Аналитические реакции важнейших катионов

СОДЕРЖАНИЕ:

1.      Введение…………………………………………………………………………...3

2.      Тема: «Аналитические реакции важнейших катионов».

1.1   Основные понятия и терминология………………………………..4

1.2   Условия проведения аналитических реакций……………………..6

1.3   Системный и дробный анализ……………………………………...7

1.4   Аналитическая классификация катионов……………………….....8

1.5   Аналитические реакции…………………………………………….9

3.      Заключение……………………………………………………………………….17

4.      Список литературы………………………………………………………………18

Введение

     Основой любого химического исследования является совокупность различных химических наук, каждая из которых нуждается в результатах химического анализа, поскольку химический состав – основа полезной и здоровой пищи. Целью аналитической химии становится определение концентрации веществ в различных продуктах питания.

     Аналитическая химия – это наука о способах идентификации химических соединений, о принципах и методах определения химического состава веществ и их структуры. Она является научной основой химического анализа.

     Аналитическая химия базируется на знаниях, полученных при изучении курсов: неорганической, органической, общей химии, физики и математики.

     Цель изучения аналитической химии – освоение современных методов анализа веществ и их применение для решения задач по содержанию различных веществ в пище.

     Цель аналитической химии - установление качественного и количественного состава вещества или смеси веществ. В соответствии с этим аналитическая химия делится на качественный и количественный анализ.

    Задачей качественного анализа является выяснение качественного состава вещества, т. е. из каких элементов или ионов состоит данное вещество.

При изучении состава неорганических веществ в большинстве случаев приходится иметь дело с водными растворами кислот, солей и оснований. Эти вещества являются электролитами и в растворах диссоциированы на ионы. Поэтому анализ сводится к определению отдельных ионов - катионов и анионов.

    При проведении качественного анализа можно работать с различными количествами исследуемого вещества. Имеются так называемые грамм-метод, при котором масса исследуемого вещества берется более 0,5 г (более 10 мл раствора), сантиграмм-метод (масса исследуемого вещества от 0,05 до 0,5 г, или 1-10 мл раствора), миллиграмм-метод (масса исследуемого вещества от 10 -6 г до 10 -3 г, или от 0,001 до 0,1 мл раствора) и др. Наиболее распространенным является сантиграмм-метод, или полумикро-метод.]

Основные понятия и терминология.

     Катион — положительно заряженный ион. Характеризуется величиной положительного электрического заряда: например, NH4+ — однозарядный катион, Ca2+ — двухзарядный катион. В электрическом поле катионы перемещаются к отрицательному электроду — катоду.

Понятие 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.

Аналитическая классификация катионов.

     В основу классификации ионов в аналитической химии положено различие в растворимости образуемых ими солей и гидроксидов, позволяющее отделять (или отличать) одни группы ионов от других.

     Существуют разные системы группового разделения ионов: сероводородная, кислотно-основная, аммиачно-фосфатная, тиоацетамидная и т. д. Каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки. Основным недостатком сероводородной системы является необходимость работы с сероводородом, что требует хорошей вентиляции, склонность к образованию коллоидных сульфидных осадков, в результате чего нарушается разделение катионов на группы, и т. д. В кислотно-основной системе при разделении групп можно встретиться с затруднениями, особенно если концентрации разделяемых катионов сильно различаются. С подобными же затруднениями можно встретиться и в других системах разделения. Сознательный подход к групповому разделению позволяет в каждом конкретном случае использовать для этой цели метод, наиболее подходящий для анализируемой смеси ионов.

     Классификация катионов:

I группа катионов: Na+, K+, NH4+

II группа катионов: Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+

III группа катионов: Al3+, Cr3+, Zn2+

IV группа катионов: Cu2+, Bi3+, Cd2+

V группа катионов: Ag+, Hg22+, Pb2+

Аналитические реакции.

     I группа катионов.

В первую аналитическую группу катионов входят ионов калия K+, натрия Na+, аммония NH4+ и магния Mg2+. В отличии от катионов других групп большинство солей калия, натрия, аммония, легко растворимы в воде. Ион Mg2+ свойствам несколько отличается от других катионов этой группы. Он образует труднорастворимые в воде гидрат окиси, фосфорнокислую и углекислую соли. Поскольку нерастворимость в воде углекислых солей – важнейший аналитический признак катионов второй группы, то Mg2+ иногда относят к ней. Но углекислый магний хорошо растворим в аммонийных солях. А так как отделение катионов второй группы от катионов первой группы растворим (NH4)2CO3 проводят присутствии NH4Cl, то в ходе анализа Mg2+ оказывается не в осадке со второй группой, а в растворе с первой группой.

     Реакции катионов калия.

Реакция с кобальтинитритом натрия Na3[Co (NO2)6].

Кобальтинитрит натрия в нейтральном или уксусном растворе дает с ионами калия желтый кристаллический осадок кобальтинитрита калия-натрия:

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

или в ионном виде:

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

Ион NH4+ дает аналогичный осадок.

Выполнение.

Реакцию можно выполнить на капельной пластинке и в пробирке. К 3—4 каплям раствора KCl или KNO3 прибавили 2—3 капли раствора реактива. В щелочной среде реакцию проводить нельзя, так как от щелочи реактив разлагается, образуя гидрат окиси кобальта:

Na3[Co(NO2)6] + 3NaOH = Co(OH)3 + 6NaNO2

Рассматриваемая реакция на ион K+ более чувствительна, чем с гидротартратом натрия. Поэтому именно ею и пользуются для осаждения иона K+ из сыворотки при перманганатометрическом определении калия в крови.

Реакции катионов аммония.

    Реакция с реактивом Несслера (щелочной раствор ртутноиодистого калия K2[HgI4]).

    Этот реактив дает с аммонийными солями красновато-коричневый осадок состава [NH2Hg2O]I (его структурная формула HO – Hg –NH – I ):

NH4Cl + 2 K2[HgI4] + 4KOH = [NH2Hg2O]I + 7KI + KCl + 3H2O

или в ионном виде:

NH4+ + 2[HgI4] - + 4OH- = [NH2Hg2O]I + 7I- + 3H2O

    При очень малых количествах солей аммония вместо осадка получает желтый раствор. Реакция очень чувствительна. Она применяется в биохимическом анализе для определения общего азота в крови, мочевины, в санитарно-гигиенических лабораториях - при анализе воды, воздуха, пищевых продуктов (в частности мяса) и т.д.

Выполнение.

А. К 1—2 каплям разбавленного раствора аммонийной соли на капельной пластинке прибавить 3—4 капли реактив Несслера выпадение красновато-коричневого осадка. Реактив Несслера прибавлять в избытке, так как осадок растворим в большом количестве аммонийных солей.

II группа катионов.

     Ко второй аналитической группе катионов относятся ионы Ba2+, Ca2+, Sr2+.

Кальций, стронций, барий называются щелочноземельными металлами. По своей активности они лишь немного уступают щелочным металлам. Образуемые ими гидраты окислов являются сильными основаниями; их растворимость растёт с увеличением порядкового номера металла.

Щелочноземельные металлы образуют большое количество солей; из них растворимы галоидные, азотнокислые, уксуснокислые и кислые углекислые. Групповой реактив этой группы катионов – углекислый аммоний (NH4)2CO3, образующий с ионами Ba2+ и Ca2+ не растворимые в воде средние соли BaCO3 и CaCO3.

Реакции катиона кальция Ca2+

    Серная кислота и ее соли при достаточной концентрации ионов Ca2+ образуют белый кристаллический осадок CaSO4 (если осадок сразу не выпал, то нагреть содержимое пробирки):

CaCI2 + H2SO4 = ↓CaSO4 + 2HCI.

     Осадок CaSO4 растворяется в избытке (NH4)2SO4 с образованием комплексной соли (NH4)2[Ca(SO4)2]. Это свойство осадка CaSO4 используется в анализе для отделения ионов Ca2+ от Ba2+.

    Оксалат аммония (NH4)2C2O4 осаждает ионы Са2+ в виде белого кристаллического осадка CaC2O4 :

CaCI2 + (NH4)2C2O4 = ↓CaC2O4 + 2NH4CI.

    Осадок растворяется в сильных кислотах и не растворим в уксусной кислоте.

Гексацианоферрат(II) калия) K4[Fe(CN)6] образует с ионами Са2+ в присутствии аммонийной буферной смеси белый кристаллический осадок:

CaCI2 + 2NH4CI + K4[Fe(CN)6] = ↓Ca(NH4)2[Fe(CN)6] + 4HCI.

Выполнение.

   К 3-4 каплям раствора соли кальция прибавьте 2-3 капли NH4OH и NH4CI, а затем 3-4 капли K4[Fe(CN)6] , содержимое пробирки нагрейте.

Осадок Ca(NH4)2[Fe(CH)6] растворяется в сильных кислотах и не растворяется в уксусной (испытайте).

   Карбонаты натрия, калия образуют с ионами кальция белый кристаллический осадок СаСО3:

CaCI2 + Na2CO3 = ↓CaCO3 + 2NaCI.

Ш группа катионов

    К третьей аналитической группе катионов относятся ионы Al3+, Cr3+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Zn2+.

    Сернистые соединения катионов этой группы не растворимы в воде (в отличие от первой и второй групп), но растворимы в разбавленных в минеральных кислотах (в отличие от четвёртой и пятой групп). Вследствие этого сероводород не осаждает катионы третьей группы из кислых растворов. Из нейтральной растворов сероводород тоже либо вовсе не осаждает катионы третьей группы, так как либо осаждение их оказывается неполное (Zn2+), так как образуются свободные кислоты. Поэтому для полного осаждения катионов третьей группы в виде сернистых соединений вместо сероводорода применяется его хорошо диссоциированные соли.                                                                                                                                          

Групповой реактив на катионы третьей группы – сернистый аммоний (NH4)S.

Хлористые, сернокислые, и азотнокислые соли этих элементов растворимы в воде. Растворы их вследствие гидролиза имеют слабокислую реакцию.

Реакции катионов кальция.

     Реакция с ферроцианидом калия K4[Fe (CN)6].

Этот реактив с солями кальция в присутствии солей аммония образует белый кристаллический осадок ферроцианида кальция и аммония Ca(NH4)2[Fe(CN)6]:

CaCl2 + 2NH4Cl + K4 [Fe (CN) 6] = Ca (NH4)2[Fe (CN) 6] + 4KCl

или в ионном виде:

Ca2+ + 2 NH4+ + [Fe (CN) 6]4- = Ca (NH4)2[Fe (CN) 6]

Выполнение.

К 3—5 каплям раствора CaCl2 прибавить по 3—5 капель NH4Cl и NH4OH и 5—6 капель раствора K4[Fe(CN)6]. Смесь нагреть 2—3 минуты на водяной бане.

Наблюдать выпадения осадка. В уксусной кислоте этот осадок не растворяется

Реакция катионов А13+

    Сульфид аммония (NH4)2S из растворов солей алюминия выделяет белый осадок гидроксидов алюминия: 3(NH4)2S + 2А1С13 + 6Н20 = 2А1(ОН)3| + 3H2Sf + 6NH4C1, 2А13+ + 3S2" + 6Н20 = 2А1(ОН)3| + 3H2Sf.

Выполнение реакции. К 2 каплям раствора соли алюминия прибавляют 2 капли раствора сульфида аммония. Наблюдают выпадение осадка.

    Едкие щелочи с солями алюминия образуют белый осадок гидроксида алюминия:

А1С13 + ЗКОН = А1(ОН)34 + ЗКС1, АНН-+ ЗОН" = А1(ОН)3|.

Вследствие амфотерного характера гидроксида алюминия осадок растворяется в разбавленных кислотах и в избытке щелочи, образуя алюминат щелочного металла

А1(ОН)3 + КОН = КА102 + 2Н20.

Выполнение.

К 2 каплям раствора соли алюминия прибавляют сначала 1 каплю раствора щелочи, а затем избыток ее. Наблюдают выпадение осадка гидроксида алюминия и последующее его растворение.

    Сухой хлорид аммония NH4C1 выделяет из растворов алюминатов щелочных металлов гидроксид алюминия-:

NaA102 + NH4C1 -f Н20 = А1(ОН)3| + NaCl + NH3f, АЮ2 + NHt + Н20 = А1(ОН),| + NH3j. Выполнение реакции. К 2 каплям раствора соли алюминия добавляют избыток раствора щелочи до растворения выпавшего осадка гидроксида. К полученному раствору добавляют сухой хлорид аммония. Пробирку несколько раз встряхивают, нагревают на водяной бане и наблюдают выпадение осадка.

    Ализарин (1,2-диоксиантрихинон) образует с гидроксидом алюминия ярко-красное соединение, так называемый «алюминиевый лак». Это одна из наиболее   чувствительных реакций на ион А13+. Ионы Сг3+ и Zn2+ мешают проведению этой реакции. Эту реакцию можно проводить полумикрометодом или капельным методом.

Выполнение.

     В пробирку помещают 3 капли соли алюминия и добавляют раствор аммиака до слабощелочной реакции среды [образование А1 (ОН) 3]. Нагревают реакционную смесь до кипения и добавляют к ней 4—5 капель раствора ализарина. Образуется адсорбционное соединение ализарина с гидроксидом алюминия, окрашенное в ярко-красный цвет.

    Выполнение капельным методом. На кусочек толстой фильтровальной бумаги наносят каплю раствора соли алюминия и ждут, пока жидкость впитается. После этого держат бумагу 1—2 мин над горлышком открытой капельницы с концентрированным раствором аммиака. Пятно смачивают раствором ализарина. Появление ярко-красного окрашивания — признак наличия ионов А13+.

Реакции катионов цинка.

     Реакция с гексацианоферратом (II) калия K4[Fe(CN)6]3.

K4[Fe(CN)6] образует с ионами цинка белый осадок железистосинеродистого калия и цинка:

3ZnCl2 + 2K4[Fe(CN)6] = Zn3K2[Fe(CN)6]2 + 6KCl

или в ионном виде:

3Zn2+ + 2 K+ 2[Fe(CN)6] = Zn3K2[Fe(CN)6]2

Выполнение.

К 4—5 каплям раствора соли цинка прибавить 4—5 капель раствора реактива. Нагреть смесь до кипения. Наблюдать образование осадка.

В кислотах не растворяется, но растворяется в едких щелочах с образованием цинката.

IV группа катионов.

Реакция катионов Си2+

    Сероводород H2S осаждает из растворов солей меди (II) в нейтральной среде (или слабокислой) черный осадок сульфида меди (II):

CuS04 + H2S = CuS| + H2S04, Cu2+ + S2- =CuSj.

   Осадок растворяется при нагревании в азотной кислоте, даже в разбавленной.

Выполнение.

    В пробирку помещают 5 капель раствора соли меди (II) и пропускают сероводород.

    Едкие щелочи из раствора солей меди (II) выделяют на холоду голубой осадок гидроксида меди:

CuS04 + 2КОН = Cu(OH)2 J + K2S04, Cu2+ + 20H- = Cu(OH)2|.

Выполнение.

К 2 каплям раствора соли меди (II) добавляют 2 капли раствора щелочи и наблюдают выпадение осадка.

   Водный раствор аммиака, взятый в избытке, образует с солями меди (II) комплексный аммиакат меди синего цвета:

CuS04 + 4NH3 = [Cu(NH3)4]S04, Cu2+ + 4NH3 = [Cu(NH3)4]2+.

Реакция является наиболее характерной для иона Си2+ и чаще всего применяется для его обнаружения.

Выполнение.

К 2 каплям раствора соли меди (II) добавляют избыток раствора аммиака.

V группа катионов.                                                

     Сернистые соединения этих элементов не растворимы в разбавленных кислотах. От сернистых соединений катионов 4-й группы сернистые соединения катионов 5-й группы отличает растворимостью в многосернистом аммонии с образованием так называемых сульфосолей. Это позволяет отделить сернистые соединения мышьяка, сурьмы, олова от не растворимых в многосернистом аммонии сернистые соединения 4-й группы.

     Групповой реактив на ионы 5-й группы – многосернистый аммоний, который представляет собой смесь (NH4)2S с (NH4)2S2, (NH4)2S3 и другими подобными соединениями вплоть до (NH4)2S9. Многосернистый аммоний готовят, растворяя серу в сернистом аммонии. Он является окислителем.

Реакции катионов свинца Pb2+

     Реакция с хроматом калия. При этом образуется желтый осадок хромата свинца, растворимый в концентрированной щелочи, в HNO3. В отличие от хромата серебра нерастворим в NH4OH.

     Выполнение реакции. В пробирку помещают 2-3 капли раствора соли свинца, добавляют 2-3 капли раствора K2CrO4 и наблюдают образование желтого осадка. Осадок отделяют, делят на три части, переносят в разные пробирки и проводят реакции со щелочью, HNO3, NH4OH.

     Реакция с иодидом калия. При комнатной температуре образуется желтый осадок PbI2: Pb2++2KI =>PbI2↓+2K+

     Эта соль довольно хорошо растворима в воде, при 25°С растворимость составляет 1,3*10-3моль/л. При охлаждении горячего раствора PbI2 выпадает в форме красивых золотисто-желтых кристаллов.

Выполнение.

      В пробирку помещают 4-5 капель раствора соли свинца, добавляют 1-2 капли уксусной кислоты, 2-3 капли воды и нагревают до кипения, добавляя по капле воду, пока осадок не растворится. Содержимое пробирки медленно охлаждают, наблюдая образование кристаллов.

Реакция с дитизоном (дифенилтиокарбазоном):

-N=N-C-NH-NH-S

     Этот реактив в виде раствора в хлороформе образует с ионами Pb2+ ярко окрашенное комплексное соединение кирпично-красного цвета. Реакция высокочувствительна. Катионы Ag+ мешают определению Pb2+.

     Выполнение реакции. В пробирку помещают 4-5 капель раствора соли свинца, добавляют 2-3 капли раствора дитизона в хлороформе, взбалтывают и наблюдают окрашивание хлороформного слоя в красный цвет.

2