Качественный анализ анионов и катионов

М етоды качественного анализа делятся на химиче­ские, физико-химические и физические. Физические методы основаны на изучении фи­зических свойств анализируемого вещества. К этим ме­тодам относятся спектральный, рентгеноструктурный, масс-спектрометрический анализы и др.
В физико-химических методах течение ре­акции фиксируется измерением определенного физического свойства исследуемого раствора. К этим методам относятся полярография, хроматография и др. К химическим методам относятся методы, ос­нованные на использовании химических свойств иссле­дуемых веществ. Аналитические реакции Анализ вещества, проводи­мый в растворах, называется анализом мокрым путем. Это основной путь полного определения соста­ва вещества. При этом применяют реакции образования осадка, окрашенных соединений или выделения газа. Эти реакции проводят обычно в пробирках. Ряд качест­венных реакций проводят на предметных стеклах и об­разующиеся кристаллы рассматривают под микроско­пом. Это так называемые микрокристаллоскопические реакции. Иногда прибегают к выполнению реакций ка­пельным методом. Для этого на полоску фильтроваль­ной бумаги наносят каплю испытуемого раствора и кап­лю реактива и рассматривают окраску пятна на бу­маге. Реакции, проводимые сухим путем (не в раство­рах), обычно применяются как вспомогательные, глав­ным образом при предварительных испытаниях. Из ре­акций, проводимых сухим путем, чаще применяются ре­акции окрашивания перлов буры. В качественном анализе используются также пирохимические реакции: окраши­вание пламени в различные цвета летучими солями не­которых катионов. В химическом анализе используется лишь незначи­тельная часть того многообразия реакций, которое свой­ственно данному иону Для открытия ионов пользуются реакциями, сопро­вождающимися различными внешними изменениями, на­пример выпадением или растворением осадка, измене­нием окраски раствора, выделением газов, т. е. откры­ваемый ион переводят в соединение, внешний вид и свойства которого характерны и хорошо известны. Про­исходящее при этом химическое превращение называет­ся аналитической реакцией. Вещества, с помощью которых выполняется открытие ионов, называются реактивами на соответствующие ио­ны. Реакции, характерные для какого-либо иона, назы­ваются частными реакциями этого иона. Аналитическая реакция должна отвечать определен­ным требованиям. Она должна протекать не слишком медленно и быть достаточно простой по выполнению. Для аналитических реакций важнейшими требова­ниями являются специфичность и чувствительность. Чем меньшее количество ионов вступает в реакцию с данным реактивом, тем более специфична данная реакция. Чем меньшее количество вещества может быть опреде­лено с помощью данного реактива, тем более чувстви­тельна эта реакция. Чувствительность реакции можно охарактеризовать количественно при помощи двух показателей: открывае­мого минимума и предельного разбавления. Открываемым минимумом называется наименьшее количество вещества или иона, которое может быть от­крыто данным реактивом при данных условиях. Предельное разбавление характеризует наименьшую концентрацию вещества (или иона), при которой еще возможно открыть его данным реактивом. Условия проведения аналитических реакций Выпол­нение каждой аналитической реакции требует соблюде­ния определенных условий ее проведения, важнейшими из которых являются: 1) концентрация реагирующих ве­ществ, 2) среда раствора, 3) температура. Реактивы Реактивы используемые для выполнения аналитиче­ских реакций, делятся на специфические, избиратель­ные, или селективные, и групповые. Специфические реактивы образуют характерный оса­док или окрашивание только с определенным ионом. Например, реактив Кз[Fе(СN)6] образует темно-синий осадок только с ионами Fe 2+. Избирательные, или селективные, реактивы реагиру­ют с несколькими ионами, которые могут принадлежать к одной или к разным группам. Например, реактив KI реагирует с ионами Pb 2+, Ag +, Hg22+ (II группа), а так­же с ионами Hg 2+ и Си 2+ (VI группа). Групповой реактив вступает в реакцию со всеми ио­нами данной группы. С помощью этого реактива ионы данной группы можно отделить от ионов других групп. Например, групповым реактивом второй аналитической группы является хлороводородная кислота, которая с катионами Pb 2+, Ag +, Hg22+ образует белые труднорас­творимые осадки. Систематический и дробный анализ Большин­ство аналитических реакций недостаточно специфично и дает сходный эффект с несколькими ионами. Поэтому в процессе анализа приходится прибегать к отделению ионов друг от друга. Таким образом, открытие ионов проводится в определенной последовательности. После­довательное разделение ионов и их открытие носит на­звание систематического хода анализа. Систематический ход анализа основан на том, что сначала с помощью групповых реактивов разделяют смесь ионов на группы и подгруппы, а затем уже в пре­делах этих подгрупп обнаруживают каждый ион харак­терными реакциями. Групповыми реагентами действу­ют на смесь ионов последовательно и в строго опреде­ленном порядке. В ряде случаев прибегают не к систематическому разделению ионов, а к дробному методу анализа. Этот метод основан на открытии ионов специфическими реак­циями, проводимыми в отдельных порциях исследуемого раствора. Так, например, ион Fe 2+ можно открыть при помощи реактива Кз[Fе(СN)6] в присутствии любых ионов. Так как специфических реакций немного, то в ряде случаев мешающее влияние посторонних ионов устраня­ют маскирующими средствами. Например, ион Zn2+ можно открыть в присутствии Fe2+ при помо­щи реактива (NH4)2[Hg(SCN)4], связывая мешающие ионы Fe2+ гидротартратом натрия в бесцветный комп­лекс. Дробный анализ имеет ряд преимуществ перед систе­матическим ходом анализа: возможность обнаруживать ионы в отдельных порциях в любой последовательности, а также экономия времени и реактивов. Но так как специфических реакций немного и ме­шающее влияние многих ионов нельзя устранить маски­рующими средствами, в случае присутствия в растворе многих катионов из разных групп прибегают к систе­матическому ходу анализа, открывая лишь некоторые ионы дробным методом.
Оборудование и посуда Н аиболее удобно в обычной практике проводить ка­чественное исследование полумикрометодом. Этот метод не требует больших количеств веществ для анализа, дает значительную экономию времени и реактивов по срав­нению с макрометодом. В то же время этот методзначительно проще микрометода, требующего специальной аппаратуры и особых навыков работы. Для работы полумикрометодом в лаборатории необ­ходимо иметь следующее оборудование.
1. Переносной деревянный штатив с набором капель­ниц с растворами солей, реактивов, кислот и щелочей и баночек с сухими солями (рис. 1).

Рис. 1. 2. Штатив для пробирок.
3. Металлический штатив с кольцом, фарфоровым треугольником и асбестированной сеткой. 4. Держатели для пробирок. 5. Центрифужные пробирки (рис. 2).

Рис. 2. 6. Пробирки цилиндрические. 7. Капиллярные пипетки (рис. 3.).

Рис. 3. 8. Стеклянные палочки (рис. 4.).

Рис. 4. 9. Фарфоровые чашки диаметром 3—5 см. 10. Промывалка (рис. 5).

Рис. 5. 11. Предметные стекла. 12. Фарфоровая капельная пластинка (рис. 6).

Рис. 6. 13. Предметные стекла с углублениями (рис. 7).

Рис. 7. 14. Ершик для мытья посуды. 15. Водяная баня (рис. 8).

Рис. 8. 16. Центрифуга (рис. 9)

Рис. 9. Частные реакции, а также операции разделения ио­нов проводят в конических пробирках для центрифуги­рования или в маленьких цилиндрических пробирках. В пробирку вносят несколько капель анализируемого раствора и, соблюдая необходимые условия, прибавля­ют по каплям реактив, помешивая реакционную смесь стеклянной палочкой. Выполняя реакцию, необходимо следить за тем, чтобы кончик пипетки не касался стенок пробирки во избежание загрязнения реактива. Вынутую из капельницы пипетку по выполнении реакции необходимо сразу же опустить в ту же капельницу. Вместо пробирок частные реакции можно выполнять также на фарфоровых капельных пластинках (рис. 6) или особых предметных стеклах с углублениями (рис. 7). В этом случае расход реактивов минималь­ный, а результат реакции хорошо заметен. Для нагревания реакционной смеси пробирку погру­жают в кипящую водяную баню. Водяная баня может также служить для упаривания (выпаривания до небольшого объема) растворов. Выпаривание до­суха обычно проводят в фарфоровой чашке, нагревая ее на пламени газовой горелки. Пока жидкость не вы­парилась до конца, целесообразно ставить чашку на асбестированную сетку. Если остаток от выпаривания необходимо прокалить, чашку ставят на фарфоро­вый треугольник. Для отделения осадка от раствора пробирку с осад­ком помещают в центрифугу.
Классификация анионов и групповые реагенты К ак известно из курса неорганической химии, к анионам отно­сятся отрицательно заряженные частицы, состоящие из отдельных" атомов или групп атомов различных элементов. Эти частицы могут нести один или несколько отрицательных зарядов. В отличие от катионов, которые в большинстве своем состоят из одного атома, анионы могут иметь сложный состав, состоящий из нескольких атомов. Общепринятой классификации анионов не существует. Разными авторами предложены различные системы классификации их. В настоящем руководстве принята наиболее часто применяемая классификация, по которой все анионы делятся на три аналитические группы в зависимости от растворимости их бариевых и серебряных селей. В данном случае групповыми реагентами являются растворимые соли бария и серебра (табл. 1).
Таблица № 1 Классификация анионов
Группа
Анионы
Групповой реагент
Характеристика группы
1 SO4 2-, SO3 2- , СO32-, РO43-, SiO3 2- Хлорид бария ВаСl2 в нейтральном или слабо­щелочном растворе Соли бария практически нерастворимы в воде
2 С1- , Вг- , I-, S2- Нитрат серебра AgNO3 и присутствии HNO3 Соли серебра практически нерастворимы в воде и разбавленной кис­лоте
3 NO3-, NO2-, CH3COO- Группового реагента нет Соли бария и серебра рас­творимы в воде



Общая характеристика анио­нов первой группы К первой аналитической группе анионов относятся сульфат-ион SO4 2-, сульфит-ион SO32-, корбонат-ион СO32-, фосфат-ион РO43-, силикат-ион SiO3 2-. Эти анионы образуют с катионом Ва2+ соли, мало растворимые в воде, но, за исключением сульфата бария, хороню растворимые в разбавленных минеральных кислотах. Поэтому выделить анионы этой группы в виде осадка групповым реагентом—хлоридом бария BaCl2 можно только в нейтральной или слабощелочной среде. Анионы первой группы образуют с катионами серебра Ag+ соли, растворимые в разбавленной азотной кислоте, а сульфат серебра Ag2S04 растворим даже в воде. Обнаружение анионов первой группы Вначале исследуют раствор на присутствие анионов первой группы действием группового реагента (хлорида бария BaCl2). Для чего в пробирку к 3—5 каплям нейтрального или слабощелоч­ного раствора прибавляют 5—7 капель 0,5 н. раствора хлорида бария. Образование осадка указывает на присутствие анионов пер­вой группы. Обнаружение сульфат-ионов SO4 2-. К 4—5 каплям анализируе­мого paunopa прпбапьк- 6—8 капель 2 и раствора азотной кислоты и 3—4 капли 2 н . раствора хлорида бария BaCl2. Образование осад­ка говорит о присутствии сульфат-иона.
Обнаружение сульфит-иона SO32-. В склянку прибора прилейте 4—5 капель анализируемого раствора, добавьте 2.—3 капли раствора хлороводородной кислоты НС1. В ушко нихромовой про­волоки поместите каплю разбавленного раствора иода (подкрашен­ного крахмалом в синий цвет). Склянку закройте пробкой, имею­щей небольшую прорезь, и слегка нагрейте. При наличии сульфит-иона SO32 синяя капля через некоторое время обесцвечивается.
Обнаружение карбонат-иона СO32-. Если в анализируемом рас­творе обнаружен сульфит-ион SO32, то его необходимо окислить в сульфат-ион SO4 2, прибавив к раствору 4—5 капель пероксида водорода (8—10%) и осторожно нагрев на водяной бане. После этого приступайте к обнаружению карбонат-иона, дчя чего в пробир­ку прибавьте 6—8 капель 2 н . раствора хлороводородной кислоты НС1 и выделяющийся газ СО2, пропустите через известковую воду. Помутнение последней в пипетке прибора укажет на присутствие карбонат-иона СO32-. Обнаружение силикат-иона SiO32-. Возьмите пробирку и налей­те 6—8 капель анализируемого раствора, бросьте в нее несколько кристалликов хлорида аммония NH4C1 и слегка нагрейте. Образо­вание белого студенистого осадка поликремниевых кислот говорит о наличии аниона SiO32-. Обнаружение фосфат-иона РO43-. Поместите в пробирку 7—8 ка­пель раствора молибдата аммония (NH4)2Мо04 и 6—7 капель 6 н. раствора азотной кислоты НNO3. К полученной смеси прилейте 5—6 капель анализируемого раствора и слегка нагрейте. В при­сутствии фосфат-иона РO43 появляется желтый осадок молибдофосфата аммония. Частные реакции анио­нов первой группы В качестве примера рассмотрим реакции сульфат-аниона SO4 2- 1. Хлорид бария BaCI2 обрадует с анионом SO4 2- белый осадок BaSO4: ВаС2 + H2SO4 ® BaSO4 ¯ + 2НС1 Ва2+ + SO4 2- ® BaSO4 2. Нитрат серебра AgNO3 при взаимодействии с анионом SO4 2- в концентрированных растворах образует белый осадок сульфата серебра Ag2S04, растворимый в азотной кислоте: Na2SO4 + 2AgNО3 ® Ag2SO4¯ + 2NaNO3 SO4 2- + 2Ag+- ® Ag2SO4 Опыт. Налейте в две пробирки по 3—4 капли раствора сульфа­та натрия Na2SO4 и добавьте в первую 2—3 капли раствора хлорида бария, а во вторую — 3—4 капли раствора нитрата серебра. Обрати­те внимание на характер осадков и проверьте их растворимость. Условия проведения опыта. 1. Реакцию образования BаSO4 можно проводить как в нейтраль­ных, так и в кислых средах (р11 2. Осадок Ag2SO4 будет выпадать только из концентрированных растворов (растворимость Ag2SO4 = 2,6 . 10~2 моль/л).
Общая характеристика анионов второй группы К о второй аналитической группе анионов относятся хлорид-ион С1- бромид-ион Вг- , иодид-ион I-, и сульфид-ион S2-. Эти анионы образуют с катионом Ag+ соли, нерастворимые в воде и разбавленной азотной кислоте. Групповым реагентом на анионы второй группы является нитрат серебра AgN03 в присут­ствии азотной кислоты HNO3. Хлорид бария BaCl2 с анионами вто­рой группы осадков не образует.
Обнаружение анионов второй группы Предварительно опреде­ляют присутствие анионов второй группы. С этой целью к 2—3 кап­лям испытуемого раствора добавьте 3—4 капли 2 н . раствора азот­ной кислоты HNO3 и 2—3 капли раствора нитрата серебра AgN03 — группового реагента. Выпадение осадка указывает на наличие анионов второй аналитической группы. Если при этом осадок черного цвета, то что говорит о присутствии сульфид-иона S2-. Добившись полного осаждения, осадок отцснтрифугируйте и промой­те его дистиллированной водой. Растворение хлорида серебра и обнаружение хлорид-иона С1-. Полученный осадок, который может содержать AgCl, AgBr, Agi2 и Ag2S, обработайте 1—2 мл 12-процентного раствора карбоната аммония (NН4)2СОз или таким же количеством реактива Фаургольта. При этом хлорид серебра перейдет в раствор в виде комплексной соли диаминоаргентахлорида [Ag (NН3)2С1]. Осадок отделите цен­трифугированием. Центрифугат разделите на две части. К первой части прибавьте несколько капель азотной кислоты, ко второй— иодида калия. Помутнение раствора в первой и более интенсивное выпадение осадка во второй части указывает на присутствие хло­рид-иона. Растворение бромида и иодида серебра и обнаружение бромид-и иодид-ионов. К осадку после отделения хлорид-иона добавьте 4—5 капель 2 н . раствора серной кислоты Н2SО4, и небольшое коли­чество цинковой пыли. Содержание пробирки нагрейте на водяной бане до полного прекращения выделения газа. Осадок отцетрифугируйте (избыток цинка и свободное cеребро). К центрифугату, содержащему бромид и иодид-ионы, добавьте несколько капель хлорной воды и бензола. Смесь встряхните. По изменению окраски раствора сделайте заключение о наличии бромид- и иодид-ионов. Частные реакции анио­нов второй группы В качестве примера рассмотрим реакции хлорид-иона С1- . 1. Нитрат серебра AgNO3 образует с анионом С1-белый тво­рожистый осадок хлорида серебра, нерастворимый в воде и кисло­тах. Осадок растворяется в аммиаке, при этом образуется комплек­сная соль серебра [Ag (NНз)2]С1. При действии азотной кислоты комплексный ион разрушается и хлорид серебра снова выпадает в осадок. Реакции протекают в такой последовательности: С1- + Ag+ ® AgCl AgCl + 2NH40H ® [Ag (NНз)2]С1 + 2H20 [Ag (NНз)2]С1 + 2H+ ® AgCl ¯ + 2NH4+
Общая характеристика анионов третьей группы К третьей группе анионов относятся нитрат-ион NO3-, нитрит-нон NO2- , ацетат- ион CH3COO- . Катионы бария Ва+ и серебра Ag+ с аннонами этой группы осадкон кс образуют. Группового реаген­та на анионы третьей группы нет. Обнаружение анионов третьей группы При наличии в испыту­емом растворе сульфид-иона S2- его необходимо предварительно удалить действием сульфата цинка ZnS04. Обнаружение нитрит-иона NO2- . Возьмите 5—6 капель испыту­емого раствора, добавьте 2—3 капли 2 н . раствора серной кислоты H2S04, 4—5 капель 10-процентного раствора иодида калия KI и несколько капель крахмального клейстера. Полученную смесь перемешайте. В присутствии нитрит-иона NO2- появляется интен­сивно-синее окрашивание раствора. Обнаружение нитрат-иона NO3- в присутствии нитрит-иона NO2- . При наличии нитрит-иона его необходимо, предварительно удалить. Для этого в пробирку поместите 5—6 капель анализируемого раст­вора, добавьте несколько кристалликов хлорида аммония NН4Cl и нагрейте до прекращения выделения газа (N2). Возьмите 2—3 кап­ли раствора дифениламина в концентрированной серной кислоте и поместите их на фарфоровую пластинку или предметное стекло. Туда же внесите на кончике стеклянной палочки небольшое коли­чество анализируемого раствора и перемешайте. В присутствии нит­рат-иона NO3- появляется интенсивно-синее окрашивание.
Обнаружение ацетат-иона СН3СОО- производится частными реакциями. Частные реакции анионов третьей группы В качестве примера рассмотрим реакции с нитрат-иономNO3- 1. Дифениламин (C6H5)2NH с нитрат-иономNO3- образует ин­тенсивно-синее окрашивание.
Опыт. На чистое и сухое часовое стекло поместите 4—5 капель раствора дифениламина в концентрированной серной кислоте. Внеси­те туда же стеклянной палочкой каплю испытуемого раствора и пе­ремешайте. В присутствии аниона NO3- появляется интенсивно-синяя окраска раствора вследствие окисления дифениламина. Ана­логичное окрашивание дает и анион NO2- . Условия проведения опыта. 1. Окислители и иодид-ион I-, который может окисляться сер­ной кислотой до I2, мешают проведению реакции. 2. Анионы-восстановители S032-, S2- и др. также мешают от­крытию нитрат-нона NO3- . 3. Для выполнения реакции лучше брать разбавленные раство­ры испытуемых веществ.
Заключение У становление присутствия тех или иных катионов в исследуе­мом растворе значительно облегчает обнаружение анионов. Поль­зуясь таблицей растворимости, можно заранее предсказать наличие в исследуемом растворе отдельных анионов. Например, если соль хорошо растворяется в воде и в нейтральном водном растворе обна­ружен катион Ва2+, то этот растворне может содержать анионы SO42-, CO32-, SO32- . Определив предварительно присутствие отдельных групп анио­нов, обнаруживают их соответствующими групповыми и характер­ными для них реакциями. В зависимости от присутствия тех или иных анионов и катионов схемы анализа могут быть самыми раз­личными. Например, водный раствор исследуемого вещества имеет нейтральную реакцию. При действии на отдельную пробу его рас­твором соляной кислоты образуется осадок, который растворяется в горячей воде. Это позволяет сделать вывод, что в растворе при­сутствует катион Рb2+. Проверяют катион Рb2+ - частной реакцией с иодидом калия KI. Далее обнаруживают анионы. Ими могут быть только анионы третьей группы, так как только они образуют с катионом Рb2+ растворимые в воде соли. Испытание на анионы первой группы. К 2—3 каплям нейтраль­ного или слабощелочного раствора добавляют 2 капли раствора хлорида бария. Если осадок выпадает, то присутствуют анионы первой группы. Испытание на анионы второй группы. 2 капли раствора подкис­ляют 2 каплями 2 н. раствора азотной кислоты и добавляют каплю раствора нитрата серебра. Выпадение осадка указывает на при­сутствие анионов второй группы. Испытание на анионы третьей группы. Если при испытании на анионы первой и второй групп осадки не выпали, то, возможно, присутствуют анионы третьей группы.