Вивчення реакцій катіонів першої аналітичної групи

Лабораторна робота № 6.

Мета роботи: вивчити реакції катіонів першої аналітичної групи.

Матеріали і обладнання: неорганічні солі різної природи, розчини індикаторів: фенолфталеїну, метилоранжу, лакмусу.

Методи якісного аналізу

У хімічних методах якісного аналізу використовують якісні аналітичні реакції. За допомогою таких реакцій потрібний хімічний елемент чи функціональну групу перетворюють у сполуку, яка має ряд характерних властивостей: колір, запах, агрегатний стан.

Речовина, яка використовується для проведення якісної аналітичної реакції, зветься реагентом або реактивом.

Хімічні методи характеризуються високою селективністю, простотою виконання, надійністю, але чутливість їх не дуже висока: 10^-5– 10^-6 моль/л. У тих випадках, коли потрібна більш висока чутливість, використовують фізико-хімічні або фізичні методи аналізу.

Фізичні методи основані на вимірюванні певного фізичного параметра системи, який залежить від вмісту компонента. Наприклад, у спектральному якісному аналізі використовують спектри випромінювання, бо кожний хімічний елемент має характерний для нього спектр випромінювання. За спектром випромінювання інертний хімічний елемент гелій був відкритий спочатку на сонці, а потім знайдений на землі. У люмінесцентному якісному аналізі використовують спектри люмінесцентного випромінювання, які характерні для індивідуальної речовини.

У фізико-хімічних методах аналізу спочатку виконують відповідну хімічну реакцію, а потім вимірюють який-небудь фізичний метод для дослідження одержаного продукту реакції.

Фізичні та фізико-хімічні методи аналізу досить часто дозволяють проводити і якісний аналіз, і кількісний аналіз. Використання цих методів часто потребує застосування дорогої апаратури. Тому в якісному аналізі фізичні та фізико-хімічні методи аналізу використовують не так часто, як хімічні методи.

При виконанні хімічного якісного аналізу потрібна певна кількість речовини. В залежності від взятої для аналізу кількості речовини методи аналізу діляться на макрометоди, напівмікрометоди, мікрометоди та ультрамікрометоди аналізу.

При макроаналізі використовують 0,5 – 1,0г речовини або 20 – 50мл розчину. Аналіз виконують у звичайних пробірках, хімічних стаканах, колбах, осади відділяють фільтруванням через фільтри, наприклад паперові.

При мікроаналізі використовують, як правило, від 0,01 до 0,001г речовини або від 0,05 до 0,5мл розчину, реакції виконують крапельним або мікрокрис-талоскопічним методом.

Напівмікроаналіз займає проміжне становище між макрометодами та мікрометодами. Для аналізу звичайно використовують від 0,01 до 0,1г сухої речовини або 0,5 – 5,0мл розчину. Аналітичні реакції звичайно проводять у конусних пробірках, дозування розчину проводиться за допомогою крапельниці. Розділення твердої та рідкої фази проводять за допомогою центрифуги.

СПОСОБИ ВИКОНАННЯ АНАЛІТИЧНИХ РЕАКЦІЙ

Аналітичні реакції виконують «сухим» та «мокрим» способом. У першому випадку пробу, яку аналізують, і аналітичний реагент беруть у твердому стані і, як правило, нагрівають до високої температури. До таких реакцій відносяться:

1. Реакція забарвлення полум’я. Летючі солі деяких металів на платиновій дротині вносять у ту частину полум’я пальника, яка не світиться, і спостерігають забарвлення полум’я в характерний колір.

2. Реакція утворення “перлів” бури Na₂B₄O₇ або гідрофосфату амонію натрію NaNH₄HPO₄. Невелику кількість однієї з цих солей сплавляють у вушку платинової дротини до утворення склоподібної маси, яка дещо нагадує перлину. Потім на неї наносять декілька крупинок речовини, яку аналізують, і знову вносять в полум’я пальника. За зміною забарвлення “перлини” роблять висновок про наявність відповідних хімічних елементів.

3. Реакції сплавлення з сухими речовинами: (Na₂CO₃; KClO₃; KNO₃ тощо) з одержанням специфічно забарвлених продуктів.

Реакції, які виконані «сухим» способом носять допоміжний характер, використовуються для попередніх випробувань. Реакції, виконані "мокрим" способом (у розчині), є основними в якісному аналізі.

Реакції, які виконуються “мокрим” способом повинні супроводжуватися “зовнішнім” ефектом: зміною забарвлення розчину, утворенням або розчинен-ням осаду, виділенням газу тощо.

ЧУТЛИВІСТЬ І СПЕЦИФІЧНІСТЬ АНАЛІТИЧНИХ РЕАКЦІЙ

В якісному аналізі хімічні реакції характеризують такими параметрами:

а) специфічність, селективність.

б) чутливість.

Специфічною є така реакція, за допомогою якої можна визначити наявність певного іона у присутності інших іонів. Прикладом специфічної реакції є відкриття іонів NH₄^- дією розчину сильного лугу при нагріванні:

NH₄ +OH^- = NH₃↑ +H₂O

Якщо в аналізованій пробі є іони амонію, то при нагріванні виділяється газоподібний аміак, який легко можна визначити по запаху або за зміною кольору червоного лакмусового папірця. Ця реакція специфічна, їй не заважають ніякі інші іони.

Специфічних реакцій в якісному аналізі відомо небагато, тому використовуються реакції, які можна проводити лише тоді, коли в аналізованому розчині відсутні ті іони, які заважають проведенню потрібної реакції.

Селективною називають реакцію, для проведення якої потрібно спочатку видалити з розчину певні іони, які заважають проведенню потрібної якісної реакції.

Наприклад якісна реакція на іони К⁺ це взаємодія з розчином кислого виннокислого натрію:

KCl + NaHC₄H₄O₆ = KHC₄H₄O₆ ↓ + NaCl

Якщо в аналізованій пробі є іони калію, то утворюється білий осад кисло-го виннокислого калію. Але точно такий ефект дають іони: NH₄⁺

NH₄Cl + NaHC₄H₄O₆ = NH₄HC₄H₄O₆ ↓ + NaCl

Отже іони амонію заважають визначенню іонів калію. Тому перед визначенням іонів калію потрібно видалити іони амонію. Ефективне виконання селективних реакцій можливе, якщо із розчину видалити іони, які заважають визначенню даного іону або речовини. Найчастіше для цього використовують розділення системи (на осад та розчин) так, щоб іон, який визначається, та іон, який заважає цьому, знаходилися у різних частинах системи.

Чутливість реакції має велике значення при виконанні аналітичних досліджень. Адже чим меншу кількість речовини можна виявити певною реакцією, тим вона чутливіша. Тому при виборі реакцій для виявлення різних іонів треба знати кількісну характеристику чутливості реакцій. Кількісними характеристиками чутливості реакції є відкриваний мінімум (мінімум, що відкривається), межа визначення і граничне розведення.

Найменша кількість речовини або іонів, яку можна виявити за допомогою тієї або іншої реакції в певних умовах, називається відкриваним мінімумом (мінімум, що відкривається). Ця величина дуже мала, її виражають у мікрограмах, тобто в мільйонних частинах грама, і позначають грецькою літерою γ (гамма); 1γ = 0,000001г = 10^-6г

Слід пам'ятати, що чутливість реакції не можна характеризувати лише абсолютною кількістю речовини. Важливе значення має і концентрація іонів або речовини у розчині. Найменша концентрація іонів або речовини, при якій можна їх виявити за даною реакцією, називається граничною концентрацією. В аналітичній практиці використовують величину, обернену граничній концентрації, яка називається "граничне розведення". Кількісно граничне розведення (h) виражається співвідношенням:

h = 1/ V(р-ну)

де V(р–ну) – об’єм максимально розведеного розчину (у мл), що містить 1г речовини або іонів, які треба відкрити. Наприклад, для реакції на іони заліза за допомогою роданіду калію граничне розведення 1:10000. Це значить, що при розведенні розчину, який містить 1г іонів заліза, до об’єму 10000мл (10л) виявлення іонів Fe³⁺ за допомогою даної реакції ще можливе.

Чутливість реакцій значною мірою залежить від умов їх проведення (рН розчину, нагрівання чи охолодження додавання неводних розчинників тощо). На чутливість реакцій впливають також сторонні іони, які в більшості випадків присутні в розчині, який аналізують.

Проведення якісного аналізу досліджуваної проби можливе двома методами, які мають такі назви:

а) дробний аналіз;

б) систематичний аналіз.

Дробний аналіз використовують для виявлення потрібних іонів у присутності інших іонів. Так як специфічних реакцій, які дозволяють виявити певний іон у присутності будь-яких інших іонів, відомо небагато, то у дробному аналізі багато якісних реакцій проводять після попередньої обробки аналізованої проби реагентами, що осаджують або маскують іони, які заважають проведенню визначенню. Значний внесок у теорію і практику дробного аналізу вніс Н. А. Тананаєв. Аналітичні реакції у дробному аналізі називають дробними реакціями.

При виборі і проведенні дробних реакцій необхідно:

– підібрати найбільш специфічну реакцію виявлення аналізованого іона;

– з'ясувати за літературним даним або експериментально, які катіони, аніони або інші сполуки заважають проведенню вибраної реакції;

– установити присутність в аналізованій пробі іонів, що заважають проведенню вибраної реакції;

– підібрати, керуючись даними з довідників, реагент, який видаляє або маскує такі іони і не вступає в реакцію з аналізованими іонами.

Систематичним аналізом називають аналіз досліджуваної суміші іонів шляхом розділення їх на декілька аналітичних груп. Іони певної аналітичної групи виділяють з розчину дією групового реагенту. Груповий реагент повинен кількісно осаджувати іони відповідної аналітичної групи, а надлишок групового реагенту не повинен заважати визначенню іонів, які залишилися в розчині. Одержаний осад повинен бути розчинним у кислотах або інших реагентах, щоб можна було визначити іони, що були в осаді.

КАТІОНИ ПЕРШОЇ АНАЛІТИЧНОЇ ГРУПИ

K⁺, Na⁺, NH₄⁺

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

До І аналітичної групи катіонів відносять катіони лужних металів K⁺, Na⁺, а також комплексний катіон NH₄⁺. Ці катіони мають малу поляризаційну здат-ність, тому що в них великі іонні радіуси. Іонні радіуси К⁺ та NH₄⁺ близькі, тому ці іони мають майже однакові аналітичні властивості. Більшість сполук катіонів І аналітичної групи розчиняються у воді. Тому І аналітична група катіонів не має групового реагенту.

У розчині гідратовані іони K⁺, Na⁺ та NH₄⁺ безбарвні. Забарвлення деяких сполук натрію, калію чи амонію обумовлене забарвленням аніону, наприклад: Na₂CrO₄ має жовтий колір, а KMnO₄ – червоно-фіолетовий.

Реакції іонів калію K+

1. Дія суміші винної кислоти з ацетатом натрію. Іони калію утворюють білий кристалічний осад гідротартрату калію:

KCl + H₂C₄H₄O₆ + CH₃COONa = КHC₄H₄O₆↓ + NaCl + CH₃COOH

К⁺ + H₂C₄H₄O₆ + CH₃COO^- = КHC₄H₄O₆↓ + CH₃COOH

1-а. Дія кислої солі винної кислоти (гідротартрату натрію) NaHC₄H₄O₆:

KCl + NaHC₄H₄O₆^- = КHC₄H₄O₆↓ + NaCl

К⁺ + HC₄H₄O₆^- = КHC₄H₄O₆↓

Осад КHC₄H₄O₆ розчинний у мінеральних кислотах та лугах:

КHC₄H₄O₆ + Н⁺ = К⁺ + H₂C₄H₄O₆

КНC₄H₄O₆ + ОН^- = К⁺ + C₄H₄O₆²+ Н₂О

Реакцію виявлення іонів калію виконують у нейтральному середовищі. Розчинність осаду КHC₄H₄O₆ збільшується з підвищенням температури. Тому для утворенню цього осаду треба охолодити розчин холодною водою.

3. Дія гексанітрокобальтату (ІІІ) натрію Na₃[Co(NO₂)₆]. Іони калію з цим реагентом утворюють жовтий кристалічний осад гексанітрокобальтату (ІІІ) калію натрію:

2KCl + Na₃[Co(NO₂)₆] = K₂Na [Co(NO₂)₆]↓ + 2NaCl

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

Осад розчинний у мінеральних кислотах з утворенням нестійкої кислоти Н₃[Co(NO₂)₆] при рН<4.

K₂Na[Co(NO₂)₆] + 3H⁺ = 2K⁺ + Na⁺ + H₃[Co(NO₂)₆]

Луги розкладають реагент з утворенням бурого осаду Co(OH)₃:

K₂Na[Co(NO₂)₆] + 3KOH = Co(OH)₃↓ + 5KNO₂ + NaNO₂

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

Іони амонію заважають знаходженню іонів калію, тому що реагують аналогічно іонам калію.

3. Реакція забарвлення полум’я (реакція фармакопейна). Солі калію забарв-люють безбарвне полум’я пальника у фіолетовий колір. При наявності у розчині іонів натрію, які забарвлюють полум’я у жовтий колір і маскують фіолетове за-барвлення іонів калію, спостереження полум’я слід вести через кобальтове синє скло. Жовте випромінювання натрію поглинає синє скло. Через синє скло ви-промінювання калію буде спостерігатись як пурпурно-червоне.

Реакції іонів натрію Na+

1. Дія гексагідроксостибіату калію K[Sb(OH)₆]. Концентровані розчини солей натрію при взаємодії з цим реагентом утворюють білий кристалічний осад:

NaCl + K[Sb(OH)₆] = Na[Sb(OH)₆]↓ + KCl

Na⁺ + [Sb(OH)₆] = Na[Sb(OH)₆]↓

Na[Sb(OH)₆] — дрібний кристалічний осад, швидко осідає на дно пробірки, час-тково пристає до стінок. Осад добре видно, коли нахилити пробірку або вилити з неї розчин. Якщо осад відразу не випадає (пересичений розчин), треба потерти стінки пробірки скляною паличкою й охолодити розчин.

Особливості умов виконання реакції.

1. У досліджуваному розчині повинна бути нейтральна або слабко-лужна реакція. У кислому середовищі реагент K[Sb(OH)₆] розкладається, в результаті чого утворюється білий аморфний осад метасурм'яної кислоти НSbO₃:

K[Sb(OH)₆] + HCl = KCl + H[Sb(OH)₆]↓ = HSbO₃↓·+ 3H₂O

Цей осад приймають за осад Na[Sb(OH)₆] і роблять помилковий висновок про наявність у розчині іонів натрію. Тому кислі розчини спочатку нейтралізують лугом КОН.

2. Сіль Na[Sb(OH)₆] помітно розчиняється у воді і здатна утворювати пе-ресичені розчини, тому з розбавлених розчинів осад не випадає або випадає че-рез тривалий час. Концентрація солі натрію в розчині повинна бути досить висо-кою, розбавлені розчини спочатку концентрують випарюванням.

3. Реакцію треба проводити на холоді, бо розчинність Na[Sb(OH)₆] зростає з підвищенням температури.

4. Солі амонію заважають реакції. Внаслідок гідролізу водні розчини со-лей амонію мають кислу реакцію, тому реактив K[Sb(OH)₆] у присутності амо-нійних солей розкладається, як у випадку дії кислот. Іони Mg²⁺ також заважають виявленню іонів Nа⁺, бо вони з K[Sb(OH)₆] утворюють кристалічний осад, який легко можна прийняти за кристалічний осад Na[Sb(OH)₆].

Отже, при виявленні іонів Na⁺ за допомогою K[Sb(OH)₆] слід виконувати такі умови:

– у досліджуваному розчині не повинно бути іонів NH₄⁺ і Mg²⁺;

– розчин повинен бути нейтральним або єлабко-лужним і досить конце-нтрованим;

– реакцію треба проводити у холодному розчині.

2.Дія цинк-ураніл-ацетату Zn(UO₂)₃(CH₃COO)₈. Іони натрію з цим реагентом у нейтральних або оцтовокислих розчинах утворюють блідо-жовтий осад цинк-ураніл-ацетату натрію:

NaCl + Zn(UO₂)₃(CH₃COO)₈ + CH₃COOH + 9H₂O = NaZn(UO₂)₃(CH₃COO)₉·9H₂O↓ + HCl

Na⁺ +Zn²⁺ +3UO₂²⁺ +8CH₃COO +CH₃COOH +9H₂O = NaZn(UO₂)₃(CH₃COO)₉·9H₂O↓+ H⁺

Під мікроскопом кристали NaZn(UO₂)₃(CH₃COO)₉·9H₂O мають вигляд правиль-них октаедрів або тетраедрів. Знаходженню іонів Na⁺ в цьому випадку не зава-жають іони K⁺ та NH₄⁺.

Реакція забарвлення полум’я. Солі натрію забарвлюють полум’я пальника в жовтий колір.

Реакції іонів амонію NH4+

1. Дія лугу. Іони амонію реагують з розчинами лугів (KOH, NaOH). При нагрі-ванні виділяється газоподібний аміак:

1. NH₄⁺ + OH^- = NH₃↑ + H₂O

Це реакція специфічна, досить чутлива. Інші катіони не заважають знаходженню іонів амонію.

Газоподібний аміак може бути виявлений декількома способами:

– по запаху;

– за посинінням червоного лакмусового папірця, змоченого дистильова-ною водою;

– відповідними хімічними реакціями

Дата добавления: 2017-01-14