Частные реакции и ход анализа катионов I, II, II

Лабораторная  работа № 1

Частные реакции и ход анализа  катионов I, II, III АНАЛИТИЧЕСКИХ групп.

Цель  работы: Исследование качественного состава контрольного раствора на содержание катионов I, II, III аналитических групп.

Приборы и реактивы:

Центрифуга 

Водяная баня

Пробирки

Часовые и предметные стекла

Пипетки-капельницы

Спиртовки

Фильтровальная бумага

Индикаторная бумага

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реактивы:

Таблица 1

 

Формула	Название	Концентрация	№ капельницы	Примечание
1	2	3	4	5
NaNO3	Нитрат натрия	0,5н	76
NH4NO3	Нитрат аммония	0,5н	78
NaOH	Едкий натр	2н	15
Hg2(NO3)2	Нитрат ртути (I)	0,5н	63
NH3	Аммиак	конц.	-	Под тягой
H2O	Дист. вода	-	5
K2[HgJ4]	Реактив Несслера	-	83
Na3[Co(NO2)6]	Кобальтинитрит натрия	-	-	В отд. наборе
H2SO4	Серная кислота	2н	3
CH3COOH	Уксусная кислота	0,1н	28
AgNO3	Нитрат серебра	0,5н	17
KJ	Калий иодистый	0,5н	29
Na2S2O3	Тиосульфат  натрия	1н	4
K2CrO4	Хромат калия	0,5н	42
HNO3	Азотная кислота	2н	38
HCl	Соляная кислота	2н	58
SuCl2	Хлорид олова	0,5н	26
Pb(NO3)2	Нитрат свинца	0,5н	16
CH3COOH	Уксусная кислота	2н	58
HCl	Соляная кислота	1:3	-	Под тягой
HNO3	Азотная кислота	конц.	-	Под тягой
K2Cr2O7	Дихромат калия	0,5н	41
Ba(NO3)2	Нитрат бария	0.5н	80
CaSO4	Сульфат кальция	насыщ.	79
Na2CO3	Карбонат натрия	0,5н	52
Sr(NO3)2	Нитрат стронция	0,5н	95
CaCl2	Хлорид кальция	0,5н	43
(NH4)2C2O4	Оксалат аммония	1М	82
Ca(CH3COO)2	Ацетат кальция	0,5М	81

 

 

 

 

 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  КАТИОНОВ I, II, III АНАЛИТИЧЕСКИХ ГРУПП.

К первой аналитической  группе относятся катионы щелочных металлов калия, натрия и катионы аммония. Большинство катионов этих солей хорошо растворимо в воде. Поэтому катионы этой группы не имеют группового реактива. Соли аммония летучи и, в отличие от солей щелочных металлов, легко удаляются при прокаливании. Этим свойством пользуются для удаления из смеси солей аммония.

Ко второй аналитической группе относятся катионы, дающие осадки с  соляной кислотой и ее солями, которые  являются ее групповым реактивом. Этим свойством обладают катионы серебра  Ag⁺, ртути (I) Hg²⁺ и свинца Pb²⁺. Хлориды серебра и ртути (I) практически нерастворимы в воде, хлорид свинца плохо растворим в холодной воде и хорошо - в горячей. Это используется для отделения второй группы катионов от катионов остальных групп и разделения при анализе самой второй группы.

Катионы второй аналитической  группы в водных растворах бесцветны. При действии щелочей на растворы солей серебра и ртути (I) образуются гидроксиды, которые сразу же разлагаются на воду и оксиды серебра и ртути (I): Ag₂O и Hg₂O. Из растворов солей свинца при действии щелочей выпадает осадок гидроксида свинца (II) Pb (OH)₂, обладающий амфотерными свойствами.

К третьей аналитической  группе относятся катионы кальция Ca²⁺, стронция Sr²⁺ и бария Ba²⁺. Эти катионы осаждаются серной кислотой и ее солями, которые являются групповым реактивом. Они образуют, кроме сульфатов, нерастворимые в воде карбонаты, фосфаты и сульфиты. Нитраты, хлориды, бромиды и гидрокарбонаты катионов этой группы хорошо растворимы. Гидроксиды кальция, стронция и бария обладают щелочными свойствами, но сравнительно с катионами щелочных металлов эти свойства выражены слабее. Растворимость их в воде сравнительно невелика, но заметно возрастает при переходе от Ca(OH)₂ к Ba(OH)₂.

 

2. РЕАКЦИИ КАТИОНОВ  НАТРИЯ.

2.1. Реакция с антимонатом калия.

Антимонат калия образует с растворами солей натрия при  рН=7 белый кристаллический осадок антимоната натрия:

NaCl+K[Sb(OH)₆]=Na[Sb(OH)₆]+KCl

При выполнении реакции  должны соблюдаться следующие условия: достаточно большая концентрация соли натрия, нейтральная реакция исследуемого раствора, ведение реакции при комнатной температуре.

Выполнение  реакции. К 2-3 каплям раствора соли натрия прибавляют равный объем реагента и потирают стенки пробирки стеклянной палочкой при охлаждении пробирки под струей водопроводной воды. Оставляют раствор на несколько минут, переворачивают пробирку вверх дном. Раствор при этом выливается, а оставшийся на стенках пробирки рассматривают с помощью сильной лупы: присутствии ионов натрия будут заметны кристаллы кубической формы.

2.2. Реакция с ацетатом уранила UO₂(CH₃COO)₂.

Ионы натрия в присутствии  ацетата уранила образуют желтые тетраэдры и октаэдры, легко различимые под микроскопом:

3UO₂(CH₃COO)₂+2NaCl=2NaUO₂(CH₃COO)₃↓+UO₂Cl₂

Эту реакцию можно  проводить в присутствии большинства катионов, в том числе ионов калия, магния, аммония. Лучшие результаты получаются в нейтральной среде.

Выполнение реакции. Поместите каплю раствора соли натрия на предметное стекло и выпарите почти досуха при нагревании над электрической плиткой или лампой. Рядом с этой каплей поместите каплю раствора ацетата уранила в разбавленной уксусной кислоте. Стеклянной палочной смешайте обе капли и через несколько минут наблюдайте под микроскопом характерные кристаллы тетраэдрической и октаэдрической формы.

 

 

2.3. Окрашивание пламени горелки.

Возьмите чистый графитовый стержень или кусочек платиновой или нихромовой проволоки с колечком на конце, обожгите на горелке, смочите  обоженный конец (колечко), поместите  в бесцветное пламя горелки. В  присутствии ионов натрия пламя окрашивается в характерный ярко-желтый цвет. Это весьма чувствительная реакция на ионы натрия.

 

3. РЕАКЦИИ КАТИОНА  АММОНИЯ.

3.1. Действие щелочей.

Едкие щелочи выделяют из раствора аммониевых солей при нагревании газообразный аммиак:

NH₄Cl+NaOH=NH₄OH+NaCl

 

Выделяющийся аммиак может быть обнаружен по запаху, по посинению  влажной красной лакмусовой или  по покраснению влажной бесцветной фенолфталеиновой бумажки, а также  по почернению фильтровальной бумажки, смоченной раствором нитрата  ртути (I):

Выполнение  реакции. К внутренней стороне часового стекла прикрепляют влажную красную лакмусовую или бесцветную фенолфталеиновую и рядом бумажку, смоченную раствором нитрата ртути (I). 1-2 капли исследуемого раствора и 1-2 капли щелочи помещают на другое часовое стекло и сразу же накрывают первым часовым стеклом, наблюдая, чтобы бумажки не отклеивались или иным способом не соприкоснулись с раствором. Полученную таким образом «газовую камеру» нагревают на водяной бане и наблюдают изменение цвета бумаги. Этой реакции не мешают другие катионы, поэтому с ее помощью можно открыть ионы аммония в присутствии всех шести групп катионов.

3.2. Действие реактива Несслера.

Реакция 3.1. надежна лишь при значительных содержаниях ионов  аммония. Если концентрация ионов аммония незначительна, более надежно можно открыть ионы аммония с помощью реактива Несслера. При этом образуется красно-бурый осадок:

Это вторая очень чувствительная, характерная реакция на ионы аммония.

3.3. Действие кобальтинитрита натрия.

Кобальтинитрит натрия взаимодействует не только с солями калия, но и с солями аммония, образуя аналогичный желтый осадок:

2NH₄Cl + Na₃[Co(NO₂)₆]=↓Na(NH₄)₂[Co(NO₂)₆] + 2NaCl

Так как эта реакция является характерной на ионы калия, то после  открытия ионов аммония реакциями 3.1 и 3.2 его следует удалить по п. 3.4.

3.4. Удаление иона аммония в ходе  анализа.

В фарфоровую чашечку  или тигелек вносят 5-6 капель раствора и упаривают досуха, затем прокаливают  до удаления белого дыма. К остатку  после прокаливания добавляют 5-6 капель воды, перемешивают до растворения сухого остатка. Отбирают 1 каплю для проверки на полноту удаления с помощью реактива Несслера. При неполном удалении NH₄⁺ всю процедуру повторяют.

 

4. РЕАКЦИЯ КАТИОНОВ  КАЛИЯ.

4.1. Действие кобальтинитрита натрия.

Ионы калия дают с кобальтинитритом натрия желтый кристаллический осадок:

2KCl + Na₃[Co(NO₂)₆]=↓K₂Na[Co(NO₂)₆] + 2NaCl

Это весьма чувствительная и характерная  реакция на ион калия. При проведении этой реакции следует соблюдать  следующие условия: раствор кобальтинитрита должен быть свежеприготовленным, ион аммония должен быть удален (как описано в п. 3.4.).

Выполнение  реакции. К 4-5 каплям соли калия добавить каплю уксусной кислоты и 3-4 капли раствора кобальтинитрита. В присутствии ионов калия тотчас выпадает желтый осадок.

Осадок растворим в сильных  кислотах, а при действии сильных  щелочей разлагается с образованием темно-бурого осадка.

4K₂Na[Co(NO₂)₆] + 9H₂SO₄ = 4CoSO₄ + 2KNO₃ + 11NO↑ + 11NO₂↑ + +2Na₂SO₄ + 3K₂SO₄ + 9H₂O

K₂Na[Co(NO₂)₆] + 3NaOH = ↓Co(OH)₃ + 2KNO₂ +4NaNO₂

 

5. АНАЛИЗ КАТИОНОВ  СМЕСИ ПЕРВОЙ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ.

Анализ раствора, содержащего только катионы первой аналитической группы, начинают с открытия ионов аммония  с помощью реакций 3.1 или 3.2. При  отсутствии в растворе ионов аммония  ионы калия открывают с помощью реакции 4.1. Если реакция на ион аммония положительна, то его удаляют, как описано в п. 3.4 и затем открывают калий. Наконец, из исходной пробы отбирают каплю раствора и открывают катионы натрия с помощью реакций 2.1, 2.2 или 2.3.

 

 

 

 

6. ДЕЙСТВИЕ ГРУППОВОГО РЕАКТИВА  II АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ.

Как отмечалось выше (п. 1) групповым  реактивом II аналитической группы катионов являются соляная кислота и ее соли:

Ag⁺ + Cl ^- = ↓AgCl

Hg₂²⁺ + 2Cl ^- =↓Hg₂Cl₂

Pb²⁺ +2Cl ^- =↓PbCl₂

Осадок хлорида серебра растворяется в гидроксиде аммония с образованием растворимого в воде комплексного соединения – хлорида диамминосеребра (I):

AgCl + 2NH₄OH = [Ag(NH₃)₂]Cl + 2H₂O

Монохлорид ртути Hg₂Cl₂ взаимодействует с раствором аммиака, образуя хлорид меркураммония [HgNH₂]Cl и металлическую ртуть, вследствие чего осадок чернеет:

Hg₂Cl₂ + 2NH₄OH = 2[Hg₂NH₂]Cl + NH₄Cl + 2H₂O

 

 

 

7. РЕАКЦИЯ КАТИОНА СЕРЕБРА (I).

7.1. Реакция с солями иодистоводородной  кислоты:

KJ +AgNO₃ = ↓AgJ +KNO₃

Образуется желтый осадок иодида серебра AgJ, нерастворимый в гидроксиде аммония, кислотах, но растворимый в тиосульфате натрия с образованием комплексного соединения Na₃[Ag(S₂O₃)₂]:

AgJ + 2Na₂S₂O₃ = Na₃[Ag(S₂O₃)₂] +NaJ

Выполнение  реакции: к трем каплям раствора AgNO₃ добавляют три капли раствора KJ.

7.2. Реакция с солями хромовой  кислоты:

2AgNO₃ + K₂CrO₄ = ↓Ag₂CrO₄ +2KNO₃

Образуется кирпично-красный  осадок хромата серебра, растворимый  в азотной кислоте и гидроксиде аммония.

Выполнение  реакции: к трем каплям раствора соли серебра добавляют три капли хромата калия.

 

 

8. реакции катиона ртути (I) Hg₂²⁺.

8.1. Действие  соляной кислоты (см. п. 6 «Действие группового реактива»).

Выполнение  реакции: к двум каплям соли ртути (I) добавить две капли HCl. К выпавшему белому осадку добавить несколько капель раствора аммиака. Наблюдать почернение осадка.

8.2. Реакция восстановления. Катион ртути (I) способен восстанавливаться в присутствии восстановителей типа SnCl₂, Cu:

Hg₂Cl₂ + SnCl₂ = 2Hg↓ + SnCl₄

Hg₂(NO₃)₂ + Cu = 2Hg↓ + Cu(NO₃)₂

Образуется осадок черного цвета.

Выполнение  реакций: к двум каплям раствора нитрата ртути добавляют две капли раствора SnCl₂, затем еще две капли раствора. Наблюдать выпадение черного осадка. На медную монету наносят две капли раствора ртути (I), через две минуты промывают монету водой и натирают фильтровальной бумагой. Наблюдают появление «серебристого» пятна.

8.3. Едкие щелочи осаждают ион Hg₂²⁺ из растворов в виде черного осадка Hg₂O: