Основы качественного анализа
Качественный анализ представляет собой раздел аналитической химии, основной задачей которого является обнаружение отдельных элементов, групп элементов или ионов, входящих в состав вещества.
Для решения этой задачи обычно используются химические реакции, происходящие между веществами в растворах, причем только те из них, которые сопровождаются каким-либо внешним эффектом, т.е. легко различимыми изменениями, по которым можно судить о том, что соответствующая реакция действительно происходит. Такими внешними эффектами обычно являются:
а) изменение окраски раствора;
б) образование характерного осадка или растворение его;
в) выделение газов.
При анализе неорганических веществ имеют дело с растворами кислот, оснований или солей, которые в той или иной степени диссоциированы на ионы. Поэтому в качественном анализе химические реакции используются для определения не элементов, а образуемых ими ионов - катионов и анионов, что значительно облегчает задачу анализа.
Проводя ту или иную аналитическую реакцию, необходимо создать определенные условия для ее протекания, иначе результат реакции окажется недостоверным. К важнейшим условиям проведения реакций, подлежащих обязательному контролю, относятся: рН среды, температура, отсутствие в растворе ионов, мешающих определению данного компонента. Например, обнаружению Сd2+ в виде характерного ярко-желтого осадка CdS мешает присутствие ионов меди, которые дают в этих условиях черный осадок СuS. С этой точки зрения аналитические реакции делятся на специфические, способные обнаруживать данный ион в присутствии других ионов, и селективные, дающие сходный эффект с ограниченным числом ионов. Степень селективности реакции тем выше, чем меньше число ионов, с которыми реакция дает положительный эффект.
Другой важной характеристикой аналитических реакций является их чувствительность, которая количественно характеризуется открываемым минимумом и предельным разбавлением. Открываемый минимум - это наименьшее количество вещества, которое может быть обнаружено посредством данной реакции при определенных условиях ее выполнения. Его обычно выражают в микрограммах. Предельное разбавление - это минимальная концентрация определяемого вещества в растворе, при которой обнаружение его данной реакцией еще возможно. Предельное разбавление выражают отношением 1:g
(g – весовое количество растворителя приходящееся на 1 весовую часть определяемого вещества). Чем меньше определяемый минимум и чем больше предельное разбавление (величина g), тем выше чувствительность реакции.
Применяя специфические реакции, раствор можно анализировать дробным методом, при котором каждый ион определяется независимо от других в отдельных порциях раствора. К сожалению, набор специфических реакций ограничен, поэтому при анализе сложных смесей ионов приходится использовать систематический метод анализа, который заключается в том, что к обнаружению каждого данного иона приступают лишь после того, как все другие ионы, мешающие его обнаружению, будут предварительно определены и удалены из раствора.
При систематическом ходе анализа ионы выделяют из сложной смеси не поодиночке, а целыми аналитическими группами, пользуясь одинаковым отношением их к действию некоторых веществ, называемых групповой реагентами. Групповым реагентом может служить вещество, удовлетворяющее следующим требованиям:
1) он должен осаждать ионы практически количественно (концентрация
иона в растворе после осаждения не должна превышать 10–6 моль/л);
2) полученный осадок должен легко растворяться, чтобы можно было
провести дальнейший анализ;
3) избыток добавленного реагента не должен мешать обнаружению тех
ионов, которые остались в растворе.
Существует несколько схем классификации катионов по аналитическим группам. Одной из наиболее распространенных является классификация, основанная на свойствах хлоридов, сульфидов и карбонатов. При разделении по так называемому сероводородному методу систематический ход анализа заключается в следующем:
1. Раствором хлороводородной кислоты осаждают нерастворимые хлори-
ды: АgС1, Нg2Сl2 и РЬС12. Таким образом, катионы Аg+, Нg22+, Рb2+ составляют так называемую V аналитическую группу.
2. Раствор, имеющий кислую реакцию, обрабатывают сероводородом.
При этом в осадок переходят катионы меди (II), кадмия (II), ртути (II), висмута (III), мышьяка, сурьмы и олова, сульфиды которых нерастворимы в разбавленных кислотах. Эти катионы образуют IV аналитическую группу.
3. Оделив раствор от осадка, его нейтрализуют до слабо щелочной реакции и обрабатывают сульфидом аммония, который осаждает катионы железа, цинка, марганца (II), никеля (II), кобальта (II), хрома (III), алюминия (III) и ряда других элементов. Эти катионы составляют III аналитическую группу.
4. После отделения осадка, содержащего катионы III группы, катионы щелочноземельных элементов (кроме магния) осаждают из раствора в виде карбонатов. Эта группа называется II аналитической группой.
5. После отделения карбонатов II группы в растворе остаются катионы щелочных металлов, магния и аммония, которые не имеют группового реагента и составляют I аналитическую группу.
Итак, в основу классификации катионов положено различие в растворимости образуемых ими соединений, позволяющее отделять одни группы ионов от других (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Классификация катионов
| Сульфиды, растворимые в воде | Сульфиды, нерастворимые в воде (или гидроксиды, образующиеся при действии группового реагента) | |||
| Карбонты, растворимые в воде | Карбонты, нерастворимые в воде | Сульфиды ( гидроксиды), растворимые в разбавленных кислотах | Сульфиды, нерастворимые в разбавленных кислотах | |
| I группа | II группа | II группа | IV группа | V группа |
| K+, Na+, NH4+, Mg2+ (MgCO3 растворим только в присутствии солей аммония) | Ba2+, Sr2+, Ca2+ | Al3+, Cr3+, Fe3+, Fe2+, Mg2+, Zn2+, Co2+, Ni2+ | а) первая подгрупа:сульфиды не образуют тиосолей при действии Na2S в) вторая подгруппа: сульфиды растворяются в Na2S с образованием тиосолей | Хлориды нерастворимы в воде и разбавленных кислотах (Ag+, Hg2+, Pb2+) |
| Группового реагента не имеют | Групповой реагент (NH4)2CO3 | Групповой реагент (NH4)2S | Групповой реагент: H2S+HCl | Групповой реагент: HCl |
Применение групповых реагентов позволяет задачу анализа свести к определению катионов в пределах группы, если она присутствует в растворе.
Неметаллы в воде содержатся обычно в виде анионов соответствующих кислот. Исключение составляет азот, который может существовать как в фор-
ме анионов N03– и NО2–, так и катиона NН4+, и углерод, присутствующий в виде неорганических анионов и органических веществ. Кроме того, следует иметь в виду, что некоторые металлы также могут образовывать анионы, например такие, как СгО42–, [А1(ОН)6]3– и ряд других.
Анионы принято делить на три аналитические группы в зависимости от растворимости соответствующих солей бария и серебра. Групповыми реагентами служат хлорид бария и нитрат серебра (табл. 1.2).
Таблица 1.2
Классификация анионов