Лабораторная работа №2. Реакции и анализ первой аналитической группы катионов

Содержание работы

Целью работы является изучение реакций обнаружения и получение практических навыков выполнения аналитических реакций,характерных для катионов первой аналитической группы.

В первую аналитическую группу входят катионы Ag+, РЬ²⁺, Нg²⁺₂ , образующие с хлороводородной кислотой и её солями нерастворимые осадки хлоридов белого цвета АgС1, РЬСl₂, Нg₂Сl₂ .

Общая характеристика катионов первой аналитической группы

Степень окисления.

Серебро (5S 4d¹⁰) во всех соединениях имеет степень окисления +1 . Ион Ag является довольно сильным окислителем (Ag⁺/Ag⁰ = +0.7986 В).

Галогениды серебра светочувствительны и. если осадок АgС1 долгое время стоит на свету, то он постепенно темнеет вследствие образования металлического серебра.

Свинец (6S² 6р²) может проявлять степени окисления +2 и -4. В ходе анализа приходится встречать только соединения свинца (II).

Ртуть (6S² 5d¹⁰) в первой аналитической группе имеет степени окисления +1, находится в виде двухвалентного иона. Этот ион имеет состав –Hg-Hg-, поэтому в формулах (Hg₂(NO₃)₂:; Hg₂Cl₂ индексы при химических знаках на два сокращать нельзя. Ион ртути (I) в щелочной среде легко вступает в реакции диспропорционирования:

Hg₂²⁺+ 2e 2Hg⁰

Hg₂²⁺- 2e 2Hg²⁺

При этом образуется ион двухвалентной ртути и металлическая ртуть.

Тот факт, что ион ртути (I) является сильным окислителем, используется в анализе для его открытия в смеси катионов первой группы ( Hg₂²⁺/Hg⁰=+ 0,86 В)

Свойства гидроксидов

Едкие щёлочи с катионами первой группы образуют нерастворимые в воде гидроксиды AgОН, HgОН и Рb(ОН)₂, из которых AgОН и HgОН очень неустойчивы и уже при своём образовании разлагаются на соответствующие труднорастворимые оксиды и Н₂O, а гидроксид свинца, имеющий амфотерные свойства, при избытке щёлочи легко переходит в раствор с образованием соответствующего плюмбита:

1 ) AgNO ₃+ NaОН AgОН + NaNO₃

2АgOН Ag₂O + Н₂0

или

2AgNO₃ + 2NaOH Ag₂OH + NaNO₃+ Н₂0.

бурый

2 ) Hg₂(NO₃)₂+2NaОН 2HgОH + 2NaNO₃

2HgOH Hg₂O +H₂O

черный

3 ) Pb(NO₃)₂+2NaOH 2NaNO₃+Pb(OH)₂

Гидролиз солей

Соли серебра и сильных кислот имеют нейтральную реакцию - гидролизу не подвергаются.

Соли ртути (I) и свинца в результате гидролиза по катиону имеют кислую реакцию:

РЬ²⁺ + Н₂О ↔ PbOH⁺+H⁺

Особенно сильно подвергаются гидролизу соли ртути:

Hg²⁺₂+ H₂O = Hg₂(OH)₂+2H⁺

Комплексообразование

Серебро является (d-элементом и его ион легко вступает в комплексо образование с различными лигандами

В ходе анализа получают комплекс Аg+ с аммиаком - аммиакат серебра. Он получается при действии избытка раствора аммиака на нитрат, хлорид или оксид серебра. Например:

A gCl + 2NH₄OH [Ag(NH ₃)₂]Cl+2H₂O

A g₂O + 4NH₄OH 2Ag(NH₃)₂(OH) + 3Н₂O

Хлорид диамин серебра устойчив только в аммиачной среде и разлагается с выпадением белого осадка АgС1 при подкислении азотной кислотой:

[Ag(NH₄)₂] + Cl¯+ H⁺ AgCl +2NH₄

Эти реакции используют в анализе для отделения иона серебра из сложной смеси катионов и открытия его.

Хлорид диамин серебра при взаимодействии с КI даёт желтоватый «осадок, так как произведение растворимости его очень маленькая величина и в присутствии иона I аммиакатный комплекс разлагается по реакции

П Р_AgI=10¯¹⁶: [Ag(NH₃)₂Cl+KI AgI + KCl + 2NH₃

желтый

Свинец является p-элементом и образует комплекс с гидроксид- ионом в сильнощелочной среде.

Ртуть (I) (d-элемент) образует комплекс с ионом иода и аммиаком При этом происходят реакции диспропорционирования - образуются комплексы ртути (II) и выпадает металлическая ртуть в виде чёрного осадка:

Н g₂²⁺ + 4I¯ [НgI₄]^2¯- + Нg⁰

Нg₂Сl₂+2NH₄ОН [Нg₂NH₂]Сl + 2Н₂O+NH₄Cl

[Нg₂NH₂]Cl [HgNH₂]Cl + Hg

Все растворы катионов первой группы бесцветны.

Задание 1. Общие реакции на катионы I группы

Ход работы

Опыт 1. Пользуясь таблицей 2, проделать реакции с каждым катионом первой группы и реактивами Уравнения всех реакций записать в тетрадь, отмечая цвет раствора и осадка Для выполнения каждой реакции в пробирку брать 1-3 капли раствора соли данного катиона и столько же капель реактива. Если необходим избыток реактива, то его надо приливать вдвое больше.

Соли серебра и ртути. сливать в отдельные сливные ёмкости

Табл.1

Реактив	Условия проведения реакции	Катионы
		Ag +	Pb2+	Hg2
1. HCl 2H-групповой реактив	-	A gCl белый творожистый	P bCl2	H g2Сl2
2.NH4OH	избыток	Ag(NH3)2+CI комплексная соль раствор	P b(OH)2 белый	H gNHCl+Hg черный
3. NaOH	недостаток	A g2O бурый	P b(O)2 белый	Hg2O черный
4. NaOH	избыток	Ag2O	Na2Pb(OH)4 комплексная соль раствор	Hg2O черный
5. K2СrО4 или . K2CrO7	2-3 капли	или К ирпичо- красный	PbCrO4 желтый осадок растворяется в горячей воде NaOH HNO3	HgCrO4 красный осадок
6. КI	2-3 капли	A gI желтоватый растворяется в Na2S2O7	P bI2 желтый растворяется в горячей воде CH3COOH	H g2I2 зеленый
7. Н2S04 2н	2 капли		Р ЬS04 белый	Hg2SO4 белый

К осадкам- хлоридов, полученным по пункту 1, добавить избыток раствора аммиака - пункт 2. Раствор аммиаката серебра [Ag(NH3)2 оставить для обнаружения иона серебра.

Только AgCl перейдёт в раствор по реакции

АgС1 + 2NН₄ОН ↔ [Ag(NH₃)₂]Cl + 2Н_:2O

избыток

Задание 2. Реакции обнаружения катионов первой группы

Опыт 2. Обнаружение ионов Полученный по табл. 2 (пункт 2) аммиакат серебра [Ag(NH₃)₂I разделить на две пробирки. В первую прибавлять по каплям 2н НNО₄ до pH<5, при этом выпадает белая муть или осадок АgСl в виде белой мути. Во вторую прилить раствор КI .Выпадет желтоватый осадок

A g(NH₃)₂Cl + KI + 2H₂O = AgI + KCl + NH₄OH

[ Ag(NH₃)₂]Cl + 2HNO₃ = AgCl + 2NH₄NO₃

Опыт 3. Обнаружение

3.1. Получить в пробирке РЬС1₂ действием 2н НС1 на соль Рb²⁺ К полученному осадку прилить концентрированный раствор NaОН (6-8 капель, перемешивая наточкой) до растворения осадка:

Р bСl₂ + 4NaОН Na₂[РЬ (ОН)₄)] + 2NaС1

В полученном растворе можно открыть катион Рb²⁺ : к раствору прибавить каплю К₂Сr₄O₄ и добавлять по каплям HNO₃ 2н до pН<7, при этом выпадает жёлтый осадок РЬСrО₄ (ПР_PbCrO4=1,8*10¯¹⁴):

N a₂[Рb(ОН)₄] + К₂СrO₄ + 4НNО₃ РЬСrO₄ + 2КNО₃+2NaNО₃+4Н₂0

[ Рb(OH)₄] ^2-+ CгO^2¯₄^: + 4H⁺ РЬСrO₄ + 4Н₂O

3.2 В пробирку с солью свинца прибавить 2 капли раствора KI при этом образуется жёлтый осадок РbI₂ :

Р b(NO₃)₂ + 2КI =РbI₂ +2КNO₃

золотисто-желтый

При нагревании осадки РbСl₂, РbI₂ растворяются, а при охлаждении растворов снова выпадают.

Опыт 4 . Обнаружение

Ион ртути обнаруживается путём прибавления раствора аммиака к солям ртути или к осадку Hg2Cl2 до pН >7. Выпадает чёрный осадок мелкодисперсной (металлической) ртути:

H g(NO₃)₂ + 2NH₄OH [HgNH₂]NO₃ + Hg + 3NH₄NO₃ + 2H₂O

черный

Н gCl₂ + 2NH₄OH HgNH₂Cl + Hg + NH₄Cl + 2Н₂0

черный

Контрольные вопросы :

Написать реакции действия избытка аммиака на катионы первой группы

4. При добавлении к осадку хлоридов первой группы раствора аммиака весь осадок растворился. Какой ион был в осадке? Написать уравнение реакции.

2. При нагревании с водой осадок хлоридов первой группы весь растворился. Какой ион присутствовал в растворе?

   6. При добавлении избытка аммиака к раствору ионов первой труппы выпал белый осадок. Какой ион присутствует в растворе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

РЕАКЦИИ И АНАЛИЗ ВТОРОЙ

АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ КАТИОНОВ

Содержание работы

Целью работы является изучение реакций обнаружения катионов второй аналитической группы . Получение практических навыков выполнения аналитических реакций.

Во вторую (сульфатную) группу входят катионы Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺. Групповым реагентом является 2н серная кислота. При этом образуются белые осадки СаSO₄, SrSO4, BaSO4. Катионы образуют сульфаты различной растворимости. Произведения растворимости их следующие:

Пр_CaSO4=2,4*10^-5 Пр_SrSO4=3,2*10^-10 ПР_BaSO4=2,1*10^-10.

Наименее растворим сульфат бария, наиболее - сульфат кальция. В ходе анализа ион кальция осаждается серной кислотой не полностью и попадает в другие группы. Сульфаты не растворяются в кислотах. Трудно растворимы и карбонаты этих ионов. Произведения растворимости их такие: ПРсacоз=4,3*10^-9 ПР_SrСO3 = 1,6* 10^-9 ПР _BaCOз =8*10^-9. Однако они растворимы даже в уксусной кислоте.

Общая характеристика катионов второй аналитической группы.

Степень окисления

Все металлы, образующие катионы этой группы, являются S-элементами второй группы IIСМ (ns²) и образуют соединении со степенью окисления +2 В окислительно-восстановительных процессах не участвуют.

Свойства гидроксидов

Гидроксиды этих элементов Ca(ОН)₂, Sr(ОН)₂, Ba(OH)₂ являются сильными основаниями, в воде растворимость их увеличивается от Ca(OH)₂ к Ba(OH)₂ Получить их можно непосредственным растворением в воде оксидов или самих металлов

Гидролиз солей

Поскольку основные свойства здесь выражены сильно, соли металлов II группы, образованные сильными кислотами, не подвергаются гидролизу и имеют в растворе реакцию, близкую к нейтральной (pH=6). Следовательно, гидролизу могут подвергаться только растворы солей слабых кислот, которые имеют щелочную реакцию

Комплексообразование

Катионы Ca²⁺, Sr²⁺ Ba²⁺ как типичные S-элементы не образуют устойчивых комплексов.

Окраска соединений

Ионы Ca²⁺ ,Sr²⁺, Ba²⁺ имеют законченные 8-электронные оболочки. В водных растворах эти ионы бесцветны.

Ход работы

Общие реакции на катионы II группы

Задание 1. Проделать реакции катионов с веществами, представленными в табл. 2. Записать уравнения реакций.

Табл. 2

Реактив	Катионы
	Са2+	Sr2+	Ва2+
1.Н2S04	CaS04	S r S04 белый	В а S04 белый
2. Na2СОз	СаС03	S rС03 белый	В аС03 белый
3. K2CrO4, (рН=7)	-	S rCrO4 желтый	В аCrO4 желтый
4. K2CrO4+ СН3СООNa	-	-	В а CrO4 желтый

Задание 2. Реакции обнаружения катионов второй группы

Опыт 1. Обнаружение ионов

К 2-3 каплям растворимой соли бария прилить 3-4 капли раствора

К₂Cr₂ О₇. Реакцию проводят в присутствии ацетата натрия СН3СООNa Эта реакция используется не только для открытия ионов бария, но и для отделения его от ионов кальция и стронция.

2 ВаС1₂+К₂Сг₂O₇ + Н₂0 ↔2ВаСCrO₄ + 2КС1 + 2НС1

желтый

2 Ва²⁺ + Сг₂O₇^2-+Н₂O ↔ 2ВаСгО₄ + 2H⁺

Бихромат калия образует с ионом Ва²⁺ жёлтый осадок BaCrO₄, а не ВаСr₂О₇ как можно было бы ожидать. Растворимость хромата бария меньше, чем бихромата бария (ПР ВаCrO₄=1,8*10^-14,ПР ВаСг₂О₇=1,2* 10^-9,)поэтому концентрация ионов имеющихся в растворе достаточна, чтобы образовался именно ВаCrO₄

Сr₂О₇^2-+Н₂O ↔ 2Сг₂O₄^2-+2H⁺,

Полнее реакция осаждения хромата бария идёт в присутствии избытка ацетата натрия, понижающего концентрацию образующих катионов водорода с образованием слабой кислоты СН₃СООН:

СH₃CОО¯ - Н⁺ =СH₃СООН

Избыток СН₃СООNa создаёт ацетатную буферную т.е. смесь, поддерживающую значение рH=5 в течении всего времени проведения реакции..

Нейтрализовать ионы водорода щелочью нельзя, так как при больших значениях pH выпадает жёлтый осадок хромата стронция и реакция становится не специфичной.

Опыт 2. Обнаружение ионов

Микрокристаллоскопическая реакции. С помощью этой реакции можно открыть ионы кальция в присутствии небольших количеств других ионов 1 каплю раствора соли кальция нанести на предметное стекло и добавить 1 каплю H₂SО₄ 2H и слегка подсушить на воздухе так, чтобы подсох только край капли. Образующиеся кристаллы гипса CaSO₄*2Н₂0 имеют игольчатую форму (напоминающую снежинки) при рассмотрении под микроскопом (В Н. Алексеев, с. 196, 1973). Открытию иона кальция может помешать большая концентрация ионов Ba^2+.

Опыт 3 . Обнаружение ионов

К двум каплям соли стронция прилить 2-3 капли раствора (NH₄)₂SO₄ В результате реакции выпадает белый осадок SrSO₄

S r(NO₃)₂+(NH₄)₂SO₄ SrSO₄ +2NH₄NO₃

Обнаружению ионов Sr²⁺ мешают ионы Са²⁺ и Ba²⁺.

Метод выщелачивания. В ходе анализа вторую группу катионов выделяют в виде соответствующих сульфатов, а так как они не растворяются в кислотах, их сначала переводят в карбонаты выщелачиванием. Метод выщелачивания заключается в следующем: к осадку сульфатов добавляют сухую соду Na₂СОз (1,5 микрошпателя) и 2 мл воды, раствор тщательно перемешивают, кипятят в течение 5-6 минут, затем центрифугируют. Центрифуга выливают, а к осадку опять добавляют Na₂СО₃ и воду, греют и центрифугируют. Процесс, протекает по схеме

M eSO₄ + СО₃^2- =MeCO₃ + SO₄^2¯

осадок избыток осадок

Повторить операцию 2-3 раза, осадок промывают от ионов SO4 водой и растворяют в уксусной кислоте:

CO₂

M eCO₃+2CH₃COOH Me(CH₃COO)₂+H₂CO₃

H₂O

Если осадок плохо отмыт от ионов SO₄^2¯, то при растворении в уксусной кислоте снова выпадет осадок ВаSO₄ (в первую очередь), т.к. чаще всего BaSO₄ полностью не превращается в карбонат, поэтому небольшая часть осадка его может остаться . Проверить, отмыт ли осадок от ионов SO₄^2¯, можно так: к 2-3 каплям промывной воды добавить 2н НС1 до pН<7 и ВаС1₂. Если после этого выпадает осадок, то промыть ещё раз . После полного отмывания осадка от ионов SO₄^2-растворить его в уксусной кислоте.

Контрольные вопросы:

1.Написать реакции действия группового реагента на катионы II группы. Какой ион может остаться в растворе .

2. Написать реакции действия карбоната натрия на катионы II группы.

3. Написать реакцию взаимодействия хлорида бария с бихроматом калия. Для чего реакцию проводят в присутствии ацетата натрия .

4. При действии бихромата калия на нейтральный раствор смеси катионов II группы не выпадает жёлтый осадок. Какого иона нет в смеси .

5. При добавлении гипсовой воды; к смеси катионов II группы осадок не выпадает. Каких ионов нет в смеси?

Лабораторная работа № 4