ТЕМА: Анализ смеси катионов первой группы 2 страница

Ход анализа:

Исследуемый раствор, содержащий смесь катионов трех групп может быть с осадком и без осадка. Осадок может содержать хлориды AgCl, PbCl₂, Hg₂Cl₂ или сульфаты BaSO₄, SrSO₄, CaSO₄ или все вместе.

Раствор без осадка.

В отдельной пробе открывают катион NH₄⁺ нагреванием с раствором гидроксида натрия.

Анализируемую смесь делят на две части. Первую половину используют для контрольных определений. В пробирку берут 30 капель исследуемого раствора, добавляют 3-4 капли концентрированной соляной кислоты, перемешивают стеклянной палочкой и фильтруют. Осадок промывают водой (15-20 капель), подкисленной 2н раствором соляной кислоты.

Осадок (1) состава AgCl, PbCl₂, Hg₂Cl₂ анализируют. Фильтрат (1) содержит катионы I и III групп и некоторое количество катионов Pb²⁺. К фильтрату (I) приливают 12-15 капель раствора сульфата аммония, нагревают 5-6 минут на кипящей водяной бане, дают отстоятся 10 мин. И фильтруют. Осадок (II) обрабатывают 30% раствором ацетата аммония при нагревании до полного удаления сульфата свинца. После этого осадок (III) сульфатов BaSO₄, SrSO₄, СaSO₄ промывают два раза дистиллированной водой, переносят в фарфоровую чашку, добавляют 3-4 мл раствора карбоната калия и кипятят 5 минут, нагревая на асбестовой сетке маленьким пламенем газовой горелки. После охлаждения в фарфоровую чашку добавляют 2 мл воды, перемешивают, дают отстоятся и прозрачный слой жидкости сливают. Затем снова добавляют 3 мл раствора карбоната калия, опять нагревают 5 минут и фильтруют. Осадок промывают теплой водой до полного удаления ионов SO₄^2-. Осадок растворяют на фильтре (или в пробирке) в 10-12 каплях уксусной кислоты и разбавляют его 6-8 каплями дистиллированной воды. Катионы Ba⁺, Sr²⁺, Ca²⁺ открывают. Центрифугат (II) может содержать катионы Са²⁺, K⁺, NH₄⁺. Обнаружение их проводят частными реакциями.

Раствор с осадком.

В отдельной пробе раствора открывают катионы NH₄⁺, нагревая его со щелочью.

Раствор с осадком взбалтывают и делят на две части. Первую часть используют для анализа, а вторую оставляют для проверочных определений.

Анализируемая смесь может содержать катионы трех групп.

Осаждают катионы второй группы и исследуют осадок. Для этого в пробирку берут 30 -35 капель анализируемого раствора (вместе с осадком) и, помешивая, прибавляют 3-4 капли соляной кислоты. Проверяют на полноту осаждения. Осадок отделяют фильтрованием и промывают один раз водой, подкисленной несколькими каплями HCl.

Осадок на фильтре может содержать соли AgCl, PbCl₂, Hg₂Cl₂, BaSO₄, SrSO₄, СaSO₄, PbSO₄, а фильтрат (I) – катионы Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺, K⁺, NH₄⁺, Na⁺, Pb²⁺. Его анализируют, как указано при анализе смеси трех групп катионов без осадка.

Осадок (I) промывают на фильтре или в пробирке горячей водой (нагретой до кипения) 3-4 раза, фильтрат собирают и определяют катион Pb²⁺ частными реакциями.

После отделения хлорида свинца осадок переносят в пробирку.

Определение катионов Ag⁺ и [Hg₂]²⁺. К осадку (II) прибавляют 10-12 капель 25% раствора гидроксида аммония и размешивают. При этом хлорид серебра растворяется, переходя в комплексную соль [Ag(NH₃)₂]Cl , а хлорид ртути Hg₂Cl₂ (I) дает осадок [HgNH₂]Cl + Hg (черного цвета). Быстрое почернение смеси от действия гидроксида аммония указывают на наличие ртути.

Осадок (III) отделяют фильтрованием. В фильтрате (II) содержащем соль [Ag(NH₃)₂]Cl, открывают катион Ag⁺.

Определение катиона Pb²⁺ и проверочные реакции на катион [Hg₂]²⁺. Осадок (III) может содержать соли [HgNH₂]Cl + Hg, SrSO₄, CaSO₄, PbSO₄, BaSO₄.

Если обнаружены катионы Аg⁺, то их необходимо полностью удалить, для этого осадок 2-3 раза обрабатывают аммиаком до тех пор, пока фильтрат не даст отрицательную реакцию на катион Аg⁺. Осадок промывают водой, а затем добавляют 15-16 капель 30% ацетата аммония., перемешивают стеклянной палочкой и нагревают на водяной бане 3-4 минуты. При этом сульфат свинца и хлорид меркураммония [HgNH₂]Cl растворяются.

Осадок отделяют фильтрованием. В отдельной порции фильтрата (III) открывают катион Pb²⁺ при помощи хромата калия или иодида калия и катион [Hg₂]²⁺ восстановлением до свободной ртути. Если присутствует катион Pb²⁺, то обработку при помощи ацетата аммония повторяют до полного удаления сульфата свинца. Осадок промывают водой (один раз) и исследуют, как указано при описании систематического хода анализа смеси катионов первых трех групп.

Проведение анализа смеси данных катионов дробным методом не дает существенных преимуществ.

Лабораторная работа № 5

ТЕМА: Реакции и ход анализа смеси катионов группы гидроксидов, растворимых в растворах гидроксидов щелочных металлов (IV группа катионов)

К четвертой группе относятся катионы Al³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺, As⁺³, As⁺⁵, Sn²⁺, Sn⁴⁺. Алюминий, находясь в начале третьего малого периода Периодической системы Д.И. Менделеева, имеет законченные двух- и восьмиэлектронные слои внешней оболочки. Другие элементы в средней части четвертого большого периода, у них происходит достройка третьего электронного слоя от 8 до 18 электронов.

Хром является переходным элементом. Он находится в первой половине четвертого периода, в конце четвертого ряда и имеет несколько отличные свойства от всех остальных катионов этой группы. Он обладает выраженной способностью к комплексообразованию. Гидратированный гидроксид хрома по своим свойствам очень близок к гидратированному гидроксиду алюминия.

Цинк расположен во второй половине четвертого большого периода и имеет законченный 18-электронный слой.

Алюминий и цинк обладают постоянной, а остальные элементы переменной степенью окисления.

Групповым реагентом на катионы IV группы является гидроксид натрия или гидроксид калия (в избытке). Образующиеся гидроксиды амфотерны, т.е. способны диссоциировать в растворе и по типу основания, и по типу кислоты. Наблюдается также сложное явление диссоциации в связи с тенденцией к отщеплению молекулы воды:

Ме³⁺ + 3ОН^- « Ме(ОН)₃ « Н₂О + Н⁺ + МеО₂^-

Первая схема соответствует диссоциации в растворе гидроксида цинка, а третья схема отвечает диссоциации гидроксидов алюминия и хрома.

Кислота подавляет диссоциацию гидроксида по кислотному варианту и связывает ионы ОН^- в практически недиссоциированные молекулы воды. Поэтому равновесие смещается слева направо:

Al(OH)₃ + 3HCl ® AlCl₃ + 3H₂O

Al(OH)₃ + 3H⁺ ® Al³⁺ + 3H₂O

Сильная щелочь подавляет диссоциацию по типу основания и одновременно связывает ионы Н⁺ в Н₂О:

H₃CrO₃ + NaOH ® NaCrO₂ + 2H₂O

Хроматы и алюминаты устойчивы только в присутствии избытка гидроксидов. Большинство солей катионов IV группы подвергаются гидролизу, например:

Sn²⁺ +2H₂O « Sn(OH)₂ + 2H⁺

Al₂(CO₃)₃ + 3H₂O ® 2Al(OH)₃¯ +3CO

2ZnCO₃ + 2H₂O ® (ZnOH)₂CO₃¯ +H₂CO₃

Гидроксиды NaOH, КOH со всеми катионами IV группы (исключая мышьяк) образуют гидроксиды, растворяющиеся в избытке реагента:

CrCl₃ + 3NaOH ® Cr(OH)₃¯ + 3NaCl

Cr(OH)₃ + NaOH ® NaCrO₂ + 2H₂O

Опыт.Проверьте действие гидроксидов на катионы IV группы.

Возьмите пять пробирок и внесите в каждую по 1 капле раствора соответствующей соли (AlCl₃, CrCl₃, ZnCl₂, SnCl₂, Na₂HАsO₄), добавьте по 1 капле раствора гидроксида натрия или гидроксида калия, перемешайте стеклянной палочкой, отметьте образование и цвет осадков, напишите уравнения химических реакций.

Налейте в каждую из них по 2-3 капли раствора гидроксида натрия или гидроксида калия, перемешайте стеклянной палочкой и проверьте растворение осадков в избытке реактива.

Обратите внимание на то, что гидроксид хрома в присутствии катионов Zn²⁺ не рстворяется в избытке гидроксида натрия вследствии образования цинката хрома Cr(ZnO₂)₃ (или Cr₂O₃ × 3ZnO). Это явление носит название соосаждения и может быть использовано при анализе.

Растворимые карбонаты Na₂CO₃, K₂CO₃, (NH₄)₂CO₃ осаждают катионы Al³⁺, Cr³⁺, Sn²⁺, Sn⁺⁴ в виде соответствующих гидроксидов, катионы Zn²⁺ в виде основных солей. As⁺³, As⁺⁵ осадка не образуют:

2AlCl₃ + 3Na₂CO₃ ® Al₂(CO₃)₃ + 6NaCl

Al₂(CO₃)₃ + 3H₂O ® 2Al(OH)₃¯ +3CO₂­

Основные соли цинка растворяются в аммиаке в присутствии хлорида аммония NH₄Cl_.

Проведите реакции карбоната натрия с катионами Cr³⁺, Al³⁺, Zn²⁺, Sn²⁺, As³⁺.

Частные реакции катиона Al³⁺

1. Раствор аммиака осаждает катион Al³⁺:

Al³⁺ + 3OH^- ® 2Al(OH)₃

Гидроксид алюминия не растворяется в растворах солей аммония. Если алюминий находится в виде алюмината, то для осаждения его аммиаком необходимо разрушить алюминат, действуя какой-либо минеральной кислотой:

NaAlO₂ + 4HCl ® AlCl₃ + NaCl + 2H₂O

AlO₂^- + 4H⁺ ® Al³⁺ + 2H₂O

AlCl₃ + 3NH₄OH ® Al(OH)₃¯ +3NH₄Cl

Al³⁺+ 3OH^- ® Al(OH)₃

2. Ализарин и некоторые его производные образуют в аммиачной среде с гидроксидом алюминия труднорастворимое соединение ярко-красного цвета, называемое алюминиевым лаком. Реакцию выполняют капельным методом.

Опыт.На полоску фильтровальной бумаги нанесите 1-2 капли раствора хлорида алюминия, затем подержите 1-2 минуты над склянкой с концентрированным раствором аммиака.

Катион Al³⁺ осаждается в виде гидроксида Al(OH)₃. На полученное влажное пятно поместите каплю спиртового раствора ализарина и снова подержите в парах аммиака, при этом ализарин окрашивается в красновато-фиолетовый цвет, так как образуется ализаринат аммония. Для разрушения маскирующей окраски подсушите бумажку над пламенем горелки, окраска становится бледно-желтой, а пятно ализаринового лака приобретает розово-красный цвет. Присутствие катионов Cr³⁺, Zn²⁺, Sn²⁺, Fe³⁺ мешает открытию катиона Al³⁺ таким способом; определение катиона Al³⁺ в этом случае проводят следующим образом: на полоску фильтровальной бумаги помещают каплю раствора гексацианоферрата калия K₄[Fe(CN)₆], а затем в центр пятна вносят каплю исследуемого катиона Al³⁺ раствора. После этого получают пятно, состоящее из окрашенной центральной части и водянистого бесцветного кольца. Осадок содержит катионы Zn²⁺, Sn²⁺ и частично катион Cr³⁺, а катион Al³⁺ содержится в периферической части. Это пятно выдерживают над парами аммиака, который осаждает катион Al³⁺ в виде гидроксида. Затем пятно перечеркивают капилляром, содержащем ализарин, снова обрабатывают парами аммиака и высушивают, держа бумажку высоко над пламенем горелки. При наличии катиона Al³⁺ внешняя часть кольца в тех местах, которые перечеркнуты ализарином, окрашивается в оранжево-красный цвет. Проделайте эту реакцию.

3. Алюминон дает с катионом Al³⁺ внутрикомплексную соль, имеющую красную окраску.

Опыт.Возьмите 4-5 капель испытуемого раствора, поместите в пробирку и добавьте 2-3 капли 2 Н раствора уксусной кислоты и 4-5 капель раствора алюминона. Пробирку со смесью нагрейте на водяной бане, перемешайте, добавьте раствор аммиака до щелочной реакции, а затем 3-4 капли 2 Н раствора карбоната аммония (NH₄)₂CO₃. В этом случае имеется катион Al³⁺, выдает красный осадок или появляется красная окраска.

Условия проведения опыта.

1. Ионы Fe³⁺ и Bi³⁺ мешают проведению этой реакции.

2. Реакция протекает при рН = 8,5 – 9,5.

4. Реакция на катион Al³⁺ сухим путем.

Очень разбавленный раствор нитрата кобальта Co(NO₃)₂ дает с катионом Al³⁺ алюминат кобальта Сo(AlO₂)₂ имеющий синий цвет, называемый тенаровой синью:

2Al₂(SO₄)₃ + 2Co(NO₃)₂ ® 2Co(AlO₂)₂ + 6SO₃ +4NO₂­ + O₂­

Опыт.Возьмите полоску фильтровальной бумажки, смочите ее раствором и разбавленной азотной кислотой, подержите в токе теплого воздуха, смочите разбавленным раствором нитрата кобальта, а затем сожгите. При наличии катиона алюминия, пепел, который получается при сжигании, имеет темно-синюю окраску. Проведению этой реакции мешают катионы Zn²⁺, Cr³⁺, Cu²⁺, Ni²⁺.

Частные реакции катиона Cr³⁺

Хром образует два ряда устойчивых солей: соли оксида хрома и соли хромовой и двухромовой кислот. Растворы солей, содержащие катион Сr³⁺, имеют зеленую или фиолетовую окраску; растворы, имеющие хромат-ион CrO₄^2- - желтую; дихромат-ион CrО₇^2-- оранжевую.

1. Водный раствор аммиака образует с катионом Сr³⁺ oсадок гидроксида хрома Cr(OH)₃ серо-зеленого (или серо-фиолетового) цвета:

CrCl₃ + NH₄OH ® Cr(OH)₃¯ + 3NH₄Cl

Cr³⁺ + 3OH^- ® Cr(OH)₃

2 Гидроксид натрия дает также осадок гидроксида хрома:

CrCl + 3NaOH ® Cr(OH)₃¯ + 3NaCl

Cr³⁺ + 3OH^- ® Cr(OH)₃

При избытке гидроксидов натрия и калия гидроксид хрома растворяется с образованием хромита NaCrO₂, имеющего красивую ярко-зеленую окраску:

Cr(OH)₃ + NaOH ® NaCrO₂ +2H₂O

Cr(OH)₃ + OH^- « CrO₂^- +2H₂O

Хромит натрия в отличие от алюмината натрия NaAlO₂ гидролизуется водой с образованием гидроксида хрома:

_нагр.

NaCrO₂ +2H₂O « Cr(OH)₃¯ + NaOH

CrO₂^- +2H₂O « Cr(OH)₃¯ + OH^-

Опыт.Налейте в первую пробирку 3-4 капли раствора хлорида хрома CrCl₃, а во вторую 3-4 капли раствора хлорида алюминия AlCl₃, в каждую добавьте 10-12 капель 2 Н раствора гидроксида натрия и нагрейте. Обратите внимание, что в первой пробирке образовавшийся вначале осадок гидроксида хрома при дальнейшем добавлении щелочи растворяется, а при нагревании выпадает в виде серо-зеленой массы. Во второй пробирке выпавший осадок гидроксида алюминия растворяется в избытке гидроксида натрия, но при нагревании осадка не образуется. Опишите условия проведения реакции.

Реакция соосаждения. Гидроксиды натрия и калия при действии на катион Cr³⁺ в присутствии катиона Zn²⁺ образуют осадок цинката хрома, нерастворимого в избытке осадителя.

Проделайте данный опыт, взяв 3 капли раствора CrCl₃ и 3 капли ZnCl₂, перемешайте стеклянной палочкой и добавьте 10-12 капель гидроксида натрия. Опишите результаты и напишите уравнения реакции.

3. Реакции окисления катиона Cr³⁺в CrO₄^2- могут протекать в щелочной и кислой средах.

Окисление в щелочной среде можно проводить пероксидом водорода Н₂О₂ или пероксидом натрия Na₂O₂. Последовательный ход процесса:

CrCl₃ + 3NaOH ® Cr(OH)₃¯ +3NaCl

Cr³⁺ + 3OH^- ® Cr(OH)₃

Cr(OH)₃ + NaOH ® NaCrO₂ + 2H₂O

2NaCrO₂ + 3H₂O₂ +2NaOH ® 2Na₂CrO₄ + 4H₂O

2CrO₂^- + 3H₂O₂ +2OH^- ® 2CrO₄^2- + 4H₂O