--PAGE_BREAK--1.2.1 Классификации катионов
Сероводородная классификация катионов
Аналитическая классификация находится в тесной связи с электронной структурой, а также с энергетической характеристикой ионов – ионными потенциалами, которые определяются как отношение заряда иона z к его радиусу r, т. е. z/r.
Катионы с низкими ионными потенциалами образуют сульфиды, которые не растворимы в сульфиде аммония и едких щелочах. Катионы с высокими ионными потенциалами образуют тиоангидриды – соединения, растворимые в сульфиде аммония и едких щелочах.
Кроме ионных потенциалов другими энергетическими характеристиками ионов, определяющих их поведение в растворах, является электростатическая характеристика z2/r (частное от деления квадрата заряда иона на его радиус) и сродство к электрону в водном растворе.
Классификация основана на различии растворимости хлоридов, сульфидов, гидроокисей и карбонатов различных элементов.Применяются следующие групповые реактивы: HCl, H2S, (NH4)2S, (NH4)2CO3, прибавляемых к анализируемой смеси в определённой последовательности.
К первой аналитической группе, не имеющей группового реагента, относят катионы лития Li+,, натрия Na+, калия К+, аммония NH4+ и магния Mg2+. Так как эта группа катионов не имеет группового реагента, то катионы открывают в растворе с использованием различных аналитических реакций на каждый катион. Реакции проводят в определенной последовательности.
Ко второй аналитической группе относят катионы кальция Са2+, стронция Sr+ и бария Ва2+, принадлежащие второй группе периодической системы элементов. Групповым реагентом является водный раствор карбоната аммония в аммиачном буфере (рН ≈ 9,2). Групповой реагент осаждает указанные катионы из водного раствора в виде осадков малорастворимых в воде карбонатов СаСОз, SrСОз, ВаСОз.
Катионы кальция, стронция и бария не осаждаются из водных растворов при действии сульфида аммония или сероводорода, так как их сульфиды растворимы в воде.
К третьей аналитической группе относятся катионы алюминия А13+, хрома Сr3+, марганца Мn2+, железа(II) Fе2+, желез(III) Fе3+, кобальта Со2+, никеля Ni2+ и цинка Zn2+.
Групповым реагентом является водный нейтральный или слабо щелочной (рН = 7—9) раствор сульфида аммония (в присутствии аммиака и хлорида аммония), который осаждает из водных растворов катионы алюминия и хрома в виде гидроксидов А1(ОН)з и Сr(ОН)з, а остальные катионы — в виде сульфидов МnS, FeS, Fe2S3, СоS, NiS, ZnS. В соответствии с этим катионы третьей аналитической группы, перечисленные в таблице, разделяют на две подгруппы. К первой подгруппе относят катионы алюминия А13+, хрома Сr3+, ко второй подгруппе — катионы марганца Мn2+, железа(II) Fе2+, желез(III) Fе3+, кобальта Со2+, никеля Ni2+ и цинка Zn2+.
Из кислыхводных растворов катионы третьей аналитической группы сероводородом не осаждаются.
К четвертой аналитической группе относятся катионы меди Сu2+, кадмия Сd2+, ртути(II) Нg2+, висмута(III) Вi3+, мышьяка Аs3+ и Аs5+, сурьмы Sb3+ и Sb5+, олова Sn2+ и Sn4+. Групповым реагентом является кислый (0,3 моль/л по НС1) водный раствор сероводорода Н2S при рН = 0,5, который осаждает из водных растворов катионы четвертой аналитической группы в виде малорастворимых в воде сульфидов.
Катионы четвертой аналитической группы разделяют на две подгруппы, исходя из растворимости сульфидов этих катионов в растворе сульфида натрия Nа2S или полисульфида аммония (NН4)2Sn.
К первой подгруппе относят катионы Сu2+, Сd2+, Нg2+, Вi3+. При действии группового реагента они осаждаются в виде сульфидов СиS, CdS, HgS, Вi2S3, нерастворимых в растворах сульфида натрия или полисульфида аммония.
Ко второй подгруппе относят катионы Sn2+, Sn4+, Аs3+, Аs5+, Sb3+, Sb5+. При действии группового реагента они осаждаются в виде сульфидов SnS, SnS2, Аs2Sз, Аs2S5, Sb2S3, Sb2S5, которые растворяются в водных растворах сульфида натрия (за исключением SnS) или полисульфида аммония с образованием тиосолей.
К пятой аналитической группе относят катионы серебра Ag+, ртути (I) Hg22+ и свинца Pb2+. Групповым реагентом является водный раствор соляной кислоты. При действии группового реагента катионы пятой группы осаждаются в виде осадков хлоридов (растворимость хлорида свинца увеличивается при нагревании).
Кислотно-основная классификация катионов
Данная классификация катионов по группам основана на использовании в качестве групповых реагентов водных растворов кислот и оснований — хлороводородной кислоты НС1, серной кислоты Н2SО4, гидроксидов натрия NаОН или калия КОН (в присутствии пероксида водорода Н2О2) и аммиака NН3. Эта классификация менее совершенна, чем сероводородная, и разработана менее детально, однако при ее использовании не требуется получение и применение токсичного сероводорода.
Катионы, открываемые в рамках кислотно-основной классификации, подразделяют на шесть аналитических групп.
К первой аналитической группеотносят катионы серебра, ртути(I) и свинца. Групповым реагентом на катионы первой аналитической группы является водный раствор хлороводородной кислоты (обычно с концентрацией 2 моль/л НС1). Групповой реагент осаждает из водных растворов катионы второй аналитической группы в виде осадков малорастворимых в воде хлоридов серебра АgС1, ртути(I) Нg2С12 и свинца РЬ2С12. Произведения растворимости этих трех хлоридов при комнатной температуре равны соответственно 1,78∙1010, 1,3∙10-18 и 1,6∙10-5. Как видно из этих данных, произведение растворимости хлорида свинца не очень мало, т. е. хлорид свинца заметно растворим в воде, особенно — при нагревании. Растворимость хлорида свинца в воде составляет (г/100 г воды): 0,99 при 25 °С и 2,62 при 80 °С. При действии группового реагента катионы свинца осаждаются из водного раствора неполностью — частично они остаются в растворе.
Ко второй аналитической группеотносят катионы кальция, стронция и бария. Групповым реагентом на катионы второй группы является водный раствор серной кислоты (обычно с концентрацией 1 моль/л Н2SО4). При действии группового реагента катионы второй аналитической группы осаждаются в виде малорастворимых в воде сульфатов кальция СаSО4, стронция SrSО4 и бария ВаSО4.Произведение растворимости сульфата кальция не слишком мало; при действии группового реагента катионы кальция неполностью осаждаются из водного раствора в форме осадка сульфата кальция — часть ионов Са2+ остается в растворе. Для более полного осаждения катионов кальция в форме сульфата кальция при действии группового реагента к анализируемому раствору прибавляют этанол, в присутствии которого растворимость сульфата кальция уменьшается.
Сульфаты кальция, стронция и бария практически нерастворимы в разбавленных кислотах, щелочах. Сульфат бария заметно растворяется в концентрированной серной кислоте с образованием кислой соли Ва(НSО4)2. Сульфат кальция растворим в водном растворе сульфата аммония (NH4)2SО4 с образованием комплекса (NH4)2[Ca(SO4)2], сульфаты стронция и бария — не растворяются.
Третья аналитическая группавключает катионы алюминия, хрома, цинка, мышьяка и олова. Групповым реагентом является водный раствор гидроксида натрия NaОН (или калия КОН) в присутствии пероксида водорода Н2О2 (обычно — избыток 2 моль/л раствора NаОН в присутствии Н202); иногда — без пероксида водорода. При действии группового реагента катионы третьей аналитической группы осаждаются из водного раствора в виде амфотерных гидроксидов, растворимых в избытке щелочи с образованием гидроксокомплексов.
В присутствии пероксида водорода катионы Cr3+, Аs3+ и Sn2+ окисляются соответственно до хроматинов СrО42-, арсенат-ионов АзО43- и гексагидроксостаннат(IV)-ионов [Sn(ОН)6]2-.
Осадки гидроксидов катионов третьей аналитической группы не растворяются в водном аммиаке, за исключением гидроксида цинка Zn(ОН)2, который растворяется в водном растворе аммиака с образованием аммиачного комплекса [Zn(NН3)4]2+.
К четвёртой аналитической группеотносятся катионы магния, марганца, железа, сурьмы, висмута(III). Групповым реагентом является водный раствор щелочи (обычно 2 моль/л раствор NaОН) или 25%-й водный раствор аммиака. При действии группового реагента катионы четвёртой аналитической группы осаждаются из водного раствора в виде гидроксидов. Гидроксиды катионов четвёртой аналитической группы не растворяются в избытке группового реагента, в отличие от катионов третьей аналитической группы.
На воздухе гидроксиды марганца(II) и железа(III) постепенно окисляются кислородом.
При действии группового реагента в присутствии пероксида водорода происходит окисление железа(II) до железа(III), марганца(II) — до марганца(IV), сурьмы(III) — до сурьмы(V).
К пятой аналитической группеотносятся катионы меди(II), кадмия, ртути(II), кобальта(II) и никеля(II). Групповым реагентом является 25%-й водный раствор аммиака. При действии группового реагента на водные растворы, содержащие катионы пятой аналитической группы, вначале выделяются осадки различного состава, которые затем растворяются в избытке группового реагента (осадки соединений кобальта и ртути растворяются в избытке водного аммиака только в присутствии катионов аммония NH4+).
Катионы Сu2+, Со2+ и Ni2+ осаждаются из растворов их хлоридов в виде основных хлоридов СuОНСl, СоОНСl NiOНСl, катионы кадмия — в форме гидроксида Сd(ОН)2. Осадки основных солей меди(II), никеля(II) и гидроксида кадмия растворяются в избытке группового реагента с образованием соответствующих аммиачных комплексов.
Осадки, выпавшие из растворов солей кобальта(II) и ртути(II) при действии группового реагента, растворяются в избытке аммиака в присутствии солей аммония с образованием аммиачных комплексов. Аммиачный комплекс кобальта(II) грязно-жёлтого цвета на воздухе окисляется до аммиачного комплекса кобальта(III) вишнёво-красного цвета.
К шестой аналитической группе относят катионы натрия, калия и аммония. Групповой реагент отсутствует.
1.2.2 Классификация анионов
Аналитические классификации анионов основаны на их окислительно-восстановительных свойствах, способности образовывать с катионами малорастворимые соединения, а также на реакциях взаимодействия некоторых с кислотами, сопровождающихся выделением газообразных продуктов. В отличие от катионов, единой общепринятой классификации анионов, учитывающей все эти свойства, не существует.
Классификация анионов, основанная на реакциях осаждения
Группа
Анионы
Групповой признак
Групповой реагент
I
SO42-, SO32-, S2O32-, CO32-, C2O42-, PO43-, SiO32-, Cr2O72-, CrO42-, F-, B2O72-, AsO33-, AsO43-
Соли бария и серебра не растворимы в воде, но растворимы в HCl и HNO3 (за исключением BaSO4)
BaCl2 в нейтральной или слабощелочной среде
II
S2-, Cl-, Br-, I-, SCN-, CN-, IO3-, BrO3-
Соли бария растворимы, а соли серебра не растворяются в воде и разбавленной HNO3 (кроме BrO3-)
AgNO3 в азотнокислой среде
III
NO3-, NO2-, CH3COO-, MnO4 —
Соли бария и серебра растворимы в воде
Отсутствует
Классификация анионов, основанная на их окислительно-восстановительных свойствах
Группа
Анионы
Групповой признак
Групповой реагент
I
NO2-, Cr2O72-, AsO43-, BrO3-
Окислители: выделение свободного йода
KI + H2SO4
NO3-, Cr2O72-, NO2-, MnO4-
Окислители: выделение MnCl62- бурого цвета
MnCl2 + HCl(к)
II
SO32-, S2-, S2O32-, NO2-, C2O42-, Cl-, Br-, I-, SCN-, CN-, AsO33-
Восстановители: обесцвечивание раствора перманганата калия с образованием Mn2+
KMnO4 + H2SO4
SO32-, S2-, S2O32-, AsO33-
Восстановители: восстановление I2 до I2-, исчезновение синей окраски иодкрахмального комплекса
I2 в KI, подкислён. H2SO4
III
SO42-, CO32-, PO43-, SiO32-, B2O72-, CH3COO-
Индифферентные
Отсутствует
Глава 2. Качественный анализ
2.1 Обнаружение катионов
Анализ смеси, состоящей из трёх неизвестных катионов, начали с проведения предварительных испытаний.
Изучили внешний вид исследуемой смеси. Она состояла из тёмно-зелёных, бесцветных и белых кристаллов. Тёмно-зелёные кристаллы указывают на возможное присутствие катионов хрома. Отсутствие розовых, синих и буро-жёлтых кристаллов говорит об отсутствии соответственно ионов Co2+, Cu2+ и Fe3+.
Измельчили смесь в фарфоровой ступке. Приготовили водную вытяжку: для этого часть исследуемой смеси растворили в воде при нагревании и тщательном перемешивании. При этом небольшое количество вещества осталось в осадке, что свидетельствует о наличии малорастворимого соединения. Также отсутствие в водной вытяжке студенистого осадка указывает на отсутствие в смеси легко гидролизующихся солей Sb3+ и Bi3+.
Провели дробный анализ. Проверили наличие ионов Cr3+: для этого к исследуемому раствору добавили 2М раствор NaOH и 3% Н2О2 и нагрели. Изменение зелёной окраски раствора (цвет аквакомплексов [Cr(H2O)6]3+) на жёлтую (цвет хромат-ионов CrO42-) говорит о присутствии в исследуемой смеси ионов Cr3+.
2[Cr(H2O)6]3+ + 3Н2О2 = 2CrO42- + 6SO42- + 14H+
Проверили наличие ионов Fe2+: к исследуемому раствору прилили раствор красной кровяной соли K3[Fe(CN)6]. Синий осадок не выпал, значит, отсутствуют ионы Fe2+.
Проверили наличие ионов Ni2+: к анализируемому раствору прилили NH4OH (без избытка), амиловый спирт и диметилглиоксим (реактив Чугаева). Отсутствие малиновой окраски в слое органического растворителя говорит об отсутствии ионов Ni2+.
Проверили содержание в исследуемом растворе ионов аммония NH4+: к раствору прилили избыток щёлочи для растворения выпавших гидроокисей тяжёлых металлов и добавили избыток реактива Несслера (смесь раствора тетраиодомеркурата(II) калия K2[HgI4] с 2н КОН). Образовался красно-бурый осадок иодида меркураммония:
NH4+ + 2[HgI4]2- + 2ОН- = [OHg2NH2]I↓ + 7I- + 3H2O
Cостав осадка описывается формулой:
Провели систематический анализ. К исследуемому раствору добавили этиловый спирт и 2н HCl. Отсутствие осадка свидетельствует об отсутствии катионов I аналитической группы.
К анализируемой водной вытяжке прилили этиловый спирт и 2н H2SO4. осадок не выпал, значит, отсутствуют катионы II аналитической группы.
К исследуемому раствору добавили перекись водорода и 6н NaOH до полного осаждения, затем избыток щёлочи и нагрели при тщательном перемешивании стеклянной палочкой. Прокипятили на водяной бане для удаления избытка перекиси водорода. При этом катионы III аналитической группы остались в растворе, а катионы IV – V группы должны были выпасть в осадок, но этого не произошло, значит, в исследуемом растворе нет катионов IV – V группы.
Находящиеся в полученном растворе ионы CrO42- мешают открытию остальных катионов III аналитической группы, потому для открытия ионов Al3+ провели удаление этих ионов: к раствору добавили сухую соль NH4Cl и прокипятили до полного удаления аммиака (проба со влажной лакмусовой бумажкой). При этом в осадок выпали гидроксиды возможно содержащихся в растворе Al3+ и Sn2+, а в растворе остались ионы CrO42- и, возможно, ионы ZnO22-. Осадок отделили центрифугированием, промыли дистиллированной водой, растворили в 2н HCl и проверили наличие в этом растворе ионов Al3+: к раствору прилили 2н NH4OH до рН = 10-11 и ализарин (1,2 – диоксиантрахинон). Выпал красный осадок «алюминиевого лака», значит, в исследуемом растворе содержались ионы Al3+.
продолжение
--PAGE_BREAK--