Техника эксперимента в качественном анализе

В качественном анализе используют пробирочные, капельные и микрокристаллоскопические реакции.

Пробирочные реакции проводят в небольших пробирках вместимостью от одного до нескольких миллилитров, куда помещают одну или несколько капель анализируемого раствора. Аналитический эффект (появление, изменение или исчезновение окраски; образование или растворение осадка; выделение пузырьков газа) наблюдают визуально. Например, пробирочные реакции используют для обнаружения ионов Mg²⁺ по образованию белого аморфного осадка Mg(OH)₂, обнаружения ионов Ва²⁺ по образованию жёлтого мелкокристаллического осадка ВаCrO₄, проведения пробы на выделение газов при анализе смеси анионов и т. д.

Выполняя капельные реакции, визуально изучают продукт реакции, который образуется при смешении одной капли реагента с одной каплей анализируемого раствора. Капельные реакции проводят:

ü на поверхности пластинки (стеклянной, фарфоровой, пластмассовой). Этот способ позволяет отчётливо наблюдать появление или исчезновение окраски, образование осадка;

ü на полоске фильтровальной бумаги. Этот способ используют для цветных капельных реакций;

ü в микрогазовой камере. Этот способ используют для капельных реакций, протекающих с образованием газообразных продуктов.

Пример проведения капельной реакции на поверхности пластинки (часовом стекле) – обнаружение следовых количеств ионов аммония с реактивом Несслера; на полоске фильтровальной бумаги – обнаружение ионов Zn²⁺ c дитизоном, хромат-ионов с бензидином; в микрогазовой камере – обнаружение ионов аммония по посинению влажной индикаторной бумаги в результате выделения NH₃ под действием щёлочи.

Микрокристаллоскопические реакции проводят на предметном стекле, затем рассматривают под микроскопом характерную форму кристаллов. Например, ионы К⁺ образуют характерные кубические кристаллы чёрного или коричневого цвета K₂Pb[Cu(NO₂)₆] при действии реагента Na₂Pb[Cu(NO₂)₆], а ионы Na⁺ – прозрачные бесцветные кристаллы в виде удлинённых зёрен при действии реагента KH₂SbO₄.

Методы разделения и обнаружения ионов,

имеющих наибольшее значение

в химической технологии

В производственной деятельности инженеры-технологи сталкиваются с необходимостью контролировать качественный состав сырья и продукции на различных этапах технологического процесса. Наиболее часто в химической технологии применяются соединения катионов I–III аналитических групп, поэтому в настоящем учебном пособии рассматриваются методы разделения и обнаружения только тех ионов, которые наиболее часто встречаются при анализе различных природных и промышленных объектов.

Катионы I аналитической группы

Общая характеристика

В I аналитическую группу входят катионы Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Mg²⁺.

Ионы Na⁺ и K⁺относятся к I группе Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Большинство солей катионов этой группы хорошо растворимо в воде. Главное отличие катионов I группы – растворимость в воде их сульфидов, гидроксидов, карбонатов и хлоридов. Поэтому катионы I группы не осаждаются групповыми реагентами других групп, а остаются в растворе. Ионы магния, который находится во II группе Периодической системы элементов, по некоторым химическим свойствам ближе к катионам щелочных, а не щелочноземельных металлов. При осаждении II аналитической группы карбонатом аммония в присутствии NH₄Cl ионы Mg²⁺ остаются в растворе.

Все катионы I аналитической группы бесцветны. Окраска некоторых солей обусловлена окраской анионов. Группового реагента, осаждающего все катионы I аналитической группы, нет.

Характерные реакции ионов Na⁺

1) Микрокристаллоскопическая реакция с антимонатом калия.

Если в анализируемом раствореотсутствуют ионы NH₄⁺ и Mg²⁺, то ионы Na⁺ открывают микрокристаллоскопической реакцией с антимонатом калия KH₂SbO_4. При этом в нейтральной среде образуется белый мелкокристаллический осадок антимоната натрия NaH₂SbO₄:

Na⁺ + KH₂SbO₄ → NaH₂SbO₄↓ + K⁺.

В сильнощелочной среде осадок не образуется, а из сильнокислых растворов выпадает белый аморфный осадок метасурьмяной кислоты HSbO₃, поэтому при рассмотрении под микроскопом необходимо убедиться в том, что полученный осадок – кристаллический. Реакцию проводят на холоду. Мешающие ионы – Li⁺, NH₄⁺, Mg²⁺.

2) Микрокристаллоскопическая реакция с цинкуранилацетатом.

КатионыNa⁺открывают также микрокристаллоскопической реакцией с цинкуранилацетатом, образующим характерные жёлтые октаэдрические и тетраэдрические кристаллы натрийцинкуранилацетата, не растворимого в уксусной кислоте:

Na⁺ + Zn[(UO₂)₃(CH₃COO)₈] + CH₃COO^– + 9H₂O →

→ NaZn[(UO₂)₃(CH₃COO)₉]·9H₂O .

Мешающие ионы – Li⁺, K⁺, NH₄⁺, Mg²⁺.

3) Окрашивание пламени.

Соли натрия окрашивают пламя в интенсивно-жёлтый цвет.

Характерные реакции ионов K⁺

1) Микрокристаллоскопическая реакция с гексанитрокупратом (II) натрия и свинца.

КатионыK⁺ в нейтральной среде образуют с гексанитрокупратом (II) натрия и свинца Na₂Pb[Cu(NO₂)₆] чёрные кубические кристаллы K₂Pb[Cu(NO₂)₆]:

2K⁺ + Na₂Pb[Cu(NO₂)₆]→K₂Pb[Cu(NO₂)₆] + 2Na⁺ .

2) Реакция с гексанитрокобальтатом (III) натрия.

Ионы K⁺образуют с гексанитрокобальтатом (III) натрия жёлтый кристаллический осадок состава K₂Na[PbCo(NO₂)₆]:

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

3) Окрашивание пламени.

Соли калия окрашивают пламя в фиолетовый цвет.

Характерные реакции ионов NH₄⁺

1) Реакция со щелочами.

При действии щелочей на раствор соли аммония при нагревании выделяется аммиак, который можно обнаружить по изменению окраски влажной индикаторной бумаги:

NH₄⁺ + OH^– → NH₃↑ + H₂O.

2) Реакция с реактивом Несслера.

Реактив Несслера в щелочной среде образует с ионами аммония характерный красно-бурый осадок:

NH₄⁺ + 2K₂[HgI₄] + 4KOH → [OHg₂NH₂]I↓ + KCl + 7KI + 3H₂O.

Если концентрация ионов NH₄⁺ мала, осадок не выпадает, а раствор окрашивается в оранжевый цвет. Это наиболее специфическая реакция на ионы NH₄⁺. Катионы I и II групп не мешают определению, т. к. образуют бесцветные гидроксиды.

Характерные реакции ионов Mg²⁺

1) Реакции со щелочами и аммиаком.

Катионы Mg²⁺ при действии щелочей и аммиака образуют белый аморфный осадок гидроксида магния Mg(OH)₂:

Mg²⁺ + 2OH^–→ Mg(OH)₂↓.

Осадок не растворяется в щелочах, но растворяется в кислотах.

2) Реакция с гидрофосфатом натрия.

Катионы Mg²⁺ образуют с гидрофосфатом натрия в присутствии аммиачного буферного раствора белый мелкокристаллический осадок магнийаммонийфосфата NH₄MgPO₄:

Mg²⁺ + HPO₄^2– + NH₃ → NH₄MgPO₄↓.

Реакцию можно провести как микрокристаллоскопическую.

Методы разложения и удаления солей аммония

Ионы NH₄⁺ мешают открытию ионов Na⁺ и K⁺, поэтому при проведении анализа поступают следующим образом:

ü сначала открывают ионы NH₄⁺;

ü затем полностью удаляют ионы NH₄⁺ (если обнаружены);

ü после полного удаления ионов NH₄⁺ открывают Na⁺ и K⁺.

Существуют следующие способы удаления катионов NH₄⁺:

1) анализируемый раствор, содержащий катионы аммония, подкисляют концентрированной азотной или соляной кислотой, досуха упаривают в фарфоровой чашке, а затем прокаливают сухой остаток до полного удаления NH₄⁺. Полноту удаления контролируют качественной реакцией с реактивом Несслера;

2) к анализируемому раствору добавляют раствор щёлочи с последующим нагреванием до полного удаления NH₄⁺. Полноту удаления контролируют по влажной индикаторной бумаге.

Систематический ход анализа катионов I группы

При изучении реакций катионов I аналитической группы можно сделать следующие выводы:

ü присутствие иона NH₄⁺ мешает открытию иона К⁺ всеми реактивами и открытию иона Na⁺ реактивом KH₂SbO₄;

ü обнаружению ионов NH₄⁺ и Mg²⁺ другие катионы I группы не мешают;

ü ион К⁺ может быть обнаружен в присутствии ионов Na⁺ и Mg²⁺;

ü ионы NH₄⁺ можно удалить из раствора выпариванием и последующим прокаливанием;

ü ионы Mg²⁺ можно удалить из раствора осаждением в виде Mg(OH)₂.

Исходя из этого, систематический ход анализа должен включать следующие операции, которые выполняются в строго определённой последовательности:

1) обнаружение иона NH₄⁺;

2) удаление иона NH₄⁺ (если обнаружен);

3) обнаружение иона К⁺;

4) обнаружение иона Mg²⁺;