Кислотно-основная классификация катионов по группам. Систематический анализ катионов по кислотно-основному методу.

Данная классификация катионов по группам основана на использовании в качестве групповых реагентов водных растворов кислот и оснований - хлороводородной кислоты НCl, серной кислоты H₂SO₄, гидроксидов натрия NaOH или калия KOН (в присутствии пероксида водорода Н₂O₂) и аммиака NH_3. Катионы, открываемые в рамках кислотно-основной классификации, подразделяют на шесть аналитических групп.

К первой аналитической группе относят катионы лития Li+, натрия Na+, калия K+ и аммония NH₄+ (иногда катион лития не включают в эту группу). Групповой реагент отсутствует.

Ко второй аналитической группе относят катионы серебра Ag⁺, ртути(I ) Hg²+ и свинца Рb²+. Групповым реагентом на катионы второй аналитической группы является водный раствор хлороводородной кислоты (обычно с концентрацией 2 моль/л НCl); реже - растворы растворимых в воде хлоридов. Групповой реагент осаждает из водных растворов катионы второй аналитической группы в виде осадков малорастворимых в воде хлоридов серебра AgC1, ртути(I) Hg₂C1₂ и свинца Рb₂O₂.

К третьей аналитической группе относят катионы кальция Са²+, стронция Sr²+ и бария Ва²+. Иногда к этой же группе относят и катионы свинца Рb²+. Групповым реагентом на катионы третьей группы является водный раствор серной кислоты (обычно с концентрацией 1 моль/л H₂SO₄); реже - растворы водорастворимых сульфатов. При действии группового реагента катионы третьей аналитической группы осаждаются в виде малорастворимых в воде сульфатов кальция CaSO₄, стронция SrSO₄ и бария BaSO₄(свинец осаждается в виде сульфата PbSO₄)

Четвертая аналитическая группа включает катионы алюминия A1³+, хрома Сr³ +, цинка Zn²+, мышьяка As³+ и As⁵+, олова Sn²+ и Sn⁴+. Иногда сюда же относят и катионы сурьмы(III) Sb³+. Групповым реагентом является водный раствор гидроксида натрия NaOH (или калия КОН) в присутствии пероксида водорода Н₂O₂ (обычно - избыток 2 моль/л раствора NaOH в присутствии Н₂O₂); иногда - без пероксида водорода. При действии группового реагента катионы четвертой аналитической группы осаждаются из водного раствора в виде амфотерных гидроксидов, растворимых в избытке щелочи с образованием гидроксокомплексов.

К пятой аналитической группе относятся катионы магния Mg²+, марганца Mn²+, железа Fe²+ и Fе³⁺, сурьмa Sb³⁺ и Sb^{5 +}, висмута(Ш) Bi³+. Групповым реагентом является водный раствор щелочи (обычно ~2 моль/л раствор NaOH) или 25 % водный раствор аммиака.

К шестой аналитической группе относятся катионы меди(II) Cu²+, кадмия Cd²+, ртути(II) Hg²+, кобальта(II) Co²+, никеля(II) Ni²+. Групповым реагентом является 25 % водный раствор аммиака.

Систематический анализ применяют, если анализируемый раствор является сложным по качественному составу и дробный анализ невозможен из-за наличия большого количества мешающих ионов. В этом случае применяют систематический метод анализа. Систематический метод качественного анализа основан на том, что сначала с помощью групповых реагентов разделяют смесь ионов на группы и подгруппы, а затем в пределах этих подгрупп обнаруживают каждый ион с использованием качественных реакций.

I группа содержит, и, не имеющие группового реагента. Эти катионы не мешают определению остальных элементов, они присутствуют в растворах всех остальных аналитических групп, а их определение осуществляют дробным методом.

II группа содержит, и. Групповым реагентом является соляная кислота, осаждающая соответствующие катионы в виде малорастворимых хлоридов:. По этому принципу группа называется хлоридной.

Ход анализа: В одну пробирку отобрать несколько капель соли серебра, во вторую – свинца (II), в третью – ртути (I). К каждой пробирке прилить 1-2 капли соляной кислоты. Наблюдать образование осадков хлоридов металлов.

К пробирке, содержащей осадок хлорида свинца прилить немного горячей воды. Произойдет растворение осадка. Реакция позволяет отделить катионы свинца от ионов ртути и серебра.

К пробирке, содержащей осадок хлорида серебра добавить избыток аммиака. Произойдет растворение осадка хлорида серебра за счет образования растворимого аммиачного комплекса серебра [Ag(NH₃)₂]⁺. Данная реакция позволяет отделить ионы серебра от ионов свинца и ртути.

III группа содержит и. Групповым реагентом является серная кислота, осаждающая соответствующие катионы в виде сульфатов:. По этому признаку группа называется сульфатной. Сульфат кальция более растворим, чем сульфат бария и для уменьшения его растворимости добавляют при нагревании этиловый спирт или ацетон.

Ход анализа: В пробирку отобрать несколько капель соли кальция и прилить 1-2 капли серной кислоты. Без добавления ацетона осадок сульфата кальция не образуется. Добавить ацетон, хорошо перемешать – начнется выпадение осадкаCaSO₄. В другую пробирку отобрать несколько капель соли бария, прилить 1-2 капли серной кислоты и наблюдать образование кристаллического осадка сульфата бария.

IV группа содержит, и. Групповым реагентом является гидроксид натрия, при взаимодействии с которым проявляются кислотные свойства соответствующих амфотерных гидроксидов, поэтому группа называется амфотерной. При действии избытка щелочи на ионы Zn²⁺, Al³⁺, Cr³⁺образуются гидроксокомплексы этих металлов: где n = 4 или 6, Ме - Zn, Al, Cr. При недостатке щелочи при рН = 5-11 образуются осадки гидроксидов этих металлов:, которые растворяются в присутствии избытка щелочи:.

Ход анализа. В три пробирки отобрать соль алюминия, соль цинка и соль хрома соответственно. В каждую пробирку осторожно прибавлять разбавленную щелочь до образования осадка гидроксида металла. Полученные осадки растворить при добавлении нескольких капель крепкого раствора щелочи.

Хром (III) обычно в ходе анализа окисляют пероксидом водорода в щелочной среде до хромата, в котором хром шестивалентен:

Действием гидроксида натрия достигается разделение катионов IV и V групп. Элементы IV группы в щелочной среде остаются в растворе в виде гидроксокомплексов, а катионы V группы выпадают в осадок с образованием соответствующих гидроксидов.

Ход анализа. В пробирку налить по 2-3 капли солей железа и хрома. Добавить избыток крепкого раствора щелочи и отфильтровать. Наблюдать разделение железа (III) – в осадке – и хрома (III) – в фильтрате, в окрашенном в зеленый цвет растворе.

V группа содержит, и, образующие малорастворимые гидроксиды, слабо растворяющиеся в водном растворе аммиака. Групповым реагентом является гидроксид аммония, осаждающий соответствующие катионы в виде гидроксидов:.

Ход анализа. В три пробирки налить по 2-3 капли соли железа (III) марганца (II) и магния соответственно. К каждой пробирке добавить несколько капель гидроксида аммония. Наблюдать образование осадков гидроксидов металлов. Примечание: гидроксид магния осаждают в сильнощелочной среде при рН>11,5, что требует добавления раствора.

VI группа содержит,,,,, образующие прочные комплексные соединения с аммиаком, растворимые в воде, и по этому признаку группа называется аммиачной. Групповым реагентом является гидроксид аммония, взятый в избытке, достаточном для растворения образующихся вначале гидроксидов с получением аммиакатов, например:.

Ход анализа. В разные пробирки отобрать по несколько капель солей никеля, меди, кадмия, кобальта, ртути (II). В каждую пробирку налить избыток гидроксида аммония. Наблюдать образование аммиачных комплексов указанных металлов. Отметить цвет образующихся аммиакатов.

С помощью гидроксида аммония достигается также разделение катионов IV и VI групп.

В пробирку отобрать по 2-3 капли растворов солей железа и меди. Добавить избыток аммиака. Отфильтровать.

В пробирку прилить по 2-3 капли растворов солей меди и магния. Добавить избыток аммиака, а затем – несколько капель щелочи. Образуется белый осадок гидроксида магния, хорошо заметный на синем фоне раствора аммиаката меди.

Аналитическая классификация анионов по группам (по способности к образованию малорастворимых соединений, по окислительно-восстановительным свойствам). Ограниченность любой классификации анионов по группам.

В основу классификации анионов положены такие свойства, как способность к образованию малорастворимых солей с катионами серебра, бария, кальция, стронция, цинка, ртути и др., окислительно-восстановительные свойства, способность к комплексо-образованию, летучесть образуемых анионами кислот.

Классификация анионов, основанная на образовании малорастворимых солей

* - бромат серебра легко растворяется в разбавленной HNO₃

** - сульфид серебра растворяется в HNO₃ при нагревании

Классификация анионов, основанная на их окислительно-восстановительных свойствах

* - NO₃^- – ион в слабокислой среде практически не реагирует с KI

** - Сl – ион реагирует очень медленно;

*** - C₂O₄^2- – заметно обесцвечивает раствор KMnO₄ только при нагревании в кислой среде
27. Анализ смесей катионов и анионов (качественный химический анализ вещества).

Качественный химический анализ вещества (соли или смеси солей)

В общем случае анализируемый твердофазный объект может содержать любой из катионов всех шести аналитических групп и анионов по классификации, основанной на образовании малорастворимых солей.

Проведение анализа такого объекта - длительная и трудоемкая процедура, которая может быть осуществлена в течение нескольких занятий. В учебных целях эту процедуру целесообразно упростить, взяв для анализа соль или смесь солей, содержащих лишь ограниченное число катионов и анионов. В связи с этим далее охарактеризованы два варианта лабораторной работы:

1) упрощенный вариант анализа, рассчитанный на одно занятие;

2) общий вариант полного анализа.

1. Упрощенный вариант анализа (анализ «сухой» соли)

Контрольную задачу получают в виде измельченной сухой соли или смеси солей.

:

Необходимо учитывать, что при смешении возможны химические реакции между компонентами смеси, приводящие к образованию новых (в том числе окрашенных) соединений.

Полученное для анализа вещество делят на три части: одну часть используют для обнаружения катионов, вторую - для обнаружения анионов, а третью - для проведения предварительных испытаний и проверки результатов анализа.