Методические указания к лабораторным работам анализ смеси катионов для студентов 2, 3 курсов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ»

качественный анализ смеси катионов

преподаватель: Колтун Е.В.

Цели: изучить методы качественного анализа веществ и освоить их применение для решения

задач по содержанию различных веществ в пище.

Задачи: изучить сущность методов качественного анализа катионов, классификацию катионов,

их значение, характеристику отдельных групп, важнейшие частные реакции; научить

применять методы качественного анализа при проведении химико-технологического

контроля; научить выделять катионы I - III аналитической группы из смеси;

сформировать умения и навыки проведения лабораторных опытов.

Источники используемых материалов:

1. В. Д. Пономарев «Аналитическая химия. Часть 1. Теоретические основы. Качественный анализ»: М., Высш. школа, 1982.

2. В. Д. Пономарев, Л. И. Иванова «Практикум по аналитической химии»: М., Высш. шк., 1983.

3. Ю. Я. Харитонов «Аналитическая химия. Часть 1. Общие теоретические основы. Качественный анализ»: 2-е издание, М., "Высшая школа", 2003.

4. С. А. Шапиро, М.А. Шапиро «Аналитическая химия. Учебник для техникумов»: М., Высш. школа Год: 1979

АНАЛИЗ СМЕСИ КАТИОНОВ I АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ

В смеси могут находиться сразу все катионы I аналитической группы. Смесь может быть дана в виде раствора или в виде перемешанных сухих солей, растворимых в воде. Сухую смесь перед анализом нужно растворить в дистиллированной воде.

Анализ смеси катионов I аналитической группы следует выполнять в следующем порядке:

анализ смеси следует начинать с открытия NН₄⁺, так как он мешает открытию катионов К⁺ и Na⁺, если ионы натрия открывают реактивом KH₂SbO₄ .

1. Открытие катионов аммония NН₄⁺:

катион аммония NН₄⁺обнаруживают по запаху аммиака, выделяющегося от действия щелочью при нагревании.

Выполнение: 4-5 капель исследуемого раствора обработать 5-6 каплями едкой щелочи в присутствии влажной красной лакмусовой бумажки. Пробирку накрыть влажной красной лакмусовой бумажкой и осторожно нагреть до кипения, следя за тем, чтобы брызги щелочи не попадали на лакмусовую бумагу и, чтобы бумага не касалась внутренних стенок пробирки, т.к. лакмусовая бумага может посинеть от щелочи, которая используется в данном опыте. Посинение лакмусовой бумаги, укажет на присутствие ионов аммония NН₄⁺.

2. Удаление катионов аммония NН₄⁺:

если окажется, что в растворе ионов аммония нет, можно приступить к открытию катионов К⁺. Если катион аммония присутствуют, то его необходимо сначала полностью удалить.

Выполнение: 20 капель исследуемого раствора влить в фарфоровую чашку, выпарить

досуха и прокалить до полного прекращения выделения белого дыма аммонийных солей. Для проверки полноты удаления аммонийных солей, фарфоровую чашку охладить, сухой остаток измельчить концом стеклянной палочки, смочить 10-12 каплями дистиллированной воды. К одной капле полученного раствора прилить реактив Несслера. Если ион аммония присутствует, то операцию выпаривания и прокаливания повторить. Убедившись в полном удалении иона аммония NН₄⁺ , сухой остаток растворить в 10-12 каплях горячей дистиллированной воды. Полученный раствор поместить в пробирку. Если раствор мутный или содержит осадок (MgOHCl), отфильтровать его. Нерастворимую часть отбросить, а фильтрат исследовать далее.

3. Открытие катионов К⁺:

Выполнение: поместить 2-3 капли фильтрата в пробирку, прилить к нему 2-3 капли раствора кобальтинитрита натрия Na₃ [Co(NO₂)₆] _. Если осадок не выпадает, дать раствору постоять. Выпадение желтого осадка K₂Na [Co(NO₂)₆] указывает на присутствие иона калия.

4. Открытие катионов Mg ²⁺:

Выполнение: к 3-4 каплям исследуемого раствора прибавить NН₄ОН до появления запаха аммиака, и 2-3 капли раствора NН₄Cl, а затем 2-3 капли раствора Na₂НРО_4. потереть стеклянной палочкой о стенки пробирки и дать смеси постоять. Выпадение белого кристаллического осадка MgNН₄РO₄ – признак присутствия иона магния Mg ²⁺.

5. Открытие катионов Na ⁺: в зависимости от того, присутствует или отсутствует катион магния Mg ²⁺ в исследуемом растворе, открытие катиона натрия ведут различно.

а) катион магния Mg ²⁺ в исследуемом растворе отсутствует:

Выполнение: ион натрия открывать дигидроантимонатом калия KH₂SbO₄ (этот реактив применяют в отсутствие ионов NН₄⁺ и Mg ²⁺ в нейтральной или слабощелочной среде). Образование белого кристаллического осадка NaH₂SbO₄ указывает на присутствие катионов натрия.

б) катион магния Mg ²⁺ в исследуемом растворе присутствует:

Выполнение: к исследуемому раствору прилить раствор КОН до сильнощелочной реакции (проба на лакмус или индикаторную бумагу). Смесь нагреть. Осадок отделить от раствора фильтрованием и отбросить. Фильтрат перенести в фарфоровую чашку, нейтрализовать его 2н раствором соляной кислоты, довести до кипения и выпарить досуха. Сухой остаток слегка прокалить для удаления избытка НСl. После охлаждения остаток от прокаливания растворить в 4-6 каплях дистиллированной воды, перенести в коническую колбу или пробирку. Если он не вполне прозрачный, отфильтровать его. В прозрачном растворе открывать ион натрия с помощью дигидроантимоната калия KH₂SbO_4.

АНАЛИЗ СМЕСИ КАТИОНОВ I и II АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ

1. Предварительные испытания:

Химический анализ всегда начинается с предварительных испытаний на отдельных небольших порциях исследуемого раствора. Предварительные испытания проводят,

во-первых, чтобы выяснить, есть ли вообще в исследуемом растворе катионы

II аналитической группы, и нужно ли поэтому производить их отделение; во-вторых, чтобы получить некоторое представление о том, какие катионы имеются в растворе.

После выполнения предварительных испытаний ход анализа может быть значительно сокращен и упрощен, а иногда необходимость дальнейшего исследования отпадает.

а) Открытие катионов аммония NН₄⁺:

катион аммония NН₄⁺обнаруживают по запаху аммиака, выделяющегося от действия щелочью при нагревании.

Выполнение: 4-5 капель исследуемого раствора обработать 5-6 каплями едкой щелочи в присутствии влажной красной лакмусовой бумажки. Пробирку накрыть влажной красной лакмусовой бумажкой и осторожно нагреть до кипения, следя за тем, чтобы брызги щелочи не попадали на лакмусовую бумагу и чтобы бумага не касалась внутренних стенок пробирки (лакмусовая бумага может посинеть от щелочи, которая используется в данном опыте). Посинение лакмусовой бумаги укажет на присутствие ионов аммония NН₄⁺.

Если катион аммония в исследуемом растворе присутствует, то можно проделать также реакцию с реактивом Несслера.

Предварительная проба на катион аммония NН₄⁺ необходима потому, что после обработки раствора реактивами, из которых многие содержат ион аммония, открывать его уже будет поздно.

б) Открытие катионов бария и кальция (Ва ²⁺ , Са ²⁺ ):

Выполнение: в пробирку поместить 5-6 капель исследуемого раствора, добавить NН₄ОН до щелочной реакции (проба на лакмус), 3 капли раствора NН₄Сl и 5-6 капель раствора углекислого аммония (NH₄)₂CO_3. Образование белого осадка указывает на присутствие ионов бария и кальция Ва ²⁺ и Са ²⁺.

Убедившись в присутствии катионов II аналитической группы, приступить к отделению к их отделению от катионов I аналитической группы.

Если катионов II аналитической группы (Ва ²⁺ , Са ²⁺ ) нет, то дальнейшее определение ионов вести также, как и при анализе смеси катионов I аналитической группы.

2. Отделение катионов II аналитической группы - бария и кальция (Ва ²⁺ , Са ²⁺ ) от катионов I аналитической группы:

Выполнение: к исследуемому раствору в пробирке прибавить до появления запаха раствор NН₄ОН и по каплям (избыток не допустим) столько NН₄Сl, чтобы растворился выпавший осадок Mg(OH)₂ от раствора NН₄ОН. Если осадок гидроксида магния не образуется, рекомендуется все же прибавить 3-4 капли раствора NН₄Сl. Содержимое пробирки нагреть до 60-70⁰С. К горячему раствору прилить 10-12 капель раствора углекислого аммония (NH₄)₂CO₃. образуется белый осадок, в котором могут находиться карбонаты бария и кальция. Содержимое пробирки хорошо перемешать стеклянной палочкой и отфильтровать. Убедиться в полноте осаждения. Для этого, не отделяя осадка, в прозрачный раствор влить еще одну каплю углекислого аммония. Если раствор останется прозрачным, значит, достигнуто полное осаждение; в противном случае влить еще 4-5 капель раствора (NH₄)₂CO₃, снова нагреть 1-2 мин. и отфильтровать.

3. Открытие катионов бария (Ва ²⁺):

Выполнение: осадок карбонатов бария и кальция на фильтре растворяют в 10-15 каплях слегка нагретой уксусной кислоты СН₃СООН. Для открытия катионов бария Ва ²⁺ к

1-2 каплям уксуснокислого раствора прибавить по 1-2 капле раствора ацетата натрия СН₃СООNа и хромата калия К₂СrО₄.

Если катион бария присутствует, то выпадает желтый осадок хромата бария ВаСrО₄.

Если катиона бария нет, то раствор нужно исследовать на катион кальция.

Если катион бария присутствует, то его нужно удалить, так как он мешает открытию катиона кальция.

4. Отделение катиона бария (Ва ²⁺) от катиона кальция (Са ²⁺):

Выполнение: в раствор, содержащий ацетаты бария и кальция (Ва(СН₃СОО)_2, Са(СН₃СОО)₂ ), нагретый почти до кипения, влить 3-5 капель раствора ацетата натрия СН₃СООNа и по каплям раствор хромата калия К₂СrО₄. прибавлять К₂СrО₄ до тех пор, пока жидкость над осадком не приобретет оранжевой окраски. В кислом растворе хромат-ион СrО₄ ^2- переходит в бихромат-ион Сr₂О₇ ^2- , имеющий оранжевую окраску.

Оранжевая окраска раствора свидетельствует о том, что появился избыток реактива К₂СrО₄, а следовательно, и о полноте осаждения ионов бария. После 1-2 мин. нагревания осадок ВаСrО₄ отфильтровать и выбросить. Фильтрат служит для открытия катионов кальция.

5. Открытие катионов кальция (Са ²⁺):

Выполнение: к фильтрату от хромата бария ВаСrО₄ прибавить 5-7 капель щавелевокислого аммония (NH₄)₂C₂O₄. Смесь нагреть до кипения. Дать осадку отстояться в течение 3-5 мин. Выпадение белого кристаллического осадка, нерастворимого в уксусной кислоте и растворимого в соляной, указывает на присутствие ионов кальция.

Для выполнения этой реакции можно также использовать полученный в п. 3 уксуснокислый раствор, если он не содержит ионы Ва ²⁺.

6. Открытие катионов магния (Mg ²⁺):

Выполнение: к 4-5 каплям фильтрата, содержащего катионы I группы, а также (NH₄)₂CO₃, NН₄ОН, NН₄Сl (см. п. 2) прибавить 3-4 капли кислого фосфорнокислого натрия NаНРО₄; потереть стеклянной палочкой стенки пробирки. Выпадение белого кристаллического осадка – признак присутствия катионов магния Mg ²⁺.

7. Открытие катионов I аналитической группы:

Выполнение: определение следует вести так же, как и при анализе смеси катионов

I аналитической группы (пп. 3, 4, 5).

АНАЛИЗ СМЕСИ КАТИОНОВ III АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ

1. Предварительные испытания:

в отдельных пробирках открывают при помощи характерных реакций ионы Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Cr³⁺:

а) Fe²⁺ - действием 1 капли раствора K₃[Fe(CN)₆] с 2-3 каплями 2н раствора соляной кислоты НСl.

Образуется темно-синий осадок турнбулевой сини Fe₃[Fe(CN)₆]₂.

б) Fe³⁺ - действием 1 капли раствора K₄[Fe(CN)₆] с 2-3 каплями 2н раствора соляной кислоты НСl.

Образуется темно-синий осадок берлинской лазури Fe₄[Fe(CN)₆]_3.

При действии на фильтровальную бумагу раствором роданида калия KCNS или роданида аммония NH₄CNS появляется кроваво-красное окрашивание.

в) Mn²⁺ - действием раствора висмутата натрия NaBiO₃ с 3-4 каплями азотной кислоты НNО₃.

Жидкость окрашивается в фиолетово-розовый цвет.

г) Cr³⁺ - действием пероксида водорода Н₂О₂ 5-8 капель и 1-2 мл 2н раствора щелочи NaОН. Раствор кипятят в фарфоровой чашке до полного прекращения выделения пузырьков кислорода. Центрифугируют смесь и отделяют осадок от центрифугата.

Во второй пробирке смешивают 5-6 капель 2н раствора серной кислоты Н₂SО₄,

8-10 капель 3% раствора пероксида водорода и 5-6 капель диэтилового эфира. Смешивают с холодным центрифугатом, встряхивают пробирку.

Эфирный слой окрашивается в синий цвет.

2. Отделение катионов Al³⁺ и Zn²⁺ от других катионов:

к 1-2 мл исследуемого раствора добавить 2н раствор NaОН до сильнощелочной реакции. Смесь кипятить 1-2 мин и отцентрифугировать.

Ионы Al³⁺ и Zn²⁺ переходят в центрифугат в виде алюмината и цинката.

3. Открытие ионов Zn²⁺:

одну часть центрифугата подкислить 2н раствором уксусной кислоты СН₃СООН до кислой среды (проба на лакмус) и пропустить сероводород Н₂S.

Образуется осадок белого цвета ZnS.

4. Открытие ионов Al³⁺:

а) во вторую часть центрифугата добавить небольшими порциями твердый хлорид аммония NH₄Сl до тех пор, пока при кипячении не прекратится выделение аммиака NH₃.

Образуется аморфный осадок белого цвета.

б) Al³⁺ можно открыть также реакцией с ализарином красным S.

АНАЛИЗ СМЕСИ КАТИОНОВ I, II и III АНАЛИТИЧЕСКИХ ГРУПП

1. Предварительные испытания:

в отдельных пробирках открывают при помощи характерных реакций ионы Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Cr³⁺:

а) Fe²⁺ - действием 1 капли раствора K₃[Fe(CN)₆] с 2-3 каплями 2н раствора соляной кислоты НСl.

Образуется темно-синий осадок турнбулевой сини Fe₃[Fe(CN)₆]₂.

б) Fe³⁺ - действием 1 капли раствора K₄[Fe(CN)₆] с 2-3 каплями 2н раствора соляной кислоты НСl.

Образуется темно-синий осадок берлинской лазури Fe₄[Fe(CN)₆]_3. При действии на фильтровальную бумагу раствором роданида калия KCNS или роданида аммония NH₄CNS

появляется кроваво-красное окрашивание.

в) Mn²⁺ - действием раствора висмутата натрия NaBiO₃ с 3-4 каплями азотной кислоты НNО₃.

Жидкость окрашивается в фиолетово-розовый цвет.

г) Cr³⁺ - действием пероксида водорода Н₂О₂ 5-8 капель и 1-2 мл 2н раствора щелочи NaОН. Раствор кипятят в фарфоровой чашке до полного прекращения выделения пузырьков кислорода. Центрифугируют смесь и отделяют осадок от центрифугата.

Во второй пробирке смешивают 5-6 капель 2н раствора серной кислоты Н₂SО₄,

8-10 капель 3% раствора пероксида водорода и 5-6 капель диэтилового эфира. Смешивают с холодным центрифугатом, встряхивают пробирку.

Эфирный слой окрашивается в синий цвет.

2. Отделение катионов III аналитической группы от катионов I и II аналитических групп:

исследуемый раствор подкисляют до кислой среды 2н раствором соляной кислоты (проба на лакмус). Смесь нагревают до кипения и в течение 2-3 мин пропускают медленный ток сероводорода H₂S. Затем медленно, по каплям, прибавляют 2н раствор NH₄ОН до щелочной среды. Смесь снова нагревают до кипения и пропускают сероводород H₂S. Для полноты осаждения прибавляют 1-2 капли раствора сульфида аммония (NH₄)₂S до исчезновения мути.

В осадке – гидроксиды и сульфиды катионов III аналитической группы.

3. Подготовка центрифугата к анализу на катионы I и II аналитической группы:

к центрифугату по каплям приливают концентрированный раствор соляной кислоты HСl до кислой среды (проба на лакмус) и кипятят до полного удаления сероводорода Н₂S. Проводят пробу на полноту удаления: на фильтровальную бумагу нанести 2-3 капли раствора ацетата свинца Pb(CH₃COOH)₂ и 2-3 капли 2н раствора щелочи NaОН или КОН и подержать над кипящим раствором. Фильтровальная бумага не должна чернеть (если бумага чернеет, то в растворе еще присутствуют сульфид-ионы).

Центрифугат выпарить в фарфоровой чашке, прокалить до прекращения выделения белого дыма, т.е. до удаления солей аммония. Затем охладить, осадок измельчить стеклянной палочкой и растворить в 3-5 мл 2н раствора уксусной кислоты СН₃СООН.

Полученный раствор проанализировать на присутствие катионов II аналитической группы.

4. Растворение осадка катионов III аналитической группы:

осадок гидроксидов и сульфидов, образованных катионами III аналитической группы, перенести в фарфоровую чашку с 5 мл раствора азотной кислоты НNО₃ и кипятить до полного окисления сульфидов (до исчезновения черных крупинок).

5. Отделение трехзарядных катионов III аналитической группы от двухзарядных:

к полученному раствору по п.4 прибавить концентрированный раствор гидроксида аммония NH₄ОН до сильнощелочной среды (проба на лакмус). Смесь тщательно перемешать стеклянной палочкой и кипятить 1-2 мин при непрерывном помешивании.

Выпадает осадок гидроксидов Fe²⁺, Fe³⁺, Cr³⁺, Al³⁺.

В центрифугате находятся ионы Mn²⁺ и аммиакат цинка.

6. Открытие ионов Mn²⁺:

если при предварительном испытании данный катион был обнаружен, то проверочную реакцию можно не делать.

7. Открытие ионов Zn²⁺:

одну часть центрифугата подкислить 2н раствором уксусной кислоты СН₃СООН до кислой среды (проба на лакмус) и пропустить сероводород Н₂S.

Образуется осадок белого цвета ZnS.

8. Отделение ионов Fe²⁺, Fe³⁺ от ионов Cr³⁺, Al³⁺:

осадок п.6 промыть горячей водой, перенести в фарфоровую чашку и прилить 2-3 мл 6н раствора щелочи и 5-8 капель 3% раствора пероксида водорода Н₂О₂.

Смесь кипятить до полного разложения пероксида водорода Н₂О₂ (до прекращения выделения пузырьков газа). Затем отцентрифугировать и отделить осадок, содержащий гидроксид железа, от центрифугата, содержащий ионы Cr³⁺ и Al³⁺.

9. Открытие ионов Cr³⁺:

желтая окраска центрифугата указывает на присутствие ионов Cr³⁺.

10. Открытие ионов Al³⁺:

а) во вторую часть центрифугата добавить небольшими порциями твердый хлорид аммония NH₄Сl до тех пор, пока при кипячении не прекратится выделение аммиака NH₃.

Образуется аморфный осадок белого цвета.

б) Al³⁺ можно открыть также реакцией с ализарином красным S.