Общие указания к ведению лабораторного журнала

1. Оформление работы по каждой из аналитических групп ионов производится в виде сводной таблицы, в которой указываются анализируемый ион, аналитический реагент, уравнение реакции, условия реакции*, свойства продукта*, примечание*.

* при необходимости

2. После оформления таблицы по каждой группе катионов приводится ход анализа смеси катионов этой группы.

3. Для сдачи каждой темы (согласно плану) необходимо предоставить правильно заполненный лабораторный журнал и ответить на вопросы по данной теме. Список вопросов приводится в соответствующих разделах данных методических указаний.

АНАЛИТИЧЕСКАЯ КИСЛОТНО-ОСНОВНАЯ

КЛАССИФИКАЦИЯ КАТИОНОВ

Кислотно-основной метод основан на различной растворимости хлоридов, сульфатов и гидроксидов в минеральных кислотах, щелочах и аммиаке.

Деление катионов на группы:

Номер группы	Катионы	Групповой реагент	Характеристика группы
I	NH₄⁺, Na⁺, K⁺, Li⁺	–	Хлориды, сульфаты, карбонаты, гидроксиды растворимы в воде.
II	Pb(II), Ag(I), Hg(I)	HCl	Хлориды малорастворимы в воде и разбавленных кислотах
III	Ca(II), Sr(II), Ba(II)	H₂SO₄	Сульфаты малорастворимы в воде и разбавленных кислотах
IV	Zn(II), Al(III), Cr(III), Sn(II, IV)	NaOH (изб.)	Гидроксиды растворимы в избытке щелочи с образованием гидроксокомплексов
V	Fe(II, III), Mg(II), Mn(II), Bi(III), Sb(III, V)	NaOH	Гидроксиды малорастворимы в избытке щелочи (кроме Sb(OH)_n)
VI	Cu(II), Ni(II), Co(II), Hg(II), Cd(II)	NH₃·H₂O (изб.)	Гидроксиды малорастворимы в избытке щелочи, хорошо растворимы в избытке реагента

I ГРУППА КАТИОНОВ

Хорошая растворимость большинства солей натрия, калия, аммония обуславливает отсутствие для них общих реакций с групповым реагентом. Нерастворимы только те соли, в которые входят крупные анионы, типа гексанитрокобальта(III), уранилацетата и другие. Все соли этих металлов и катиона аммония бесцветны, если они не являются производными окрашенных анионов. Наиболее характерное свойство атомов щелочных металлов – лёгкость возбуждения свечения. Их летучие соединения окрашивают пламя в характерный цвет: натрий даёт жёлтую окраску, калий – фиолетовую.

Характерные реакции катионов КАЛИЯ

Реакция с гексанитрокобальтатом(III) натрия.

Na₃[Co(NO₂)₆] с растворами солей калия при рН 4–5 образует жёлтый кристаллический осадок двойной соли гексанитрокобальтат(III) калия-натрия по уравнению:

2K⁺ + Na⁺ + [Co(NO₂)₆]^3- ⇆ K₂Na[Co(NO₂)₆]↓.

Раствор реагента Na₃[Co(NO₂)₆] должен быть свежеприготовленным, так как при стоянии он разрушается.

Осадок растворим в сильных кислотах, разлагается при действии щелочей с образованием тёмно-бурого осадка:

↓K₂Na[Co(NO₂)₆] + 12Н⁺⇆2K⁺ + Na⁺ + Co²⁺ + 3NO₂ + 3H₂O + 3NO;

↓K₂Na[Co(NO₂)₆] + 3OH^- ⇆ Co(OH)₃↓ + 6NO₂^- + 2K⁺ + Na⁺

Ионы натрия проведению реакции не мешают. Ионы аммония образуют аналогичный жёлтый осадок. Катионы других аналитических групп также мешают открытию катионов калия этой реакцией.

Выполнение реакции. К 2–3 каплям раствора соли калия добавить 2–3 капли разбавленного раствора уксусной кислоты до рН 4–5 и 2–3 капли реагента. Наблюдать образование жёлтого осадка. Изучить действие HCl, CH₃COOH, NaOH. Результаты наблюдений и уравнения реакций занести в таблицу.

2. Окрашивание пламени.

Летучие соли калия (KCl, KNO₃) окрашивают бесцветное пламя горелки в фиолетовый цвет. В присутствии даже небольших количеств натрия фиолетовый цвет маскируется жёлтым, поэтому наблюдать надо через синее стекло, поглощающее жёлтую окраску.

II ГРУППА КАТИОНОВ

Групповым реагентом для второй группы катионов является раствор соляной кислоты, осаждающий хлориды серебра, свинца, ртути, отличающиеся по своей растворимости в воде.
Нитрат-, нитрит- и ацетат-ионы с катионами второй группы образуют растворимые в воде соли, а с хлорид-, бромид-, иодид-, сульфид-, карбонат-, фосфат-, хромат-, силикат-ионами – малорастворимые соединения.

Характерные реакции катионов РТУТИ

1. Реакция с раствором аммиака.

Это наиболее характерная реакция, позволяющая открыть Hg₂²⁺ в присутствии Pb²⁺ и Ag⁺. Описание дано в общих реакциях.

III ГРУППА КАТИОНОВ

К III аналитической группе относятся катионы щелочно-земельных металлов: Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺. Групповой реагент – раствор серной кислоты, осаждающий сульфаты, растворимость которых уменьшается с увеличением атомной массы элементов.

Фосфаты, оксалаты, силикаты, хроматы, карбонаты катионов Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺ также малорастворимы.

Хлориды, нитраты, ацетаты хорошо растворимы в воде.

Общие реакции катионов Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺

1. Реакция с серной кислотой.

Серная кислота и растворимые в воде сульфаты образуют с ионами Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺ белые кристаллические осадки по уравнению:

Me²⁺ + SO₄²^- ⇆ MeSO₄↓.

Все осадки не растворимы в кислотах и щелочах, но имеют различную растворимость в воде:

Общие указания к ведению лабораторного журнала - student2.ru , , .

Наименее растворим BaSO₄, CaSO₄ – значительно растворяется в воде. Поэтому осадок ВаSO₄ определяется моментально даже из разбавленных растворов, SrSO₄ – через некоторое время, СаSO₄ – только из достаточно концентрированных растворов. Следует отметить, что растворимость CaSO₄ понижается при добавлении спирта или ацетона. В отличие от ВаSO₄и SrSO₄ растворимость сульфата кальция в значительной степени повышается в присутствии сульфата аммония за счёт образования нестойкой соли:

↓CaSO₄ + (NH₄)₂SO₄ ⇆ (NH₄)₂[Ca(SO₄)₂]↓.

Для перевода МеSO₄ в раствор их превращают в МеСО₃, которые легко растворяются в кислоте:

↓MeSO₄ + CO₃^2- ⇆ MeCO₃↓ + SO₄^2-.

Практически это превращение осуществляется путём многократной обработки осадка сульфатов насыщенным раствором Na₂CO₃ при нагревании (мокрый способ) или сплавлением его в тигле с 5–6-кратным избытком смеси Na₂CO₃ и К₂CO₃ (сухой способ).

Выполнение реакции. К растворам солей Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺ добавить 1,5-кратный избыток раствора Н₂SO₄. Выпадают белые кристаллические осадки. Обратить внимание и отметить скорость образования и количество осадка. Если осадок CaSO₄ не выпадает, потереть палочкой о стенки пробирки. Отобрать раствор над осадком CaSO₄ в другую пробирку, добавить спирт или ацетон. Что происходит? Почему?

2. Реакция с гипсовой водой.

Гипсовая вода, то есть водный насыщенный раствор гипса CaSO₄·2Н₂О образует с ионами Ba²⁺ и Sr²⁺ белые кристаллические осадки. Ион бария образует осадок сразу, осаждение SrSO₄ происходит не полностью, очень медленно, нагревание раствора ускоряет образование осадка. Это объясняется различной растворимостью сульфатов – в насыщенном растворе CaSO₄ равновесная концентрация SO₄^2- равна 3·10^-3М. Это количество вполне достаточно для осаждения ВаSO₄, например, из 1·10^-3М раствора соли, для SrSO₄ при этой же концентрации Sr²⁺

Общие указания к ведению лабораторного журнала - student2.ru

что меньше Общие указания к ведению лабораторного журнала - student2.ru и недостаточно для полного осаждения катионов стронция.

Выполнение реакции. К нескольким каплям раствора солей Ba²⁺, Sr²⁺ и Ca²⁺ в пробирках добавить насыщенный раствор гипсовой воды. Описать в тетради наблюдаемые явления. Пробирку с SrSO₄ нагреть 2–3 мин. На водяной бане. Что происходит?

3. Реакция с бихроматом и хроматом калия.

K₂CrO₄ и K₂Cr₂O₇ образуют с катионами Ba²⁺ и Sr²⁺ жёлтые кристаллические осадки хроматов состава MeCrO₄:

Me²⁺ + CrO₄^2- ⇆ MeCrO₄↓;

2Me²⁺ + Cr₂O₇^2- + H₂O ⇆ 2MeCrO₄↓ + 2H²⁺.

Общие указания к ведению лабораторного журнала - student2.ru , ,

Катионы кальция осаждаются только из концентрированных растворов, вследствие высокой растворимости СаCrO₄. При рН < 7 катионы стронция и кальция не осаждаются.

Образование хроматов при действии К₂Cr₂O₇ объясняется, во-первых, присутствием в растворе К₂Cr₂O₇ ионов CrO₄^2- согласно равновесию:

Cr₂O₇^2- + Н₂О ⇆ 2CrO₄^2- + 2Н⁺.

Во-вторых, меньшей растворимостью МеCrO₄ по сравнению с МеCr₂O₇.

Полное осаждение Ва²⁺ происходит при рН ~5, поэтому в реакционную смесь добавляют избыток СН₃СООNa, создавая ацетатную буферную смесь:

СН₃СОО^- + Н⁺ ⇆ СН₃СООН.

Этим пользуются для отделения Ba²⁺ от Sr²⁺ и Ca²⁺, не дающих осадков в данных условиях.

Выполнение реакции. К растворам Ba²⁺, Sr²⁺ и Ca²⁺ добавить избыток К₂CrO₄. Отметить наблюдаемые явления. Проверить действие HCl и CH₃COOH. Провести аналогичный опыт с К₂Cr₂O₇. Сопоставить результаты.

4. Окрашивание пламени.

Летучие соли бария окрашивают пламя горелки в желтовато-зелёный цвет, стронция – в карминно-красный, кальция – в кирпично-красный цвет.

Выполнение реакции. В 3 фарфоровые лодочки налить по 1 мл спирта, аккуратно поджечь и внести шпательками сухие соли (хлориды, нитраты) Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺, наблюдать за окраской пламени.

Вопросы по I-III группам катионов

1. Почему для катионов I группы нет группового реагента?

2. Обоснуйте выбор условий для проведения качественной реакции на катион натрия.

3. Опишите ход анализа раствора, содержащего соли аммония и калия.

4. Почему для осаждения катионов II группы оптимальным считается 1,5-кратный избыток группового реагента?

5. Каким образом можно разделить катионы II группы?

6. Как можно различить хроматы, йодиды и карбонаты катионов II группы?

7. Каким образом можно повысить или понизить растворимость сульфата кальция?

8. Как перевести сульфаты III группы катионов в раствор?

9. Почему при добавлении бихромата калия к растворам солей катионов III группы последние выпадают в виде хроматов, а не бихроматов?

10. Каким образом из смеси катионов III группы можно выделить катионы бария?

Предварительные испытания

Проводится предварительный анализ полученной смеси катионов, определяются:

· Цвет раствора;

· рН раствора;

· Наличие или отсутствие осадка.

Если задача с осадком необходимо проверить его растворимость в кислоте (если осадок растворился это могут быть хлориды и карбонаты II группы) и щелочи (если осадок растворился это могут быть сульфаты (хлориды) свинца), сделать соответствующие выводы.

· Наличие катионов II и III групп в растворе (в отдельных пробах групповыми реагентами с HCl на II группу и с H₂SO₄ на III группу катионов и Pb²⁺).

2.Открытие катионов I группы дробным методом

Если раствор задачи с осадком, необходимо отобрать прозрачную надосадочную жидкость или профильтровать часть раствора задачи в отдельную пробирку и затем провести дробное обнаружение катионовI группы.

2.1. Обнаружение катионов NH₄⁺.

Анализ смеси начинают с обнаружения NH₄⁺, который мешает дальнейшему открытию К⁺. Обнаружение NH₄⁺ проводят специфической реакцией со щёлочью (при нагревании). Для этого к отдельной порции (3–5 капель) раствора задачи прилить равный объем NaOH (KOH) и нагреть на водяной бане. Выделившийся NH₃определяют по посинению влажной универсальной индикаторной бумаги или по характерному запаху аммиака. Записать уравнение реакции и сделать вывод о наличии катиона аммония.

2.2. Обнаружение катионов Nа⁺.

Для открытия катиона Na⁺ используют специфическую реакцию с K[Sb(OH)₆] (при рН 7–8).

Однако прежде необходимо удалить мешающие катионы II–III групп присутствующие в растворе. Для этого к части исходного раствора добавить насыщенный раствор К₂СО₃ до щелочной реакции (рН 10–12, контролировать по индикатору), отделить осадок фильтрованием и отбросить, записать уравнения происходящих реакций (указать состав осадка).

К полученному фильтрату добавить 2N раствор CH₃COOH до рН 7–8 и открыть Na⁺ с помощью K[Sb(OH)₆]. Выпадение белого кристаллического осадка, переходящего в аморфный при действии соляной кислоты, свидетельствует о наличии катиона натрия. Записать уравнение реакции и сделать соответствующий вывод.

2.3. Обнаружение катионов К⁺.

Обнаружение К⁺ проводят реакцией с Na₃[Co(NO₂)₆] (при рН 4–6).

Для удаления мешающих катионов поступают аналогично п. 2.2, однако для осаждения берут Nа₂СО₃. Указать состав полученного осадка.

При наличии катионов NH₄⁺ фильтрат (после отделения мешающих катионов) перенести в фарфоровую чашку, слегка упарить и добавить несколько капель конц. HNO₃. Выпарить досуха (под тягой!) и прокалить. Операцию повторяют несколько раз до полного удаления катиона NH₄⁺. Для проверки полноты удаления, перенести часть сухого остатка на предметное стекло, растворить в 1–2 каплях дистиллированной воды и добавить реактив Несслера. Отрицательная реакция указывает на полное удаление катионов аммония. Записать уравнения происходящих реакций.

К остатку в фарфоровой чашке добавить около 1 мл дистиллированной воды, подкислить 2М СН₃СООН до рН 4–6 (по индикатору) и в растворе открыть ион калия с Na₃[Co(NO₂)₆]. Образование жёлтого осадка, не разлагающегося при нагревании, указывает на присутствие катионов калия. Записать уравнение реакции и сделать вывод о наличии катиона К⁺.

IV ГРУППА КАТИОНОВ

К IV группе относятся катионы амфотерных элементов: Al³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺, Sn²⁺, Sn⁴⁺. Групповой реагент – избыток едкой щелочи, растворяющий первоначально осаждающиеся гидроксиды с образованием гидроксокомплексов:

Меⁿ⁺ + nOH^- ⇆ Me(OH)_n↓

Me(OH)_n↓ + (m-n)OH^- ⇆ [Me(OH)]^m-n

Подобным образом ведут себя катионы Pb²⁺ (II группа) и Sb³⁺ (V группа). Для солей катионов IV группы характерен гидролиз:

Sn²⁺ + 2H₂O ⇆ Sn(OH)₂↓ + 2H⁺

2ZnCO₃↓ + 2H₂O ⇆ Zn₂(OH)₂CO₃↓ + H₂O + CO₂↑

↓Al₂(CO₃)₃ + 3H₂O ⇆ 2Al(OH)₃↓ + 3CO₂↑

V ГРУППА КАТИОНОВ

К V группе относятся катионы Mg²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Bi³⁺, Sb³⁺, Sb⁵⁺. Групповой реагент – раствор щелочи, осаждающий данные катионы в виде гидроксидов. В отличие от IV группы, гидроксиды катионов V группы не обладают амфотерными свойствами, кроме Sb(III). Железо, марганец и сурьма имеют переменную степень окисления, для них характерны реакции окисления-восстановления. Рассматриваемые катионы обладают тенденцией к комплексообразованию.

VI ГРУППА КАТИОНОВ

К VI группе относятся катионы Cu²⁺, Hg²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺. Групповой реагент – избыток концентрированного раствора NH₃, образующего с данными катионами комплексные растворимые аммиакаты состава [Me(NH₃)_n]²⁺. Из изученных групп аналогичной способностью обладают Ag⁺ и Zn²⁺.

Вопросы по IV-VI группам катионов

1. Как ведут себя катионы IV группы при добавлении эквивалентного количества щелочи и ее избытка?

2. Почему для катионов IV группы в качестве группового реагента нельзя использовать раствор аммиака?

3. Напишите характерную реакцию для катиона Al³⁺.

4. В чем заключается отличие окисления ионов Cr³⁺ в кислой и щелочной среде?

5. При проведении качественной реакции на цинк добавляют раствор ацетата натрия. Для чего это делают (показать уравнением реакции)?

6. Как ведут себя катионы V группы при добавлении эквивалентного количества щелочи и ее избытка?

7. Чем по составу отличаются осадки «турнбулевой сини» и «берлинской лазури»?

8. При проведении качественной реакции на Fe³⁺добавляют избыток тиоцианата. Для чего это делают (показать уравнением реакции)? Что наблюдалось при проведении этой реакции в присутствии фторида натрия?

9. В чем заключается отличие окисления ионов Mn²⁺ в кислой и щелочной среде?

10. Какие реакции происходят и что наблюдается при действии на катионы висмута равного объема йодида калия и его избытка?

11. Какого цвета аммиачные комплексы катионов VI группы? Что происходит с аммиакатом кобальта при стоянии на воздухе и почему?

12. Как ведут себя катионы VI группы при добавлении недостатка и избытка щелочи?

13. Что происходит при добавлении к некоторым катионам VI группы йодида калия? Какие катионы из других групп мешают данным определениям?

14. Почему идет реакция ионов Cu²⁺ с металлическими Al, Fe, Zn?

15. Для чего в качественной реакции на кобальт используется избыток тиоцианата?

16. Напишите уравнение реакции взаимодействия катиона никеля с реактивом Чугаева.

I. Предварительные испытания

Проводится предварительный анализ полученной смеси катионов I–VI групп, определяются:

· Цвет раствора (делается вывод о наличии окрашенных катионов);

· рН раствора;

· Наличие или отсутствие осадка и его цвет.

Если задача с осадком, необходимо проверить его растворимость в кислоте (осадок растворился – могут быть хлориды, карбонаты II группы и/или гидроксиды, карбонаты катионов IV–VI групп); в щелочах (осадок растворился – это может быть сульфат свинца, гидроксиды IV и V групп); сделать соответствующие выводы. Если не происходит полного растворения в указанных реагентах осадка, возможно присутствие MeCl_n, MeSO₄, SbOCl, BiOCl.

· Наличие катионов II–VI групп в растворе в отдельных пробах групповыми реагентами.

II.Обнаружение некоторых катионов дробным методом (в растворе задачи)

1. Открытие катионов NH₄⁺, K⁺, Na⁺.

1.1. Обнаружение катионов NH₄⁺.

1.2. Обнаружение катионов Nа⁺.

Для открытия катиона Na⁺ используют специфическую реакцию с K[Sb(OH)₆] (при рН 7–8).

1.3. Обнаружение катионов К⁺.

Обнаружение К⁺ проводят реакцией с Na₃[Co(NO₂)₆] (при рН 4–6).

2. Обнаружение катионов Ca²⁺.

Проводят характерной микрокристаллоскопической реакцией образования гипса.

Предварительно катионы III группы и свинца отделяют в виде сульфатов (раствором серной кислоты), используя сравнительно большую растворимость CaSO₄ в воде. Осадок отфильтровывают, к фильтрату добавляют спирт или ацетон для понижения растворимости CaSO₄ и кристаллы рассматривают под микроскопом.

3. Открытие катионов Fe²⁺ и Fe³⁺.

Для открытия используют характерные реакции Fe²⁺с K₃[Fe(CN)₆] и Fe³⁺ с K₄[Fe(CN)₆] (описание см. в разделе характерные реакции).

4. Открытие катионов Ni²⁺.

Для обнаружения катионов никеля используют диметилглиоксиматную реакцию с реактивом Чугаева (рН 9–10). Если в растворе обнаружены катионы Fe²⁺ их предварительно окисляют пероксидом водорода (или HNO₃к.) и маскируют фторид-ионами.

5. Открытие катионов Co²⁺.

Проводят характерной реакцией с KNO₂ (рН 4–5, при нагревании) или реакцией с NH₄SCN экстрагируя комплекс C₅H₁₁OH (этой реакции мешают катионы Fe³⁺ – можно замаскировать добавлением фторид- (NH₄F, KF, NaF) или фосфат-ионов (Na₂HPO₄)).

Общие указания к ведению лабораторного журнала

* при необходимости

2. После оформления таблицы по каждой группе катионов приводится ход анализа смеси катионов этой группы.