Занятие 6. Анализ катионов пятой аналитической группы

IV аналитической группы

Систематический ход анализа смеси катионов

Вопросы для самоконтроля:

1 Какими реакциями обнаруживают А1³⁺, Сr³⁺, Zn²⁺, Sn²⁺, Sn⁴⁺, As³⁺, As⁵⁺?

2 Почему при действии аммония сульфида на растворы солей алюминия и хрома (III) образуются осадки А1(ОН)₃ и Сr(ОН)₃?

3 Предложите схему систематического анализа смеси катионов: А1³⁺, Сr³⁺, Zn²⁺, Sn²⁺.

(Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Bi³⁺, Mg²⁺)

Материалы и оборудование: методические указания; таблица растворимости; химическая посуда: стаканы, пипетки, спиртовки, пробирки, водяные бани, электроплитки; реактивы, необходимые для проведения лабораторной ра­боты.

Цель: Ознакомить студентов с характерными и специфически­ми реакциями катионов V аналитической группы. Подгото­вить студентов к самостоятельному выполнению систематического анализа смеси катионов пятой аналитической группы.

Задачи: Приобретение студентами умений и навыков по вы­полнению характерных и специфических реакций на катионы V анали­тической группы, а также по проведению систематического анализа катионов данной группы.

К пятой аналитической группе катионов относятся катионы Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Bi³⁺, Mg²⁺.

Действие общих групповых реагентов

Едкие щелочи и раствор аммиака осаждают из растворов со­лей железа, марганца, магния и висмута соответствующие им гидроксиды:

FeСl₂ + 2 КОН ® Fe(OH)₂¯ + 2 КС1

Fe² + 2 OH^- ® Fe(OH)₂

FeCl₂ + 2 NH₄OH ® Fe(OH)₂ ¯ +2 NH₄C1

Fe²⁺ + 2 NH₄OH ® Fe(OH)₂ ¯ +2 NH₄⁺

Гидроокись железа (II) зеленоватого цвета, на воздухе очень быстро окисляется до железа (III) гидроксида, вследствие чего его окраска постепенно переходит в бурую:

4 Fe(OH)₂ + O₂ + 2 Н₂O ® 4 Fe(OH)₃

FeCL₃ + 3 КОН ® Fe(OH)₃ ¯ + 3 КС1

Fe³⁺ + 3 ОН^- ® Fe(OH)₃ ¯

Железа гидроксид (III) темно-бурого цвета, на воздухе и при нагревании в водной среде устойчив.

MnCl₂ + 2 КОН ® Мn(ОН)₂ ¯ + 2 КС1

Mn²⁺ + 2 ОН^- ® Мn(ОН)₂ ¯

MnCl₂ + 2 NH₄OH ® Мn(ОН)₂ ¯ + 2 NH₄C1

Mn²⁺ + 2 NH₄OH ® Мn(ОН)₂ ¯ + 2 NH₄⁺

Марганца (II) гидроксид белого цвета, на воздухе окисляется до марганца (III) гидроксида Мn(ОН)₃:

4 Мn(ОН)₂ + O₂ + 2 Н₂O ® 4 Мn(ОН)₃

При действии на марганца (II) гидроксид водорода пероксидом и другими окислителями образуется марганца (IV) гидроксид темно-бурого цвета:

Мn(ОН)₂ + Н₂O₂ ® MnO(OH)₂ + H₂O

Висмута (III) гидроксид белого цвета, на воздухе и при наг­ревании в водной среде не изменяется:

BiCl₃ + 3 КОН ® В1(ОН)₃ ¯ + 3 КС1

Bi³⁺ + 3 OH^- ® В1(ОН)₃ ¯

BiCl₃ + 3 NH₄OH ® В1(ОН)₃ ¯ + 3 NH₄C1

Bi³⁺ + 3 NH₄OH ® В1(ОН)₃ ¯ + 3 NH₄⁺

Магния гидроксид белого цвета на воздухе и при нагревании в водной среде не изменяется. Его особенностью является способность растворяться в солях аммония, вследствие чего Mg(OH)₂ не может быть осажден полностью водным раствором аммиака:

MgCl₂ + 2 KOH ® Mg(OH)₂ ¯ + 2 КС1

Mg²⁺ + 2 OH^- ® Mg(OH)₂ ¯

Mg(OH)₂ + 2 NH₄C1 ® MgCl₂ + 2 NH₄OH

Mg(OH)₂ + 2 NH₄⁺ ® Mg²⁺ + 2 NH₄OH

Выполнение опыта: в пробирки с растворами солей железа (II), железа (III), марганца (II), висмута (III) и магния добавляют раствор щелочи. Отмечают цвет выпавших осадков и изучают их растворимость в минеральных кислотах и аммония хлориде. К осадку Мn(ОН)₂ добавляют водорода пероксид. Что наблюдается?

Реакции обнаружения катионов железа (III)

1. Аммония роданид NH₄CNS или калия KCNS с катионами Fе³⁺ образует железа (III) роданид, обладающий интенсивной крова­во-красной окраской:

FeCI₃ + 3 NH₄CNS ↔ Fe(CNS)₃ + 3 NH₄C1

Fe³⁺ + 3 CNS^- ↔ Fe(CNS)₃

Этой реакцией Fe³⁺ может быть обнаружен в присутствии любых катионов.

2. Калия гексацианоферрат (II) K₄[Fe(CN)₆] (желтая кровяная соль) образует с катионами трехвалентного железа темно-синий оса­док берлинской лазури:

4 FeCI₃ + 3K₄[Fe(CN)₆] ® Fе₄[Fе(СN)₆]₃ ¯ + 12 КС1

4Fe³⁺ + 3 [Fe(CN)₆]^4- ® Fе₄[Fе(СN)₆]₃ ¯

Реакции обнаружения катионов железа (II)

1. Калия гексацианоферрат железа (III) K₃[Fe(CN)₆] (красная кровяная соль) образует с катионами Fe²⁺ осадок турнбулевой сини:

3 FeCl₂ + 2 K₃[Fe(CN)₆] ® Fe₃[Fe(CN)₆]₂ ¯ + 6 КС1

3Fe²⁺ + 2 [Fe(CN)₆]^3- ® Fe₃[Fe(CN)₆]₂ ¯

Обнаружению катионов Fe²⁺ и Fe³⁺ двумя последними реакциями мешают Mn²⁺, Bi³⁺, Hg²⁺, Cu²⁺, Co²⁺, Ni²⁺. Предельная открываемая концентрация катионов железа этими реактивами равна 30 мг/л.

Реакции обнаружения катионов марганца (Мn²⁺)

Наиболее характерной реакцией на Мn²⁺, дающей возможность обнаруживать его следы даже в присутствии смеси катионов всех аналитических групп, является реакция окисления до перманганат-иона МnO₄^-, обладающего интенсивной малиновой окраской. Для этого применяются различные окислители (PbO₂, NаВiO₃, (NH₄)₂S₂O₈ и другие), окислительный потенциал которых выше 1,52 В.

Окисление Мn²⁺ натрия висмутатом протекает по уравнению:

2MnSO₄+5NaBiO₃+16HNO₃ ®2НМnO₄+5Вi(NО₃)₃+NaNO₃+ 2Na₂SO₄ + 7H₂O

Mn²⁺ + 4 H₂O - 5 e ® MnO₄^- + 8 H⁺ 2

2 ВiO₃ + 6 Н⁺ + 2 е ® Bi³⁺ + 3 H₂O 5

2 Mn²⁺ + 5 ВiO₃^- + 16 Н⁺ ® 2 МnO₄^- + 5 Bi³⁺ + 7 H₂O + 2 Н⁺

Выполнение опыта: в пробирку кладут небольшое количество (взятое на кончике шпателя) порошка NaBiO₃, приливают 5-6 мл 2 н HNO₃ и 1-2 капли исследуемого раствора. При наличии в растворе катионов Mn²⁺ жид­кость окрашивается в малиновый цвет.

Реакции обнаружения катионов висмута ( Bi³⁺)

1. Реакция Bi³⁺ с калия иодидом:

Вi(NО₃)₃ + 3 KI ® ВiI₃¯ + 3 KNO₃

Bi³⁺ + 3 I^- ® ВiI₃¯

ВiI₃ + KI ® K[BiI₄] или ВiI₃ + I^- ® [BiI₄]^-

При взаимодействии солей висмута (III) с небольшим количест­вом раствора KI выпадает черный осадок, растворяющийся в избытке реагента. Образующаяся комплексная соль окрашивает раствор в красновато-желтый цвет. Предельная открываемая концентрация Bi³⁺ этой реакцией равна 50 мг/л. Обнаружению висмута (III) мешают ка­тионы Fe³⁺, Ag⁺, Рb²⁺, Сu²⁺ и др.

2. Восстановление катионов Bi³⁺ до металлического висмута.

Выполнение опыта: к свежеприготовленному раствору SnCl₂ приливают КОН или NaOH до растворения образующегося вначале осадка Sn(ОН)₂. Затем к по­лученному раствору K₂[Sn(OH)₄] приливают исследуемый раствор. Об­разование черного осадка (металлический висмут) указывает на на­личие в растворе Bi³⁺:

Вi(ОН)₃ + Nа₂[Sn(OH)₄] ® Bi ¯ + Nа₂[Sn(OH)₆]

Вi(ОН)₃ + 3е ® Bi + 3 ОН^- 2

[Sn(OH)₄]^2- + 2 ОН^- - 2е ® [Sn(OH)₆]^2- 3

2 Вi(ОН)₃ + 3 [Sn(OH)₄]^2- ® 2 Bi + 3 [Sn(OH)₆]^2-

Обнаружению мешают катионы железа (III) при их высокой кон­центрации в растворе.

3. Гидролиз солей висмута протекает сравнительно легко и сопровождается образованием белого осадка висмутила:

ВiС1₃ + Н₂О↔ BiOCI¯ + 2 HC1

Выполнение опыта: исследуемый раствор в 3-4 раза разбавляется водой. При обра­зовании белого осадка можно сделать вывод о наличии Bi³⁺. Пре­дельная открываемая концентрация висмута реакцией гидролиза его солей зависит от кислотности среды. В нейтральной среде она сос­тавляет 100-150 мг/л. Мешают катионы Sn²⁺ Fe³⁺.

Реакции обнаружения катионов магния (Mg²⁺)

1. Образование магния-аммония-фосфата Mg NH₄PO₄. К раствору соли магния приливают NH₄OH до прекращения обра­зования осадка магния гидроксида:

MgCl₂ + 2 NH₄OH ® Mg(OH)₂ ¯ + 2 NH₄C1

Mg²⁺ + 2 NH₄OH ® Mg(OH)₂ ¯ + 2 NH₄

Затем сюда же приливают раствор NH₄C1 до полного растворения полученного магния гидроксида:

Mg(OH)₂ + 2 NH₄C1 ® MgCl₂ + 2 NH₄OH

Mg(OH)₂ + 2 NH₄⁺ ® Mg²⁺ + 2 NH₄OH

К полученному аммонийному раствору магниевой соли по каплям приливают разбавленный раствор Na₂HPO₄. При этом из раствора вы­падают мелкие белые кристаллы MgNH₄PO₄:

MgCl₂ + Na₂HPO₄ + NH₄OH ® MgNH₄PO₄ ¯ + 2 NaCI + Н₂O

Mg²⁺ + НРO₄^2- + NH₄OH ® MgNH₄PO₄ ¯ + Н₂O

Предельная отбываемая концентрация катионов этой реакцией равна 1,2 мг/л.

2. Образование магния гидроксокарбоната (МgОН)₂СО₃. Магния гидроксокарбонат выпадает из раствора в виде белого аморфного осадка:

2MgCl₂ + 2 (NH₄)₂CO₃ + Н₂O ® (МgОН)₂СО₃¯ + CO₂ + 4NH₄C1

2Mg²⁺ + 2 СО₃^2- + Н₂O ® (МgОН)₂СО₃¯ + CO₂

Приведенные реакции на катионы магния не явля­ются специфическими и позволяют обнаруживать данный катион только после его выделения из смеси других катионов.

Вопросы для самоконтроля:

1 Как отделить a) Mg²⁺ от Мn²⁺, б)Fе³⁺ от Bi³?

2 Как обнаружить a) Mg²⁺ в присутствии Fе³⁺, б) Мn²⁺ в при­сутствии Fe²⁺?

3 Предложите схему систематического анализа смеси катионов: Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺.

4 Рассчитайте константу и степень гидролиза в 0,01 М раст­воре железа (II) хлорида; К(II)Fе(ОН)₂ = 1,3·10^-4.

Систематический ход анализа смеси катионов

V аналитической группы

Анализируемый раствор Fe^2+, Fe^3+,Mn^2+,Bi^3+,Mg^2+
Из отдельной порции открывают Fe^2+ раствором К3[Fe(CN)6] в присутствии HCl	Обрабатывают раствором NaOH и Н2О2, центрифугируют, центрифугат отбрасывают

Осадок 1: Fe(OH)3, Bi(OH)3, Mg(OH)2, MnO(OH)2 подвергают последовательной обработке
1) растворяют Mg(OH)2 раствором NH4Cl, центрифугируют	2) растворяют Fe(OH)3 и Bi(OH)3 в HNO3, центрифугируют	3) растворяют MnO(OH)2 в HCl

Дата добавления: 2015-06-30