4- согласно брутто-реакции:

2Mn2+ + 5BiO3- + 14H+ → 2MnO4- + 5Bi3+ + 7H2O. (1.18)

Селективные реакции Mg2+. К 2 каплям раствора, содержа- щего Mg2+, прибавьте 1-2 капли раствора аммиачного буфера и 3-4 капли раствора Na2HPO4. Наблюдайте выделение белого кристаллического осадка Mg[NH4]PO4 по реакции (1.19)

Mg2+ + HPO42- + NH3 H2O → Mg[NH4]PO4 + H2O. (1.19)

Осадок растворим в минеральных кислотах и СН3СООН. Поместите на предметное стекло 2 капли раствора соли

Mg2+, 3 капли 0,1 М раствора NaOH и 2 капли раствора магнезо- на I O2N–C 6H4–N=N–C 6H3(OH)2. Наблюдайте появление синей окраски или осадка в соответствии с брутто-реакцией

OH

Селективные реакции Cu2+. К 2 каплям раствора соли Cu2+ прибавьте 3-4 капли концентрированного раствора NH3·H2O. Наблюдайте появление интенсивно синей окраски, связанной с образованием катиона тетрамминмеди(II) по реакции

К 2 каплям раствора соли Cu2+ прибавьте 2-3 капли раствора гексацианоферрата(II) калия K4[Fe(CN)6]. Наблюдайте образо- вание красно-коричневого осадка гексацианоферрата(II) меди согласно брутто-реакции:

Осадок не растворяется в разбавленных кислотах, но разру- шается под воздействием NaOH с образованием гидроксида ме-

ди(II) Сu(ОН)2.

Селективная реакция Ni2+. К 2 каплям раствора, содержаще- го Ni2+, прибавьте 5 капель 25 %-ного раствора аммиака и 4 кап- ли аммиачного раствора бутандиоксима-2,3 (диметилглиоксима, реактив Чугаева) H3C–C(=NOH)–C(=NOH)–CH 3. Наблюдайте образование розово-красного осадка бис(бутандиоксимато-2,3) никеля(II) в соответствии с брутто-уравнением

Селективные реакции иона [NH4]+. К 2 каплям раствора, со-

держащего катион [NH4]+, прибавьте 5 капель 0,1 М раствора NaOH. Наблюдайте выделение газообразного аммиака NH3, об- ладающего характерным резким специфическим запахом, обра-

Поднесите влажную универсальную индикаторную бумагу к отверстию пробирки, где протекает данная реакция. Объясните, почему происходит изменение окраски индикаторной бумаги.

К 2 каплям раствора, содержащего катион [NH4] +, прибавьте 5-7 капель щелочного раствора тетраиодомеркурата(II) калия K2[HgI4] (реактива Несслера). Наблюдайте образование жёлто- бурого осадка 1-окса-3-аза-2,4-димеркураетидиний-3 иодида по реакции, протекающей согласно брутто-уравнению

66

Селективная реакция К+. К 2 каплям раствора, содержащего катион K+, прибавьте 5-6 капель свежеприготовленного раствора гексанитритокобальтата(III) натрия Na3[Co(NO2)6]. Наблюдайте образование ярко-желтого мелкокристаллического осадка со- гласно брутто-реакции (1.26):

2К+ + Na3[Co(NO2)6] → K2Na[Co(NO2)6]↓ + 2Na+ . (1.26)

Селективная реакция Na+. Стеклянную палочку с впаянной в неё нихромовой проволочкой внесите в бесцветное пламя га- зовой горелки. Если проволочка достаточно чистая, пламя должно оставаться бесцветным. В противном случае проволочку надо очистить, опуская ее в 0,1 М раствор хлороводородной ки- слоты и снова внося в пламя до тех пор, пока оно не перестанет окрашиваться.

Очищенную описанным образом проволочку погрузите в рас- твор NaCl или захватите сделанной в ней петлёй немного указан- ной кристаллической соли, после чего внесите в бесцветное пламя газовой горелки. Наблюдайте в течение некоторого времени окра- шивание пламени горелки в характерный жёлтый цвет.

Объясните, почему аналогичная процедура с раствором или кристаллами KCl не относится к числу специфических реакций на K+, хотя соли K+ и придают пламени фиолетовую окраску.

II.1.2. Качественные селективные реакции анионов

Селективная реакция тетраоксосульфат(VI)-аниона SO42-.

К 2 каплям раствора, содержащего анион SO42-, прибавьте 5-6 67

капель раствора хлорида бария. Наблюдайте выпадение белого кристаллического осадка тетраоксосульфата(VI) бария по реак-

ции (1.27):

Испытайте воздействие на этот осадок 0.1 М растворов хло- роводородной и азотной кислот. Растворяется ли он в указанных кислотах?

Селективная реакция триоксокарбонат(IV)-аниона CO32-. К

2 каплям раствора, содержащего анион CO32-, прибавьте 3-5 ка- пель 0,1 М раствора хлороводородной или уксусной кислоты. Наблюдайте выделение углекислого газа, происходящее вслед-

Проведите качественное обнаружение диоксида углерода с помощью насыщенного раствора Са(ОН)2. Для этой цели ис- пользуйте Г-образную пробирку, в короткое колено которой по- местите 3-4 капли данного раствора, а в длинное – несколько капель раствора Са(ОН)2. Добавьте к раствору, содержащему анион CO32-, 1-2 капли 0,1 М раствора хлороводородной или ук- сусной кислоты и герметично закройте емкость, избегая пере- мешивания растворов. Наблюдайте помутнение раствора, вы- званное реакцией (1.29):

Селективные реакции тетраоксодикарбонат- (оксалат-)

аниона C2O42-. К предварительно нагретому до 80-90оС раствору, содержащему анион C2O42-, добавьте 1-2 капли 2 М раствора H2SO4 и 1-2 капли раствора КМnO4. Наблюдайте обесцвечива- ние КМnO4, связанное с протеканием брутто-реакции:

5C2O42- + 2МnO4- + 16Н+ → 2Мn2+ + 10СО2↑ + 8Н2O. (1.30)

68

К 2 каплям раствора, содержащего C2O42-, прибавьте 2-3 ка- пли раствора Ca(NO3)2. Наблюдайте выпадение белого мелко- кристаллического осадка, образующегося по реакции (1.31):

Прилейте к этому осадку 0,1 М раствор СН3СООН. Раство- рится ли он при этом?

Селективные реакции тетраоксофосфат(V)-аниона PO43-.

К 2-3 каплям раствора, содержащего анион PO43-, добавьте рав- ный объем магнезиальной смеси (MgCl2 + NH3 H2O + [NH4]Cl). Наблюдайте образование белого осадка магний-аммоний-

К 1-2 каплям раствора, содержащего анион PO43-, добавьте 8-10 капель молибденовой жидкости (раствор [NH4]2MoO4 в HNO3) и нагрейте смесь на водяной бане до 40-50° С. Наблюдай- те образование жёлтого кристаллического осадка тетра[дека- оксотримолибдато(VI)]фосфата(V) аммония, образующегося в результате протекания брутто-реакции:

PO43- + 12МоO42- + 3[NH4]+ →[NH4]3[P(Mo3O10)4]↓+ 12Н2O. (1.33)

Наблюдайте растворение осадка в избытке раствора

Na2HPO4, NaOH и NH3·H2O.

Селективная реакция тетраоксохромат(VI)- и гептаоксо-

дихромат(VI)-анионов CrO42- и Cr2O72-. К 3 каплям раствора, со- держащего CrO42- или Cr2O72-, добавьте 6-8 капель 3 %-ного рас- твора пероксида водорода, по 5 капель диэтилового эфира или 3- метилбутанола-1 (изоамилового спирта) и водного раствора H2SO4 (1:4) при встряхивании. Наблюдайте появление синего окрашивания эфирного слоя, вызванное образованием перок- сидного соединения Cr(V) согласно брутто-реакции по уравне- нию