Аналіз катіонів першої аналітичної групи

Електронна будова катіонів першої аналітичної групи наступна: Na⁺ − [Ne] ; K⁺ − [Ar].

4.1.1. Реакції виявлення катіонів Na⁺

Дослід 1. При дії на розчин, що містить катіони Na⁺, розчином калій дигідроантимонату утворюється білий кристалічний осад натрій дигідроантимонату:

Na⁺ + KH₂SbO₄ → NaH₂SbO₄↓ + K⁺;

Na⁺ + H₂SbO₄⁻ → NaH₂SbO₄↓.

Для проведення цієї реакції у пробірку вносять 5-6 крапель розчину солі Натрію і додають стільки ж розчину KH₂SbO₄.

Реакція дуже малочутлива. Осад як такий майже не утворюється. Спостерігається лише помутніння вмісту пробірки і лише тоді, коли потерти скляною паличкою внутрішні стінки пробірки для того, щоб створити центри кристалізації NaH₂SbO₄. Розчин для виявлення йонів Na⁺ повинен містити значну кількість цих йонів, а середовище має бути нейтральним чи слабколужним. У кислому середовищі KH₂SbO₄ перетворюється у малорозчинну метастибійну кислоту, що являє собою аморфний осад білого кольору:

KH₂SbO₄.+ Н⁺→ H₃SbO₄ + K⁺;

H₃SbO₄ → HSbO₃↓ + Н₂О.

Якщо йони Na⁺ визначати цим реагентом у кислому середовищі, то поява білого аморфного осаду ще не свідчить про наявність у розчині йонів Na⁺.

Для покращення утворення осаду NaH₂SbO₄ реакцію потрібно проводити при охолодженні.

Дослід 2. Пірохімічна реакція виявлення йонів Na⁺

Платинову чи ніхромову дротинку, на кінці якої є петля, занурюють у розчин, що містить йони Na⁺, чи на петлю набирають сухої речовини, а потім вносять у безбарвне полум’я пальника. Полум’я пальника за наявності сполук Натрію забарвлюється в жовтий колір. Реакція дуже чутлива, але у присутності у досліджуваному середовищі інших йонів забарвлення полум’я може спотворюватись. Тому пірохімічний спосіб виявлення йонів Na⁺ не можна вважати цілком достовірним.

Дослід 3. Найбільш специфічною реакцією виявлення йонів Na⁺ є мікрокристалоскопічна реакція з цинк-ураніл ацетатом.

На предметне скло мікроскопа наносять краплю розчину, що містить йони Na⁺. Обережно випарюють краплину досуха над полум’ям пальника. Після охолодження на місце сухого залишку наносять краплю розчину цинк-ураніл ацетату Zn(UO₂)₃(CH₃COO)₈. Утворюються правильні кристали тетраедричної чи октаедричної форми блідо-жовтого кольору натрій-цинк-ураніл ацетату NaZn(UO₂)₃(CH₃COO)₉∙9Н₂О.

Якщо на предметному склі виявиться товстий шар кристалів, то значну частину їх змивають водою, залишивши лише дуже малу кількість їх. Розглядають під мікроскопом форму та забарвлення кристалів натрій-цинк-ураніл ацетату. Йони Na⁺ за цією реакцією краще виявляти з розведених розчинів. Заважають виявленню Na⁺ катіони Ag⁺ та йони Sb³⁺ і аніони AsO₄^3–, які з
цинк-ураніл ацетатом утворюють осади, аналогічні як з катіоном Na⁺.

4.1.2. Реакції виявлення катіонів К⁺

Дослід 1. Йони К⁺ з гідротартрат-аніонами з солі NaHC₄H₄O₆ утворюють білий кристалічний осад калій гідротартрату:

K⁺ + HC₄H₄O₆⁻ → KHC₄H₄O₆↓.

Для проведення цієї реакції у пробірку вносять 5-6 крапель розчину солі Калію і додають такий же об’єм розчину гідротартрату. Вміст пробірки перемішують скляною паличкою, потираючи нею внутрішні стінки пробірки. Випадає білий кристалічний осад калій гідротартрату. Ця реакція дуже малочутлива і не специфічна. Для виявлення йонів К⁺ за цією реакцією необхідна значна концентрація їх у досліджуваному розчині. Мала чутливість реакції пояснюється досить значною розчинністю калій гідротартрату. ДР(KHC₄H₄O₆)=3,4∙10^–4.

Для проведення реакції замість NaHC₄H₄O₆ можна брати винну кислоту. Якщо осад не випадає, то треба знизити концентрацію гідроген-іонів шляхом додавання розчину натрій ацетату.

Перед проведенням реакції осадження йонів К⁺ у вигляді KHC₄H₄O₆ попередньо необхідно видалити з розчину йони амонію, оскільки NH₄⁺ з аніонами HC₄H₄O₆⁻ утворюють подібний осад NH₄HC₄H₄O₆.

Осад калій гідротартрату розчиняється як в концентрованих розчинах лугів, так і концентрованих кислот, оскільки в кислому середовищі утворюється добре розчинна у воді винна кислота:

KHC4H4O6 + Н+ →

+ K+

Константа дисоціації винної кислоти К₁=1,0∙10^–3; К₂=4,6∙10^–10.

У лужному середовищі утворюється середня розчинна у воді сіль винної кислоти:

KHC4H4O6 + NaOH →		+ H2O.
	сегнетова сіль

При нагріванні осад KHC₄H₄O₆ теж розчиняється, а також розчиняється при додаванні до осаду значної кількості холодної води.

Дослід 2. Більш чутливою реакцією на катіони К⁺ є взаємодія їх з розчином натрій гексанітро(ІІІ) кобальтатом:

2К⁺ + Na₃[Co(NO₂)₆] → K₂Na[Co(NO₂)₆]↓ + 2Na⁺.

Утворюється оранжево-жовтий осад комплексної солі
натрій-калій гексанітро(ІІІ) кобальтату, який розчинний в сильних кислотах. У лужному середовищі відбувається руйнування комплексної солі Na₃[Co(NO₂)₆] і утворюється темно-бурий осад Co(OH)₃.

Слід мати на увазі, що Na₃[Co(NO₂)₆] швидко розкладається при зберіганні, тому для проведення реакції виявлення йонів К⁺ слід користуватись свіжоприготовленим розчином цього реагенту. Якщо розчин реагенту має рожеве забарвлення, то такий розчин вже не придатний для аналізу.

Реагент також розкладається у лужному та дуже кислому середовищах.

Аналогічну реакцію з Na₃[Co(NO₂)₆] дають також йони NH₄⁺.

2NH₄⁺ + Na₃[Co(NO₂)₆] → (NH₄)₂Na[Co(NO₂)₆]↓ + 2Na⁺.

Утворюється оранжево-червоне забарвлення розчину. Осаду (NH₄)₂Na[Co(NO₂)₆] утворюється значно менше, ніж осаду K₂Na[Co(NO₂)₆] і забарвлення його є більш темним.

Дослід 3. Мікрокристалоскопічна реакція виявлення йонів К⁺

З катіонами К⁺ натрій-плюмбум гаксанітро(ІІ) купрат Na₂Pb[Cu(NO₂)₆] утворює кубічні кристали чорного чи коричневого кольору калій-плюмбум гексанітро(ІІ) купрату:

2К⁺ + Pb²⁺ + [Cu(NO₂)₆]^4– → K₂Pb[Cu(NO₂)₆]↓.

Для проведення цієї реакції краплю розчину, що містить йони К⁺, наносять на предметне скло мікроскопа і випарюють її над полум’ям пальника. Після охолодження скла на сухий залишок наносять краплю розчину натрій-плюмбум гаксанітро(ІІ) купрату. Утворюються характерні кубічні кристали. Реакцію проводять у середовищі рН=6-7.

Виявленню йонів К⁺ за цією реакцією заважають йони амонію.

Реагент з йонами NH₄⁺ утворює аналогічні кристали
амоній-плюмбум гексанітро(ІІ) купрату:

2NH₄⁺ + Pb²⁺ + [Cu(NO₂)₆]^4– → (NH₄)₂Pb[Cu(NO₂)₆]↓.

Рис. …Кристали калій-плюмбум гексанітро(II) купрату

Дослід 4. Пірохімічна реакція виявлення йонів К⁺

Платинову чи ніхромову дротинку з кільцем на кінці змочують хлоридною кислотою та прожарюють у полум’ї пальника для видалення слідів солей до повного зникнення забарвлення полум’я. Розжареною дротинкою торкаються кристалів солі калію. Кристалики солі, які прилипли до дротинки, вносять у безбарвну частину полум’я пальника. Полум’я забарвлюється у блідо-фіолетовий колір. Забарвлення полум’я краще спостерігати крізь синє скло для поглинання жовтих променів, обумовлених йонами Натрію.

4.1.3. Реакції виявлення катіонів NH₄⁺

Дослід 1. При дії лугів на середовище, що містить йони NH₄⁺, виділяється амоніак: NH₄⁺ + ОН⁻ → NH₃↑ + Н₂О, який можна виявити за допомогою універсального індикаторного паперу.

Для проведення цього досліду у пробірку вносять декілька крапель розчину, що містить йони NH₄⁺, додають такий же об’єм концентрованого розчину лугу і нагрівають. Над отвором пробірки тримають змочену водою смужку універсального індикаторного паперу. За наявності амоніаку індикаторний папір набуває синього забарвлення.

Дослід 2. Виявлення йонів NH₄⁺ з реактивом Неслера

Реактив Неслера є сумішшю комплексної солі K₂[HgI₄] з КОН.

При взаємодії цього реактиву з сіллю амонію утворюється нерозчинна комплексна сполука червоно-бурого кольору:

NH4Cl + 2K2[HgI4] + 4KOH →

+ KCl + 7KI +3H2O;

NH₄⁺ + 2[HgI₄]^2– + 4OH^– → [OHg₂NH₂]I↓ + 7I^– +3H₂O.

У пробірку вносять 3-4 краплі розчину, що містить йони NH₄⁺, додають таку ж кількість або трохи більше реактиву Неслера. При цьому випадає осад червоно-бурого забарвлення. Реакція є дуже чутливою. Утворений осад розчиняється в солях амонію, тому реактив Неслера має бути у надлишку.

Виявленню йонів NH₄⁺ за цією реакцією заважають йони Fe³⁺, Cr³⁺, Co²⁺, Ni²⁺ та інші, які з реактивом Неслера утворюють осади різного забарвлення. Для маскування йонів, що заважають, додають розчин калій-натрій тартрату KNaC₄H₄O₆, який зв’язує ці йони у комплексні сполуки.

Виявлення йонів NH₄⁺ реактивом Неслера краще проводити в газовій фазі. Для цього досліджуваний на йони NH₄⁺ розчин вносять у пробірку, додають декілька крапель концентрованого розчину лугу. Над отвором пробірки тримають смужку фільтрувального паперу, змоченого реактивом Неслера. Суміш у пробірці нагрівають. Амоніак, що при цьому виділяється, реагує з реактивом Неслера і смужка паперу набуває цегляно-червоного забарвлення.

Дослід 3. Йони амонію утворюють з натрій гідротартратом чи винною кислотою осад амоній гіфдротартрату, схожий на осад KНC₄H₄O₆, про що вже було зазначено вище.

Дослід 4. Як вже зазначалося, йони NH₄⁺ утворюють з натрій-плюмбум гексанітро(ІІ) купратом кубічні кристали чорного кольору (NH₄)₂Pb[Cu(NO₂)₆] схожі на кристали K₂Pb[Cu(NO₂)₆].

Дослід 5. Як і йони К⁺, йони NH₄⁺ утворюють з Na₃[Co(NO₂)₆] схожий оранжевий осад (NH₄)₂Na[Co(NO₂)₆].

Дослід 6. Солі амонію термічно нестійкі. Так, амоній гідрокарбонат NH₄HCO₃ помітно розкладається вже при кімнатній температурі і у зв’язку із цим тхне амоніаком. При нагріванні до 400⁰С всі амонійні солі розкладаються:

NH₄Cl → NH₃↑ + HCl↑;

(NH₄)₃PO₄ → 3NH₃↑ + H₃PO₄;

(NH₄)₂CO₃ → 2NH₃↑ + CO₂↑+ H₂O.

У амоніачних солях кислот-окисників при нагріванні відбуваються окисно-відновні процеси:

NH₄NO₃ N₂O↑ + 2H₂O;

NH₄NO₂ N₂↑ + 2H₂O;

(NH₄)₂Cr₂O₇ N₂↑ + Cr₂O₃ + 4H₂O.

За цими реакціями можна виявити тверді амонійні солі. Для цього в суху пробірку вносять сухі досліджувані речовини і нагрівають. Тверді продукти розкладу досліджують на відсутність йонів амонію, а у випадку NH₄Cl – на стінках пробірки осаджується ця сіль при охолодженні у вигляді білого нальоту:

NH₃ + HCl → NH₄Cl.