Аналітичних груп. Виконання аналітичних реацій
ЯКІСНИЙ АНАЛІЗ
Хімічна реакція, за допомогою якої можна зробити висновки про хімічний склад речовини, називається аналітичною реакцією. Аналітичні реакції виконуються за допомогою аналітичних реактивів у відповідних умовах (середовище, температура, концентрація) і супроводжуються певним зовнішнім ефектом (утворюється осад, виділяється газ, змінюється забарвлення розчину тощо). У якісному аналізі ефект аналітичної реакції просто спостерігається візуально і на основі цих спостережень робляться відповідні висновки. У кількісному аналізі ефект аналітичної реакції вимірюється за допомогою аналітичних приладів і виконуються відповідні розрахунки.
Переважна більшість аналітичних реакцій відбувається у розчинах. Яким би чином неогранічна речовина, що аналізується, не переводилася б у розчинений стан, одержується розчин, який містить не елементи, а іони, у вигляді яких ці елементи можуть існувати у розчині. Однакові іони проявляють однакові властивості і дают одні й ті самі аналітичні реації незалежно від того, до складу яких сполук вони входять. Наприклад, якщо до розчину хлоридної кислоти або її солей додають розчин нітрату срібла, в усіх випадках одержують однаковий характерний осад хлориду срібла. Якщо записати ці реації в іонному вигляді, стає ясно, що в усіх випадках відбувається одна аналітична реакція на хлорид-іони: Cl- + Ag+ = AgCl ¯
Тому аналітичні реакції вивчаються окремо для катіонів і аніонів.
Реактиви, за допомогою яких певний іон можна виявити у присутності інших іонів, називають специфічними. Специфічних реактивів дуже мало, тому перед відкриттям того чи іншого іона необхідно відділити його від інших іонів, які дають аналітичні реакції з тим же реактивом. Порядок відділення одних іонів від інших і послідовність їх відкриття складають систематичний хід аналізу. У систематичному ході аналізу використовуються такі реактиви, які дозволяють із складної суміші іонів перевести в осад певну групу іонів для подальшого аналізу. Такі реактиви називають груповими, а групи іонів, які вони відділяють – аналітичними групами. За кислотно-основною класифікацією, де груповими реактивами є кислоти і основи, усі катіони відповідно до їх хімічних властивностей поділяються на 6 аналітичних груп.
| Группа | Катіони | Хімічні властивості | Груповий реагент | Що утворюється при дії групового реагента |
| K+, Na+, NH4+ | Хлориди, сульфати, гідроксиди розчинні у воді | Відсутній | ||
| Ca2+(Sr2+)Ba2+ | Сульфати малорозчинні у воді | H2SO4 | CaSO4↓, BaSO4↓ білі осади | |
| Pb2+, Ag+(Hg22+) | Хлориди малорозчинні у воді | HCl | PbCl2↓білий AgCl↓ білий | |
| Mg2+, Mn2+, Fe2+, Fe3+ | Гідроксиди нерозчинні у воді та лугах | NaOH (KOH) | Mg(OH)2↓білий, Mn(OH)2↓білий,темніє, Fe(OH)2↓білий,чорніє, Fe(OH)3↓бурий | |
| Al3+, Zn2+ Cr3+, Sn2+ | Амфотерні гідроксиди нерозчинні у воді, розчинні у лугах | Надлишок NaOH (KOH) | [Al(OH)4]-, [Zn(OH)4]2- [Sn(OH)4]2- безбарвні розчини [Cr(OH)4]-зелений розчин | |
| Co2+, Ni2+, Cu2+, Cd2+ | Гідроксиди нерозчинні у воді, розчинні у надлишку NH4OH у присутності NH4Cl | Надлишок NH4OH | [Co(NH3)6]2+жовтий, [Ni(NH3)6]2+ синій, [Cu(NH3)4]2+ синій, [Cd(NH3)4]2+безбарвний розчини |
З кількох десятків катіонів шестианалітичних груп у скороченому курсі якісного аналізу ми вивчаємо дуже небагато – тільки ті, що безпосередньо пов‘язані з харчуванням людини та хімічним аналізом об’єктів харчової, біо-технології і довкілля.
Катіони амонію утворюються при розчиненні харчових продуктів у концентрованій сульфатній кислоті. Органічні сполуки при цьому руйнуються, а аміногрупи амінокислот, з яких побудовані білки, перетворюються на іони амонію. Визначивши кількість іонів амонію у розчині, що утворилися, визначають загальний вміст білків у харчовому продукті.
Натрій, калій, кальцій та магній у вигляді відповідних сполук споживаються людиною щодено у кількості від 0,5 до 5 г – це макроелементи. Натрію ми споживаємо більше ніж потрібно, звикнувши додавати NaCl під час приготування їжі. Тому дуже важливо врівноважувати це споживанням продуктів, багатих на калій, оскільки саме іони натрію і калію у певному співвідношенні підтримують осмотичну рівновагу в організмі людини і регулюють водний обмін. Кальцій потрібен дітям, у яких формуються кістки, і дорослим, оскільки він має протизапальні властивості і виконує багато інших функцій в організмі. Магній нормалізує діяльність нервової системи, знімає спазми, розширює судини та має інші важливі властивості.
Ферум, кобальт, манган, купрум, цинк, нікель, хром належать до мікроелементів. Їхня кількість у харчових продуктах, що споживаюється людиною щоденно, вимірюється у міліграмах. Вони входять до складу багатьох ферментів та інших біологічно активних речовин, які відіграють важливу роль у біохімічних процесах, що відбуваються у живому організмі. Алюміній, станум (олово) і цинк можуть потрапляти у харчові продукти з поверхні посуду та технологічного обладнання. А свинець (Pb) і кадмій є показниками техногенного забруднення харчових продуктів, їхня присутність постійно контролюється методами аналітичної хімії. Катіони барію отруйні і небезпечні для людини, але вони часто використовуються як важливий аналітичний реактив.
Лабораторна робота №1
Реакції катіонів першої K+, Na+, NH4+, другої Ca2+, (Sr2+), Ba2+та третьої Pb2+, Ag+, (Hg22+)
аналітичних груп. Виконання аналітичних реацій.
1.Перша аналітична група K+, Na+, NH4+,не має групового реактиву. Катіони першої та другоїаналітичних груп утворюються елементами основних підгруп першої та другоїгруп періодичної системи. Усі однозарядні катіони належать до першої аналітичної групи разом з іонами амонію. Іони NH4+ у розчині за своїм зарядом і розмірами такі ж, як і іони К+. Оскільки осади солей утворюються за рахунок електростатичної взаємодії між катіоном і аніоном, іони NH4+ утворюють осади з усіма реактивами на іони К+ і заважають відкриттю калію.
1.1.Катіони амонію NH4+.
Реактив Несслерамістить дві речовини – KOH i K2[HgJ4] – у водному розчині. З невеликою кількістью іонів амонію (або з амоніаком) цей реактив утворює червоно–бурий осад оксодимеркурамоній-йодиду: NH4+ + 4OH- + 2[HgJ4]2-® [OHg2NH2]I¯ + 7I- + 3H2O, який розчиняється у надлишку NH4Cl, тому важливо, щоб цього надлишку не було.
Виконання:у чисту пробірку внести краплю розчину солі амонію (NH4Cl, NH4NO3, або (NH4)2SO4), додати 5-10 крапель води, перемішати і вилити. До того розчину, який залишився на стінках пробірки, додати 4-5 крапель реактиву Несслера (не торкатися пипеткою стінок пробірки!). Спостерігати утворення у пробірці характерного осаду.
Реакція Несслера проходить у сильно–лужному середовищі (KOH входить до складу реактиву), тому усі катіони, що дають важкорозчинні гідроксиди, випадають в осад. Катіони магнію та інші, що дають з реактивом Несслера білий (або жовтуватий унаслідок забруднень) осад, не заважають спостерігати утворення характерного червоно – бурого осаду, якшо у розчині є амоній. Інші катіони, що утворюють темнозабарвлені осади гідроксидів, заважають реакції, особливо ферум(ІІІ), який дає з KOH червоно – бурий осад Fe(OH)3 .
1.2. Катіони калію К+.
Гексанітрокобальтат(ІІІ) натрію Na3[Co(NO2)6] у нейтральному або слабокислому середовищі утворює з іонами K+жовтий кристалічний осад: 2K+ +Na++ [Co(NO2)6]3-® K2Na[Co(NO2)6]¯
Виконання:у чисту пробірку внести 1 – 2 краплі розчину солі калію (KCl, KNO3 або K2SO4) і додати 2 – 3 краплі розчину Na3[Co(NO2)6] (не торкатися піпеткою стінок пробірки!). Спостерігати утворення жовтого кристалічного осаду. Сильні кислоти і луги розкладають реактив. Для нейтралізації лужного середовища використовують слабку оцтову кислоту, надлишок якої не заважає цій аналітичній реакції.
Катіони амонію дають з реактивом такий самий осад, тому при виконанні задачі перед відкриттям іонів калію у досліджуваному розчині треба з окремою порцією цього розчину виконати реакцію Несслера, щоб упевнитися, що в ньому відсутні іони амонію.
Розчин Na3[Co(NO2)6] має темно – коричневий колір з червонуватим відтінком. Реактив готуют щодня, тому він стоїть у лабораторії окремо. Якщо розчин має рожевий колір, це означає, що реактив розклався. Такий реактив не дасть характерного осаду з досліджуваним розчином, навіть якщо там є іони калію. 1.3. Катіони нарію Na+
1.Дигідроантимонат калію KH2SbO4 у водному розчині перетворюється у гексагідроксостибіат калію: KH2SbO4 + 2H2O = K[Sb(OH)6] .
З іонами натрію цей реактив дає білий дрібнокристалічний осад: Na + + H2SbO4- = NaH2SbO4 ¯
Для утворення осаду потрібна досить висока конценрація іонів натрію – реакція малочутлива. Продукт реакції – дигідроантимонат натрію – може утворювати пересичені розчини.
Виконання:у чисту пробірку внести 5 – 8 крапель розчину солі натрію (NaCl, NaNO3 або Na2SO4) і додати 5 – 8 крапель розчину KH2SbO4 (не торкатися піпеткою стінок пробірки!) Якщо осад не випадає, треба занурити у розчин чисту скляну паличку і потерти нею стінки пробірки, тримаючи пробірку під краном з холодною водою.
2.Забарвлення полум’я. Солі натрію забарвлюють полум’я газового пальника у яскраво-жовтий колір. Перед відкриттям іонів натрію треба упевнитися, що на паличці, на яку буде нанесений досліджуваний розчин і яку потім вносять у полум’я, відсутні солі натрію.
2.Друга аналітична група Ca2+, (Sr2+), Ba2+
Груповий реактив Н2SO4 – сульфатна кислота –осаджує катіони другої аналітичної групи у вигляді білих дрібнокристалічних осадів, нерозчинних у кислотах:
Ca2+ + SO42- ® CaSO4¯ Ba2+ + SO42- ® BaSO4¯
Стронцій – рідкісний елемент для харчових продуктів, тому у скороченому курсі він не вивчається.
Виконання:в одну пробірку взяти 2 – 3 краплі розчину солі барію (Ва(NO3)2 або BaCl2), в іншу – 2-3 краплі солі кальцію (Са(NO3 )2 або СaCl2), додати у кожну 3 – 4 краплі 1 М розчину Н2SO4. Спостерігати утворення неоднакових за зовнішнім виглядом білих осадів: CaSO4 має значно більшу розчинність у воді, ніж BaSO4, тому його утворюється менше. CaSO4 може утворювати пересичені розчини. У такому випадку після додавання реактиву, якщо осад не утворився, треба занурити у розчин чисту скляну паличку і потерти нею стінки пробірки, на яких при цьому утворюються центри кристалізації (тримаючи пробірку під краном з холодною водою).
2.1. Катіони барію Ва2+
Біхромат калію K2Cr2O7 (діхромат калію) утворює з іонами Ва2+ жовтий кристалічний осад хромату: 2Ba2+ + Cr2O72- + H2O « 2BaCrO4¯ + 2H+;
який розчиняється у сильних кислотах, але не розчиняється в оцтовій кислоті. Як видно з рівняння реакції, при перетворениі діхромату у хромат у розчині з’являється сильна кислота (вільні іони Н+), яка спричиняє зворотню реацію – розчинення осаду. Для повного осадження Ba2+ треба змістити рівновагу вправо, зв’язуючи іони Н+ ацетатом натрію у молекули слабкої оцтової кислоти, яка не заважає осадженню: H+ + CH3COO- « CH3COOH
Виконання: учисту пробірку взяти 2–3 краплі розчину солі барію (Ва(NO3)2 або BaCl2), і додати 3–4 краплі жовтого розчину K2Cr2O7. Спостерігати утворення незначної кількості жовтого осаду. Додати 2–3 краплі розчину CH3COONa і спостерігати різке збільшення кількості жовтого осаду.
Катіони кальцію та катіони першої аналітичної групи не заважають цій реакції. Такий самий осад можуть дати катіони Pb2+, якщо вони присутні у розчині. Але PbCrO4¯, на відміну від ВаCrO4, розчиняється у лугах при нагріванні. 2.2. Катіони кальцію Са2+.
Оксалат амонію (NH4)2C2O4 осаджує кальцій у видгляді білого кристалічного осаду оксалату кальцію: Ca2+ + C2O42- = CaC2O4¯
який розчиняється у сильних кислотах і не розчиняється в оцтовій кислоті.
Виконання: учисту пробірку взяти 1 – 2 краплі розчину солі кальцію (Са(NO3 )2 або СaCl2), і додати 2 – 3 краплі розчину(NH4)2C2O4. Спостерігати утворення білого осаду.
Катіони барію утворюють з оксалатом такий самий білий осад і заважають виконанню реакції на кальцій у досліджуваному розчині. Тому спочатку треба відкрити Ва2+ за допомогою K2Cr2O7, і відокремити осад, а вже потім до розчину, в якому відсутні іони Ва2+, додавати (NH4)2C2O4 і відкривати Са2+. 3.Третя аналітична група катіонів Pb2+, Ag+ (Hg22+)
З цієї групи вивчаємо реакції Pb2+ і Ag+. Ртуть вилучена з навчального процесу.
Груповий реактив 1 М розчин HCl – дає з катіонами Pb2+ і Ag+ білі осади
: Pb 2+ + 2Cl- = PbCl2¯ Ag+ + СІ- = AgСІ↓
Осад PbCl2 розчиняється у воді при нагріванні. Осад AgCІ розчиняється у NH4OH.
Виконання: учисту пробірку взяти краплю розчину солі свинцю(ІІ) (Pb(NO3)2 або Pb(CH3COO)2), і додати 4–5 крапель 1 М розчину HCl. Спостерігати утворення білого осаду. Додати дистильованої води до 1/3-1/2 об’єму пробірки і нагріти майже до кипіння.Спостерігати розчинення осаду. Додати КІ і спостерігати утворення менш розчинного жовтого осаду PbІ2¯.
У другу чисту пробірку взяти 1 – 2 краплі розчину AgNO3 і додати 4–5 крапель 1 М розчину HCl. Спостерігати утворення білого осаду. Додати 5 – 10 крапель NH4OH і спостерігати розчинення осаду: AgCl↓ + 2NH4OH = [Ag(NH3)2]+ + Cl- + 2H2O.
3.1. Катіони свинцю(ІІ) Pb2+.
1.Йодид калію KІ осаджує катіони свинцю(ІІ) у вигляді яскраво жовтого осаду
Pb 2+ + 2J- = PbІ2¯ Осад розчиняється при нагріванні, а при подальшому охолодженні знов випадає у вигляді характерних кристалів (“золотий дощ”).
Виконання: учисту пробірку взяти краплю розчину солі свинцю(ІІ) (Pb(NO3)2 або Pb(CH3COO)2), додати 3– 4 краплі KJ і спостерігати утворення жовтого осаду.
2. Хромат калію K2CrO4 осаджує катіони Pb 2+ у вигляді жовтого осаду Pb2+ + CrO42- = PbCrO4¯,
який, на відміну від ВаCrO4, розчиняється у лугах при нагріванні.
3. H2SO4 – розведена сульфатна кислота осаджує катіони Pb 2+ подібно до катіонів 2-ї аналітичної групи Ca2+, (Sr2+), Ba2+ у вигляді білого осаду Pb2+ + SO42- ® PbSO4¯
розчинного у концентрованій H2SO4: PbSO4↓ + H2SO4 = Pb(HSO4)2,
та, на відміну від Ca2+, (Sr2+), Ba2+, у NaOH при нагріванні: PbSO4↓ + 4NaOH =Na2[Pb(OH)4] + Na2SO4.
4. NaOH осаджує катіони Pb2+ подібно до катіонів 5-ї аналітичної групи Al3+, Zn2+ та Sn2+ у вигляді білого осаду Pb2+ + 2OH- = Pb(OH)2↓
розчинного у надлишку NaOH: Pb(OH)2↓ + 2NaOH = Na2[Pb(OH)4]
5. NH4OH(у присутності NН4СІ) осаджує катіони Pb2+ (подібно до АІ3+ та Sn2+) у вигляді білого осаду Pb2+ + 2NH4OH- = Pb(OH)2↓ + 2 NH4+ нерозчинного у надлишку NН4OH.