Задача №1: відкриття катіонів 1-ої, 2-ї та 3-ї аналітичних групу досліджуваному розчині
Після виконання аналітичних реакцій студент отримує пробірку з розчином, що містить один з катіонів 1-ї, 2-ї або 3-ї аналітичних груп. Треба визначити, який саме. У пробірку з досліджуваним розчином нічого додавати не можна, а тільки відливати або чистою піпеткою відбирати невеликі порції цього розчину у чисту пробірку і там виконувати аналітичні реакції. Спочатку визначають, до якої аналітичної групи належить катіон, а потім його ідентифікують.
1. Відкриття катіонів третьої аналітичної групи. До окремої порції досліджуваного розчину додати 1 М розчин HCl. Утворення білого осаду вказує на наявність катіонів 3-ї групи. Додати дист.води до 1/3 пробірки, нагріти, злити прозорий розчин у чисту пробірку і додати КІ. Утворення жовтого осаду PbІ2 вказує на присутність Pb 2+ . Якщо жовтий осад не утворюється, до білого осаду, що утворився з НСІ, додати NН4OH. Розчинення осаду вказує на Ag+. Якщо під час дії HCl осад не утворився, у розчині відсутні катіони 3-ї аналітичної групи.
2.Відкриття катіонів 2-ї аналітичної групи. До нової окремої порції досліджуваного розчину додати 1 М розчин H2SО4. Утворення білого осаду вказує на присутність Cа2+ або Ва2+. (Осад BaSO4 утворюється миттєво, а для утворення CaSO4 треба охолодити пробірку під краном з холодною водою і потерти сляною паличкою стінки пробірки). У чисту пробірку взяти нову порцію цього розчину і додати 2 – 3 краплі K2Cr2O7 та 1 – 2 краплі CH3COONa. Утворення жовтого осаду вказує на присутність Ва2+. Якщо Ва2+ немає, з новою порцією розчину виконати реакцію на Са2+ з (NH4)2C2О4.
3.Відкриття катіону першої аналітичноі групи: з окремими порціями розчину, якій не дає білого осаду ні з НСІ ні з H2SО4, виконати реакції на катіони першої групи у певній послідовності. Відкриттю іонів натрію і калію заважають іони NH4+, а відкриттю NH4+ інші катіони першої групи не заважають. Тому спочатку треба відкрити іони NH4+(з реактивом Несслера), а якщо вони відсутні, шукати К+(з гексанітрокобальтатом), або Na+(за жовтим забарвленням полум’я).
Лабораторна робота №2 Реакції катіонів четвертої Mg2+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, п’ятої Al3+, Zn2+, Cr3+, Sn2+, та шостої Co2+, Ni2+,Cu2+, Cd2+ аналітичних груп:
4.Четверта аналітична група Mg2+, Mn2+, Fe2+, Fe3+.
Груповий реактив NаOHосаджує катіони четвертої аналітичної групи у вигляді різного кольору осадів: Mg2+ + 2OH- = Mg(OH)2↓ білий, Mn2++2OH-=Mn(OH)2↓білий,.що поступово при збовтуванні перетворюється на коричневий 2Mn(OH)2↓+O2=2MnO(OH)2↓,
Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2↓ зеленкувато-чорний, Fe3+ + 3OH- = Fe(OH)3↓ червоно-бурий.
Осади розчинні у кислотах, але нерозчинні у надлишку NаOH (на відміну від 5-ї аналітичної групи Al3+, Zn2+,Cr3+, Sn2+) і нерозчинні у надлишку NН4OH (на відміну від 6-ї групи Co2+, Ni2+,Cu2+, Cd2+)
Виконання: у 4-ри чисті пробірки взяти по 2–3 краплі розчинів: у першу – солі магнію, у другу – солі мангану(ІІ), у третю – солі феруму(ІІ), у четверту – солі феруму(ІІІ). Додати у кожну 3 – 4 краплі 1 М розчину NаOH. Спостерігати утворення неоднакових за зовнішнім виглядом осадів.
Гідроксиди катіонів 4-ї аналітичної групи осаджуються розчином NH4OH (NH3∙H2O), але у присутності солей амонію двозарядні катіони осаджуються неповністюі.
4.1. Катіони магнію Mg2+.
1.Гідроксид натрію або каліюосаджує іони Mg2+ у вигляді білого аморфного осаду Mg(ОН)2. Це єдиний білий осад з тих, що утворюють катіони 4-ї групи, який залишається білим, не окиснюючись киснем повітря при збовтуванні пробірки з осадом.
2.Гідроксид амонію NH4OH (розчин NH3∙в H2O) не осаджує катіони магнію у присутності солей амонію: розчин Mg2+ залишається прозорим і безбарвним, якщо перед додаванням NH4OH додати розчин NH4Cl. Зовні подібний результат можна отримати з катіонами цинку (5-та група) і кадмію (6-та група), гідроксиди яких розчиняються у надлишку NH4OH у присутності NH4Cl, але з утворенням безбарвних комплексних сполук (див. нижче).
2.Гідрофосфат натрію Na2HPO4 у слаболужному середовищі, яке створюється амонійною буферною сумішшю (NH4Cl + NH4OH), утворює з іонами магнію білий кристалічний осад магній – амоній-фосфату: Mg2+ + HPO42- + NH4OH ® MgNH4PO4¯ + H2O розчинний у кислотах.
Виконання:у чисту пробірку взяти 1 – 2 краплі розчину солі магнію (MgCl2, Mg(NO3)2 або MgSO4) додати 2 – 3 краплі NH4Cl, 1 – 2 краплі NH4OH, перемішати і додати 2 – 3 краплі Na2HPO4. Білий кристалічний осад повинен з’явитися тільки після додавання останнього реактиву.
Гідрофосфат натрію утворює білі осади також з катіонами другої аналітичної групи (Ca2+, Ba2+), а також з Zn2+. Саме тому треба спочатку правильно визначити аналітичну групу, а вже потім сам катіон. З катіонів 4-ї аналітичної групи таку ж реакцію дають катіони Mn2+:
Mn2+ + HPO42- +NH4OH ® MnNH4PO4¯ + H2O,
але ці катіони із сильними окисниками перетворюються у червоно-фіолетовий перманганат.
4.2. Катіони марганцю Mn2+.
Сильні окисники(вісмутат натрію, діоксид свинцю, персульфат амонію) у сильнокислому середовищі окиснюють Mn2+ до MnO4- і розчин набуває червоно-фіолетового (малинового) забарвлення: 2Mn2+ + 5NaBiO3 + 14H+ ® 2MnO4- +5Bi3+ + 5Na+ + 7H2O
2Mn2+ + 5PbO2 + 4H+ ® 2MnO4- +5Рb2+ + 2H2O
2Mn2+ + 5S2O82- + 8H2O ® 2MnO4- +10SO42- + 16H+
Надлишок Mn2+ заважає реакції, тому що він відновлює MnO4- до MnO2. Треба виконувати реацію так, щоб надлишку Mn2+ не було.Виконання:у чисту пробірку взяти не більше однієї краплі розчину солі маргацю(ІІ) додати 3 – 4 краплі 6 н. HNО3, перемішати і вилити. Те, що залишилось на стінках пробірки, змити у пробірку 6 н. розчином HNО3 (не торкатися піпеткою стінок пробірки!). Додатиневелику кількість коричневого порошку NaBiO3, перемішати і почекати, поки надлишок NaBiO3 осяде на дно. Розчин повинен набути червоно-фіолетового або малинового забарвлення. Якщо малинове забарвлення швидко зникає, а у розчині і на стінках з’являється коричнева муть, це означає, що концентрація Mn2+ усе ще занадто велика.Інші катіони не заважають цій реакції.
4.3. Катіони феруму(ІІ).
Гексаціаноферат(ІІІ) калію K3[Fe(CN)6] у присутності розведеної НСl утворює з Fe2+ темно – синій осад, склад якого залежить від умов проведення реакції: 3Fe2++2[Fe(CN)6]3- ® Fe3[Fe(CN)6]2↓.
Виконання:у чисту пробірку взяти 1–2 краплі розведеної НСl, 2–3 краплі розчину солі FeSO4 і додати 2–3 краплі K3[Fe(CN)6] (не торкатися піпеткою стінок пробірки!). Спостерігати утворення темно-синього осаду.
КатіониFe 3+ з цим реативом осаду не дають, але розчин набуває бурого забарвлення. Катіони Cо2+, Mn2+, Ni2+ утворюють осади бурого, червоного і жовто–бурого кольору, але вони не заважають реакції, тільки темно–синій осад Fe3[Fe(CN)6]2 стає темно–зеленим або синьо–чорним.
Катіони феруму(ІІІ).
1. Гексаціаноферат(ІІ) калію К4[Fe(CN)6] у присутності розведеної НСl дає з іонами Fe3+ темно–синій осад: 4 Fe3+ + 3[Fe(CN)6]4- ® Fe4[Fe(CN)6]3¯,
склад якого залежить від умов проведення реакції. Виконання:у чисту пробірку взяти 1 – 2 краплі розведеної НСl, 2 – 3 краплі розчину FeCl3 додати 2 – 3 краплі K4[Fe(CN)6] (не торкатися піпеткою стінок пробірки!). Спостерігати утворення темно-синього осаду.
Катіони Cо2+, Mn2+, Ni2+ дають з реактивом білий, зелений та світло – зелений осади, які не заважають спостерігати утворення темно – синього осаду. Якщо у досліджуваному розчині присутні катіони Fe2+, то вони дають з реактивом білий осад. Але внаслідок окиснення Fe2+ киснем повітря до Fe3+ у розчині, де є Fe2+, завжди буде невелика кількість Fe3+. Тому утворюється світло – синя суміш білого осаду Fe2[Fe(CN)6] з невеликою кількістю темно – синього Fe4[Fe(CN)6]3.
2.Роданід амонію NH4SCN (тіоціанат амонію) у кислому середовищі утворює з катіонами Fe3+ розчинну комплексну сполуку криваво – червоного кольору: Fe3+ + nSCN- « [Fe(SCN)n]3-n, де n – від 1 до 6. Можлива зворотня реакція, тому треба додавати надлишокреактиву.
Виконання:у чисту пробірку взяти 1–2 краплі розчину FeCl3, додати краплю розведеної HNO3 і 4 – 5 крапель NH4SCN. Спостерігати утворення криваво – червоної сполуки. Додати дистильованої води і упевнитися, що утворюється не осад, а саме розчинна сполука червоного кольору.
Аніони роданіду витісняють молекули води з внутрішньої координаційної сфери катіонів заліза(ІІІ): [Fe(H2O)6]3+ + 6SCN- « [Fe(SCN)6]3- + 6H2O
Але аніони, які мають більшу спорідненість до заліза(ІІІ), можуть витіснити роданід:
[Fe(SCN)6]3-+ 6F- « [FeF6]3- + 6SCN-. При додаванні фториду натрію або фториду амонію червоний розчин знебарвлюється, залізо зв’язується у безбарвний фторидний комплекс. Ця реація використовується для маскування заліза(ІІІ) при відкритті Со2+ за допомогою роданіду.
5.П’ята аналітична група Al3+, Zn2+, Cr3+, Sn2+.
Груповий реактив NаOHосаджує катіони п’ятої аналітичної групи у вигляді осадів гідроксидів Zn2+ + 2OH- = Zn(OH)2↓,білий
Al3+ + 3OH- = Al(OH)3↓,білий
Sn2+ + 2OH- = Sn(OH)2↓,білий
Cr3+ + 3OH- = Cr(OH)3↓,сіро-зелений(або сіро-фіолетовий). які є амфотерними і тому розчиняються у надлишку NаOH: Zn(OH)2↓+2NaOH= Na2[Zn(OH)4], Al(OH)3↓ + NaOH = Na[Al(OH)4], Sn(OH)2↓ + 2NaOH = Na2[Sn(OH)4], Cr(OH)3↓ + NaOH = Na[Cr(OH)4],
з утворенням безбарвних розчинів, хром(ІІІ) дає зелений розчин.
Виконання: у чотири чисті пробірки взяти по 2–3 краплі розчинів солей алюмінію, цинку, стануму та хрому(ІІІ). Додавати у кожну поступово по краплинах 1 М розчин NаOH, спостерігати утворення осадів, які розчиняються у надлишку реактиву. Пробірки залишити для подальших дослідів.
5.1. Катіони алюмінію АІ3+.
АІ3+ дає з NaOH білий осад амфотерного гідроксиду, який розчиняється у надлишку NaOH. Але при додаванні NН4СІ і нагріванні знову утворюється білий осад Al(OH)3↓.
Виконання: у ту пробірку, де у попередньому досліді утворилася безбарвнa комплексна сполука Na[Al(OH)4], додавати NН4СІ (дрібними порціями) і нагрівати майже до кипіння. Спостерігати утворення білого аморфного осаду Al(OH)3↓:Na[Al(OH)4] +NН4СІ =Al(OH)3↓+ NН3↑+ NaСІ +Н2О.
Таку ж реакцію дає Sn2+, тому треба перевірити присутність Sn2+: з новою порцією досліджуваного розчину виконати реакцію з Na2S. Sn2+ на відміну від алюмінію дає коричневий осад з Na2S.
5.2. Катіони цинку Zn2+.
Катіони цинку Zn2+ утворюють з NaOH білий осад амфотерного гідроксиду, який розчиняється у надлишку NaOH. При додаванні сухого NН4СІ (як у досліді з АІ3+) і нагріванні у другій пробірці утворюється комплексний аміакат цинку і розчин залишається прозорим (на відміну від алюмінію).
Na2[Zn(OH)4] + 4NН4СІ + 2NaOH = [Zn(NН3)4](OH)2 + 4NaСІ+ 4Н2О.
1. Сульфід натрію Na2Sосаджує катіони цинку у вигляді білого осаду сульфіду цинку навіть із лужного середовища Na2[Zn(OH)4] + Na2S = ZnS↓ + + 4Na(OH).
Виконання: у ту пробірку, де у досліді з груповим реактивом утворився безбарвний розчин Na2[Zn(OH)4] додати розчин Н2S (Na2S або сульфідом амонію). Спостерігати утворення білого осаду.
5.3. Катіони олова (стануму) Sn2+.
Sn2+ дає з NaOH білий осад амфотерного гідроксиду, який розчиняється у надлишку NaOH. Але при додаванні NН4СІ і нагріванні знову утворюється білий осад, як з Al(OH)3↓.
1. Pозчин Na2Sосаджує катіони Sn2+ у вигляді шоколадно-коричневого осаду сульфіду олова(ІІ)
SnСІ2 + Na2S = SnS↓ + + 2NaСІ,
Виконання: у чисту пробірку взяти 5 крапель 2 М розчину HCl, краплю розчину SnСІ2, додати розчин розчин Na2S. Спостерігати утворення коричневого осаду.
Катіони хрому(ІІІ).
Cr3+ дає з NaOH сіро-зелений (з фіолетовим відтінком) осад амфотерного гідроксиду, який розчиняється у надлишку NaOH з утворенням зеленого розчину. Але при додаванні NН4СІ і нагріванні знову утворюється осад Cr(OH)3↓ зелений, а не білий, як з алюмінієм. Для виявлення хрому(ІІІ) його окиснюють до хрому(VI). У лужному середовищі як окисник використовують пероксид водню Н2О2: 2Na[Cr(OH)4]+ 3Н2О2 + 2NaOH = 2Na2CrO4 + 8Н2О,
Виконання: у ту пробірку, де у попередньому досліді з груповим реактивом утворилася зелена комплексна сполука Na[Cr(OH)4], (обережно!) додавати Н2О2 і після бурхливої реакції нагрівати майже до кипіння поки зелене забарвлення перейде у чисто жовте.
6.Шоста аналітична група Co2+, Ni2+,Cu2+, Cd2+.
Груповий реактив NН4OHосаджує катіони шостої аналітичної групи у вигляді основних солей, які з надлишком реактиву перетворюються у розчинні комплексні сполуки – аміакати:
2CoSO4 + 2NH4OH = (CoOH)2SO4¯ + (NH4)2SO4
2NiSO4 + 2NH4OH = (NiOH)2SO4¯ + (NH4)2SO4
2CuSO4 + 2NH4OH = (CuOH)2SO4¯ + (NH4)2SO4
2CdSO4 + 2NH4OH = (CdOH)2SO4¯ + (NH4)2SO4
(CoOH)2SO4 + (NH4)2SO4 + 10NH4OH = 2 [Co(NH3)6]SO4 + 8H2O
(NiOH)2SO4 + (NH4)2SO4 + 10NH4OH = 2 [Ni(NH3)6]SO4 + 8H2O
(CuOH)2SO4 + (NH4)2SO4 + 6NH4OH = 2 [Cu(NH3)4]SO4 + 8H2O
(CdOH)2SO4 + (NH4)2SO4 + 6NH4OH = 2 [Cd(NH3)4]SO4 + 8H2O
Утворюються розчини різного кольору: з кадмієм(ІІ) – безбарвний, з кобальтом(ІІ) – брудно-жовтий, з купрумом(ІІ) і нікелєм(ІІ) – синій. Виконання: у 4-ри чисті пробірки взяти по 2–3 краплі розчинів: у першу – солі кобальту(ІІ), у другу – солі нікелю(ІІ), у третю – солі купруму(ІІ), у четверту – солі кадмію(ІІ). Додавати у кожну поступово по краплинах 1 М розчин NН4OH, спостерігати утворення різного кольору осадів, які розчиняються у надлишку реактиву.
6.1. Катіони кобальту Со2+.
Роданід амонію NH4SCN (тіоціанат амонію ) утворює з іонами кобальту комплексну сполуку синього кольору: [ Co(H2O)6]2+ + 4SCN- « [ Co(SCN)4]2- + 6H2O
у водному розчині катіони кобальту оточені шістьма молекулами води і мають рожевий колір, якщо ж навколо кобальту координуються чотири ліганди, такий комплекс набуває синього забарвлення. Роданід кобальту нестійкий і при розведенні розчину водою синє забаравлення зникає. Тому треба брати великий надлишок роданідуі екстрагувати продукт реації неводним розчинником (аміловим спиртом), у якому немає конкуренції з боку молекул води.Екстракція стабілізує продукт реакції і підвищує її чутливість.
Виконання:у чисту пробірку взяти 2–3 краплі розчину солі кобальту(ІІ), і додати 4–5 крапель насиченого розчину NH4SCN. Спостерігати поступову зміну рожевого забарвлення розчину на синє. Додати 5-6 крапель амілового спирту, закрити пробірку і добре збовтати. При відстоюванні і розшаруванні спостерігати інтесивно синє забарвлення верхнього неводного шару.
6.2. Катіони нікелю Ni2+.
Диметилгліоксим H2Dm (диметилдіоксим) у присутності амоніаку утворює з Ni2+ сполуку червоного (темно-рожевого) кольору. 2H2Dm + Ni2+ + NH4OH → Ni(HDm)2↓ + 2NH4+ + 2H2O.
Катіон нікелю взаємодіє з двома молекулами диметилгліоксиму і витісняє з кожної по одному іону водню, які треба зв’язати амоніаком (амоніак додається під час приготування розчину диметилгліоксиму), оскільки сильнокисле середовище заважає реакції. Осад розчиняється у сильних кислотах і лугах. Реакції заважають Fe3+, Fe2+ і Sn2+. Іон Fe3+ у слаболужному (амоніачному) середовищі утворює бурий осад Fe(ОН)3. Іони Fe2+ i Sn2+ утворюють з диметилгліоксимом сполуки брудно- червоного кольору. При поступовому окисненні Fe2+ до Fe3+ (киснем повітря) червоне забарвлення зникає, залишається буро-коричневе. Тому реакцію виконують на фільтрувальному папері у присутності фосфату, який зв’язує залізо(ІІІ).
Виконання:не капати, а тільки доторкнутися піпеткою з розчином, який може містити іони Ni2+ і почекати, поки утвориться кругла пляма. За межами цієї плями до сухого паперу доторкнутися піпеткою з розчином диметилгліоксиму і почекати, поки пляма розчину диметилгліоксиму, що буде утворюватись навколо піпетки, перетнеться з плямою досліджуваного розчину, де і повинен утворитися осад характерного кольору. Якщо у досліджуваном розчині є іон Ni2+, то на перетині двох плям з’являється червоне (темно-рожеве) забарвлення. У присутності Fe2+ забарвлення буде брудно-червоним. Тоді треба почекати, поки пляма висохне. Червоне забарвлення, яке диметилгліоксим утворює з іоном Fe2+, переходить у світло-коричневе, а з Ni2+ – залишається червоним. Катіони Cu2+ утворюють з диметилгліоксимом розчинну сполуку бурого кольору, який заважає відкриттю Ni2+. Тому у досліджваному розчині спочатку треба відкрити катіони Cu2+, а якщо вони відсутні, шукати Ni2+. 6.3. Катіони міді(ІІ) Cu2+.
1.Гексаціаноферат(ІІ) каліюK4[Fe(CN)6] утворює з катіонами міді червоно-коричневий осад:
2Cu2+ + [Fe(CN)6]4- = Cu2[Fe(CN)6]¯
який не розчиняється у розведених кислотах, але розчиняється у NH4OH.
При малій концетрації міді(ІІ) осад не утворюється, але розчин забарвлюється у рожевий колір. Ця реакція на мідь(ІІ) більш чутлива, ніж реакція з аміаком.
Виконання:у чисту пробірку взяти 2–3 краплі розчину солі купруму(ІІ), і додати 4–5 крапель розчину K4[Fe(CN)6]. Спостерігати утворення червоно-коричневого осаду.Катіони Cо2+і Ni2+ дають з реактивом зелений та світло–зелений осади, які не заважають відкриттю Cu2+.
6.4. Катіони кадмію Cd2+.
1. Pозчин Na2S осаджує катіони кадмію у вигляді жовтого осаду сульфіду кадмію
CdSO4 + Н2S = CdS↓ + + Н2SO4.
Виконання: у чисту пробірку взяти 2 краплі 2 М розчину HCl, краплю розчину CdSO4 (або CdCl2), додати розчин розчин Na2S. Спостерігати утворення жовтого осаду.
Реакції заважають усі катіони, які утворюють забарвлені сульфіди, зокрема CuS, NiS, CoS – чорного кольору, MnS – жовто-рожевий (тілесний). Катіони цинку не заважають реакції: жовтий сульфід кадмію зручно спостерігати на фоні білого сульфіду цинку.