I и II аналитических групп

Систематический ход анализа смеси катионов

Систематический ход анализа смеси катионов II группы

Вопросы для самоконтроля:

1 Какие специфические ре­акции используют для обнаружения катионов Ag⁺, Pb²⁺, Hg₂²⁺?

2 Какой метод лежит в основе систематического анализа смеси катионов второй аналитической группы?

3 Как используется в аналитической химии комплексообразование катионов d-элементов с аммиаком?

4 Как можно обнаружить при совместном присутствии катионы I, II аналитических групп?

Занятие 3. Анализ катионов III аналитической группы

(Ca²⁺, Sr²⁺, Ва²⁺)

Материалы и оборудование: методические указания для студентов; учебные таблицы: периодическая система химических элементов Д.И. Менде­леева, таблица растворимости; химическая посуда: стаканы, пипетки, спиртовки, пробирки, водяные бани, электроплитки; реактивы, необходимые для проведения лабораторной ра­боты.

Цель: Ознакомить студентов с характерными реакциями кати­онов III аналитической группы, с проведением системати­ческого анализа смеси катионов III группы, с правилами работы в химической лаборатории и техникой безопасности.

Задачи:

1. Приобретение студентами умений и навыков по вы­полнению характерных аналитических реакций на катионы III анали­тической группы.

2. Систематический анализ смеси катионов III аналитической группы.

К третьей аналитической группе катионов относятся катионы кальция, стронция и бария.

Общая характеристика группы. Гидроксиды бария, кальция, стронция являются сильными осно­ваниями, и растворимые соли их, образованные сильными кислотами, гидролизу не подвергаются. Хорошо растворимыми солями этих катионов являются хлориды, нитраты, ацетаты. Карбонаты, сульфаты, хроматы, оксалаты и фосфаты - трудно растворимые.

Групповым реактивом на катионы III группы является разбав­ленная серная кислота.

Действие группового реактива – Н₂SO₄

Разбавленная серная кислота с катионами кальция, бария, стронция образует белые кристаллические осадки сульфатов. Эти осадки практически нерастворимы в воде, в щелочах и кислотах. Но растворимость их в воде очень различна. Так, К_S (BaSO₄) = 1·10^-10; K_S (CaSO₄) = 2,5·10^-5; K_S (SrSO₄) = 2,8·10^-7.

Из этого следует, что при действии серной кислоты на разбав­ленные растворы солей бария, стронция, кальция, бария сульфат вы­падает мгновенно, стронция сульфат постепенно, сульфат же кальция практически не образуется, так как произведение концентраций ио­нов кальция и сульфат-ионов не достигает величины константы раст­воримости кальция сульфата (для понижения растворимости CaSО₄ не­обходимо добавить ацетон или спирт).

Для проведения опыта берут три пробирки; в одну из них до­бавляют соль бария, в другую - соль кальция, в третью - соль стронция. В каждую пробирку добавляют серную кислоту:

BaCl₂ + H₂SO₄ = BaSO₄¯ + 2НС1

SrCl₂ + H₂SO₄ =SrSO₄¯ + 2НС1

CaCl₂ + H₂SO₄ = CaSO₄¯ + 2HC1

Осадок кальция сульфата выпадает только в присутствии спирта или ацетона.

В отличие от BaSO₄ и SrSO₄ растворимость кальция сульфата в значительной степени повышается в присутствии аммония сульфата. При этом образуется очень неустойчивая комплексная соль состава (NH₄)₂[Ca(SO₄)₂]:

CaSO₄ + (NH₄)₂SO₄ = (NH₄)₂[Ca(SO₄)₂]

Отсюда следует, что если осаждение смеси катионов Ca²⁺, Sr²⁺, Ва²⁺ производить не серной кислотой, а избытком раствора (NH₄)₂SO₄, то осаждение ионов кальция не происходит.

Так как сульфаты бария, стронция не растворяются ни в кисло­тах, ни в щелочах, а между тем открытие (обнаружение) их ионов нужно проводить из раствора, необходимо уметь переводить сульфаты бария, стронция в такие состояния, которые могут быть в дальней­шем растворимы в кислоте. Этого можно достигнуть, переводя суль­фаты в карбонаты.

Перевод сульфатов в карбонаты проводят следующим образом: к осадку, например, бария сульфата прибавляют насыщенный раствор натрия карбоната и кипятят, затем центрифугируют и центрифугат отбрасывают. Такую обработку проводят 5-8 раз. После этого осадок раство­ряют в уксусной кислоте. Если осадок растворяется почти пол­ностью, это говорит о том, что бария сульфат переведен в карбо­нат.

Реакции обнаружения катионов Ва²⁺

Кадия дихромат К₂Сr₂O₇ образует с ионами бария и стронция осадки - хроматы бария ВаCrO₄, стронция SrCrO₄ желтого цвета. Причиной того, что выпадает не бихромат, а бария хромат, напри­мер, является следующее: в растворе К₂Сr₂O₇ наряду с ионами Cr₂O₇^2- образуются и ионы CrO₄^2-:

Cr₂O₇^2- + Н₂O ↔ 2HCrO₄^- ↔ 2H⁺ + CrO₄^2-

Концентрация ионов CrO₄^2- достаточна для того, чтобы K_S(ВаCrO₄) оказывалось превышенным раньше, чем достигается Ks(BaCr₂O₇). Уравнение данной реакции приведено в общем виде:

2BaCl₂ + К₂Cr₂O₇ + H₂O = 2BaCrO₄¯ + 2KC1 + 2HCl

Желтый осадок бария хромата растворим в минеральных кислотах (кислотах НСI, НNО₃), но нерастворим в уксусной кислоте.

Выполнение опыта: к 2-3 каплям раствора соли бария добавляют 3-5 капли натрия ацетата и 1-2 капли калия дихромата. Так как осадок ВаCгO₄ растворим в сильных кислотах, а при образовании осадка образуется сильная кислота (см. уравнение реакции), то для полного осаждения нужно заменить сильную соляную кислоту уксусной. Для этого добавляют в раствор 3-5 капель ацета­та натрия:

НС1 + CH₃COONa = СН₃СООН + NaCI

Уравнение реакции осаждения калия дихроматом в этом случае будет следующим:

2BaCl₂ +К₂Сr₂O₇ +Н₂O+2CH₃COONa = 2BaCrO₄¯ +2KC1+CH₃СООН + 2NaCI

Второй катион III группы - ион Са²⁺ осадка с дихроматом не дает (в чем необходимо убедиться на опыте и поэтому реакция с калия дихроматом является не только реакцией обнаружения иона ба­рия, но применяется для отделения ионов бария от ионов кальция).

Реакции обнаружения катионов Ca²⁺

1. Аммония оксалат - (NH₄)₂C₂O₄ с ионами кальция образует белый кристаллический осадок кальция оксалата:

CaCl₂ + (NH₄)₂C₂O₄ = CaC₂O₄¯ + 2NH₄C1

Осадок не растворяется в уксусной кислоте, но растворяется в минеральных кислотах (НСI, НNО₃).

Ионы бария, стронция дают с аммония оксалатом тоже белый кристаллический осадок, растворимый не только в минеральных кис­лотах, но и в уксусной кислоте. Ив этого следует, что обнаружить ион кальция с помощью оксалат-иона можно лишь в отсутствии ионов бария.

Выполнение опыта: к 2-3 каплям солей каль­ция, бария, стронция добавляют по 1-2 капли аммония оксалата. Убеждаются в нерастворимости кальция оксалата в уксусной кислоте и в растворимости оксалата бария и стронция в ней. Проверяют растворимость оксалатов кальция, бария и стронция в минеральных кислотах.

2. Калия гексацианоферрат (II) - К₄[Fе(СN)₆] в присутствии катионов аммония образует при нагревании белый кристаллический осадок двойной соли кальцияаммония гексацианоферрата (II):

CaCl₂ + К₄[Fe(СN)₆] + 2NH₄C1 = Са(NН₄)₂[Fе(СN)₆]¯ + 4КС1

Выполнение опыта: к раствору, содержащему катионы кальция, приливают небольшое количество растворов К₄[Fe(СN)₆] и NH₄C1, затем нагревают до кипения.

Однако указанная реакция недостаточно чувствительна; кроме того, катионы бария при высокой их концентрации с калия гексацианоферратом (II) также образуют аналогичный осадок. Все катионы остальных аналитических групп (за исключением первой) также обра­зуют осадки с этим реактивом. Поэтому указанная реакция для обна­ружения Са²⁺ широкого применения в химическом анализе не имеет.

Реакции обнаружения катионов Sr²⁺

1. Карбонат аммония (NН₄)₂СО₃ при взаимодействии с раствора­ми солей стронция осаждает карбонат стронция, осадок белого цвета, растворимый в уксусной, соляной и азотной кислотах с выделением диоксида углерода:

Sr²⁺ + (NH₄)₂СО₃ ® SrCO₃¯ + 2NH₄

SrCO₃ + 2Н⁺ ® Sr²⁺ + CO₂­ + Н₂O

Выполнение опыта: 2 капли раствора соли стронция помещают в пробирку и прибавляют 2 капли раствора (NН₄)₂СО₃. Испытывают растворимость образовавшегося осадка в со­ляной и уксусной кислотах.

2. Насыщенный раствор гипса CaSO₄·2H₂O (гипсовая вода) обра­зует с ионами Sr²⁺ белый осадок стронция сульфата:

r²⁺ + SO₄²⁺ ® SrSO₄¯

Однако при действии гипсовой воды ион стронция дает не обильный осадок, а только небольшую муть, появляющуюся не сразу из-за образования перенасыщенного раствора. Появление осадка ускоряют нагреванием.

Реакция служит для обнаружения Sr²⁺ только в отсутствии Ва²⁺, который с гипсовой водой дает муть сульфата бария, появляю­щуюся сразу, т.к. растворимость BaSO₄ меньше растворимости SrSO₄(Ks(SrSO₄) = 2,8·10^-7; Ks(BaSO₄) = 1,1·10^-7).

Гипсовая вода не образует осадков с растворами содей кальция ни на холоду, ни при нагревании. Этим ион Са²⁺ отличается от ио­нов Ва²⁺ и Sr²⁺.

Выполнение опыта: в первую пробирку 2 капли раствора соли Sr²⁺. во вторую - 2 капли раствора соли Ва²⁺. Прибавляют в каждую пробирку по 2 капли раствора гипсовой воды. Содержимое первой пробирки подогревают на водяной бане.

Дата добавления: 2015-06-30