Химические методы анализа. Учебно-методическое пособие

1. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ

Качественный химический анализ — это определение (откры-

тие) химических элементов, атомов, ионов, атомных групп, молекул в анализируемом веществе. Из множества химических реакций для обнаружения элементов или ионов используются лишь те реакции, которые сопровождаются внешним эффектом (например, выделением газа, образованием осадка или окрашенного соединения). Такие реакции называются аналитическими. Реакции с внешним эффектом, характерным только для одного иона или соединения,

называются специфическими.

Требования к реакциям в качественном анализе:

•высокая скорость и необратимость;

•наличие какого-либо внешнего эффекта;

•специфичность и высокая чувствительность.

Для быстрого определения ограниченного числа содержащихся в анализируемой смеси катионов или анионов удобнее использовать дробный анализ, т. е. обнаружение ионов данного элемента в отдельных порциях раствора без предварительного разделения смеси ионов на группы. Дробный анализ выполняется в произвольной последовательности, при этом используют наиболее характерные реакции, специфичность и чувствительность которых повышают созданием оптимальных условий анализа (рН, температура, маскировка мешающих ионов, концентрирование и т. п.).

Полный анализ многокомпонентной системы проводят, используя систематическийанализ— анализ с определенной последовательностью проведения аналитических реакций, при которых каждый ион открывают после того, как будут открыты и удалены все другие ионы, мешающие его обнаружению.

Важной характеристикой качественных реакций является предел обнаружения, характеризующий минимальное количество

12

компонента, которое может быть определено с помощью данной аналитической реакции. Предел обнаружения выражают в микрограммах (мкг), он изменяется в достаточно широком диапазоне, но, как правило, не превышает 50 мкг. Может быть использовано и понятие предельнойконцентрации— наименьшей концентрации, при которой определяемое вещество может быть обнаружено в растворе с использованием данной аналитической реакции (г/см3).

Для удобства обнаружения ионы делят на аналитические группы, т. е. отдельные группы ионов со сходными аналитическими свойствами.

Классификация катионов связана с их разделением на аналитические группы при последовательном действии групповыми реагентами. Наибольшее распространение получили сульфидная, кислотно-основная и аммиачно-фосфатная классификации катионов.

Сульфидная классификация катионов основана на различной растворимости сульфидов, карбонатов и хлоридов. По этой классификации все катионы делят на пять групп (табл. 1.1).

13

Метод качественного анализа, основанный на сульфидной классификации, имеет два основных недостатка: необходимы специально оборудованные химические лаборатории из-за токсичности сероводорода и большие временн¿е затраты для выполнения анализа.

Кислотно-основная классификация основана на различной растворимости гидроксидов, хлоридов, сульфатов. Групповыми реагентами этого метода являются растворы кислот и оснований. По кислотно-основной классификации катионы делят на шесть аналитических групп (табл. 1.2).

14

При выполнении анализа по кислотно-основной схеме используются кислотно-основные свойства элементов, способность к комплексообразованию, амфотерность гидроксидов, что обусловлено их положением в Периодической системе элементов Менделеева; не применяются токсичные реагенты; сокращаются затраты времени на анализ.

Аммиачно-фосфатнаяклассификациякатионов основана на ис-

пользовании в качестве групповых реагентов гидрофосфата аммония (NH4)2HPO4 (в аммиачной среде), а также азотной и хлороводородной кислот. По этой классификации катионы делят на пять аналитических групп. Для 1-й аналитической группы группового реагента нет. Для 2-й и 3-й аналитических групп групповой реагент (NH4)2HPO4 (в аммиачной среде) переводит катионы в осадок в виде фосфатов, растворимых/нерастворимых в уксусной кислоте или растворимых в водном растворе аммиака. Элементы 4-й группы под действием группового реагента HNO3 (конц.) окисляются до высших степеней окисления. Катионы 5-й группы под действием группового реагента HCl выпадают в осадок в виде хлоридов.

В отличие от аналитических классификаций катионов не существует повсеместно принятой классификации анионов по аналитическим группам. Чаще всего классификация анионов основывается на растворимости солей бария и серебра тех или иных анионов (три аналитические группы, табл. 1.3), а также на окислительновосстановительных свойствах анионов в водных растворах.

Таблица 1.3

Классификация анионов, основанная на образовании малорастворимых солей бария и серебра

15

Лабораторная работа 1 Качественные реакции катионов

Цель работы: изучить реакции обнаружения катионов в соответствии с кислотно-основной классификацией.

При изучении реакций обнаружения заполняют таблицу (табл. 1.4), в которой фиксируют наблюдения и прописывают уравнения реакций.

Таблица 1.4

Качественные реакции обнаружения катионов

Концентрации растворов обнаруживаемых ионов и реагентов, используемых в лабораторной работе, составляют порядка 0,1 моль/ дм3 (если не указаны иные).

Качественные реакции катионов аналитической группы I

Опыт1. Качественная реакция на катион аммония (NH4+) с раствором щелочи

NH4+ + NaOH →

В пробирку помещают 2 капли соли аммония и 3–4 капли раствора гидроксида натрия (не касаясь стенок пробирки). Держа у отверстия пробирки индикаторную бумагу, смоченную водой, нагревают пробирку на водяной бане. Отмечают наблюдения — окрашивание индикаторной бумаги.

16

Качественные реакции катионов аналитической группы II

Опыт 2. Реакция с групповым реагентом H2SO4

Групповым реагентом на катионы группы II является раствор разбавленной серной кислоты (1,0 моль/дм3) в присутствии этанола (разб. 1 : 1 по объему).

Ca2+ + H2SO4 →

Ba2+ + H2SO4 →

К 2–3 каплям растворов солей кальция и бария (каждый в отдельной пробирке) добавляют 1–2 капли раствора H2SO4, обращают внимание на скорость образования осадков в разных пробирках, записывают наблюдения. К раствору сульфата кальция добавляют равный объем этанола, записывают наблюдения.

Опыт 3. Реакция с оксалатом аммония

CaCl2 + (NH4)2C2O4 →

Ba(NO3)2 + (NH4)2C2O4 →

Впробирку помещают 2–3 капли раствора соли кальция (бария)

и2–3 капли раствора оксалата аммония. Добавляют к полученному осадку раствор соляной кислоты концентрации 1,0 моль/дм3. Отмечают наблюдения.

Опыт 4. Реакция с хроматом калия

CaCl2 + K2CrO4 →

Ba(NO3)2 + K2CrO4 →

К 2–3 каплям раствора соли кальция (бария) добавляют 2–3 капли ацетатного буферного раствора (рН 5), 1–2 капли раствора хромата калия, записывают наблюдения.

КачественныереакциикатионованалитическойгруппыIII

Опыт 5. Реакция на катион серебра (Ag+) с хлоридом натрия

AgNO3 + NaCl →

К 2–3 каплям раствора AgNO3 добавляют 2–3 капли раствора хлорида натрия, записывают наблюдения.

17

КачественныереакциикатионованалитическойгруппыIV

Опыт 6. Реакция с групповым реагентом NaOH (KOH)

ZnCl2 + NaOH →

AlCl3 + NaOH →

При действии эквивалентных количеств гидроксидов калия или натрия на катионы аналитической группы IV образуются гидроксиды цинка и алюминия. Гидроксиды имеют амфотерный характер и взаимодействуют с избытком щелочи:

Zn(ОН)2 + NaOH →

Al(ОН)3 + NaOH →

Впробирки помещают по 2–3 капли растворов солей алюминия

ицинка, затем в каждую из пробирок осторожно добавляют равный объем гидроксида натрия, отмечают наблюдения. Далее в каждую пробирку добавляют при перемешивании несколько капель раствора гидроксида натрия, отмечают наблюдения.

Опыт 7. Реакция с раствором аммиака

ZnCl2 + NH4OH →

AlCl3 + NH4OH →

Впробирки помещают по 2–3 капли растворов солей алюминия

ицинка, в каждую из пробирок добавляют при перемешивании

по 2–3 капли концентрированного раствора аммиака NH3, отмечают наблюдения.

Качественные реакции катионов аналитической группы V

Опыт8. Реакция на катион марганца (Mn2+) с висмутатом натрия

MnCl2 + H2SO4 + NaBiO3 →

К 1–2 каплям раствора соли марганца (II) добавляют 3–4 капли раствора серной кислоты концентрации 1,0 моль/дм3 и затем немного сухого NaBiO3, отмечают окраску раствора.

18

Опыт9. Реакция на катион железа (Fe2+) с гексацианоферратом

(III) калия

FeCl2 + K3[Fe(CN)6] →

К 1–2 каплям раствора соли железа (II) добавляют 1–2 капли раствора гексацианоферрата (III) калия, отмечают наблюдения.

Опыт 10. Реакции на катион железа (Fe3+)

• С гексацианоферратом (II) калия

FeCl3 + K4[Fe(CN)6] →

К 1–2 каплям раствора соли железа (III) добавляют 1 каплю раствора гексацианоферрата (II) калия, отмечают наблюдения.

• С тиоцианатом аммония

FeCl3 + NH4CNS →

К 1–2 каплям раствора соли железа (III) добавляют 2–3 капли раствора тиоцианата аммония, отмечают наблюдения.

КачественныереакциикатионованалитическойгруппыVI

Опыт 11. Реакции на катион никеля (Ni2+)

• С аммиаком

NiSO4 + NH4OH →

В пробирку помещают 2–3 капли раствора сульфата никеля и добавляют 2–3 капли раствора аммиака NH3 (разб. 1 : 1) до видимых изменений, затем осторожно добавляют 1 см3 (избыток) раствора аммиака, отмечают наблюдения.

• С диметилглиоксимом (ДМГ) NiSO4 + ДМГ →

Впробирку помещают 2–3 капли раствора сульфата никеля

идобавляют 2–3 капли раствора диметилглиоксима. Отмечают наблюдения.

Опыт 12. Реакции на катион меди (Cu2+)

• С аммиаком

CuSO4 + NH4OH →

19

Впробирку помещают 2–3 капли раствора сульфата меди

идобавляют 2–3 капли раствора аммиака (разб. 1 : 1) до видимых изменений, затем осторожно добавляют 1 см3 (избыток) раствора аммиака, отмечают наблюдения.

•С гексацианоферратом (II) калия

CuSO4 + K4[Fe(CN)6] →

В пробирку помещают 2–3 капли раствора сульфата меди и добавляют 2–3 капли раствора гексацианоферрата (II) калия. Отмечают наблюдения.

Опыт 13. Реакция на катион кобальта (Co2+) с аммиаком

CoCl2 + NH4OH →

Впробирку помещают 2–3 капли раствора хлорида кобальта

идобавляют 2–3 капли раствора аммиака (разб. 1 : 1), затем осторожно добавляют избыток раствора аммиака, отмечают наблюдения.

Ввыводе по работе дают заключение о закономерностях в изменении свойств в аналитических группах катионов, позволяющих проводить их обнаружение.

Лабораторная работа 2 Качественные реакции анионов

Цель работы: изучить реакции обнаружения анионов.

При изучении реакций обнаружения анионов заполняют таблицу (табл. 1.5), в которой фиксируют наблюдения и прописывают уравнения реакций.

20