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

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, 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

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⁺.

2. 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 CrO₄^2- в щелочной среде при действии пероксида водорода и превращения CrO₄^2- в надхромовую кислоту H₂CrO₆.

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

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

4. 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:

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

5. Отделение катионов III аналитической группы К раствору 1 добавляют при нагревании 1 М раствор H₂SO₄, охлаждают и центрифугируют, получают:

6. Превращение сульфатов CaSO₄, SrSO₄, BaSO₄ в карбонаты CaСO₃

SrСO₃, 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 2 М раствором уксусной кислоты — получают раствор 4.

7. 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.

8. Отделение ионов Sr²⁺ и их обнаружение Осадок 4 растворяют в нескольких каплях 2 М 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:

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.

10. 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.

11. Обнаружение ионов Na⁺, K⁺

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

Осадок отделяют центрифугированием и отбрасывают.

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

Осадок отделяют центрифугированием и отбрасывают.

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

12. 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.

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.

14. Открытие ионов Al³⁺ и Sn (IV)

Осадок 8 обрабатывают 2 М 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).

15. 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.

16. Отделение катионов V группы от катионов VI группы К осадку 7 добавляют при нагревании концентрированный раствор NH₄OH. Полученную смесь центрифугируют.

17. Отделение и обнаружение ионов Mg²⁺

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

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

18. 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:

19. Обнаружение висмута Bi³⁺

К раствору 12 добавляют 2 М 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.

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

21. Отделение и обнаружение Cu²⁺

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

22. 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:

I. Осмотр образца.

II. Подготовка образца к анализу методом квартования.

III. Проведение предварительного анализа образца.

IV. Проведение систематического анализа образца.

V. 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.

1. 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^- > PbCl₂v

2. 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⁺) + SO₄^2- > CaSO₄(SrSO₄/BaSO₄)v

Pb²⁺ + SO4^2- > PbSO₄v

3. 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)₂v

Mn (OH)₂ + O₂ > MnO (OH)₂ > MnO₂v + 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 > 2Biv + 5Na₂SnO₃ + 9H₂O + 10Na⁺

Bi⁵⁺ +5e > Bi⁰ 5 2Ox

Sn²⁺ -2e > Sn⁴⁺ 2 5Red

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

4. 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 > 2Biv + 3Na₂SnO₃ + 3H₂O + 6Na⁺

Bi³⁺ +3e > Bi⁰ 3 2Ox

Sn²⁺ -2e > Sn⁴⁺ 2 3Red

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

5. 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]Iv + 4KI + 3NaI + 2H₂O + H⁺

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

6. 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]v + 2K⁺

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

7. 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]v + 3K⁺

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

8. Чтобы убедиться в отсутствии ионов Cr³⁺, к образцу, растворенному в щелочи, добавили пероксид водорода. Раствор приобрел желтый цвет, что может свидетельствовать об образовании хромата CrO₄^2-:

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

жёлтый цвет

Cr³⁺ -3e > Cr⁶⁺ 31Red

O^- +1e > O^2- 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.

2CrO₄^2- + 2H⁺ > Cr₂O₇^2- + H₂O

оранжевый цвет Следовательно, ионы хрома в образце отсутствуют.

9. 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 + 3H₂O

Bi³⁺ -2e > Bi⁵⁺ 21Red

O^- +1e > O^2- 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.

1. 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^- > PbCl₂v

Осадок отделили центрифугированием.

Осадок 1Раствор 1

PbCl₂Катионы I, III, IV, V и VI групп

2. 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^- > PbI₂v

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⁺.

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

Ca²⁺(Sr²⁺/Ba²⁺) + SO₄^2- > CaSO₄(SrSO₄/BaSO₄)v

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

4. 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)₂v + 2NH₄⁺

Mg²⁺ + 2NH₄OH > Mg (OH)₂v + 2NH₄⁺

Cd²⁺ + NH₄OH + Cl^- > CdOHClv + 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]v

Для проведения реакции добавляем в раствор 2 уксусную кислоту 1 М 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).

5. 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^- > ZnO₂^2- + 2H₂O

Al (OH)₃ + NaOH > NaAlO₂ + 2H₂O

Al (OH)₃ + OH^- > AlO₂^- + 2H₂O

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

Sn (OH)₂ + H₂O₂ + 2NaOH > Na₂SnO₃ + 3H₂O

Sn²⁺ -2e > Sn⁴⁺ 2 1Red

O^- +1e > O^2- 1 2Ox

Sn (OH)₂ + H₂O₂ + 2OH^- > SnO₃^2- + 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^-, ZnO₂^2-, SnO₃^2-

6. 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)₃v+ NH₃^ +Cl^-

SnO₃^3- + 2NH₄Cl + H₂O > Sn (OH)₄v + 2NH₃^ + 2Cl^-

ZnO₂^2- + 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⁺

7. Открытие ионов Al³⁺ и Sn⁴⁺

Осадок 4 обрабатываем 2 М 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 1Red

Sn⁴⁺ +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 > 2Biv + 3Na₂SnO₃ + 5H₂O + 6Na⁺

Bi³⁺ +3e > Bi⁰ 3 2Ox

Sn²⁺ -2e > Sn⁴⁺ 2 3Red

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

8. 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)₂v + 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.

9. 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⁺ + SO₄^2- > Cd²⁺ + 4NH₃^ + SO₄^2-

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

Cd²⁺ + S^2- > CdSv

Реакция свидетельствует о наличии в смеси ионов кадмия.

11. Отделение и обнаружение ионов Mg²⁺

К осадку 5 добавляем 2 М 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⁺.

12. 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)₄v + 2H₂O

В то время как катионы висмута переходят в раствор:

Bi (OH)₃ + 3HNO₃ > Bi (NO₃)₃ + 3H₂O

Bi (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.

13. Обнаружение ионов Bi³⁺

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

2Bi³⁺ + 3Na₂SnO₂ + 6NaOH > 2Biv + 3Na₂SnO₃ + 3H₂O + 6Na⁺

Bi³⁺ +3e > Bi⁰ 3 2Ox

Sn²⁺ -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⁺.