Методические указания к лабораторным работам по аналитической химии для студентов 2, 3 курсов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ»

качественный анализ катионов I – II аналитической группы

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; 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

КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ НА КАТИОНЫ I АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ

(К⁺, Na⁺ , NН₄⁺ , Mg²⁺)

Катионы I аналитической группы не имеют общего группового реактива, т.е одновременно не могут быть осаждены каким-либо реактивом. Большинство соединений катионов I аналитической группы хорошо растворимо в воде и образует бесцветные растворы.

К катионам I аналитической группы отнесены также ионы NН₄⁺ и Mg²⁺ . Ион NН₄⁺ отнесен к данной группе, потому что растворимость солей аммония близка к растворимости солей щелочных металлов. Свойства ионов Mg²⁺ позволяют включить его и в I и во II аналитическую группу.

Реакции на определение катионов калия К⁺

1. Реакция с гидротартратом натрия NaHC₄H₄O₆:

эта соль дает с растворами солей калия белый кристаллический осадок - гидротартрат калия:

К ⁺ + НС₄Н₄О₆ ^- = КНС₄Н₄О₆

Выполнение: реакцию проводят в нейтральной среде. В пробирку вливают 4-5 капель раствора соли калия и столько же раствора NaHC₄H₄O_6. Если осадок не выпадает, следует потереть стеклянной палочкой о внутренние стенки пробирки, охлаждая пробирку водой под краном. Трение ускоряет процесс образования осадка, так как оторвавшиеся мелкие кусочки стекла служат центром кристаллизации.

Отношение осадка к действию холодной и горячей воды, кислот и щелочей:

осадок КHC₄H₄O₆↓ растворяется в горячей воде, в сильных кислотах и щелочах.

Выполнение: полученный осадок взболтать и разделить поровну на три пробирки. В одну добавить 2-3 капли соляной кислоты, во вторую – 2-3 капли едкой щелочи (NaОН, КОН), в третью- 3-4 капли дистиллированной воды и нагреть на водяной бане. Во всех трех случаях осадок растворяется.

Напишите уравнения реакций растворения осадка в соляной кислоте и щелочи в молекулярной и ионной форме.

2. Реакция с кобальтинитритом натрия Na₃ [Co(NO₂)₆]:

кобальтинитрит натрия в нейтральном или уксуснокислом растворе дает с ионами калия желтый кристаллический осадок кобальтинитрита калия и натрия:

2К⁺ + Na⁺ + [Co(NO₂)₆] ^{3 -} = K₂Na[Co(NO₂)₆]

Ион аммония NH₄⁺ мешает открытию иона К⁺, так как он с кобальтинитритом натрия дает осадок, сходный по цвету и форме. Кобальтинитрит натрия нельзя применять в щелочной или сильнокислой среде, так как кислота и щелочь разрушают комплексный ион. Применяя этот реактив нужно помнить, что раствор должен быть нейтральным и не содержать ион аммония.

Выполнение: к 3-4 каплям раствора соли калия прилить 2-3 капли раствора реактива

Na₃ [Co(NO₂)₆].

Если осадок не выпадает, следует дать смеси постоять и потереть стеклянной палочкой о внутренние стенки пробирки.

Эта реакция более чувствительна на катион калия, чем предыдущая.

Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной форме.

3. Окрашивание пламени:

соли калия или их растворы, внесенные на платиновой проволоке в бесцветное пламя горелки, окрашивают его в фиолетовый цвет. Присутствие даже ничтожных следов натрия, окрашивающего пламя в желтый цвет, мешает увидеть окраску. Поэтому пламя рассматривают через синее кобальтовое стекло.

Реакции на определение катионов натрия Na⁺

1. Реакция с дигидроантимонатом калия KH₂SbO₄:

эта соль в нейтральной и слабощелочной среде дает с ионами натрия белый кристаллический осадок дигидроантимонат натрия

Na⁺ + H₂SbO₄^- = NaH₂SbO₄

Выполнение: в пробирку влить 4- 5 капель раствора соли натрия и столько же реактива. Осадок образуется медленно. Для ускорения реакции проводить ее нужно под холодной струей воды, потирая внутренние стенки пробирки стеклянной палочкой.

Отношение осадка к действию холодной и горячей воды, кислот и щелочей:

Полученный осадок NaH₂SbO₄ растворяется в горячей воде и частично в щелочах. Кислоты и соли аммония разлагают реактив, поэтому проводить опыт в кислой среде или в присутствии солей аммония нельзя.

Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной форме.

2. Окрашивание пламени:

соли натрия окрашивают пламя в желтый цвет. Реакция чрезвычайно чувствительна.

Выполнение: конец платиновой проволоки очистить концентрированной соляной кислотой и прокалить. Смочить солью натрия и внести в пламя горелки.

Наблюдается характерное желтое окрашивание в течение 25-30 секунд.

Реакции на определение катионов аммония NН₄⁺:

1. Реакции с едкими щелочами – NaOH или KOH:

аммонийные соли при нагревании со щелочами выделяют аммиак:

NН₄⁺ + OH^- = Н₂О + NН₃

Выполнение: в пробирку наливают 3-4 капли соли аммония и 5-6 капель едкой щелочи. Смесь слегка нагревают. Выделяющийся при этом аммиак можно обнаружить по запаху и при помощи лакмусовой и фенолфталеиновой бумаги, смоченной в дистиллированной воде. В парах аммиака они окрашивается в синий и красный цвет соответственно.

2. Реакция с реактивом Несслера (щелочной раствор ртутно-йодистого калия

К₂ [HgI₄] + КОН):

этот реактив с солями аммония дает аморфный красно-бурый осадок состава [NH₂Hg₂O] I:

NН₄⁺ + 2[HgI₄ ] ^2- + 4OH^- = [NH₂Hg₂O] I + 7I^- + 3Н₂О

При очень малых дозах содержания солей аммония цвет раствора – желтый.

Эта реакция очень чувствительна.

Выполнение: к 1-2 каплям раствора соли аммония прибавить 3-4 капли реактива Несслера.

Реакции на определение катионов магния Mg²⁺:

1. Реакции с сильными щелочами – NaOH или KOH:

сильные щелочи осаждают из растворов солей магния гидроксид магния:

Mg²⁺+ 2OH^- = Mg (OH)₂

Выполнение: влить в пробирку 5-6 капель раствора соли магния и столько же раствора щелочи. Отметить цвет и консистенцию образовавшегося осадка.

Отношение осадка к действию кислот и растворов аммонийных солей:

Осадок гидроксида магния растворим в кислотах и аммонийных солях.

Последняя реакция обратима:

Mg(OH)₂ + 2NН₄⁺ ₌ Mg²⁺+ 2NН₄OH

Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной форме.

2. Реакция с гидрофосфатом натрия Na₂НРО₄:

этот реактив в присутствии NН₄OH и NН₄Сl осаждает из раствора соли магния ионы Mg²⁺ в виде белого кристаллического осадка двойной соли фосфата магний – аммония MgNН₄РO₄:

Mg²⁺+ NН₄OH + НРО₄ ^2- = MgNН₄РO₄ + Н₂О

Присутствие в растворе хлорида аммония необходимо для того, чтобы при действии гидроксида аммония не образовался осадок Mg(OH)_2.

Выполнение: к 2-3 каплям раствора соли магния прилить 3-4 капли 2н раствора соляной кислоты и 2-3 капли раствора гидрофосфата натрия. К смеси по каплям прибавить разбавленный раствор аммиака, все время перемешивая содержимое пробирки стеклянной палочкой. Аммиак нейтрализует соляную кислоту. Затем выпадает характерный кристаллический осадок MgNН₄РO_4. Выпадение его можно ускорить охлаждением раствора и трением стеклянной палочкой о стенки пробирки. Из разбавленных растворов осадок выпадает медленно, рекомендуется подождать.

Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной форме.

3. Реакция с карбонатом аммонием (NН)₂СО₃:

этот реактив в отсутствие аммонийных солей дает с растворами солей магния белый аморфный осадок основной соли оксикарбоната магния Mg ₂(OH)₂СО₃:

2Mg²⁺+ 4NН₄⁺ + 2СО₃^2- + Н₂О = Mg ₂(OH)₂СО₃ + 4NН₄⁺ + СО₂

Выполнение: в две пробирки налить по 5-6 капель раствора соли магния. В одну из них прилить равный объем хлорида аммония. Затем в обе пробирки прилить по 5-6 капель раствора реактива. Пробирки нагреть почти до кипения. Сравнить полученные результаты и убедиться, что в присутствии хлорида аммония осадок не выпадает.

Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной форме.

КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ НА КАТИОНЫ II АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ

(Ва ²⁺, Са ²⁺)

Групповой реактив на катионы II аналитической группы – карбонат аммония (NH₄)₂CO₃ , образующий с ионами Ва ²⁺ и Са ²⁺ нерастворимые в воде средние соли ВаСО₃ и СаСО₃. Карбонат аммония (NH₄)₂CO₃ используется для отделения катионов данной аналитической группы от катионов I аналитической группы. Кислые соли: гидрокарбонат бария Ва(НСО₃)₂ и гидрокарбонат кальция Са(НСО₃)₂, хорошо растворимы в воде.

Качественные реакции на определение катионов бария Вa²⁺

1. Реакция с групповым реактивом (NH₄)₂CO₃:

карбонат аммония с ионами бария образует аморфный белый осадок ВаСО₃, который при нагревании превращается в кристаллический:

В аСl₂ + (NH₄)₂CO₃ = ВаСО₃ + 2NH₄Сl

В а ²⁺ + CO₃^{2 -} = ВаСО₃

Выполнение: в пробирку поместить 3-5 капель соли бария, добавить 3-5 капель 2н раствора карбоната аммония (NH₄)₂CO₃ . После выпадения осадка содержимое пробирки нагреть. Аморфный осадок превращается в кристаллический.

Отношение осадка к действию кислот:

Выполнение: слить жидкость с осадка, разделить осадок на две части. Одну часть испытать на действие 2н раствором соляной кислоты НСl, а другую – 2н раствором уксусной кислоты СН₃СООН.

Напишите уравнения реакций растворения осадка в кислотах в молекулярной и ионной форме.

2. Реакция с хроматом калия К₂CrO₄:

хромат калия образует с ионами бария светло-желтый кристаллический осадок:

В аСl₂ + К₂CrO₄ = ВаCrO₄ + КСl

Ва ²⁺ + CrO₄^{2 -} = ВаCrO₄

Выполнение: возьмите пробирку и поместите в нее 3-5 капель раствора соли бария и добавьте в нее столько же 2н раствора хромата калия К₂CrO_4. Содержимое пробирки нагрейте. Обратите внимание на цвет и форму осадка.

Отношение осадка к действию кислот:

Выполнение: осадок разделите на две части. На одну часть подействовать соляной НСl или азотной НNO₃ кислотами, на другую - уксусной кислотой СН₃СООН.

Что происходит с осадками?

Хромат калия растворим в соляной кислоте НСl и азотной кислоте НNO₃, нерастворим в уксусной кислоте СН₃СООН:

2ВаCrO₄ + 4НСl = 2ВаСl₂ + Н₂Cr₂O₇ + Н₂О

2ВаCrO₄ + 2Н⁺ = 2Ва ²⁺ + Cr₂O₇ ^{2 -} + Н₂О

Напишите уравнения соответствующих реакций в молекулярной и ионной форме.

С катионами кальция хромата калия К₂CrO₄ осадка не дает, так как хромат кальция СаCrO₄ хорошо растворим в воде:

3. Реакция с серной кислотой и ее солями:

серная кислота и ее соли дают с ионами бария белый кристаллический осадок ВаSО_4.

Ион Са ²⁺ мешает этой реакции, так как он тоже образует осадок с сульфат – ионами. Выполнение: в пробирку налить 3-5 капель соли бария и столько же 2н раствора серной кислоты или любого растворимого сульфата. Образуется осадок.

Отношение осадка к действию кислот:

осадок нерастворим в слабых и сильных кислотах.

Выполнение: образовавшийся осадок разделить на две части и испытать соляной и уксусной кислотами.

Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной форме.

4. Реакция с сульфатом аммония (NH₄)₂ SO₄:

насыщенный раствор сульфата аммония образует с ионами бария белый кристаллический осадок.

Выполнение: к 3-5 каплям соли бария добавить 5-8 капель насыщенного раствора сульфата аммония. Выпадает осадок сульфата бария ВаSО₄.

Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной форме.

Данный реактив не осаждает ионы кальция, так как образуется растворимая комплексная соль (NH₄)₂[Ca(SO₄)₂].

5. Реакция с гипсовой водой (насыщенный раствор сульфата кальция) CaSO₄:

гипсовая вода при взаимодействии с ионами бария на холоду вызывает немедленное образование осадка сульфата бария ВаSО₄.

Выполнение: к 3-4 каплям соли бария добавить 3-5 капель гипсовой воды. Выпадает осадок сульфата бария ВаSО₄.

Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной форме.

Гипсовая вода не образует осадков в растворах солей кальция ни на холоду, ни при нагревании.

6. Реакция с оксалатом аммония (NH₄)₂С₂O₄:

данный реактив с ионами бария образует белый кристаллический осадок оксалат бария ВаС₂О₄:

В ыполнение: к раствору соли бария прилить 3-5 капель 2н раствора оксалата аммония. Выпадает кристаллический осадок.

ВаСl₂ + (NH₄)₂С₂O₄ = ВаC₂O₄ + 2NH₄Сl

Ва ²⁺ + C₂O₄^{2 -} = ВаC₂O₄

Отношение осадка к действию кислот:

осадок растворим в 2н растворах соляной и азотной кислот, в кипящей уксусной кислоте СН₃СООН; не растворим в уксусной кислоте СН₃СООН на холоду.

Выполнение: образовавшийся осадок разделить на две части. Одну часть обработать 2н раствором соляной кислоты НСl, а другую – 2н раствором уксусной кислоты СН₃СООН. В соляной кислоте осадок растворится, а в уксусной кислоте на холоду нет. Нагрейте раствор с уксусной кислотой и прокипятите. Что происходит?

В аC₂O₄ + 2 Н ⁺= Ва ²⁺ + Н₂C₂O₄

Напишите уравнения реакций растворения осадка в кислотах в молекулярной и ионной форме.

7. Окрашивание пламени:

соли бария (лучше хлорид бария ВаСl₂) окрашивают пламя горелки в желто-зеленый цвет.

Выполнение: конец платиновой проволоки очистить концентрированной соляной кислотой и прокалить. Смочить солью бария и внести в пламя горелки. Наблюдается характерное желто-зеленое окрашивание.

Качественные реакции на определение катионов кальция Сa²⁺

1. Реакция с групповым реактивом (NH₄)₂CO₃:

катионы кальция реагируют с карбонатом аммония так же как и катионы бария.

Карбонат аммония с ионами кальция образует аморфный белый осадок СаСО₃, который при нагревании превращается в кристаллический:

С аСl₂ + (NH₄)₂CO₃ = СаСО₃ + 2NH₄Сl

С а ²⁺ + CO₃^{2 -} = СаСО₃

Выполнение: в пробирку поместить 3-5 капель соли кальция, добавить 3-5 капель 2н раствора карбоната аммония (NH₄)₂CO₃ . После выпадения осадка содержимое пробирки нагреть. Аморфный осадок превращается в кристаллический.

Отношение осадка к действию кислот:

Выполнение: слить жидкость с образовавшегося осадка, разделить его на две части. Одну часть испытать на действие 2н раствором соляной кислоты НСl, а другую – 2н раствором уксусной кислоты СН₃СООН.

Напишите уравнения реакций растворения осадка в кислотах в молекулярной и ионной форме.

2. Реакция с хроматом калия К₂CrO₄:

хромат калия с катионами кальция осадка не дает, так как хромат кальция СаCrO₄ хорошо растворим в воде.

3. Реакция с серной кислотой и ее солями:

катионы кальция действием серной кислоты и ее солей осаждаются только из концентрированных растворов, образуя кристаллический осадок двухводного сульфата кальция CaSO₄ ^. 2H₂O, который частично растворим в воде.

Осадок не растворяется ни в соляной, ни в уксусной кислоте.

Выполнение: в пробирку налить 3-5 капель раствора соли кальция и долить 2-3 капли 2н раствора серной кислоты. В пробирке осадок или совсем не выпадает, или выпадает в небольшом количестве.

4. Реакция с сульфатом аммония (NH₄)₂ SO₄:

Данный реактив не осаждает ионы кальция, так как образуется растворимая комплексная соль (NH₄)₂[Ca(SO₄)₂].

5. Реакция с гипсовой водой (насыщенный раствор сульфата кальция) CaSO₄:

Гипсовая вода не образует осадков в растворах солей кальция ни на холоду, ни при нагревании.

6. Реакция с оксалатом аммония (NH₄)₂С₂O₄:

д анный реактив с ионами кальция образует белый кристаллический осадок оксалат кальция СаС₂О₄:

СаСl₂ + (NH₄)₂С₂O₄ = СаC₂O₄ + 2NH₄Сl

Са ²⁺ + C₂O₄^{2 -} = СаC₂O₄

Раствор щавелевой кислоты Н₂C₂O₄ в нейтральном растворе осаждает ионы кальция и не осаждает ионы бария:

Выполнение: к раствору соли кальция прилить 3-5 капель 2н раствора оксалата аммония. Выпадает кристаллический осадок.

Отношение осадка к действию кислот:

осадок растворим в 2н растворах соляной и азотной кислот и не растворим в уксусной кислоте СН₃СООН как на холоду, так и в кипящей уксусной кислоте СН₃СООН.

С аC₂O₄ + 2 Н ⁺= Са ²⁺ + Н₂C₂O₄

Выполнение: образовавшийся осадок разделить на две части. Одну часть обработать 2н раствором соляной кислоты НСl, а другую – 2н раствором уксусной кислоты СН₃СООН. В соляной кислоте осадок растворится, а в уксусной кислоте, даже при кипячении, - нет.

Напишите уравнения реакций растворения осадка в кислотах в молекулярной и ионной форме.

7. Окрашивание пламени:

соли кальция окрашивают пламя горелки в кирпично-красный цвет.

Выполнение: конец платиновой проволоки очистить концентрированной соляной кислотой и прокалить. Смочить солью кальция и внести в пламя горелки. Наблюдается характерное кирпично-красное окрашивание.