Анализ смеси катионов I-VI аналитических групп

Тольяттинский государственный университет

Институт Химии и Инженерной Экологии

Кафедра «Химия и химические технологии и процессы»

Лабораторная работа

Анализ смеси катионов I-VI аналитических групп

по дисциплине: аналитическая химия

Студент: Щеголева А.И.

Преподаватель: к.х.н., доцент, Писарева В. С.

Тольятти, 2014 г.

Теоретические основы

Понятие об аналитических группах и классификации катионов

Качественный анализ, как правило, основывается на химических превращениях, при которых исследуемое вещество образует новое соединение, обладающее характерными свойствами: цветом, специфическим запахом, физическим состоянием, структурой и др. Такие превращения называют качественной аналитической реакцией, а вещества, вызывающие это превращение, называют реагентами (реактивами). Основные типы реакций, используемых в качественном анализе, - это кислотно-основное взаимодействие, реакции осаждения, окисления-восстановления и образования комплексных соединений.

Для обеспечения получения наиболее полной информации о качественном составе образца (неорганических веществ) ионы делят на группы. Классификация катионов и анионов по аналитическим группам основана на отношении ионов к действию реагентов, на сходстве и различии признаков образуемых соединений. Разработан ряд классификационных систем, основанных на применении тех или иных групповых реагентов: кислотно-основная, сероводородная, аммиачно-фосфатная и др.

В данном лабораторном практикуме используется кислотно-основная классификация (табл.1).

Таблица 1 Кислотно-основная классификация катионов

Номер аналитической группыГрупповой реагентКатионыIHClAg+ , [Hg2]2+, Pb2+ и другие катионы, хлориды которых малорастворимы в водеIIH2SO4Ca2+ Sr2+ Ba2+ и другие катионы, сульфаты которых малорастворимы в водеНомер аналитической группыГрупповой реагентКатионыIIINaOHZn2+, Al3+, Cr3+, Sn2+, Sn4+, As (III), As (V) и другие катионы, гидроксиды которых растворимы в щелочах IVNaOHMg2+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Bi3+ и другие катионы, гидроксиды которых растворимы в аммиакеVNH4OHCu2+, Hg2+, Cd2+, Co2+, Ni2+ и другие катионы, гидроксиды которых нерастворимы в щелочахVIОтсутствуетK+, Na+, NH+4 и другие катионы, соли которых хорошо растворимы в воде

Порядок проведения анализа, осмотр образца и подготовка пробы. Метод квартования

Существует два способа проведения химических реакций. В качественном анализе используются реакции, которые проводят сухим способом. Известно, что некоторые вещества (их пары) окрашивают бесцветное пламя горелки в характерный цвет или придают определенную окраску плаву (перлу), полученному при нагревании вещества с тетраборатом натрия в ушке платиновой проволоки.

Реакции сухим способом осуществляют также путем растирания порошков исследуемого вещества и сухого реагента, при этом, как правило, образуются легко летучие продукты с характерным запахом или иными свойствами.

Однако чаще всего реакции химического анализа проводят в растворе, то есть анализ проводят мокрым способом. В качественном анализе неорганических веществ преимущественно исследуют растворы солей, кислот и оснований, которые в водных растворах находятся в диссоциированном состоянии. Поэтому химический анализ водных растворов электролитов сводится к открытию отдельных ионов (катионов и анионов).

Для приготовления раствора пробы используют метод отбора средней пробы - квартование. Он состоит в том, что проба <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0%B0_(%D0%B7%D0%BD%D0%B0%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F)>, отобранная из различных мест, смешивается и рассыпается ровным слоем. После чего она делится накрест на 4 части (квартуется), из них две противоположные удаляются, а две оставшиеся вновь перемешиваются и снова делятся на 4 части. Так поступают, пока количество материала не уменьшится до необходимого для анализа.

Предварительный анализ

Наличие некоторых катионов определяется в предварительных испытаниях, основанных на специфичных реакциях, на протекание которых не оказывает воздействие присутствие в растворе других катионов.

Примеры некоторых предварительных испытаний приведены в Таблице 2.

Таблица 2 Предварительные испытания на катионы

КатионХимическая реакцияАналитический эффектNHК нескольким каплям раствора соли (к нескольким кристалликам сухой соли) прибавляют 0.5 мл 2Н раствора NaOH, смесь нагревают (1).Выделение газа с характерным запахом NHК нескольким каплям полученного раствора (1) добавляют 3-5 капель реактива НесслераРаствор окрашивается в желто-бурый цвет[Hg2]2+Восстановление на медной пластинеПоверхность становится зеркальнойК+Реакция окрашивания пламениФиолетовая окраска Na+Реакция окрашивания пламениЖелтая окраскаСа2+Реакция окрашивания пламениКирпично-красная окраскаSr2+Реакция окрашивания пламениКарминово-красная окраскаBа2+Реакция окрашивания пламениЖелто-зеленая окраска

Систематический анализ. Методика

Систематическим называют полный анализ исследуемого объекта, осуществляемый путем разделения исходной пробы на несколько групп в определенной последовательности на основе сходства и различий их аналитических свойств. Методика проведения анализа:

1. Осмотр образца

При осмотре образца (твердый) обратите внимание на окраску образца и его составляющих. Отсутствие окраски свидетельствует об отсутствии ионов [Hg2]2+, Cr3+, Fe3+, Cu2+, Co2+, Ni2+.

. Предварительный анализ

Наличие в образце Sn2+ обнаруживают в отдельной порции образца реакцией с висмутатом натрия - появление черного осадка указывает на наличие двухвалентного олова.

Наличие в образце Bi3+ обнаруживают в отдельной порции образца реакцией с станитом натрия - появление черного осадка указывает на наличие катионов висмута (Bi3+).

Обнаружение ионов NH4+ в отдельной порции образца реакцией с NaOH при нагревании по выделению газообразного аммиака.

Открытие катионов Fe2+ проводят с помощью качественной реакции с гексацианоферратом калия (K3[Fe(CN)6] - образование осадка «турнбулевой сини» свидетельствует о присутствии Fe2+

Открытие катионов Fe3+ проводят с помощью качественной реакции с гексацианоферритом калия (K4[Fe(CN)6] - образование осадка «берлинской лазури» свидетельствует о присутствии Fe3+.

Открытие Cr3+ проводят в отдельной порции раствора путем окисления иона Cr3+ в CrO42- в щелочной среде при действии пероксида водорода и превращения CrO42- в надхромовую кислоту H2CrO6.

Открытие Mn2+ проводят в отдельной порции раствора образца, используя реакцию окисления Mn2+ в MnO4-.

. Отделение катионов II аналитической группы

Анализируемый раствор (0,5-1 мл) помещают в пробирку, добавляют по каплям 6М HCl, через 5-10 минут если выпадает осадок, то его отделяют центрифугированием. Осадок промывают дистиллированной водой с добавлением нескольких капель 6М HCl, получают:

Осадок 1Раствор 1AgCl, PbCl2, Hg2Cl2Катионы I, III, IV, V, VI групп

. Открытие ионов Pb2+

К осадку 1 добавляют дистиллированной воды и нагревают до кипения, при этом PbCl2 растворяется. Затем декантируют порцию горячего раствора (или отфильтровывают через бумажный фильтр около 0,5 мл) в чистую пробирку и проводят реакцию золотого дождя.

Осадок 1 отмывают от PbCl2 горячей водой, затем обрабатывают 25%-ным раствором аммиака и хорошо перемешивают смесь; при наличии ионов ртути осадок моментально чернеет:

Осадок 2Раствор 2Hg + NH2HgCl2[Ag(NH3)2]+

В растворе 2 обнаруживают ионы серебра, подкислив раствор азотной кислотой и проведя какую-либо характерную реакцию на Ag+. Осадок 2 не анализируется.

. Отделение катионов III аналитической группы

К раствору 1 добавляют при нагревании 1М раствор H2SO4, охлаждают и центрифугируют, получают:

Осадок 3Раствор 3CaSO4, SrSO4, BaSO4, может присутствовать PbSO4, Ca2+Катионы I, IV, V, VI групп, может присутствовать часть ионов

. Превращение сульфатов CaSO4, SrSO4, BaSO4 в карбонаты CaСO3СO3, BaСO3, при наличии ионов свинца в образце, предварительно осадок 3 обрабатывают 30%-ным раствором ацетата натрия или аммония, нагревают до кипения и центрифугируют, раствор не анализируют; к осадку добавляют насыщенный раствор Na2CO3 и кипятят полученную смесь, затем осадок центрифугируют, промывают дважды водой. Полученные карбонаты обрабатывают 2М раствором уксусной кислоты - получают раствор 4.

. Обнаружение и отделение ионов бария

К нескольким каплям раствора 4 добавляют CH3COONa и K2Cr2O7 (раствор должен быть желтым). Образование желтого осадка BaCrO4 указывает на присутствие ионов бария в образце. Если осадок образовался, то ко всему раствору 4 добавляют CH3COONa до рН = 5-6, затем по каплям - раствор K2Cr2O7 до тех пор, пока раствор не окрасится в оранжево-желтый цвет. Осадок отделяют центрифугированием (не исследуется), получают раствор 5. Ионы Sr2+,Ca2+ и избыток K2Cr2O7

От избытка K2Cr2O7 освобождают раствор следующим образом: к раствору добавляют Na2CO3 (тв.) до рН меньше 10, смесь нагревают почти до кипения и при наличие ионов Sr2+,Ca2+ образуется осадок, который отделяют центрифугированием.

Осадок 4РастворCaСO3, SrСO3Раствор не исследуется

. Отделение ионов Sr2+ и их обнаружение

Осадок 4 растворяют в нескольких каплях 2М CH3COOН и, если раствор не совсем прозрачен, осадок (муть) отделяют центрифугированием и отбрасывают, получают раствор 5. К 2-3 каплям раствора 5 добавляют 3-4 капли насыщенного раствора (NH4)2SO4 и нагревают до кипения. Появление осадка (SrSO4) будет свидетельствовать (мути) о наличии в растворе ионов стронция. Если ионы Sr2+ присутствуют, то ко всему раствору прибавляют избыток (NH4)2SO4 и несколько капель NH4OH, смесь нагревают, получают:

Осадок 5Раствор 6SrSO4 (не исследуется)ионы Ca2+

9. Обнаружение ионов Ca2+

В растворе 6 ионы Ca2+ обнаруживают по капельной реакции с родизонатом натрия. На фильтровальную бумагу наносят 1-2 капли раствора 6, затем наносят на пятно 2-3 капли раствора щелочи и обрабатывают полученную на бумаге гидроокись кальция свежеприготовленным раствором родизоната натрия (Na2C6O6).

В присутствии ионов кальция в растворе появляется фиолетовое пятно, которое исчезает при нанесении на него раствора HCl.

. Отделение катионов IV-VI групп

Раствор 3 делят на две части. К одной части раствора добавляют по каплям концентрированный раствор NH4OH до слабощелочной реакции. Образуется осадок, который отделяют центрифугированием.

Осадок 6Раствор 7Гидроксиды, основные соли, карбонаты катионов IV-VI группКатионы I группы

. Обнаружение ионов Na+, K+

Раствор 7 делят на две части. К одной из них добавляют 1М раствор Na2CO3 и кипятят до полного удаления солей аммония.

Осадок отделяют центрифугированием и отбрасывают.

Раствор нейтрализуют до рН = 4-5 2М СН3СООН и обнаруживают ионы К+ реакцией с Na3[Co(NO2)6]. К другой части раствора добавляют 1М раствор K2CO3 и кипятят до полного удаления солей аммония.

Осадок отделяют центрифугированием и отбрасывают.

Раствор нейтрализуют до рН = 7 2М СН3СООН и обнаруживают ионы Na+ реакцией с KH2SbO4.

. Отделение катионов IV группы от катионов V-VI групп

К осадку 6 добавляют несколько капель 3%-ного раствора пероксида водорода и обрабатывают 10%-ным раствором NaOH (избыток - до щелочной реакции), нагревают и тщательно перемешивают. Избыток H2O2

Удаляют кипячением. Полученную смесь центрифугируют.

Осадок 7Раствор 8Fe(OH)3,H2MnO3,Co(OH)3,Cd(OH)2, Ni(OH)2, Cu(OH)2, Mg(OH)2, Bi(OH)3, HgOКатионы I группы AlO2-, ZnO22-, SnO32-, CrO42- - ионы

13. Отделение ионов Al3+ и Sn(IV) в виде гидроксидов

К раствору 8 добавляют небольшими порциями кристаллический NH4Cl и упаривают раствор до небольшого объема. Полученную смесь центрифугируют.

Осадок 8Раствор 9Al(OH)3, Sn(OH)4[Zn(NH3)4]2+, CrO42-

. Открытие ионов Al3+ и Sn (IV)

Осадок 8 обрабатывают 2М раствором HCl. Полученный раствор делят на две части. В каждой порции раствора открывают ионы Al3+ и [SnCl6]2-:

К одной части раствора приливают несколько капель 25%-ного раствора аммиака (реакцию ведут в аммиачной среде. Мешают проведению реакции ионы Cr3+, Zn2+, Fe3+, Sn (II) и добавляют 4-5 капель раствора ализарина. Образование ализаринового лака (розовато-красный осадок) будет наблюдаться в присутствии ионов Al3+.

В другой части раствора обнаруживают ионы олова. Предварительно восстанавливают Sn(IV) до Sn(II) металлическим магнием или железом:

[SnCl6]2- + Fe = Sn2+ + 6Cl- + Fe2+

Затем в чистую пробирку берут порцию раствора, содержащего Sn2+, и приливают несколько капель свежеприготовленного висмутата натрия NaBiO2 (реакции проводят в щелочой среде).

. Обнаружение ионов Zn2+

К раствору 9 добавляют несколько капель концентрированного раствора Na2CO3 и нагревают до полного удаления аммиака. Полученную смесь центрифугируют. Получают раствор(не исследуется) и осадок, в котором открывают ионы цинка, для этого к осадку добавляют дитизон. Появление красной окраски органического и водного слоя будет наблюдаться в присутствии ионов цинка.

. Отделение катионов V группы от катионов VI группы

К осадку 7 добавляют при нагревании концентрированный раствор NH4OH. Полученную смесь центрифугируют.

Осадок 9Раствор 10Mg(OH)2, Mn(OH)2, Bi(OH)3, Fe(OH)3, Fe(OH)2Аммиакаты Cd2+, Hg2+, Co2+, Ni2+, Cu2+

17. Отделение и обнаружение ионов Mg2+

К осадку 9 добавляют 2М NH4Cl и 3%-ный раствор Н2О2. Полученную смесь центрифугируют

Осадок 10 Раствор 11MnО(OH)2, Mn(OH)2, Fe(OH)3, Bi(OH)3Mg2+

В растворе 11 обнаруживают Мg2+ по реакции с 8-оксихинолином. Образование желто-зеленного осадка свидетельствует о присутствие ионов магния.

. Осадок 10 промывают и обрабатывают2М раствором HNO3 и концентрированным раствором Н2О2. Появление фиолетово-розовой окраски свидетельствует, что в растворе присутствует марганец (MnO4-). Смесь центрифугируют - получают:

Осадок 11Раствор 12Mn(OH)4Fe(NO3)3, Bi(NO3)3

19. Обнаружение висмута Bi3+

К раствору 12 добавляют 2М раствор NH4OH до появления осадка BiOCl. Осадок отделяют и обрабатывают станнитом натрия (соль олова + раствор щелочи до растворения). При восстановлении Bi3+ появляется черный осадок металлического висмута.

. Разрушение аммиакатов VI группы

К раствору 10 добавляют до кислой реакции 1М раствор H2SO4 , затем при нагревании концентрированный раствор Na2S2O3. Полученную смесь центрифугируют.

Осадок 12Раствор 13Cu2S, SNiSO4, CdSO4, CoSO4

. Отделение и обнаружение Cu2+

Осадок 12 обрабатывают при нагревании 2М раствором азотной кислоты. Полученную смесь центрифугируют. В растворе обнаруживают медь по реакции с раствором аммиака.

. Обнаружение Co2+, Ni2+, Cd2+

Раствор 13 делят на три части. В одной из них открывают кобальт реакцией с роданидом аммония (реакцию ведут при избытке реагента в присутствии амилового спирта). Во второй - никель реакцией с диметилглиоксимом (реакцию ведут в аммиачной среде при рН = 6-9) . В третьей - при рН = 0,5 осаждают желтый осадок CdS сероводородом.

катион проба сульфат барий

Химический анализ образца

Индивидуальный образец №16

Цель работы: освоить методику проведения качественного химического анализа смеси катионов I-VI групп.

Задачи:.Осмотр образца..Подготовка образца к анализу методом квартования..Проведение предварительного анализа образца..Проведение систематического анализа образца..Установление результата и выводы о проделанной работе.

Осмотр образца.

Образец представляет собой белый порошок, содержащий кристаллы разного размера и формы, из чего можно сделать вывод, что в смеси отсутствуют цветные катионы Cr3+, Ni2+, Co2+, Cu2+ и Fe3+. Образец частично растворяется в воде, образование хлопьевидного осадка не наблюдается, из чего можно сделать вывод об отсутствии в смеси ионов Sn2+ и Bi3+. При прокаливании образца можно отчетливо заметить окрашивание пламени в фиолетовый цвет, что свидетельствует о наличии ионов K+.

Подготовка образка к анализу методом квартования.

Для проведения дальнейшего анализа необходимо приготовить раствор образца. Для этого высыпаем ровным слоем образец на лист чистой фильтровальной бумаги и делим на четыре части (квартуем), из них две противоположные удаляем, а две оставшиеся перемешиваем, затем квартуем еще раз. Отобранную пробу растворяем в дистиллированной воде.

Предварительный анализ.

.К отдельной порции раствора образца добавляем 1 M раствор соляной кислоты. Выпадение белого осадка свидетельствует о наличии катионов II аналитической группы. Т.к. для выполнения учебной работы не использовались ионы ртути и серебра, делаем вывод о наличии в образце катионов Pb2+.

Pb2+ + Cl- ? PbCl2?

.К отдельной порции раствора образца добавляем 1 М раствор серной кислоты. Выпадение белого осадка свидетельствует о возможном наличии в образце катионов III аналитической группы. Возможно, также, что мы наблюдаем осадок PbSO4. Наличие ионов III аналитической группы следует подтвердить в систематическом анализе.

Ca2+(Sr2+/Ba2+) + SO42- ? CaSO4(SrSO4/BaSO4)?2+ + SO42- ? PbSO4?

.Растворяем порцию образца в избытке раствора щелочи NaOH. Наблюдается образование осадка телесного цвета, темнеющего на воздухе. Очевидно, в образце присутствуют ионы Mn2+:

Mn2+ + 2OH- ? Mn(OH)2?

Mn(OH)2 + O2 ? MnO(OH)2 ? MnO2? + H2O

телесный цвет

К щелочному раствору образца приливаем свежеприготовленный раствор висмутата натрия. Если бы в образце присутствовали соли Sn2+, то мы бы наблюдали выпадение черного осадка металлического висмута:

5Sn2+ + 2NaBiO3 + 18NaOH ? 2Bi? + 5Na2SnO3 + 9H2O + 10Na+5+ +5e ? Bi0 5 2Ox2+ -2e ? Sn4+ 2 5Red

Однако выпадение черного осадка не наблюдается. В смеси отсутствуют катионы Sn2+.

.Вновь растворяем порцию образца в избытке щелочи и добавляем свежеприготовленный раствор станнита натрия. Если бы в образце присутствовали соли Bi3+, то мы бы наблюдали выпадение черного осадка металлического висмута:

2Bi3+ + 3Na2SnO2 + 6NaOH ? 2Bi? + 3Na2SnO3 + 3H2O + 6Na+3+ +3e ? Bi0 3 2Ox2+ -2e ? Sn4+ 2 3Red

Однако осадок не наблюдается, следовательно, соли висмута в образце отсутствуют.

.К порции раствора образца добавляем щелочь и нагреваем раствор до кипения. Чувствуется характерный запах аммиака, пары окрашивают индикаторную бумагу в малиновый цвет:

NH4+ + NaOH ? NH3? + Na+ + H2O

Проверим реакцию с реактивом Несслера:

NH4+ + 2K2HgI4 + 3NaOH ? [OHg2NH2]I? + 4KI + 3NaI + 2H2O + H+

красно-коричневый осадок

Наблюдаем образование осадка красно-коричневого цвета, что подтверждает наличие в образце ионов аммония.

.Для выявления в смеси ионов двухвалентного железа приливаем к порции образца раствор красной кровяной соли, предварительно создав кислую среду добавлением к образцу соляной кислоты. Если бы в образце наличествовали соли двухвалентного железа, то мы бы наблюдали образование осадка турнбулевой сини:

Fe2+ + K3[Fe(CN)6] ? KFe[Fe(CN)6]? + 2K+

Однако образования турнбулевой сини не наблюдается. Делаем вывод об отсутствии ионов Fe2+.

.Для выявления в смеси ионов трехвалентного железа приливаем к порции образца раствор желтой кровяной соли, предварительно создав кислую среду добавлением к образцу соляной кислоты. Если бы в образце наличествовали соли двухвалентного железа, то мы бы наблюдали образование осадка берлинской лазури:

Fe3+ + K4[Fe(CN)6] ? KFe[Fe(CN)6]? + 3K+

Образования берлинской лазури не наблюдается. Делаем вывод об отсутствии ионов Fe3+.

.Чтобы убедиться в отсутствии ионов Cr3+, к образцу, растворенному в щелочи, добавили пероксид водорода. Раствор приобрел желтый цвет, что может свидетельствовать об образовании хромата CrO42-:

Cr3+ + 3H2O2 + NaOH ? HCrO4 + 3H2O + Na+

жёлтый цвет3+ -3e ? Cr6+ 31Red- +1e ? O2- 1 3Ox

Известно, что в кислой среде хроматы переходят в дихроматы. При добавлении избытка серной кислоты до кислой реакции среды появления оранжевой окраски, характерной для дихроматов, не наблюдается.

CrO42- + 2H+ ? Cr2O72- + H2O

оранжевый цвет

Следовательно, ионы хрома в образце отсутствуют.

.Открытие Mn2+ проводят, используя реакцию окисления Mn2+ в MnO4-, имеющего малиновую окраску. Окисление проводим висмутатом натрия в кислой среде. Сначала готовим раствор висмутата натрия реакцией соли висмута с пероскидом водорода в щелочной среде:

Bi(NO3)3 + H2O2 + 4NaOH ? NaBiO3 + 3NaNO3 + 3H2O3+ -2e ? Bi5+ 21Red- +1e ? O2- 1 2Ox

Затем приливаем концентрированную азотную кислоту (pH=3) и полученный раствор добавляем к раствору образца. Должно произойти окисление иона Mn2+ до перманганат-иона:

2Mn2+ + 5NaBiO3 + 14HNO3 ? 2NaMnO4 + 4Bi(NO3)3 + Bi3+ + 3Na+ + 7H2O

малиновый цвет

Mn2+ -5e ? Mn7+ 5 2Red

Bi5+ +2e ? Bi3+ 2 5Ox

Окрашивания раствора в малиновый цвет не наблюдается. Наличие иона Mn2+ вызывает сомнения, его присутствие должно быть установлено в систематическом анализе. Результат по предварительному анализу.

Возможно присутствуют: Pb2+, NH4+, K+.

Отсутствуют: Cr3+, Ni2+, Co2+, Cu2+, Fe3+, Fe2+.

Необходим повторный анализ: Mn2+, катионы III группы, Sn2+, Bi3+.

Систематический анализ

Для проведения систематического анализа приготовили отдельную порцию раствора образца, предварительно проведя квартование.

.Отделение катионов II аналитической группы.

В 1 мл раствора образца добавили по каплям концентрированную HCl. Выпал осадок белого цвета, содержащий катионы II аналитической группы.

Pb2+ + 2Cl- ? PbCl2?

Осадок отделили центрифугированием.

Осадок 1Раствор 1

PbCl2Катионы I, III, IV, V и VI групп

.Открытие ионов Pb2+

К осадку 1 добавляем дистиллированной воды и нагреваем до кипения, чтобы осадок растворился. Затем проводим реакцию «золотого дождя». Приливаем к раствору KJ, после чего выпадает мутный желтый осадок.

Pb2+ + 2I- ? PbI2?

Затем добавляем немного уксусной кислоты и нагреваем до растворения осадка. Уксусная кислота необходима для предотвращения гидролиза, который происходит при смешивании соли свинца с водой:

Pb2+ + H2O ? PbOH+ + H+

При быстром охлаждении раствора получаются золотистые блестки иодида свинца. Следовательно, в образце содержатся катионы Pb2+.

.Отделение катионов III аналитической группы

К раствору 1 добавляем 1М серную кислоту при нагревании, затем охлаждаем. При наличии катионов III группы должен выпадать осадок сульфатов:

Ca2+(Sr2+/Ba2+) + SO42- ? CaSO4(SrSO4/BaSO4)?

Осадок не выпадает, можно сделать вывод об отсутствии в образце катионов III аналитической группы (Ca2+, Ba2+, Sr2+).

.Отделение катионов IV-VI групп

К раствору 1 (содержит катионы I, IV, V, VI групп) добавляем по каплям концентрированный раствор аммиака до слабощелочной реакции (проверяем индикаторной бумагой). Образуются осадки гидроксидов (или основных солей) катионов IV-VI групп:

Zn2+ + 2NH4OH ? Zn(OH)2? + 2NH4+

Mg2+ + 2NH4OH ? Mg(OH)2? + 2NH4+2+ + NH4OH + Cl- ? CdOHCl? + NH4+

Осадок отделяем центрифугированием. Получаем:

Раствор 2 Осадок 2

Катионы I группы Катионы IV-VI групп

(гидроксиды и основные соли)

Катионы первой группы были обнаружены в предварительном анализе. Наличие катионов аммония было установлено качественной реакцией с реактивом Несслера. Катионы натрия, при их наличии, хорошо видно при прокаливании над пламенем горелки: пламя окрашивается в ярко-желтый цвет. В предварительном анализе подобного окрашивания не наблюдалось, следовательно ионы натрия в смеси отсутствуют. Ионы калия окрашивают пламя в фиолетовый цвет, что отчетливо наблюдалось в предварительном анализе. Чтобы полностью убедиться в их наличии, проведем качественную реакцию на калий с кобальтинитритом натрия Na3[Co(NO2)6]. При наличии ионов калия должен образоваться желтый кристаллический осадок:

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

Для проведения реакции добавляем в раствор 2 уксусную кислоту 1М до кислой реакции среды, затем приливаем раствор кобальтинитрита натрия. Наблюдается образование желтого осадка, что свидетельствует о наличии в смеси ионов калия.

Переходим к анализу осадка 2, содержащего ионы IV-VI групп, а именно:

IV группы - Zn2+, Al3+, Sn2+ (Cr3+ отброшен в ходе предварительного анализа и осмотра образца);

V группы - Mg2+, Mn2+, Bi3+ (Fe2+ и Fe3+ были отброшены в ходе предварительного анализа);

VI группы - Cd2+ (Cu2+, Co2+ и Ni2+ были отброшены в ходе осмотра образца).

.Отделение катионов IV группы

К осадку 2 добавляем 3%-ный раствор пероксида водорода в щелочной среде. Нагреваем до кипячения и наблюдаем бурное выделение газа. Кипятим до тех пор, пока газ не перестает выделяться, чтобы избавиться от избытка пероксида. Наблюдаем выпадение темно-коричневого осадка. Т.к. гидроксиды алюминия и цинка обладают амфотерными свойствами, они вступают реакции со щелочью, образуя растворимые алюминат и цинкат натрия:

Zn(OH)2 + 2NaOH ? Na2ZnO2 + 2H2O

Zn(OH)2 + 2OH- ? ZnO22- + 2H2O

Al(OH)3 + NaOH ? NaAlO2 + 2H2O(OH)3 + OH- ? AlO2- + 2H2O

Гидроксид олова в окисляется пероксидом водорода, образуя станнат(IV) натрия:

Sn(OH)2 + H2O2 + 2NaOH ? Na2SnO3 + 3H2O2+ -2e ? Sn4+ 2 1Red- +1e ? O2- 1 2Ox(OH)2 + H2O2 + 2OH- ? SnO32- + 3H2O

Нерастворимые осадки гидроксидов катионов V-VI групп отделяем центрифугированием. Получаем:

Осадок 3 Раствор 3

Mg(OH)2, Mn(OH)2, Bi(OH)3, Cd(OH)2AlO2-, ZnO22-, SnO32-

.Отделение ионов Al3+ и Sn(IV) в виде гидроксидов

К раствору 3 добавляем небольшими порциями кристаллический NH4Cl и упариваем до небольшого объема.

AlO2- + NH4Cl + H2O ? Al(OH)3?+ NH3? +Cl-33- + 2NH4Cl + H2O ? Sn(OH)4? + 2NH3? + 2Cl-22- + 4NH4Cl ? [Zn(NH3)4]2+ + 2H2O + 4Cl-

При этом образуются осадки гидроксидов алюминия и олова(IV), ионы цинка же остаются в растворе в виде образовавшегося аммиачного комплекса, хорошо растворимого в воде.

Осадок отделяем центрифугированием, получаем:

Осадок 4 Раствор 4

Al(OH)3, Sn(OH)4 [Zn(NH3)4]2+

.Открытие ионов Al3+ и Sn4+

Осадок 4 обрабатываем 2М раствором HCl. При этом осадок растворяется:

Al(OH)3 + 3H+ ? Al3+ + H2O

Sn(OH)4 + 6HCl ? [SnCl6]2- + 4H2O + 2H+

Делим раствор на две части, в первой обнаруживаем ионы алюминия. Приливаем 25%-ный раствор аммиака и добавляем несколько капель ализарина. Если в растворе присутствуют катионы Al3+, то будет наблюдаться образование осадка ярко-красного цвета (ализариновый лак):

Однако изменения цвета раствора не наблюдалось, что свидетельствует об отсутствии в смеси ионов алюминия.

Во второй части раствора обнаруживаем ионы олова. Для этого их предварительно восстанавливаем до Sn2+ металлическим железом.

[SnCl6]2- + Fe0 ? Sn2+ + 6Cl- + Fe2+

Fe0 - 2e ? Fe2+ 2 1Red4+ +2e ? Sn2+ 2 1Ox

Затем в отдельную пробирку берем порцию раствора с ионами Sn2+ и приливаем несколько капель свежеприготовленного висмутата натрия. Если катионы олова имеются в растворе, то произойдет их окисление с восстановлением металлического висмута:

3Sn2+ + 2NaBiO2 + 10NaOH ? 2Bi? + 3Na2SnO3 + 5H2O + 6Na+3+ +3e ? Bi0 3 2Ox2+ -2e ? Sn4+ 2 3Red

Однако образования черного осадка не наблюдается, что подтверждает отсутствие ионов олова в смеси.

.Обнаружение ионов Zn2+

К раствору 4 добавляем несколько капель насыщенного раствора карбоната натрия и нагреваем до полного удаления аммиака.

[Zn(NH3)4]2+ + Na2CO3 + H2O ? 2Na+ + Zn(OH)2? + 4NH3? + CO2?

После центрифугирования получаем белый осадок гидроксида цинка, полученный раствор не исследуется.

К осадку добавляем дитизон. В присутствии ионов цинка должно наблюдаться ярко-красное окрашивание раствора:

ярко-красный

Однако изменения цвета раствора не произошло, что свидетельствует об отсутствии ионов цинка в смеси.

.Отделение катионов V группы от катионов VI группы

К осадку 3, предположительно содержащему гидроксиды Mg2+, Mn2+, Bi3+ и Cd2+, добавляем концентрированный раствор аммиака. При этом гидроксид кадмия растворяется, переходя в аммиакат:

Cd(OH)2 + 4NH4OH ? [Cd(NH3)4]2+ + 4H2O

Полученный раствор отделяем центрифугированием.

Осадок 5 Раствор 5

Mg(OH)2, Mn(OH)2, Bi(OH)3 [Cd(NH3)4]2+

10.Обнаружение ионов Cd2+

Разрушаем аммиакат реакцией раствора 5 с серной кислотой при нагревании:

[Cd(NH3)4]2+ + SO42- ? Cd2+ + 4NH3? + SO42-

Приливаем еще концентрированного раствора серной кислоты до pH<1, затем добавляем по каплям раствор Na2S. Наблюдаем осаждение желтый осадка сульфида кадмия:

Cd2+ + S2- ? CdS?

Реакция свидетельствует о наличии в смеси ионов кадмия.

.Отделение и обнаружение ионов Mg2+

К осадку 5 добавляем 2М раствор NH4Cl и пероксид водорода, при этом гидроксид магния переходит в раствор:

Mg(OH)2 + NH4Cl ? Mg2+ + NH4OH + Cl-

Полученную смесь центрифугируем.

Осадок 6 Раствор 6

Mn(OH)2, Bi(OH)3Mg2+

В растворе 6 обнаруживаем катион магния по реакции с 8-оксихинолином.

желто-зеленый осадок

Образование желто-зеленого мутного раствора свидетельствует о наличии в смеси ионов Mg2+.

.Обнаружение ионов Mn2+

Обрабатываем осадок 6 раствором HNO3 с концентрированным раствором пероксида водорода. При этом происходит окисление иона марганца(II) в марганец (IV):

Mn(OH)2 + 2H2O2 + 2H+ ? Mn(OH)4? + 2H2O

В то время как катионы висмута переходят в раствор:

Bi(OH)3 + 3HNO3 ? Bi(NO3)3 + 3H2O(OH)3 + 3H+ ? Bi3+ + 3H2O

Смесь центрифугируем, получаем:

Осадок 7 Раствор 7

Mn(OH)4 Bi(NO3)3

Для обнаружения катионов марганца в осадке 7 используется реакция их окисления до перманганат-иона, имеющего малиновую окраску. Окисление проводим свежеприготовленным раствором висмутата натрия с добавлением азотной кислоты:

2Mn2+ + 5NaBiO3 + 14HNO3 ? 2NaMnO4 + 4Bi(NO3)3 + Bi3+ + 3Na+ + 7H2O

малиновый цвет

Mn2+ -5e ? Mn7+ 5 2Red

Bi5+ +2e ? Bi3+ 2 5Ox

Наблюдается образование бледно-малинового раствора, что свидетельствует о присутствии в смеси ионов марганца.

.Обнаружение ионов Bi3+

К раствору 7 добавляем свежеприготовленный станнит натрия. При наличии ионов висмута должен образоваться черный осадок металлического висмута:

2Bi3+ + 3Na2SnO2 + 6NaOH ? 2Bi? + 3Na2SnO3 + 3H2O + 6Na+3+ +3e ? Bi0 3 2Ox2+ -2e ? Sn4+ 2 3Red

Однако осадок не наблюдается, следовательно, соли висмута в образце отсутствуют.

Заключение

В результате проведенной контрольной работы была освоена методика систематического анализа смеси катионов различных аналитических групп. Был проведен осмотр образца, после чего были сделаны выводы об отсутствии в нем солей цветных катионов; был освоен метод квартования в качестве способа подготовки образца к качественному анализу. Затем был проведен предварительный анализ образца, в ходе которого были открыты некоторые катионы, определение которых возможно в присутствии других групп. Так были открыты NH4+ и K+. В ходе систематического анализа проводилось раздельное определение каждого катиона на основании свойств групп и индивидуальных качественных реакций. В результате были обнаружены 6 катионов.

Обнаруженные катионы: NH4+, K+, Pb2+, Mn2+, Cd2+, Mg2+.