View
18
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
1
Занятие 2
Анализ катионов I-IIX аналитических групп.
Цель занятия: на основе знаний химико-аналитических свойств ка
тионов I-III аналитических групп, положений теории
растворов электролитов, закона действующих масс
уметь выполнять характерные аналитические реак
ции катионов I-III аналитических групп.
СТРУКТУРА ЗАН Я ТИ Я (225минут):
L Введение 10 мин.
2 Входной тестовый контроль по теме «Сильные и слабые электро
литы в растворе. Качественные реакции на катионы I-III аналити
ческих групп». 50 мин.
3± Проведение качественных реакций на катионы И II аналитических
групп. 100 мин.
£_ Защита результатов. Домашнее задание. 65 мин.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА:
/. Ю.Я. Харитонов «Аналитическая химия», М.: Высшая школа, 2001 , ч .1.
2. В.Д. Пономарев «Практикум по аналитической химии», М.: Высшая школа, 1983.
3. Методические разработки по теме.4. Справочные таблицы.
2
ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ.
К занятию надо знать:1) Основные понятия качественного химического анализа.2) Классификацию катионов по кислотно-основному методу анализа.3) Общую характеристику I, II, III аналитических групп (состав, общие
свойства, действие группового реагента).4) Отношение солей аммония к нагреванию.5) Способы выражения КОНЦЕНТРАЦИИ растворов: массовая доля,
молярная концентрация, молярная концентрация эквивалента.6) Основные понятия теории сильных электролитов: активность, коэф
фициент активности, pH растворов.
К занятию надо уметь:1) Составлять уравнения реакций диссоциации двойных и комплексных
солей в водных растворах.2) Называть комплексные соли по номенклатуре ИЮПАК.3) Выполнять аналитические реакции катионов полу микрометодом.4) Пользоваться микроскопом.5) Выполнять реакции окрашивания пламени летучими солями.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ:
1. Дайте определение понятиям: аналитическая реакция, дробный, систематический анализ, макро-, полу микроанализ.
2. Сформулируйте принцип аналитической классификации ионов.3. Назовите групповые реагенты, принимаемые в кислотно-щелочной клас
сификации.4. Какие реагенты и реакции называются специфическими, селективными,
групповыми?5. Параметры, характеризующие чувствительность аналитической реакции.6. К каким группам Периодической системы относятся катионы I-III анали
тических групп?7. Дайте определение понятиям: ионная сила раствора, активность, коэффи
циент активности.8. Поведение слабых электролитов в растворе. Закон Оствальда.9. Назовите наиболее широко применяемые в медицине и фармации лекар
ственные вещества, содержащие катионы I-III аналитических групп.
3
Катионы I аналитической группы не имеют общего группового реагента и во всех аналитических классификациях выделяются в отдельную группу. Они образуют осадки с крупными легко поляризующимися анионами. По этой способности их можно условно разделить на две подгруппы:
1- с радиусом <0,1 нм (Li", Na +)2- с радиусом >0,1 нм (К+, NH4")
Обе подгруппы значительно отличаются одна от другой и не имеют общих регентов.
Летучие соли щелочных металлов (кроме NH4+) окрашивают пламя горелки. Это объясняется их восстановлением в пламени до нейтральных атомов, малым потенциалом ионизации s-электронов. При обратном переходе электрон испускает квант света.
Пробы окрашивания пламени - один из наиболее используемых методов обнаружения соединений щелочных металлов.
Соли катионов I аналитической группы широко используются в медицине, входят в состав многих лекарственных препаратов:
Натрия гидрокарбонат- средство, нейтрализующее кислотность желудочного сока, для инъекций, полосканий.Глауберова соль- Na2S0 4 х 10 Н20 - слабительное средство. Противоядие при отравлении солями бария, свинца.Раствор натрия хлорида (0,9%) - изотонический раствор. Противоядие при отравлении нитратом серебра.Калия хлорид - антиаритмическое средство.Калия бромид- снотворное средство.
При определении подлинности этих катионов используют аналитические реакции, многие из которых являются ФАРМАКОПЕЙНЫМИ. При выполнении аналитических реакций обращают внимание на:
а), наблюдаемый эффект - выпадение осадка, цвет, выделение газа, окрашивание раствора;б), условия проведение реакций - pH раствора, температура, концентрация;в), свойства выделяющихся осадков - растворимость их в растворах кислот, щелочей;г), мешающие катионы в условиях определения;д). чувствительность реакции.
I АНАЛИТИЧЕСКАЯ ГРУППА: К+, Na +. NH/
Аналитические реакции катиона Na +
1. Микрокристаллоскопическая реакция с цинкуранилацетатом(фармакопейная):Ионы натрия с Zn(U02)3(CH3C0 0 ) 8 в уксуснокислой среде дают желтый
кристаллический осадок, не растворимый в уксусной кислоте.
ЫаС1+гп(и02)з(СНзС00)8+9Н20+СНзС00Н^Ы агп(и02)з(СНзС00)9х9Н20|+НС1
Методика: на предметное стекло капилляром помещают каплю раствора натрия хлорида и рядом каплю раствора цинкуранилацетата. Капли осторожно соединяют стеклянной палочкой. Через 30 минут наблюдают под микроскопом образование кристаллов правильной тетраэдрической и октаэдрической форм. Зарисовывают форму кристаллов.
Условия: pH 4-5, время, мешающие ионы К", NH4+.
2. Микрокристаллоскопическая реакция с KSb(OH)6:Реактив в нейтральной, слабокислой и слабощелочной среде с Na дает
белый мелкокристаллический осадок:Na++KSb(OH)6̂ NaSb(OH)6|+K +
Методика: 1 каплю соли натрия помещают на предметное стекло, добавляют 1 каплю раствора реактива. Через 2-3 минуты наблюдают под микроскопом образование кристаллов характерной формы. Зарисовывают форму кристаллов.
3. Окрашивание пламени летучими солями (фармакопейная).Методика: на кончике графитного стержня или нихромовой проволоки
вносят в пламя спиртовки несколько кристаллов натрия хлорида. Наблюдают окрашивание пламени в желтый цвет.
Аналитические реакции катиона К+
1. Реакция с натрия гексанитрокобальтатом (<фармакопейная):Натрия гексанитрокобальтат дает с катионами калия в уксуснокислой
среде (или нейтральной) желтый осадок комплексной соли:2KCl+Na3[Co(N02)6] ^ K 2Na[Co(N02)6]j+2NaCl
Методика: в пробирку помещают 1-2 капли раствора соли калия и прибавляют такой же объем Na3[Co(N02)6j|- Наблюдают выпадение желтого мелкокристаллического осадка.
Условия: свежеприготовленный раствор регента, pH 5-8, мешающие ионы N H f.
5
2. Реакция с гидротартратом натрия:KN03+N аНС4Н40б—► КНС4Н40 6[ +N aN 0 3
Методика: в пробирку помещают 3-4 капли раствора соли калия и столько же капель раствора натрия гидротартрата, охлаждают, потирают стеклянной палочкой внутреннюю стенку пробирки. Через несколько минут наблюдают образование белого кристаллического осадка.
Условия: pH 5-7, охлаждение, механическое воздействие, высокая концентрация ионов калия, мешающие ионы NH4 .
3. Окрашивание пламени (<фармакопейная):Летучие соли калия окрашивают пламя в бледно-фиолетовый цвет.
Аналитические реакции катиона аммония NHj .
1. Реакция с реактивом Несслера (смесь комплексной соли K2[HgI4]+KOH):
Реактив образует с солями аммония осадок красно-бурого цвета: NH4Cl+2K2[HgI4]+2K0H-^[NH2Hg2I2]I|+KCl+5KI+2H20
красно-бурыйРеакция высокочувствительная, позволяет открывать малые количества
ионов аммония. Проведение реакций мешает присутствие солей тяжелых металлов, образующих осадки с реактивом Несслера.
Методика: к капле разбавленного раствора соли аммония на капельной пластинке добавляют 1-2 капли раствора реактива Несслера.
Условия: избыток реактива Несслера, щелочная среда, отсутствие мешающих ионов.
2. Реакция разложения солей аммония (фармакопейная):t°
NH4OH NH3T+H7O NH4N 0 3̂ >N20+2H20
Методика: в тигель или пробирку помещают 8-10 капель раствора соли аммония, прибавляют такой же объем раствора щелочи и слегка нагревают на водяной бане. Выделяющиеся пары аммиака изменяют окраску влажной розовой лакмусовой бумаги в синий цвет. Реакция специфична.
II АНАЛИТИЧЕСКАЯ ГРУППА: Ag+, Hg72+. Pb2+:
Эти элементы находятся в разных группах Периодической системы Д.И. Менделеева. Они имеют либо законченные 18-электронные слои, либо оболочки, содержащие 18+2 электронов в двух наружных слоях. Это обуславливает их одинаковое отношение к галогенид -ионам.
Групповой реагент - 2 м НС1.Катионы Ag+, Hg22+, Pb2+ образуют с НС1 труднорастворимые в воде и
разбавленных кислотах осадки:AgN03+HCl—►AgClj+HN03
Pb(N03)2+2HCl—►PbCl2|+2H N 03 Hg2(N 0 3)2+2HCl—>Hg2Cl21+2HN 0 3
Растворимость хлоридов различна, например, растворимость РЬС12 при 20°С- 11,0 г/л; AgCl- 1,8x10 3 г/л; Hg2Cl2- 2,0 х10 4 г/л. При температуре воды 100°С растворимость хлорида свинца увеличивается в 3 раза, растворимость двух других хлоридов остается практически прежней. Это свойство
9_|_ _1_ 2 -г
используется для отделения катиона РЬ от катионов Ag" и Hg2" .Благодаря хорошей растворимости, хлорид свинца не полностью осаж
дается групповым реагентом и частично остается в растворе. Hg2Cl2 при взаимодействии с раствором аммиака образует хлорид димеркураммония.Он не устойчив и легко разлагается:
HgoCb+2NH4OH—̂[Hg2NH2]Cl+NH4Cl+2HoO1
[NH2Hg]Cl+Hg|-4epHbm2 [ jЭта реакция позволяет отделить Hg2 от Ag .Хлорид серебра хорошо растворим под действием NH4OH с образова
нием растворимой комплексной соли:AgCl+HC 1—>Н [ AgC 12]
Соли, в состав которых входят катионы II аналитической группы, являются физиологически активными и входят в состав многих лекарственных препаратов:
Каломель - Hg2Cl2, ртути амидохлорид - HgNH2Cl применяют наружно в мазях.Серебра нитрат - AgN03 — входит в состав ляписа, применяемого как наружное антисептическое и прижигающее средство.Свиниа аиетат - РЬ(СН3СОО)2 - в виде 2%-го раствора «свинцовая вода», используют в качестве вяжущего средства при воспалительных заболеваниях кожи.
Действие группового реагента.В три пробирки помещают по 4 капли растворов солей: 1 - AgN03; 2 -
Pb(N03)2; 3 - Hg2(N03)2. В каждую из пробирок добавляют по 2 мл 2м НС1. Наблюдают образование осадков.
7
' Испытывают растворимость осадков в NH4OH и в горячей воде.
Аналитические реакции катиона A g .Соли серебра ЯДОВИТЫ! Работать осторожно!
1. Осаждение Ag+ растворимыми хлоридами (фармакопейная): Катионы серебра при взаимодействии с хлоридами образуют белый
творожистый осадок:Ag++HCl—>АёСЦ+Н+
белыйОсадок AgCl полностью растворим в концентрированном растворе ам
миака:AgCl+2NH3—>[Ag(N Н3 )2]С1
из которого при подкислении вновь выделяется осадок AgCl: [Ag(NH3)2]Cl+2HN03—»AgCl|+2NH4N 03
Методика: в пробирку помещают 3-4 капли раствора нитрата серебра и добавляют 3-4 капли раствора хлорида натрия. Наблюдают выделение осадка хлорида серебра.
К осадку добавляют 5-10 капель концентрированного раствора аммиака. Наблюдают растворение осадка, вследствие образования растворимого комплексного соединения.
2. Реакция с хроматом калия:К2СЮ4 образует с катионами Ag+ осадок серебра хромата кирпично
красного цвета:K2Cr04+2AgN03-^Ag2Cr04J+2KN03
Методика: в пробирку помещают 2-3 капли раствора серебра нитрата, добавляют 4 капли дистиллированной воды и 2 капли хромата калия. Наблюдают образование осадка. Обратите внимание на цвет осадка. Проверьте его растворимость в азотной кислоте и в NH4OH.
Условия: pH 6,5-7,5.
Аналитические реакции катиона Hgi2+.Соли ртути ЯДОВИТЫ! Работать осторожно!
1. Реакция образование каломели (фармакопейная):Растворимые хлориды с нитратом закиси ртути образуют белый осадок
каломели Hg2Cl2:Hg2(N03)2+2NaCl—>Hg2Cl2|+2NaN03
Характерна реакция каломели с раствором аммиака, сопровождающаяся потемнением осадка:
NH2Hg2Cl2+2NH3-+ H g _ ^ + Hgj + NH4C1
Cl черный
8
Эта реакция позволяет разделить хлориды ртути (I) и серебра.Методика: в пробирку помещают 5 капель раствора Hg2(N 03)2, добавля
ют равный объем раствора натрия хлорида. Наблюдают выпадение белого, преломляющего свет осадка каломели.
Осадок делят на две части: к одной добавляют концентрированную азотную кислоту - наблюдают растворение осадка. К другой части - добавляют раствор (концентрированный) аммиака- наблюдают потемнение осадка за счет выделения металлической ртути.
2. Восстановление ртути (I) металлической медью:Hg2(N 03)2+Cu—>Cu(N03)2+2Hgj
черныйСоли ртути (II) дают аналитический эффект.Методика: на очищенную медную пластинку (монету) наносят каплю
раствора ртути (I) нитрата. Через некоторое время появляется серое пятно амальгамы, которое после удаления раствора и потирания поверхности фильтровальной бумагой становится блестящим.
Аналитические реакции катиона РЬ2 .
1. Реакция с иодид- ионами {фармакопейная), - реакция «золотого дождя»:
Иодид-ион образует с катионами свинца кристаллический осадок РЫ2 желтого цвета, растворимый в избытке реактива с образованием комплекса:
Pb(N03)2+2KI-+PbI2|+2KN03 РЫ2 +2KI—>K2[PbI4]
Методика: в пробирку отбирают 2-5 капель раствора свинца нитрата, добавляют 3 капли раствора калия иодида. Выпадает осадок желтого цвета. Прибавляют несколько капель воды, уксусной кислоты и нагревают. Осадок растворяется. Пробирку быстро охлаждают под струей воды. Вновь выделяется осадок в виде блестящих золотистых кристаллов.
2. Реакция с хромат - или дихромат- ионами:Хромат или дихромат калия с РЬ2+ образуют желтый осадок РЬСЮ4, рас
творимый в гидроксидах щелочных металлов, не растворимый в уксусной кислоте:
2РЬ2 +Сг20 72~+2СН3С00~+Н20 —>2РЬСЮ4+2СН3СООНжелтый
Методика: в пробирку помещают 2 капли соли РЬ" , 2 капли CH3COONa (зачем?) и 3 капли К2Сг20 7. Выпадает желтый осадок, проверяют его растворимость с СН3СООН и NaOH.
III АНАЛИТИЧЕСКАЯ ГРУППА Са2+, Ва2+. Sr2*.9
Эти элементы входят во 2-ую группу Периодической системы Д.И. Менделеева. Они имеют законченные 8-электронные внешние слои. Химическая активность их возрастает от Са —> Ва. В таком же направлении изменяются и другие свойства, например, растворимость солей, основные свойства гидроксидов.
Ион S 04~ с катионами Са , Ва , Sr образует осадки, а с катионами других аналитических групп (в пределах определенных концентраций) осадка не дает.
Групповым реагентом на катионы III аналитической группы является водный раствор (1 моль/л) серной кислоты или растворимых сульфатов, дающие с этими катионами осадки белого цвета, сульфаты мало растворимы в воде, разбавленных кислотах в щелочах. Их растворимость увеличивается в ряду BaS04—■» SrS04 —> CaS04, вследствие чего кальция сульфат не полностью осаждается групповым реагентом и частично остается в растворе. Для достижения полноты осаждения CaS04 в водный раствор добавляют этанол. При этом растворимость кальция сульфата уменьшается.
В отличие от сульфатов III группы карбонаты легко растворимы в уксусной кислоте, что используется в систематическом анализе.
Из солей, в состав которых входят катионы III аналитической группы, широкое применение нашли соли кальция: хлорид, сульфат, глюконат и др.
Кальция хлорид - обладает кровоостанавливающим и антиаллергиче-ским действием.
Калыгия сульфат - используют для получения гипса в травматологии.
Бария сульфат - широко применяется как рентгеноскопическое средство. Соли бария весьма токсичны и в медицине не применяются.
Действие группового реагента.
В три пробирки помещают по 5 капель растворов солей: 1 - ВаС12, 2 - SrCl2, 3 - СаС12. В каждую из пробирок добавляют по 3 капли серной кислоты (2 моль/л), нагревают на водяной бане. Наблюдают образование осадков. Напишите уравнения реакций.
Обратите внимание на скорость выпадения осадков при комнатной температуре. Проверьте растворимость осадков в соляной и азотной кислотах. После охлаждения, в пробирку, содержащую CaS04, добавьте 5 капель ацетона или этилового спирта и проверьте, увеличивается ли количество осадка. Дайте объяснение.
Аналитические реакции катиона Са2+.
1. Микрокристаллоскопическая реакция с серной кислотой:Катион кальция осаждается серной кислотой из концентрированных рас
творов в виде характерных кристаллов гипса: CaS04x2H20.Методика: 1 каплю раствора соли кальция помещают на предметное
стекло, прибавляют каплю раствора серной кислоты и слегка упаривают на водяной бане до начала кристаллизации, рассматривают под микроскопом игольчатые кристаллы в виде пучков или звездочек и зарисовывают.
Ca2++H2S04 pa36.-+CaS0 4x2H20 |белый
Кристаллы CaS04x2H20 растворяются в насыщенном растворе аммония сульфата:
CaS04+(NH4)2S04O (NH4)jCa(S04)2]2"Ь 2+Эта реакция позволяет отделить ионы Са“ от Ва" .
2. Реакция с оксалатом аммония {фармакопейная):С оксалатом аммония ион кальция образует белый кристаллический оса
док СаС20 4:Ca2++(NH4)2C20 4̂ C aC 20 4|+ 2 N H /
Оксалат кальция не растворим в уксусной кислоте. Катионы бария и стронция мешают протеканию реакции.
Методика: в пробирку помещают 3 капли раствора соли кальция, добавляют каплю раствора уксусной кислоты, после чего приливают 3 капли раствора аммония оксалата. Наблюдают выпадение белого кристаллического
. осадка.
3. Окрашивание пламени (фармакопейная):Летучие соли кальция окрашивают пламя в кирпично-красный цвет.
Аналитические реакции катиона Sr~ .
1. Реакция с «гипсовой водой»:При добавлении «гипсовой воды» (насыщенный раствор кальция сульфа
та) осадок образуется только при нагревании, а на холоде- при длительном стоянии. Ионы бария мешают определению.
t°Sr(N03)2+CaS04x2H20-^SrS04J+Ca(N03)2+2H20
Методика: в пробирку помещают 4 капли раствора соли стронция, добавляют 5-6 капель «гипсовой воды», нагревают на водяной бане и оставляют стоять на 15 минут. Появляется белый осадок.
11
2. Окрашивание пламени (<фармакопейная):Летучие соли стронция окрашивают пламя в карминово-красный цвет.
Аналитические реакции катиона Ва' .
1. Реакция с сульфат - ионами (фармакопейная):Ион бария образует с сульфат - ионами белый мелкокристаллический
осадок бария сульфата, не растворимый в кислотах и щелочах, но заметно растворимый в концентрированной серной кислоте:
Ba(N03)2+H2S0 4 разб.—>BaS04 |+2№чЮз BaS04+H2S04 конц.—>-Ba(HS04)2
Методика: к 2 каплям раствора соли бария добавляют по каплям раствор серной кислоты или натрия сульфата. Выделяется белый осадок.
2. Окрашивание пламени (фармакопейная):Летучие соли бария окрашивают пламя в желто-зеленый цвет.
3. Реакция с дихромат- ионами:В водном растворе калия дихромата существует равновесие:
Сг20 72 + Н20 0 2 С Ю 42“+2Н+В присутствии иона бария выпадает осадок желтого цвета ВаСЮ4, по
скольку растворимость ВаСЮ4 меньше, чем растворимость ВаСг20 7. Добав- л ацетат -иона сдвигает равновесие реакции в сторону выделения ВаСЮ4.
2Ва2 +Сг20 72"+2СН3С 0 0 + Н 20О2ВаСЮ 4|+2СНзС00ННаблюдают выделение желтого кристаллического осадка.
Методик:а: в пробирку помещают Z капли соли РЬ ,Z капли СН3С00Иа и 3 капли K^Cr^Oj. Выпад&ет желтый осадок, проверяют его растворимость с СН3СООН u IfaOH.
К О Н ТРО Л ЬН Ы Е ВОПРОСЫ :
1. Дайте общую характеристику I-III аналитических групп катионов.
2. Напишите уравнения реакций обнаружения Na+ с цинкуранилацета-
том и К+ с натрия гексанитрокобальтатом (III). объясните, почему
эти реакции нельзя проводить в сильнокислой и сильнощелочной
среде.
3. Какие катионы II группы образуют комплексные соединения? Напи
шите их формулы.
4. Напишите уравнения реакций растворения:
а), свинца хромата в NaOH;
б), кальция сульфата в сульфате аммония.
5. Открытию каких катионов мешает ион аммония? Почему?
6 . Какие катионы I-III аналитических групп окрашивают пламя? Ука
жите окраску.
7. Какие катионы II и III групп не полностью осаждаются групповыми
реагентами и частично остаются в растворе?
8 . Какие лекарственные вещества содержат катионы I-III аналитиче
ских групп?
Recommended