Praktikum_Solodovnik

ЧАСТИНА І

ЯКІСНИЙ АНАЛІЗ

В основі хімічних методів аналізу лежать хімічні реакції. В якісному аналізі використовують лише ті хімічні реакції, які супроводжуються певним зовнішнім ефектом: утворенням або розчиненням осаду, утворенням або руйнуванням забарвленої розчинної сполуки, виділенням газоподібної речовини. Такі реакції називаються аналітичними, а реактиви, за допомогою яких вони проводяться –

аналітичними реагентами.

Успішне застосування аналітичних реагентів залежить від чутливості аналітичних реакцій. Під чутливістю реакції розуміють ту найменшу кількість речовини (іона), яку можна виявити за допомогою даного реагенту. Кількісно чутливість реакції характеризується границею виявлення (г/см3) та мінімальним об’ємом розчину (см3) з таким вмістом речовини.

Залежно від кількості речовини, що використовується для аналізу, розрізняють макро-, мікро- та напівмікроаналіз. Метод аналізу, для якого беруть 0,1-1 г речовини, називають макрометодом, менше 0,01 г речовини – мікрометодом, 0,01- 0,1 г речовини – напівмікрометодом.

При виборі аналітичного реагенту велике значення має його специфічність, що характеризує розмаїття іонів, з якими цей реагент дає подібний зовнішній ефект реакції. Ті реагенти, що дають можливість виявляти один вид іонів у присутності інших, називають специфічними. Звичайно, специфічних реагентів, що реагують тільки з одним видом іонів, дуже мало. Аналітичні реагенти, які взаємодіють з обмеженим числом видів іонів, називають вибірковими або селективними. Крім специфічних і селективних реагентів, розрізняють ще групові та загальні реагенти, які реагують із більшою кількістю іонів.

Як правило, у розчині, що досліджується, присутні декілька різновидів іонів. Причому, багато з них дають схожі реакції та заважають при визначенні одних іонів у присутності інших. Тому не можна проводити реакції виявлення окремих різновидів іонів у довільній послідовності. Їх треба комбінувати таким чином, щоб при визначенні певних іонів усі інші, що заважають, були усунуті. Послідовність реакцій, що відповідає цій вимозі, називається систематичним ходом аналізу. При цьому іони розділяють за допомогою групових реагентів, які осаджують різні іони цілими групами. Це має велике значення, а саме: складна задача аналізу суміші іонів розкладається на ряд більш простих задач. Окрім цього, груповим реагентом можна встановити відсутність певної групи іонів.

Вплив сторонніх іонів на реакцію, що є характерною для даного виду іонів, залежить від їх концентрації та умов проведення реакцій. Іони, які заважають проведенню реакції, часто зв’язують у стійкі комплекси (маскують), а це спрощує та прискорює процес аналізу, оскільки дозволяє виявляти одні іони в присутності інших. Існують різні класифікації катіонів на аналітичні групи:

1.Сульфідна (в основі поділу катіонів на групи лежить відношення катіонів до карбонат-, сульфід- і хлорид-іонів).

2.Амонійно-фосфатна (ґрунтується на відношенні до (NH4)2HPO4 і розчинності фосфатів у оцтовій кислоті CH3COOH і аміаку – NH3, на відношенні до

HNO3 і HCl).

11

3. Кислотно-основна (ґрунтується на відношенні катіонів до розведених хлоридної (HCl) і сульфатної(IV) (H2SO4) кислот та сильних основ-лугів (NaOH, KOH), на амфотерності і комплексоутворенні).

В подальшому ми будемо вивчати і користуватися кислотно-лужною системою якісного аналізу катіонів, яка має ряд переваг: аналітичні групи катіонів цієї системи близькі до природних груп хімічних елементів у періодичній системі Д.І. Мендєлєєва; її практичне застосування не потребує багато часу; в цій системі катіонів не використовуються шкідливі реактиви.

Для аніонів характерно поділення на групи в залежності від їх відношення до дії барій дихлориду – ВаСl2 і аргентум(І) нітрату – AgNO3, тобто здатність утворювати нерозчинні у воді осади солей барію і аргентуму(І). За відношенням аніонів до цих реактивів всі аніони поділяють на три групи.

Метою лабораторного практикуму з якісного аналізу є вивчення методів виявлення та розділення катіонів та аніонів у розчинах, а також проведення аналізу індивідуальних речовин. Студенти повинні вивчити характерні реакції на катіони й аніони, знати умови проведення цих реакцій, вплив сторонніх іонів, уміти розділяти іони за допомогою групових реагентів, навчитися виявляти катіони й аніони в складних сумішах.

Упроцесі виконання лабораторних робіт з якісного аналізу студенти мають отримати практичні навички проведення хімічних реакцій у розчинах напівмікрота краплинним методом; робити вірні висновки з отриманих даних; засвоїти способи розділення та виявлення іонів у розчинах як при систематичному ході аналізу, так і при виконанні реакцій дробним шляхом.

Улабораторії аналітичної хімії для проведення якісних хімічних реакцій використовують спеціальний посуд і відносно прості прилади. Це переносний штатив з набором реактивів для індивідуального користування (рис.1.2.). Для роботи також необхідні штатив для пробірок і лійкою для фільтрування, штатив з кільцями, тиглі, тигельні щипці, центрифуга з металічними патрончиками для пробірок.

Рис.1.2. Переносний штатив з набором реактивів

Реактиви загального користування знаходяться на полицях у витяжній шафі. Для роботи використовують пробірки (хімічні – циліндричні – на 5-8 см3 і конічні – центрифужні – на 3-5 см), піпетки (краплинні або капілярні) для відбору проби, відокремлення розчину від осаду після центрифугування (кінчик піпетки повинен бути довгим і невеликого діаметру, оскільки ним беруть пробу з дна центрифужних

12

пробірок), стакани хімічні, промивалки, скляні палички та інше.

Для виконання краплинних реакцій використовують скляні, фарфорові, керамічні пластинки зі заглибленнями (рис.1.3.).

Рис.1.3. Пластинка зі заглибленнями

Для випарювання розчинів, сплавлення твердих речовин і прожарювання осадів використовують фарфорові чашки для випаровування або низькі тиглі. Для виконання операцій використовують також годинникові скельця, ділильні лійки тощо.

Відділення осадів від рідкої фази проводять за допомогою скляних лійок і паперових фільтрів. Після вивчення реакцій на іони кожної групи студенти виконують контрольні задачі. Задача – це розчин невідомого складу, який містить суміш катіонів або аніонів декількох груп (або суміш усіх груп аніонів). Студенти повинні проаналізувати розчин за запропонованою або складеною самостійно схемою і результати аналізу перевірити у викладача.

Після вивчення кожної групи катіонів (аніонів) студенту слід подати звіт у вигляді протоколу, в якому потрібно навести рівняння всіх проведених реакцій на кожен катіон (аніон) і вказати властивості отриманого продукту реакції, умови проведення реакції, зазначити, які іони заважають виявленню даного іона за цією реакцією; записати короткий хід аналізу контрольної задачі та одержані результати. Після виконання контрольних задач студенти складають теоретичну тестову контрольну роботу. План складання звіту з якісного аналізу наведений

в додатку 1.

13

РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ КАТІОНІВ

Груповими реагентами кислотно-основного методу є хлоридна та сульфатна кислоти, луги та амоній гідроксид. За їх допомогою катіони розділяють на групи, а потім аналізують останні на присутність тих чи інших катіонів. За кислотноосновною класифікацією катіони поділяються на шість аналітичних груп (табл. 1).

1.1. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

Перша аналітична група катіонів, характерні реакції. Систематичний хід аналізу суміші катіонів першої аналітичної групи

До І групи катіонів належать К+-, Na+-, NH4+-катіони. Більшість солей цих катіонів добре розчинні у воді. Групового реагенту, що водночас осаджував би всі іони цієї групи, немає.

NH4+-іон належить до першої аналітичної групи катіонів, бо його хімікоаналітичні властивості (розчинність солей, радіус атома, характерні реакції) схожі з властивостями К+-, Na+-катіонів.

Практична частина Завдання 1. Провести якісні реакції на катіони І групи, записати рівняння

реакцій та спостереження у вигляді таблиці (додаток 1)

Обладнання та реактиви Переносний штатив з набором реактивів, штатив з пробірками або пластинка

зі заглибленнями, промивалка, скляні палички, банка для зливу, воронка, хімічний стакан, фільтрувальний папір.

14

Виконання роботи

Якісні реакції К+-катіона

К+-катіон у водних розчинах безбарвний. Більшість солей Калію розчинні у воді.

1. Натрій гексонітрокобальтат(Ш) Nа3[Со(NО2)6] утворює з К+-катіоном жовтий осад комплексної солі дикалій натрій гексонітрокобальтату(Ш):

2КС1 + Nа3[Со(NО2)б] → 2NaС1 + К2Nа[Со(NO2)6]↓

2К+ + Nа+ + [Со(NО2)6]3– → К2Nа[Со(NO2)6]↓

Реакцію слід проводити в нейтральному або ацетатно-кислому середовищі, тому що сильні кислоти розчиняють осад К2Nа[Со(NO2)6], а в лужному середовищі випадає осад Со(ОН)3.

Для аналізу необхідно використовувати свіжоприготовлений розчин Nа3[Со(NO2)6], тому, що в процесі зберігання реактив зазнає внутрішньо молекулярного окислення-відновлення і жовте забарвлення розчину змінюється на рожеве.

ДОСЛІД. До краплі розчину солі калію (наприклад, КCl) додати 1-2 краплі розчину натрій гексанітрокобальтату(Ш) – утворюється кристалічний осад яскраво-жовтого кольору.

2. Натрій гідрогентартрат NаНС4Н4О6 (гідроген-сіль винної кислоти) з К+- катіоном утворює білий кристалічний осад калій гідрогентартрату:

К+ + НС4Н4О-6 → КНС4Н4О6↓.

Калій гідрогентартрат розчиняється в гарячій воді, в сильних кислотах і основах. Тому лужні розчини необхідно нейтралізувати ацетатною кислотою, а кислі – натрій гідроксидом. Механічне перемішування, внесення центрів кристалізації (потирання скляною паличкою стінок пробірки) прискорює кристалізацію.

ДОСЛІД. До 4-5 крапель розчину солі калію додати таку ж кількість розчину натрій гідрогентартрату. Перемішати вміст пробірки скляною паличкою – випадає білий кристалічний осад калій гідрогентартрату. Якщо осад не випадає, то вносять центри кристалізації, потираючи скляною паличкою внутрішню поверхню пробірки.

3. Реакція на забарвлення полум'я. Розчинні солі Калію, внесені в безбарвне полум'я пальника, забарвлюють його у фіолетовий колір.

ДОСЛІД. Платиновий або ніхромовий дріт ретельно очистити від слідів солі прожарюванням. Доторкнутися розпеченим дротом до кристалів солі калію і внести у нижню частину безбарвного полум'я пальника. Блідо-фіолетове забарвлення свідчить про наявність калій-катіону. Виявленню солі калію за кольором полум'я заважають солі Хрому(ІІІ), Купруму(ІІ), Стронцію.

15

Якісні реакції Na+-катіона

Натрій-катіон у водних розчинах безбарвний. Більшість солей натрію добре розчинні у воді.

1. Калій гексагідроксостибат(V) К[Sb(OH)6] з Nа+-катіоном утворює білий кристалічний осад натрій гексагідроксостибату(V):

Nа+ + [Sb(OH)6]- → Nа[Sb(OH)6]↓

Калій гексагідроксостибат(V) реагує з кислотами і лугами, тому середовище розчину має бути нейтральним або слабколужним; концентрація розчину Натрію – достатньою для утворення осаду. Реакцію необхідно проводити на холоді.

ДОСЛІД. Взяти 5-6 крапель розчину солі натрію, додати такий само об’єм розчину калій гексагідроксостибату(V) і потерти стінки пробірки скляною паличкою. Випадає білий кристалічний осад натрій гексагідроксостибату(V).

2. Реакція на забарвлення полум'я. Солі натрію забарвлюють безбарвне полум'я пальника в жовтий колір. Реакція дуже чутлива, тому наявність натрію можна визначити лише у тому випадку, якщо інтенсивне жовте забарвлення не зникає через 10-15 секунд. Техніка виконання досліду така ж як і при вивченні калійкатіона.

Якісні реакції NH4+-катіона

У водних розчинах амоній-катіон безбарвний. Переважна більшість солей амонію добре розчинна у воді.

1. Луги розкладають солі амонію з виділенням газоподібного амоніаку: NH4+ + ОН- → NН3↑ + Н2O

Реакцію слід проводити при рН > 9. Розчин необхідно нагрівати.

ДОСЛІД. У пробірку додати 2-3 краплі розчину солі амонію, 3-4 краплі лугу і нагріти на водяній бані. В якості індикатора застосовують вологий універсальний індикаторний папір, що синіє в присутності NH4+-іона. Змочений дистильованою водою індикаторний папірець підносять до отвору пробірки (не торкаючись стінок пробірки) і спостерігають за зміною забарвлення індикатора.

2. Реактив Несcлера (суміш комплексної солі дикалій тетрайодмеркурату К2[НgІ4] з калій гідроксидом КОН) утворює з NH4+-катіоном червоно-бурий (жовтий або коричневий) осад [Нg2ОNH2]I або дає жовто-буре забарвлення розчину у лужному середовищі:

NН4Сl + 2К2[НgІ4] + 4КОН → [Нg2ОNH2]І↓ + КС1 + 7KІ + ЗН2O

NH4+ + 4ОH- + 2[НgІ4]2– → [Hg2ONH 2]І↓ + 7І– + ЗН2О

При виконанні досліду необхідно брати надлишок реактиву Несcлера, тому що осад розчиняється в солях амонію.

ДОСЛІД. До краплі розбавленого розчину солі амонію додати 1-2 краплі реактиву Несcлера – при цьому випадає осад.

16

3. Натрій гексанітрокобальтат(Ш) Nа3[Со(NО2)6] утворює з NH4+-катіоном жовтий осад комплексної солі диамоній натрій гексанітрокобальтату(Ш), схожий на осад з К+- катіоном:

2NH4+ + Nа+ + [Со(NО2)6]3– → (NH4)2Nа[Со(NO2)6]↓

ДОСЛІД. Відкриття NH4+-катіона за допомогою Nа3[Со(NО2)6] виконується аналогічно виявленню цим реактивом К+-катіона.

Завдання 2. Проаналізувати контрольну суміш катіонів І групи за систематичним аналізом

Обладнання та реактиви Контрольна суміш катіонів І групи (одержати у викладача), переносний

штатив з набором реактивів, штатив з пробірками або пластинка зі заглибленнями, промивалка, скляні палички, банка для зливу, воронка, хімічний стакан, фільтрувальний папір.

Виконання роботи

Описання схеми систематичного ходу аналізу суміші катіонів першої аналітичної групи

Систематичний хід аналізу починають з виявлення NН+4 -катіона.

1. Виявлення NН +4 -катіона. У пробірку беруть близько 5 крапель

досліджуваного розчину і додають 5-7 крапель розчину лугу (NаОН чи КОН). Суміш обережно нагрівають на водяній бані і виявляють амоніак однією з характерних реакцій на нього: а) запах; б) почорніння паперу, змоченого Нg2(NО3)2; в) утворення білого "диму" навколо стінок скляної палички, змоченої концентрованою НСl; г) зміна кольору червоного лакмусового папірця.

2. Видалення NН +4 -йона. Якщо NН +4 -катіон виявлено, то його видаляють,

оскільки він заважає виявленню К+ - а також Nа+-катіона дією К[Sb(ОН)6]. Для цього у фарфорову чашку наливають 1 см3 досліджуваного розчину, випаровують воду і сухий залишок прожарюють до припинення виділення білого "диму".

Перед прожарюванням рекомендується сухий залишок змочити кількома краплями НСl чи НNО3, оскільки NН4Сl або NН4NО3 швидше розкладаються і летять.

3. Перевірка на повноту видалення амоній-катіона. Якщо NН +4 -іон повністю видалений, чашку охолоджують і сухий залишок розчиняють у 1-2 см3 дистильованої води. Якщо розчин каламутний (від звуглених органічних речовин з реактивів, від домішок силіцій(ІV) оксиду з реактивів і посуду), то його фільтрують. Одержаний розчин ділять на дві частини. В одній частині виявляють Nа+-катіон характерними реакціями з К[Sb(ОН)6], створивши для цього необхідні умови. У другій частині виявляють К+-іон за допомогою Nа3[Со(NО2)6] або NаНС4Н4О6.

4. Виявлення К+- і Na+-іонів при відсутності NН +4 -катіона. Якщо NН +4 -

катіон відсутній у досліджуваному розчині, то виявляють К+- і Na+-катіони. Для цього досліджуваний розчин ділять на дві частини. Створивши необхідні умови, в одній з них відкривають Na+-іон, а в іншій К+-іон характерними для них реакціями.

17

Схема систематичного ходу аналізу суміші катіонів першої аналітичної групи

Розчин суміші катіонів Na+, K+, NH4+.

Осад з фільтру

викидають (домішки) Фільтрат, який містить Nа+- і К+-катіони ділять на дві частини і, створивши необхідні умови, виявляють окремо Nа+- і К+-іони.

1.2. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2

Друга аналітична група катіонів, характерні реакції. Систематичний хід аналізу суміші катіонів другої аналітичної групи

До другої аналітичної групи катіонів відносяться катіони Pb2+, Ag+, Hg22+. Катіони другої аналітичної групи утворюють нерозчинні галогеніди (крім фториду срібла) сульфати, сульфіди, хромати, фосфати, арсеніти, арсенати, гідроксиди (оксиди), карбонати. Це пояснюється високою поляризаційною здатністю цих катіонів. Груповим реагентом на ІІ аналітичну групу є розчин хлоридної кислоти. При дії HCl осаджуються хлориди катіонів тільки другої аналітичної групи. Катіони інших аналітичних груп залишаються в розчині. Для катіонів ІІ аналітичної групи характерні реакції комплексоутворення, а для іонів Hg22+ – реакції окислення-відновлення та реакції диспропорціювання. Тому систематичний хід аналізу катіонів ІІ аналітичної групи оснований на реакціях осадження, комплексоутворення та окислення-відновлення. Більшість солей катіонів ІІ аналітичної групи безбарвні. Забарвленими є солі, які містять забарвлені аніони – хромати.

Практична частина Завдання 1. Провести якісні реакції на катіони ІІ групи, записати

рівняння реакцій та спостереження у вигляді таблиці (додаток 1)

Обладнання та реактиви Переносний штатив з набором реактивів, штатив з пробірками або пластинка

зі заглибленнями, промивалка, скляні палички, банка для зливу, воронка, хімічний стакан, фільтрувальний папір.

18

Виконання роботи

Якісні реакції Аg+-катіона

Із солей аргентуму добре розчиняються у воді АgNО3 – аргентум нітрат, АgF – аргентум флуорид, АgСlO4 – аргентум тетраоксохлорат(VII), АgСlO3 – аргентум триоксохлорат (V), АgМnО4 – аргентум тетраоксоманганат(VII).

Малорозчинні – СН3СООАg – аргентум(І) ацетат, Аg2SО4 – диаргентум сульфат(VI), АgNО2 – аргентум диоксонітрат(ІІІ) (АgNO2 добре розчиняється в гарячій воді ).

Аg+-катіон у водних розчинах безбарвний. Для вивчення його властивостей використовують розчин АgNO3.

1. Хлоридна кислота та її розчинні солі з Аg+-катіоном утворюють білий осад

аргентум хлориду:

Аg+ + Cl– → AgCl↓

Аргентум хлорид не розчиняється в кислотах і їдких лугах, але легко переходить у розчин при дії на нього розчину амоніаку, натрій тіосульфату, калій ціаніду внаслідок утворення комплексних сполук. Комплексна сполука [Аg(NН3)2]С1 легко руйнується кислотами. Властивість утворювати комплексну сполуку аргентуму з амоніаком використовують для відділення Аg+-катіона від Рb2+- і Нg22+-катіонів. Руйнування комплексу диаміноаргентум хлориду нітратною кислотою є характерною реакцією для відкриття Аg+-катіона.

ДОСЛІД. До 4-5 крапель розчину аргентум нітрату додати стільки ж хлоридної кислоти. Випадає білий аморфний осад, що розчиняється в амоніаку.

2. Сульфатна кислота та її розчинні солі з Аg+-катіоном утворюють білий осад аргентум(І) сульфату тільки з досить концентрованих розчинів (з розчинів малої концентрації осад не утворюється):

2Аg+ + SО42- → Аg2SО4↓

Аргентум сульфат добре розчиняється в гарячій воді, амоніаку, динатрій триоксотіосульфаті, калій ціаніді, нітратній кислоті.

3. Калій йодид утворює з Аg+-катіоном жовтий осад аргентум йодиду: Аg+ + І– → АgІ↓

4. Амоній гідроксид з Аg+-катіоном утворює чорний осад аргентум оксиду,

який розчиняється в надлишку амоніаку:

2Аg++ 2ОН– → Аg2О↓ + Н2О

5. Дикалій хромат(VI) К2CrO4 утворює з Аg+-катіоном цегляно-червоний осад диаргентум хромату(VI), розчинного в нітратній кислоті, амоніаку і

нерозчинного в ацетатній кислоті:

2Аg+ + CrO42–→ Аg2СгО4↓

Реакцію слід проводити при рН = 6,5-7,5. Проведенню реакції заважають Рb2+-, Ва2+-катіони та інші іони, які утворюють осад з CrO42–-іоном.

Якісні реакції Рb2+-катіона

Більшість солей плюмбуму не розчиняються у воді. Добре розчинні тільки солі нітратної і ацетатної кислот. Рb2+-іон у водних розчинах безбарвний.

19

1. Хлоридна кислота і її розчинні солі з Рb2+-катіоном утворюють кристалічний осад білого кольору:

Рb2+ + 2Cl– → PbCl2↓

Даний осад РbСl2 практично не розчиняється в холодній воді але добре розчиняється в гарячій. Осад РbСl2 розчиняється у присутності концентрованої хлоридної кислоти і в концентрованих розчинах калій хлориду внаслідок проходження реакцій комплексоутворення. Щоб досягти повного осадження плюмбум хлориду, до розчину слід додати метанол, етанол або їхню суміш.

2. Сульфатна кислота та її розчинні солі з Рb2+-катіоном утворюють білий

осад плюмбум сульфату:

Pb2+ + SO42– → PbSO4↓

Плюмбум сульфат розчиняється при нагріванні в їдких лугах, у гарячій концентрованій сульфатній кислоті, в розчині амоній ацетату (ω(%)(CH3COONH4) =30) і в амоній тартраті при нагріванні.

3. Гідроксиди КОН і NаОН утворюють з Рb2+-катіоном білий осад Рb(ОН)2, розчинний як у кислотах, так і в концентрованих розчинах гідроксидів:

РЬ2+ + 2ОН– → РЬ(ОН)2↓

Плюмбум(ІІ) гідроксид – амфотерний. При дії надлишку натрій гідроксиду утворюється натрій тетрагідроксоплюмбат(ІІ):

Рb(ОН)2 + 2NаОН → Na2[Рb(ОН)4]

4. Kалій йодид утворює з Рb2+-катіоном жовтий кристалічний осад плюмбум йодиду, який розчинний в надлишку реактиву, гарячій воді, ацетатній кислоті:

Рb2+ + 2І– → PbI2↓

Реакцію проводять при рН = 3-5. У надлишку калій йодиду плюмбум йодид РbI2 розчиняється, утворюючи К2[РbI4]. Ця реакція дозволяє відкрити Рb2+-іон в присутності йонів усіх аналітичних груп.

ДОСЛІД. Одержати осад плюмбум йодиду РbI2, для цього до солі Плюмбуму додати калій йодид. До одержаного осаду додати декілька крапель води і розчину ацетатної кислоти (с(CH3COOH) = 2 моль/дм3), нагріти. Осад розчиняється, але при різкому охолодженні в струмені водопровідної води знову утворюється у вигляді блискучих золотистих кристалів.

5. Калій хромат К2СгО4 утворює з Рb2+-катіонами малорозчинний плюмбум хромат жовтого кольору:

Рb2+ + СгО42– → РbСгО4↓

Плюмбум хромат розчиняється в їдких лугах, але не розчиняється в розбавлених кислотах.

Якісні реакції Нg22+-катіона

Більшість солей димеркурій(І)-катіона малорозчинні у воді. З них Нg2С12 – димеркурій дихлорид і Нg2І2 – димеркурій дийодид практично нерозчинні; Hg2SO4

– димеркурій сульфат(VI) і Hg2CrO4 – димеркурій хромат(VI) малорозчинні.

20