Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Аналитическая классификация катионов

МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА ХИМИИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ»

ТЕМА: «АНАЛИТИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ КАТИОНОВ»

шифр, специальность 050112-химия

Студент Соболев С.А. Группа Е-112

___________________ (дата)

Руководитель Акимжанова Х.Г. преподаватель кафедры химии, магистр педагогических наук.

Оценка___________ _______________

(дата)

Семей2011г.

Содержание Стр.

Введение………………………………………………………………... 3

Теоретический обзор ………….……………………………………4

1.1 Качественный анализ в различных областях науки……………..4

1.2 Методы определения ионов………………………………………..5

1.3 Современная классификация катионов……………………………6

1.4 Основные принципы разделения катионов на аналитические

группы………………………………………………………………...... 8

1.5 Общая характеристика групп катионов…………………………...9

2. Заключение……………………………………………………………11

Использованная литература……………………………………………12

Введение

Актуальность:

Аналитическая химия – наука о способах идентификации химических соединений, о принципах и методах определения химического состава веществ и их структуры.

Особую актуальность аналитическая химия приобрела в настоящее время, поскольку основным фактором неблагоприятного антропогенного воздействия на природу являются химические загрязнения. Определение их концентрации в различных природных объектах становится важнейшей задачей. Знания основ аналитической химии одинаково необходимо современному студенту, инженеру, преподавателю, предпринимателю. Неотъемлемой частью анализа является грамотная классификация ионов, в частности, катионов.

Цель: Проанализировать литературные данные по теме «Аналитическая классификация катионов» в историческом аспекте.

Задачи:

Установить в каких областях науки используется качественный анализ.
Раскрыть методы определения катионов.
Рассмотреть современную классификацию катионов.
Охарактеризовать группы катионов

Структура:

Работа состоит из 12 листов, использована 1 таблица, литературы 10 источников литературы.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Качественный анализ в различных областях науки

Качественный анализ — совокупность химических, физико-химических и физических методов, применяемых для обнаружения элементов, радикалов и соединений, входящих в состав анализируемого вещества или смеси веществ.[4] В качественном анализе используют легко выполнимые, характерные химические реакции, при которых наблюдается появление или исчезновение окрашивания, выделение или растворение осадка, образование газа и др. Реакции должны быть как можно более селективны и высокочувствительны. Качественный анализ в водных растворах основан на ионных реакциях и позволяет обнаружить катионы или анионы. Основоположником качественного анализа считается Р.Бойль, который ввёл представление о химических элементах как о неразлагаемых основных частях сложных веществ и систематизировал все известные в его время качественные реакции.[3]

Качественный анализ играет очень важную роль во многих областях науки и техники. Качественный и количественный анализ ионизирующих излучений необходим в различных областях науки и техники: ядерной физике, физике элементарных частиц, радиохимии, технике радиоактивных индикаторов, радиационной химии, радиационном материаловедении, дефектоскопии в сельском хозяйстве, медицине, экологии, криминалистике, геологии, атомной энергетике, в технологиях ядерно-топливного цикла, дозиметрии и радиационной безопасности, в практике обитаемых космических полётов и тому подобное. Поэтому методы измерения ядерных излучений постоянно и весьма активно развиваются.[8]

Применение Качественного анализа в криминалистике. Сегодня почти ни одно из расследований криминального характера не обходится без научно-технической экспертизы, в которой наряду с другими важное место занимают химические и физико-химические методы.

Для чего чаще всего используют химические методы? Простое перечисление наиболее известных областей их применения выглядит довольно внушительно:

– поиск и сохранение скрытых отпечатков пальцев;

– идентификация личности по анализу состава ДНК;

– поиск и определение состава ядовитых веществ, взрывчатых веществ, наркотиков;

– получение слепков отпечатков обуви;

– анализ на содержание алкоголя и состава алкогольных напитков;

– анализ состава чернил, бумаги и других средств, используемых для составления документов;

– анализ всевозможных загрязнений.[9]

Химическим методам в криминалистике посвящены справочники, монографии и учебники, региональные, национальные и международные конференции; ими занимаются многочисленные исследовательские лаборатории, их изучают в колледжах и университетах. Выпущены занимательные пособия для школьных учителей и учеников. Химические методы анализа в их игровом варианте используют в некоторых зарубежных школах для раскрытия модельных «преступлений». Например, с помощью бумажной хроматографии школьники-детективы с интересом анализируют, из чьей ручки чернилами или пастой написана «криминальная» записка.[6]

Хроматография, кстати, позволяет делать совершенно фантастические открытия. Так, следы сохранившихся липидов на древней керамике удалось извлечь органическими растворителями и после хроматографического разделения сделать заключение о диете пращуров.

Возможно, поэтому в последние годы появляется так много новых разработок, упрощающих решение стоящих перед реальными детективами задач.[1]

1.2 Методы определения ионов

Методы качественного анализа делятся на химические, физико-химические и физические.

Физические методы основаны на изучении физических свойств анализируемого вещества. К этим методам относятся спектральный, рентгеноструктурный, масс-спектрометрический анализы и др.

В физико-химических методах течение реакции фиксируется измерением определенного физического свойства исследуемого раствора. К этим методам относятся полярография, хроматография и др.

К химическим методам относятся методы, основанные на использовании химических свойств исследуемых веществ.[5]

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 стёклах 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.[3]

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.

1.3 Современная классификация катионов.

Для разделения и концентрирования компонентов анализируемой смеси используют методы осаждения, соосаждения, экстракции, хроматографии, электролиза, электрофореза, дистилляции, сублимации, зонной плавки, флотации и др. В основе большинства методов разделения лежит принцип избирательного распределения компонентов пробы между двумя разделяющимися фазами. Открываемый компонент пробы переводят по возможности полностью в одну из фаз.

Для анализа сложных многокомпонентных смесей используют метод последовательного отделения с помощью групповых реагентов небольших групп ионов. Дальнейший анализ этих групп проводят дробным методом, а при необходимости используют дополнительное разделение в каждой группе. Строгую последовательность отделения групп с использованием групповых реагентов называют систематическим ходом анализа. Последовательно отделяемые в систематическом ходе анализа группы ионов называют аналитическими группами. Они лежат в основе аналитической классификации ионов. Для разных схем систематического анализа состав аналитических групп различен, он зависит от используемых групповых реагентов и условий осаждения.

Таким образом, на практике для анализа смесей элементов используют сочетание дробного и систематического хода анализа.

Существует несколько схем систематического анализа смесей ионов. В них наиболее широко для целей разделения используют осаждение, затем экстракцию и распределительную (бумажную) и ионообменную хроматографии. В данном разделе справочника приведены все наиболее распространенные схемы систематического анализа, основанные на осаждении, а также примеры экстракционного и ионообменного разделения некоторых смесей.

Перед систематическим анализом обычно проводят предварительные испытания дробными реакциями. Их результаты вместе с другими данными о свойствах и предполагаемом составе пробы помогают выбрать ту или иную схему систематического хода анализа. Наиболее часто на практике для разделения катионов применяют Для разделения и концентрирования компонентов анализируемой смеси используют методы осаждения, соосаждения, экстракции, хроматографии, электролиза, электрофореза, дистилляции, сублимации, зонной плавки, флотации и др. В основе большинства методов разделения лежит принцип избирательного распределения компонентов пробы между двумя разделяющимися фазами. Открываемый компонент пробы переводят по возможности полностью в одну из фаз.

Таким образом, на практике для анализа смесей элементов используют сочетание дробного и систематического хода анализа.[5]

1.4 Основные принципы разделения катионов на

аналитические группы

При систематическом анализе катионы выделяют из сложной смеси не

поодиночке, а целыми группами, пользуясь их одинаковым отношением к

действию некоторых реагентов, называемых групповыми реагентами. Групповой реагент в общем случае должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Групповой реагент должен осаждать отделяемые ионы практически

полностью, т. е. их концентрация в растворе после осаждения не должна

превышать 10^–6 моль/л.

2. Полученный после действия группового реагента осадок должен легко переводиться в раствор (растворяться в кислотах, растворах лигандов-

комплексообразователей и т. д.).

3. Избыток группового реагента не должен мешать определению ионов, оставшихся в растворе. Таким образом, в основу классификации катионов в аналитической химии положено различие в растворимости соединений, образуемых катионами с групповыми реагентами, позволяющие разделять отдельные группы катионов. В настоящем пособии используется так называемая сульфидная классификация, по которой все катионы делятся на пять аналитических групп. Согласно этой классификации, разделение начинают с выделения пятой аналитической группы действием хлористоводородной кислоты (групповой реагент), в результате чего образуется нерастворимый в кислотах осадок хлоридов серебра, свинца и ртути (I). Групповым реагентом на четвертую аналитическую группу является сероводород, который пропускают через подкисленный (рН 0.5) раствор, содержащий катионы I – IV групп. При этом в осадке выпадают сульфиды меди, кадмия, висмута, ртути (II), сурьмы (III, V) и мышьяка (III, V), которые не растворяются в минеральных кислотах, но хорошо растворимы в HNO3 (кроме НgS). Катионы третьей аналитической группы выделяют из раствора действием сульфида аммония (групповой реагент) в присутствии аммонийной буферной смеси (pH 9). При этом образуются малорастворимые гидроксиды алюминия и хрома, а также сульфиды железа (II, III), кобальта, никеля, марганца и цинка, растворимые в разбавленных минеральных кислотах. На оставшиеся в растворе катионы первой и второй групп действуют раствором карбоната аммония (групповой реагент) при pH около 9, в результате чего в осадок выпадают карбонаты катионов второй аналитической группы – кальция, стронция и бария, хорошо растворимые в кислотах, в том числе и уксусной. После отделения карбонатов второй группы в растворе остаются катионы аммония, натрия калия и магния, относящиеся к первой аналитической группе и не имеющие группового реагента. (см. табл. 1).

Таблица 1Сульфидная классификация катионов

Группа катионов

III

Характеристика группы

Сульфиды и карбонаты растворимы в воде

Сульфиды растворимы в воде, карбонаты - нет

Сульфиды нерастворимы в разбавленных кислотых

Гидроксиды амфотерны

Гидроксиды неамфотерны

Сульфиды нерастворимы в Na2S

Сульфиды растворимы в Na2S

Хлориды нерастворимы в воде

Катионы

Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Li⁺,

Rb⁺, Cs⁺, Mg²⁺

Mg²⁺, Сa²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Ra²⁺

Be²⁺,Zn²⁺, Al³⁺, Y³⁺, Sc³⁺,Ga³⁺, In³⁺, Tl³⁺, Ti(IV), Zr(IV), Hf(IV), Th⁴⁺,V(V), Nb(V), Ta(V), Cr³⁺, U(VI), U(IV),

Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Ni²⁺

Сu²⁺, Bi³⁺, Cd²⁺

Аs(III, V), Sb(III, V), Sn²⁺, Sn(IV), Hg²⁺

Ag⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺

Ge(IV), Mo(VI), Re(VII), Se(IV), Te(IV)

Групповой реагент

Нет

(NH₄)₂CO₃

(NH₄)₂S в присутствии NH₄OH и NH₄Cl

H₂S в присутствии HCl

HCl

1.5 Общая характеристика групп катионов

Первая группа катионов:

К первой группе катионов относятся катионы К⁺, Na⁺, NH₄⁺, Li⁺,

Rb⁺, Cs⁺, Mg²⁺ В отличие от катионов других групп, почти все соли этих элементов хорошо растворимы в воде.

Гидроксиды — сильные основания, хорошо растворимые в воде, исключение водный раствор аммиака (гидроксид аммония)

Аналитическим признаком катионов первой группы является отсутствие группового реактива, т.е. такого реактива, который одновременно осаждал бы все катионы этой группы.(таблица2)

Таблица 2 Характеристика первой группы катионов по сульфидной классификации

Группа

Представители группы

Растворимость солей

Групповой реагент

Первая

К⁺, Na⁺, NH₄⁺, Li⁺, Rb⁺, Cs⁺, Mg²⁺

Хлориды, карбонаты и сульфиды растворимы в воде

нет

Вторая группа катионов:

Ко второй группе катионов относятся ионы двухвалентных металлов Ва²+, Са²+ и Mg²+. Соли этих металлов большей частью бесцветны. К числу растворимых в воде солей относятся галоген иды, нитраты и ацетаты. Растворимость гидроксидов уменьшается в

ряду Ва²+->-Са²+-> -Mg²+. Гидроксиды Ва(ОН)₂ и Са(ОН)₂ являются сильными основаниями, a Mg(OH)₂ слабое основание.

Групповым реактивом является карбонат аммония (NH )₂Со в присутствии раствора аммиака.

Соли катионов второй группы широко распространены в природе, особенно соединения магния и кальция. Природная вода содержит в растворе соли магния и кальция, чем обусловлена жесткость воды. Соли магния необходимы для питания растений, так как магний входит в состав хлорофилла. Магний содержится в теле человека, в основном в костной ткани и, кроме того, регулирует работу сердца.

Кальций является одним из основных структурных компонентов костей человека и животных. Он понижает возбуждение нервной и мышечной ткани, участвует в процессе свертывания крови.

Третья аналитическая группа

К. третьей аналитической группе относятся катионы Fe²⁺, Fe³+, Mn²+, Cr³+, Al³⁺, 2n²+. Групповым реактивом является раствор сульфида аммония (NH₄ )₂S в присутствии раствора аммиака. Последний нужен для того, чтобы уменьшить гидролиз сульфида аммония и предотвратить образование ионов HS^-. Так как обычно в лаборатории раствор сульфида аммония готовят пропусканием сероводорода через концентрированный раствор аммиака, то получающийся при этом раствор уже содержит избыток аммиака и при выполнении частных реакций его можно не добавлять.

Действие группового реактива на различные катионы третьей группы различно. При действии на соли железа (II) и железа (III), марганца и цинка выпадают осадки сульфидов соответствующих катионов, например: уравнении реакции (1)

Fe²⁺ + S²- = FeS. (1)

Осадки FeS, Fe₂S черного цвета, MnS — телесного, ZnS — белого цвета. Цвета осадков сульфидов являются важным для анализа признаком.

Четвертая аналитическая группа катионов.

К четвертой группе катионов относятся Hg²+, Cu²+, Bi³+, Cd²+, Sn²+, Sn⁴+, Sb³+, Sb⁵+, As⁵+ As³+.

Все катионы этой группы осаждаются сероводородом в виде сульфидов из растворов, содержащих 0,3 н. HCL.

Катионы четвертой группы делятся на две подгруппы: подгруппу меди и подгруппу олова.

К подгруппе меди относятся катионы Сu²+, Hg²⁺, Cd²+, Bi³⁺. Все сульфиды этих элементов образуют аморфные осадки. Сульфид ртути HgS наименее растворим, он растворяется только в окислительных смесях, например, в «царской водке». Сульфиды меди и висмута растворяются в горячей 2 н. HNO₃ сульфид кадмия растворим в соляной кислоте средних концентраций.

К подгруппе олова относятся Sn²⁺, Sn⁴⁺, Sb⁵⁺, As³+, As⁵⁺. Сульфиды этой подгруппы способны растворяться при действии Na₂S, K₂S или (NH )₂S с образованием так называемых тиосолей. Только SnS имеет ярко выраженный основной характер и не растворяется в упомянутых выше растворах.

Гидроксиды меди (II) и олова (II) являются труднорастворимыми слабыми электролитами, а гидроксид олова обладает амфотерными свойствами. Для ртути гидроксиды неизвестны. В том случае, когда можно было бы ожидать образования гидроксида, например, при действии щелочей на растворы солей ртути (II), получается оксид.

Соединения мышьяка и ртути чрезвычайно токсичны.

Пятая группы катионов.

К пятой аналитической группе катионов относятся РЬ²⁺, Hg₂⁺, Ag+. Групповым реактивом для катионов этой группы является соляная кислота или ее растворимые в воде соли. Сероводород в кислой среде также осаждает сульфиды катионов пятой группы. Ионы РЬ не осаждаются полностью соляной кислотой, поэтому при анализе смеси катионов четвертой и пятой групп они частично попадают в четвертую группу. Гидроксиды катионов пятой группы являются труднорастворимыми и слабыми электролитами. Гидроксид свинца обладает амфотерными свойствами. Гидроксиды серебра и ртути (I) являются крайне неустойчивыми соединениями и в момент образования распадаются на соответствующий оксид и воду. Все растворимые соединения свинца и ртути ядовиты.

Ионы серебра в очень низкой концентрации стерилизуют питьевую воду и подавляют развитие бактерий. В медицине для дезинфекции слизистых оболочек применяются коллоидные растворы серебра со специальными добавками.[2]

2.Заключение:

Проанализировав теоретические сведения по теме «аналитическая классификация катионов» пришел к выводу, что аналитическая химия одна из наиболее прогрессирующих наук современности. Если обратить внимание на сферы применения химического анализа, то не останется сомнений что значение химического анализа очень велико. Из этого следует, что и актуальность изучения и классификации как катионов, так и анионов имеет не маловажное значение для современности

Литература:

Крешков А.П.Основы аналитической химии. – М.: «Химия» 1970г.
Логинов Н.Я. Воскресенский А.Г. Солодкин И.С.Учебное пособие для студентов химико-биологических и биолого-химических специальностей педагогических институтов «Просвещение» 1979г.
Полеес М.Э. и др. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ». – М.: Медицина. 1987.
Тикунова И.В. Справочник молодого лаборанта-химика. — М.: Высшая школа, 1985
Шарло Г. Методы аналитической химии. — М.-Л.: Химия, 1965.
www.referat.ru
Journal of Chemical Education» (1998, v. 75, № 10, р. 1300–1301) (Периодическая печать)
http://profbeckman.narod.ru/radiometr.htm
http://him.1september.ru/articlef.php?ID=200002001
www.referats.net

Аналитическая классификация катионов 📙 Курсовая → 🆔 25544