Частные реакции и ход анализа катионов I, II, II

 

 

Лабораторная  работа № 2

Частные реакции и ход анализа  катионов IV, V и VI АНАЛИТИЧЕСКИХ групп.

 

 

 

Цель  работы: Исследование качественного состава контрольного раствора на содержание катионов IV, V, VI  аналитических групп.

Приборы и реактивы:

Центрифуга 

Водяная баня

Пробирки

Часовые и предметные стекла

Пипетки-капельницы

Спиртовки

Фильтровальная бумага

Индикаторная бумага

 

 

Реактивы:

 

Таблица 2.

Формула	Название	Концентрация	№ капельницы	Примечание
1	2	3	4	5
Al(NO3)3	Нитрат алюминия	0,5н	23
NaOH	Едкий натр	2н	15
HCl	Соляная кислота	2н	59
NH4Cl	Хлорид аммония	насыщ.	40
NH3	Аммиак	конц.	-	Под тягой
	Ализарин	-	-	В отд. кап.
K4[Fe(CN)6]	Гексацианоферрат калия	0,5н	22
Na2CO3	Карбонат натрия	0,5н	51
Zn(CH3COO)2	Ацетат цинка	0,5н	91
NH4Cl	Хлорид аммония	0,5н	53
ZnSO4	Сульфат цинка	0,5н	54
	Дитизон в хлороформе	-	-	Под тягой
CrCl3	Хлорид хрома	0,5н	88
CH3COOH	Уксусная кислота	2н	58
BaCl2	Хлорид бария	0,5н	7
H2O2	Пероксид водорода	-	-	Под тягой
NaOH	Едкий натр	4н	-	Под тягой
K2Cr2O7	Бихромат калия	0,5н	41
	Фенолфталеин	-	-	Под тягой
Fe(SO4)	Сульфат железа (II)	0,5н	24
K3[Fe(CN)6]	Гексацианоферрат калия	0,5н	25
H2SO4	Серная кислота	2н	3
FeCl3	Хлорид железа(III)	0,5н	45
NH4CNS	Роданид аммония	0,5н	89
MnSO4	Сульфат марганца	0,5н	12
PbO2	Диоксид свинца	тверд.	-	В отд. наб.
HNO3	Азотная кислота	конц.	-	Под тягой
Mg(NO3)2	Нитрат магния	0,5н	85
Na2HPO4	Гидрофосфат натрия	0,5н	47
Zn	Цинк металлический	порошок	-	В отд. наб.
(NH4)2SO4	Сульфат аммония	Насыщ.
(NH4)2CO3	Карбонат аммония	Насыщ.
(NH4)2C2O4	Оксалат аммония	1М	82
Cu(NO3)2	Нитрат меди	0,5н	87
Na2S2O3	Тиосульфат натрия	1н	4
KCNS	Роданид калия	0,5н	87
Na2SO3	Сульфит натрия	0,5н	1
Cd(NO3)2	Нитрат кадмия	0,5н	37
Na2S	Сульфид натрия	0,5н	13	Под тягой
Hg(NO3)2	Нитрат ртути(II)	0,5н	36
KJ	Иодид калия	0,5н	29
SnCl2	Хлорид олова	0,5н	26
Co(NO3)2	Нитрат кобальта	0,5н	73
	Ацетон	50%
Ni(NO3)2	Нитрат никеля	0,5н	86
	Реактив Чугаева	-	-	В отд. кап.
HNO3	Азотная кислота	2н	38

 

 

 

 

 

Частные реакции  и ход анализа катионов IV, V, VI аналитических групп.

 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА IV АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ

КАТИОНОВ.

 

К IV аналитической группе катионов относятся Al³⁺, Zn²⁺, Cr³⁺.  Групповым реагентом на эти катионы является щелочь NaOH или KOH.

При действии эквивалентного количества щелочи на катионы IV аналитической группы образуются осадки гидроксидов Al(OH)₃, Zn(OH)₂, Cr(OH)₃. При этом гидроксид алюминия выпадает уже при рН=4-5, гидроксид хрома (III) при рН=6, гидроксид цинка – при рН=6-7.

Эти гидроксиды проявляют амфотерные свойства, т.е. растворяются и в кислотах и в щелочах:

Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O

Zn(OH)₂ + 2HCl = ZnCl₂ + 2H₂O

Cr(OH)₃ + 3HCl = CrCl₃ + 3H₂O

Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]

Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄]

Cr(OH)₃ + NaOH = Na[Cr(OH)₄]

Следовательно, в кислых растворах  ионы алюминия, хрома (III) и цинка присутствуют в виде катионов Al³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺, а в щелочах – в виде анионов Al(OH)₄ ^- , [Zn(OH)₄] ^2- , [Cr(OH)₄] ^- .

Способность гидроксидов катионов IV группы растворяться в избытке  щелочи используется в качественном анализе для отделения их от катионов V и VI аналитических групп, гидроксиды которых в избытке щелочи не растворяются.

Так как основные свойства гидроксидов катионов IV аналитической группы выражены слабо, то отвечающие им соли подвергаются гидролизу. Если последние образованы сильными кислотами, то они имеют в растворе кислую реакцию.

Например: Al³⁺ + H₂O = Al(OH)²⁺  + H⁺

Гидролиз солей, образованных очень  слабыми кислотами, идет иногда настолько далеко, что соответствующая соль вовсе не может существовать из-за практически полного превращения ее в гидроксид и кислоту:

2AlCl₃ + 3Na₂S = Al₂S₃ + 6NaCl

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S

2AlCl₃ + 3Na₂S + 6H₂O = 2Al(OH)₃↓ + 3H₂S + 6NaCl

 

2. РЕАКЦИИ КАТИОНА Al³⁺.

В водных растворах Al³⁺ бесцветен.

2.1. Едкие щелочи при осторожном добавлении осаждают Al³⁺ в виде белого осадка Al(OH)₃.

Выполнение реакции. К 6-7 каплям раствора соли алюминия добавляют 1-2 капли 2н NaOH, перемешивают. Наблюдают выпадение белого осадка, который делят на две пробирки. В первую пробирку добавляют избыток кислоты, в другую – избыток щелочи. Наблюдают растворение осадка в обоих случаях. Во вторую пробирку (с избытком щелочи) добавить 6-8 капель насыщенного раствора NH₄Cl. При нагревании (до кипения) выпадает осадок гидроксида алюминия:

[Al(OH)₄] ^- + NH₄⁺                 ↓Al(OH)₃ +NH₄OH

2.2. Раствор аммиака NH₄OH так же осаждает Al³⁺ в виде Al(OH)₃, который частично растворим в избытке реагента.

Выполнение  реакции. К 6 каплям алюминия прибавляют 6 капель  6н NH₄OH и нагревают. Наблюдают выпадение белого аморфного осадка.

2.3. Ализарин образует в аммиачной среде с катионом Al³⁺ труднорастворимое соединение ярко-красного цвета, называемое алюминиевым лаком.

Выполнение  реакции. На полоску фильтровальной бумаги наносят каплю раствора соли алюминия, затем выдерживают 1-2 мин., над склянкой с концентрированным раствором аммиака. На полученное влажное пятно помещают каплю спиртового ализарина и снова выдерживают в парах аммиака, при этом ализарин окрашивается в красновато-фиолетовый цвет, так как образуется ализаринат алюминия. Для разрушения маскирующей окраски осторожно подсушите бумагу над пламенем горелки, окраска становится бледно-желтой, а пятно ализаринового лака приобретает розовато-красный цвет. Катионы Mn²⁺, Zn²⁺, Fe³⁺ мешают открытию алюминия этим способом, поэтому открытие Al³⁺ в их присутствии проводят так: на полоску фильтровальной бумаги помещают каплю раствора K₄[Fe(CN)₆], а затем в центр пятна вносят каплю исследуемого на катион Al³⁺ раствора. Полученное пятно выдерживают над парами аммиака, наносят каплю ализарина по периферии пятна, снова обрабатывают парами аммиака, высушивают горячим воздухом. При наличии катиона Al³⁺ внешняя часть кольца, на которую был нанесен ализарин, окрашивается в оранжево-красный цвет.

2.4. Растворы Na₂CO₃  или K₂CO₃ осаждают катион Al³⁺ в виде гидроксида Al(OH)₃.

Выполнение реакции. К 5 каплям раствора соли алюминия добавляют 3-4 капли раствора Na₂CO₃ или K₂CO₃, наблюдают выпадение белого осадка.

 

3. РЕАКЦИИ КАТИОНА Zn²⁺ .

Растворы солей цинка бесцветны.

3.1. Едкие щелочи дают с катионами Zn²⁺ белый осадок Zn(OH)₂.

Выполнение реакции. Помещают в  пробирку 4 капли раствора соли цинка  и 2 капли 2н щелочи. Наблюдают выпадение  белого осадка, растворимого в кислоте и избытке щелочи.

3.2. Аммиак дает с катионом Zn²⁺ белый осадок Zn(OH)₂, растворимый в избытке аммиака вследствие образования комплексного аммиаката.

Выполнение  реакции. К 4 каплям соли цинка добавляют 2 капли NH₄OH, наблюдают выпадение белого осадка. Полученный осадок делят на 2 части. К одной части добавляют избыток раствора аммиаката, наблюдают растворение осадка:

Zn(OH)₂ + 4NH₄OH = [Zn(NH₃)₄](OH)₂ + 4H₂O

Вторую часть исследуют  на растворимость в избытке NH₄Cl.

3.3. Na₂CO₃  или K₂CO₃ образуют с катионом цинка белый осадок переменного состава, растворимый в кислотах

2ZnCl₂ + 3Na₂CO₃ + 2H₂O = Zn₂(OH)₂CO₃ + 2NaHCO₃ + 4NaCl

Выполнение  реакции. К 5 каплям раствора соли цинка добавляют 3-4 капли Na₂CO₃  или K₂CO₃, наблюдают образование осадка белого цвета.

3.4. Гексацианоферрат (II) калия K₄[Fe(CN)₆] образует с катионом Zn²⁺ белый осадок гексацианоферрата (II) цинка и калия, растворимый в щелочах:

3ZnSO₄ + 2K₄[Fe(CN)₆] = K₂Zn₃[Fe(CN)₆]₂ + 3K₂SO₄

Выполнение  реакции. К 3 каплям раствора соли цинка добавляют 3 капли гексацианоферрата (II) калия и нагревают до кипения, наблюдают выпадение белого осадка.

3.5. Дитизон, применяемый в виде раствора в CCl_4, образует с Zn²⁺ внутрикомплексную соль, окрашенную в малиново-красный цвет. Эта соль окрашивает в щелочной среде не только слой CCl₄, но и водный слой.

Выполнение  реакции. К 2 каплям раствора соли цинка добавляют 5 капель раствора щелочи (если образуется осадок его отцентрифуговать), к полученному раствору добавляют 2-3 капли раствора дитизона. В присутствии ионов цинка раствор приобретает розовую или красную окраску, при отсутствии же цинка раствор принимает желтую окраску.

Если окрашивание наблюдается  только в слое растворителя CCl₄, то утверждение о наличии ионов цинка нельзя считать надежным.

 

4. РЕАКЦИИ КАТИОНА Cr³⁺.

Растворы солей хрома (III) имеют зеленую или фиолетовую окраску.

4.1. Реакция со щелочами приводит к образованию серо-фиолетового или серо-зеленого цвета осадка, растворимого в кислотах и щелочах.

Выполнение  реакции. К 2 каплям раствора соли хрома (III) прибавляют 2 капли щелочи. Осадок делят на две части и проверяют на растворимость в кислотах и щелочах.

4.2. Реакция окисления перекисью водорода в щелочной среде приводит к образованию раствора желтого цвета, характерного для хроматов:

2Na[Cr(OH)₄] + 3H₂O₂ + 2NaOH = 2Na₂CrO₄ + 8H₂O

Выполнение  реакции. К 3 каплям раствора соли хрома (III) прибавляют 5 капель 4н щелочи,  3 капли 3% раствора H₂O₂ и нагревают несколько минут до перехода окраски из зеленой в желтую. Раствор сохраняют до следующего опыта.

4.3. Реакция образования надхромовой кислоты происходит при действии перекиси водорода на подкисленный раствор хромата или бихромата, вследствие чего раствор на короткое время окрашивается в синий цвет:

Na₂Cr₂O₇ + 4H₂O₂ + H₂SO₄ = 2H₂CrO₆ + Na₂SO₄ + 3H₂O

Выполнение реакции. Раствор, полученный в опыте 4.2., прокипятить на водяной бане, охладить под струей водопроводной воды, добавить каплю фенолфталеина и каплями прилить серную кислоту (1:2) до исчезновения красной окраски. Снова охладить и добавить каплю 3% перекиси водорода. В присутствии хрома на короткое время появляется синее окрашивание.

 

5. ХОД АНАЛИЗА СМЕСИ КАТИОНОВ  IV ГРУППЫ.

В смеси катионов IV группы анализ следует  начинать с открытия ионов хрома. Для этого исследуемый раствор  анализируют по реакции 4.2. Полученный раствор делят на две части. В одной с помощью реакции 4.3. проверяют наличие ионов хрома, к другой прибавляют несколько капель CH₃COOH и хлорида бария, осадок отцентрифугируют и отбрасывают, в центрифугате реакциями 2.3 и 3.5 открывают Al³⁺ и Zn²⁺.

Примечание. Если раствор бесцветен, то ион хрома (Ш), имеющий специфическую окраску (см. п. 4) должен отсутствовать. В этом случае катионы цинка и алюминия открывают из исходного раствора, если достоверно известно, что он содержит только катионы IV группы

 

 

6. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА V АНАЛИТИЧЕСКОЙ

ГРУППЫ КАТИОНОВ.

В соответствии с кислотно-щелочной классификацией V аналитическая группа включает катионы Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Mg²⁺.

Групповым реактивом (осадителем) этой группы катионов являются растворы едких щелочей NaOH или KOH.

Все катионы V аналитической группы при действии эквивалентного, а тем более избыточного количества щелочи осаждаются практически полностью в виде гидроксидов:

FeCl₂ + 2NaOH = Fe(OH)₂ + 2 NaCl

FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃ + 3 NaCl

MnCl₂ + 2NaOH = Mn(OH)₂ + 2NaCl

MgCl₂ + 2NaOH = Mg(OH)₂ + 2NaCl

Гидроксиды Fe(OH)₂ и Mn(OH)₂постепенно окисляются на воздухе:

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃

2Mn(OH)₂ + O₂ = 2MnO(OH)₂

Все эти гидроксиды легко растворимы в кислотах. Они так же, за исключением Fe(OH)₃, склонны растворяться в избытке аммонийных солей, что следует учитывать в ходе анализа.

В присутствии окислителей осаждение  щелочами приводит к одновременному окислению ионов Fe²⁺ и Mn²⁺. При этом протекают следующие реакции:

2Fe(OH)₂ + H₂O₂ = 2Fe(OH)₃

Mn(OH)₂ + H₂O₂ = MnO(OH)₂ + H₂O

Ионы Fe³⁺ и Mg²⁺ осаждаются в виде Fe(OH)₃ и Mg(OH)₂, как и в отсутствии H₂O₂. Таким образом, в результате действия на смесь всех катионов V аналитической группы NaOH+H₂O₂ в осадок выпадают Fe(OH)₃, MnO(OH)₂ и Mg(OH)₂. Если этот осадок обработать избытком аммонийных солей, Mg(OH)₂ растворяется, и ион Mg²⁺ переходит в раствор. MnO(OH)₂, в отличие от Mn(OH)₂, в аммонийных солях не растворяется. Этим приемом пользуются в систематическом ходе анализа для отделения Mg²⁺ от остальных катионов V группы.