- •Учебно-исследовательская работа n 12 Химико-аналитические свойства ионов s-элементов
- •I аналитической группы
- •Ионы s-элементов II аналитической группы
- •Контрольно-аналитическая задача n 12 Определение содержания катионов 1 и 3 аналитических групп в растворах.
- •Пример выполнения контрольно-аналитической задачи n 12
- •Определение катионов, входящих в состав
- •1 И 3 аналитических групп
- •Материалы для самоподготовки студентов:
- •3. К.Н. Зеленин "Химия", Санкт-Петербург, "Спец. Литература" 1997, с. 292-319.
- •Биологическая роль катионов s-элементов натрий и калий
- •Кальций
- •Бериллий. Стронций. Барий
- •II. Лекарственные препараты на основе соединений s-элементов
З А Н Я Т И Е N 12
ТЕМА: Основы качественного анализа.
S-элементы и их соединения
1. ЗНАЧИМОСТЬ ИЗУЧАЕМОЙ ТЕМЫ: Изучение темы "S-элементы и их соединения" имеет для студентов-медиков большое теоретическое и практическое значение. Такие S-элементы, как водород, калий, натрий, магний, кальций являются важнейшими биогенными макроэлементами. Недостаток или избыток в организме ионов натрия, кальция, магния вызывает нарушение протекания различных физиологических процессов и приводит к патологическим состояниям. Поэтому для студента-медика представляет существенный интерес специфическая биологическая роль каждого S-элемента в организме человека.
В медицине широко применяется ряд лекарственных средств, в состав которых входят S-элементы. Приобретенные знания о биологической роли S-элементов и их соединений, о применении лекарственных препаратов на основе S-элементов в медицинской практике необходимы будут студентам при изучении курсов биологической химии, фармакологии, нормальной и паталогической физиологии и т.д.
2. ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Сформировать системные знания об особенностях строения атомов S-элементов во взаимосвязи с их свойствами, познакомиться с биогенной ролью S-элементов и применением в медицине лекарственных препаратов на основе их соединений, научиться выполнять качественные реакции на катионы S-элементов в растворе.
3. ЗАДАЧИ: После изучения темы
а) студент должен знать:
- строение атомов и ионов S-элементов, их физико-химические характеристики ( изменение атомных радиусов в подгруппах, изменение энергии ионизации, сродства к электрону, электроотрицательности);
- положение S-элементов в ПС, закономерности изменения их свойств в группах и периодах;
- строение и свойства важнейших соединений S-элементов: гидридов, оксидов, гидроксидов, солей;
- химические свойства S-элементов и их важнейших соединений: окислительно-восстановительные реакции, реакции комплексообразования, реакции гидролиза солей; химико-аналитические реакции на катионы Na, K, Ca, Mg, Sr, Ba;
- топографию биогенных макроэлементов Na, K, Mg, и Са в организме и их биогенные функции;
- некоторые лекарственные препараты, содержащие S-элементы.
б) студент должен уметь:
- составлять электронные формулы S-элементов и их катионов;
- находить в справочнике физико-химические характеристики атомов S-элементов и с их помощью проводить сравнение свойств;
- составлять уравнения ОВР с участием S-элементов методом полуреакций и определять их направление, пользуясь таблицей стандартных ОВ потенциалов;
- составлять уравнения гидролиза солей S-элементов и, пользуясь справочными данными, рассчитывать константы гидролиза;
- составлять уравнения реакций комплексообразования с участием катионов S2-элементов, а также уметь дать оценку их термодинамической устойчивости с помощью констант нестойкости;
- писать уравнения химико-аналитических реакций катионов Na+, K+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Mg2+ и описывать их аналитические эффекты;
- составлять описание биогенных элементов по таблице 4.
в) приобрести практические навыки:
- по выполнению качественных (аналитических) реакций на катионы S-элементов: Na+, K+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Mg2+.
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕМЫ:
1. Положение S-элементов в ПС. Электронное строение атомов и катионов S-элементов. Физико-химические характеристики атомов S-элементов (R, I, F, ОЭО) и закономерности их изменения в группах и периодах.
2. Химические свойства S-элементов и их важнейших соединений (гидридов, оксидов, гидроксидов и солей). Особые свойства амфотерного металла бериллия.
3. Биогенная роль и топография S-элементов в организме человека. Применение соединений S-элементов в медицине.
4. Химико-аналитические свойства катионов S-элементов.
Учебно-исследовательская работа n 12 Химико-аналитические свойства ионов s-элементов
I аналитической группы
Катионы Na+, K+ относятся к первой аналитической группе катионов. Эта группа характеризуется отсутствием группового, реактива, т.е. реактива, способного осаждать все катионы этой группы из их растворов.
РЕАКЦИИ КАТИОНА КАЛИЯ (К+)
1. Натрия гексанитрокобальтат (III) Na3[Co(NO2)6] образует с ионами калия желтый кристаллический осадок калия-натрия гексанитрокобальтата(III):
2 KCl + Na3[Co(NO2)6] → K2Na[Co(NO2)6] ↓ + 2 NaCl
2K+ + Na+ + [Co(NO2)6]3- → K2Na[Co(NO2)6] ↓
Обнаружение иона К+ с помощью натрия гексанитрокобальтата (III) проводят в нейтральном или слабо кислом растворе, т.к. в щелочных и сильно кислотных средах реагент разлагается:
[Со(NO2)6]3- + 3 OH- → Co(OH)3 ↓ + 6 NO2-
[Co(NO2)6]3- + 10 H+ → 2 Co2+ + 5 NO + 7 NO2 + 5 H2O
ОПЫТ. В пробирку внести 2 капли раствора соли калия, прибавить одну каплю разбавленного раствора уксусной кислоты и 2 капли раствора натрия гексанитрокобальтата (III). Что наблюдается?
2. Натрия гидротартрат NaHC4H4O6 или винная кислота H2C4H4O6 образуют с ионами калия белый мелко-кристаллический осадок:
KCl + NaHC4H4O6 → KHC4H4O6 ↓ + NaCl
K+ + HC4H4O6- → KHC4H4O6 ↓
Если реагентом является винная кислота, то реакцию необходимо проводить в присутствии натрия ацетата CH3COONa:
KCl + H2C4H4O6 + CH3COONa → KHC4H4O6 ↓ + NaCl + CH3COOH
Обнаружение иона К+ с помощью натрия гидротартрата и винной кислоты проводят в нейтральных или слабокислых средах, т.к. в присутствии щелочей и сильных кислот происходит растворение калия гидротартрата:
KHC4H4O6 ↓ + HCl → H2C4H4O6 + KCl
KHC4H4O6 ↓ + KOH → K2C4H4O6 + H2O
Кроме того, реакцию ведут на холоде, т.к. повышение температуры способствует растворению осадка калия гидротартрата.
ОПЫТ. В пробирку внести 2 капли раствора соли калия и 2 капли раствора натрия гидротартрата. Для лучшей кристаллизации осадка необходимо потереть стеклянной палочкой о стенки пробирки. Что наблюдается?
РЕАКЦИИ КАТИОНА НАТРИЯ (Na+)
-
Калия гексагидроксостибиат (Y) К[Sb(OH)6] образует с ионом натрия белый кристаллический осадок натрия гексагидроксостибиата (Y):
NaCl + K[Sb(OH)6] → Na[Sb(OH)6] ↓ + KCl
Na+ + [Sb(OH)6]- → Na[Sb(OH)6] ↓
ОПЫТ. Поместить в пробирку 3 капли нейтрального или слабо щелочного раствора соли натрия. Прилить 3 капли раствора калия гексагидростибиата (Y). Если осадок не выпадает, охладить пробирку в струе водопроводной воды и потереть внутренние стенки пробирки стеклянной палочкой.
Во вторую пробирку поместить 3 капли раствора соли натрия, подкислить 2 каплями раствора соляной кислоты (проба на лакмус) и к полученной смеси добавить 3 капли раствора калия гексагидроксостибиата (Y). Что выпадает в осадок?
Затем в обе пробирки с осадками добавить по несколько капель раствора щелочи до сильно щелочной реакции (проба на лакмус). Почему исчезают осадки?
Ионы s-элементов II аналитической группы
Катионы магния, кальция, бария и стронция относятся ко II аналитической группе катионов, которая характеризуется наличием группового реактива (NH4)2CO3, осаждающего любой из приведенных катионов из его раствора.
РЕАКЦИИ КАТИОНА МАГНИЯ (Mg2+)
1. Аммония карбонат (NH4)2CO3 с раствором соли магния образует белый аморфный осадок основной соли (MgOH)2CO3:
2 MgCl2 + 2 (NH4)2CO3 + H2O → (MgOH)2CO3 ↓ + CO2 ↑ + 4 NH4Cl
2 Mg2+ + 2 CO32- + H2O → (MgOH)2CO3 ↓ + CO2 ↑
ОПЫТ. В две пробирки поместите по 2 капли раствора соли магния, в первую прибавьте 2 капли раствора NH4Cl, а затем в обе пробирки добавьте по 2 капли раствора (NH4)2CO3. Объясните, почему в первой пробирке (в присутствии NH4+) осадок не выпадает?
2. Едкие щелочи и аммония гидроксид с растворами солей магния образуют аморфный осадок Mg(OH)2, хорошо растворимый в кислотах и растворах аммонийных солей:
Mg2+ + 2 OH- → Mg(OH)2 ↓
Растворение в кислотах:
Mg(OH)2 + 2 H+ → Mg2+ + 2 H2O
Растворение в растворах аммонийных солей:
Mg(OH)2 + 2 NH4+ → Mg2+ + 2 NH4OH
ОПЫТ. Поместить в пробирку 2 капли раствора соли магния и прилить равный объем раствора едкого натра. Испытать образовавшийся осадок на растворимость в NH4Cl и HCl. Что наблюдается?
3. Натрия гидрофосфат Na2HPO4 в присутствии растворов NH4Cl и NH4OH образует с растворами солей магния белый кристаллический осадок двойной соли:
Mg2+ + HPO42- + NH4OH → MgNH4PO4 ↓ + H2O
Раствор NH4Cl препятствует образованию осадка Mg(OH)2 при добавлении NH4OH. Добавление же NH4OH препятствует образованию кислой соли MgHPO4.
ОПЫТ. К 3 каплям исследуемого раствора прибавить 3 капли 2 н. раствора NH4Cl и 2 или более капель раствора NH4OH. Раствор хорошо перемешать. Прибавить 3 капли 2 н. раствора Na2HPO4 и перемешать. Испытать осадок на растворимость в соляной кислоте. Что наблюдается?
РЕАКЦИИ КАТИОНА БАРИЯ (Ва2+)
1. Аммония карбонат (NH4)2CO3 осаждает катион Ва2+ из растворов его солей в виде белого аморфного, постепенно кристаллизующегося осадка BaCO3:
BaCl2 + (NH4)2CO3 → BaCO3 ↓ + 2 NH4Cl
Ba2+ + CO32- → BaCO3 ↓
Осадок хорошо растворим в кислотах, в том числе слабых:
BaCO3 + 2 H+ 6 Ba2+ + CO2 % + H2O
ОПЫТ. В пробирку внести 2 капли раствора BaCl2 и прибавить 3 капли раствора (NH4)2CO3. Испытать осадок на растворимость в соляной и уксусной кислотах. Что наблюдается?
2. Серная кислота H2SO4 и ее растворимые соли образуют с растворами солей бария белый кристаллический осадок бария сульфата:
BaCl2 + H2SO4 → BaSO4 ↓ + 2 HCl
Ba2+ + SO42- → BaSO4 ↓
Осадок BaSO4, как и SrSO4, и CaSO4 не растворяется в кислотах.
ОПЫТ. В пробирку внести 3 капли раствора соли бария и столько же раствора разбавленной H2SO4. Испытать осадок на растворимость в растворах кислот. Что наблюдается?
3. Калия дихромат K2Cr2O7 образует с растворами соли бария желтый осадок BaCrO4, нерастворимый в уксусной кислоте, в отличие от стронция хромата (стронция хромат хорошо растворяется в воде):
2 Ba2+ + Cr2O72- + H2O → 2 BaCrO4↓ + 2 H+
Реакцию проводят в присутствии избытка CH3COONa, который реагирует с образующимися ионами Н+, смещая равновесие вправо, вследствие образования малодиссоциированной уксусной кислоты:
CH3COO- + H+ → CH3COOH
ОПЫТ. В пробирку поместить 2 капли раствора BaCl2, прилить 3 капли раствора CH3COONa и 2 капли раствора K2Cr2O7. Что наблюдается?
РЕАКЦИИ КАТИОНА КАЛЬЦИЯ (Са2+)
1. Аммония карбонат (NH4)2CO3 осаждает из растворов солей кальция белый осадок CaCO3, который при нагревании переходит в кристаллический:
CaCl2 + (NH4)2CO3 → CaCO3 ↓ + 2 NH4Cl
Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓
Осадок легко растворяется в минеральных и уксусной кислотах.
ОПЫТ. В пробирку влить 2 капли раствора CaCl2 и прибавить 3 капли раствора (NH4)2CO3. Испытать осадок на растворимость в соляной и уксусной кислотах. Что наблюдается?
2. Аммония оксалат (NH4)2C2O4 образует с раствором соли кальция белый кристаллический осадок, растворимый в соляной, но нерастворимый в уксусной кислотах:
CaCl2 + (NH4)2C2O4 → CaC2O4 ↓ + 2 NH4Cl
Ca2+ + C2O42- → CaC2O4 ↓
Аналогичный осадок дают ионы Ba2+ и Sr2+. Поэтому этой реакцией можно обнаружить Ca2+ только в отсутствии ионов бария и стронция.
ОПЫТ. К 2 каплям раствора CaCl2 прибавить 2 капли раствора (NH4)2C2O4. Образовавшийся белый осадок разделить на две части и испытать на растворимость в соляной и уксусной кислотах. Какой вывод следует из опыта?
3. Калия гексацианоферрат (II) K4[Fe(CN)6] в присутствии солей аммония образует с солями кальция белый кристаллический осадок кальция и аммония гексацианоферрат (II) Ca(NH4)2[Fe(CN)6]:
CaCl2 + 2 NH4Cl + K4[Fe(CN)6] → Ca(NH4)2[Fe(CN)6] ↓ + 4 KCl
Ca2+ + 2 NH4+ + [Fe(CN)6]4- → Ca(NH4)2[Fe(CN)6] ↓
ОПЫТ. В пробирку поместить 3 капли раствора CaCL2, прибавить по 3-4 капли растворов NH4Cl и NH4OH и 4-5 капель раствора калия гексацианоферрата (II). Что наблюдается?
РЕАКЦИИ КАТИОНОВ СТРОНЦИЯ (Sr2+)
1. Аммония карбонат (NH4)2CO3 при взаимодействии с растворами солей стронция осаждает стронция карбонат:
Sr2+ + (NH4)2CO3 → SrCO3 ↓ + 2 NH4+
белого цвета, растворимый в уксусной, соляной и азотной кислотах с выделением диоксида углерода:
SrCO3 + 2 H+ → Sr2+ + CO2 ↑ + H2O
ОПЫТ. 2 капли раствора соли стронция поместить в пробирку и прибавить 2 капли раствора (NH4)2CO3. Испытать растворимость образовавшегося осадка в соляной и уксусной кислотах. Что наблюдается?
2. Насыщенный раствор гипса CaSO4.2H2O (гипсовая вода) образует с ионами Sr2+ белый осадок стронция сульфата:
Sr2+ + SO42- → SrSO4 ↓
Однако при действии гипсовой воды ион стронция дает не обильный осадок, а только небольшую муть, появляющуюся не сразу из-за образования перенасыщенного раствора. Появление ускоряют нагреванием.
Реакция служит для обнаружения Sr2+ только в присутствии Ва2+, который с гипсовой водой дает муть бария сульфата, появляющуюся сразу, т.к. растворимость BaSO4 меньше растворимости SrSO4 (ПР (SrSO4) = 2,8.10-7; ПР (BaSO4) = 1,1.10-7).
Гипсовая вода не образует осадков с растворами солей кальция ни на холоду, ни при нагревании. Этим ион Ca2+ отличается от ионов Ва2+ и Sr2+.
ОПЫТ. Внести в первую пробирку 2 капли раствора соли Sr2+, во вторую - 2 капли раствора соли Ва2+. Прибавить в каждую по 2 капли раствора гипсовой воды. Содержимое первой пробирки подогреть на водяной бане. Что наблюдается?