Этапы системного анализа смеси катионов I и V группы

Реферат

Введение

Аналитическая химия - наука о методах определения химического состава вещества и его структуры. Однако это определение представляется исчерпывающим. Предметом аналитической химии являются разработка методов анализа и их практическое выполнение, а также широкое исследование теоретических основ аналитических методов. Сюда относится изучение форм существования элементов и их соединений в различных средах и агрегатных состояниях, определение состава и устойчивости координационных соединений, оптических, электрохимических и других характеристик вещества, исследование скоростей химических реакций, определение метрологических характеристик методов и т.д. Существенная роль отводится поискам принципиально новых методов анализа и использованию в аналитических целях современных достижений науки и техники. В практических целях не всегда требуется проведение полного химического анализа. Нередко ограничиваются определением двух-трех или четырех-пяти компонентов, от содержания которых зависят качество материала, его технологические характеристики, эксплуатационные свойства и т. д.

Аналитическая классификация катионов. Ионы делятся на аналитические группы. Классификация катионов по аналитическим группам основана на растворимости некоторых образуемых ими солей.

Согласно классификации, предложенной Н.А. Меншуткиным, все ионы металлов (катионы) делятся на две большие группы:

а) ионы, осаждаемые сероводородом или сульфидом аммония;

б) ионы, не осаждаемые указанными реактивами.

Ионы металлов, сульфиды которых растворимы в воде, подразделяют в свою очередь на ионы, осаждаемые и не осаждаемые карбонатом аммония.

Таким образом, сероводород, сульфид аммония и карбонат аммония являются общими, или групповыми реактивами, способными к взаимодействию с группой ионов.

Много лет прошло с тех пор, как Н.А. Меншуткин предложил свою классификацию. За этот период другие ученые не раз предлагали различные системы классификации катионов. Однако до сих пор наиболее распространенной и общепринятой является классификация, основанная на принципах, предложенных Н.А. Меншуткиным.

Согласно этой классификации, катионы подразделяются на следующие пять аналитических групп:

I аналитическая группа катионов - катионы натрия, калия, аммония, магния и др.;

II аналитическая группа катионов - катионы серебра, ртути, свинца и др.;

III аналитическая группа катионов - катионы кальция, стронция, бария и др.

IV аналитическая группа катионов - катионы цинка, алюминия, олова и др.

V аналитическая группа катионов - катионы магния, марганца, железа и др.

К I аналитической группе относятся катионы щелочных металлов - калия K+, натрия Na+, лития Li+ и катион аммония NH4+. Большинство солей катионов I аналитической группы представляют собой белые кристаллические порошки, хорошо растворимые в воде. Вследствие этого катионы данной группы не имеют группового реагента и открывают их только с помощью частных реакций. Перед проведением частных реакций на катионы I аналитической группы ионы других групп удаляют методом осаждения (например, в виде карбонатов в нейтральной или щелочной среде).

Реакции катиона лития Li+:

1. Окрашивание пламени. Летучие соединения лития окрашивают бесцветное пламя горелки в карминово-красный цвет. Реакция весьма чувствительна. Определению мешают ионы натрия. Желтую окраску ионов Na+ маскируют, используя индиговую призму или кобальтовое стекло, не пропускающее желтых лучей.

Методика проведения реакции. С помощью металлической петли из флакона берется небольшое количество соли и вносится в пламя спиртовки. Пламя окрашивается в карминово-красный цвет.

2. Реакция с фторидом аммония NH4F. При нагревании смеси растворов соли лития и фторида аммония выделяется белый аморфный осадок фторида лития, растворимый в уксусной кислоте.

Li+ + F- = LiF(тв).

К II аналитической группе относятся катионы Ag+, Pb2+ и Hg22+, образующие с хлороводородной кислотой и ее солями нерастворимые осадки хлоридов.

Катионы этой группы бесцветны. При взаимодействии с нитрат- и нитрит-ионами образуют растворимые соли. При взаимодействии с сульфат-, сульфид-, фосфат-, хромат-, карбонат-, бромид- и йодид-ионом образуют осадки, т.е. в воде растворимы нитраты и нитриты серебра, свинца и ртути, остальные соли этих металлов в воде не растворяются. При действии щелочей Ag+ и Hg2+ образуют гидроксиды, которые сразу разлагаются на воду и оксиды серебра и ртути; Pb2+ образует осадок гидроксида свинца. При действии восстановителей указанные катионы могут восстанавливаться до металла.

Групповым реактивом является соляная кислота, при действии которой выпадают белые осадки хлоридов:

Ag++Cl- =>AgCl

Pb2++2Cl- =>PbCl2

Hg22++2Cl- =>HgCl2

Все они нерастворимы в азотной кислоте. Растворимость хлоридов в воде различна. При 20 °С растворимость AgCl составляет 1,3*10-5моль/л, PbCl2-1.6*10-5 моль/л. При повышении температуры растворимость PbCl2 заметно растет, растворимость других хлоридов практически не изменяется. Таким путем можно отделить хлорид свинца от других хлоридов этой группы.

К III аналитической группе относятся катионы Ca2+, Ba2+, Sr2+. Групповой реагент - разбавленная серная кислота и ее соли, образующие с катионами данной группы малорастворимые сульфаты, нерастворимые в воде, кислотах и щелочах:

Ca2+ + SO42- = CaSO4Ўэ,

Ba2+ + SO42- = BaSO4Ўэ,

Sr2+ + SO42- = SrSO4Ўэ.

В соответствии с величинами произведения растворимости осадок сульфата бария образуется мгновенно, сульфата стронция - через некоторое время после смешивания реактивов, а сульфат кальция образуется только из насыщенных растворов. Для понижения растворимости CaSO4 в водный раствор добавляют спирт. Для отделения ионов кальция от остальных катионов третьей группы используют растворимость сульфата кальция в сульфате аммония:

CaSO4 + (NH4)2SO4 = (NH4)2 [Ca(SO4)2].

Для перевода в растворимое состояние сульфаты бария, кальция и стронция многократно обрабатывают при нагревании раствором Na2CO3 или сплавляют при температуре 600-800 градусов с гидрокарбонатом натрия.

MeSO4 + Na2CO3 = MeCO3Ўэ + Na2SO4.

Образовавшиеся карбонаты ионов третьей аналитической группы растворимы в кислотах:

MeCO3 + 2H+ = Me2+ + H2O + CO2Ўь.

К IV аналитической группе относятся катионы Аl3+, Cr3+, Sn2+, Zn2+. Групповым реагентом служит раствор щелочи, при действии избытка которого образуются растворимые комплексные соединения (гидроксокомплексы).

В отличие от сульфидов катионов III аналитической группы сульфиды катионов IV аналитической группы не растворимы в разбавленных минеральных кислотах (HCl, H2SO4), так как их произведения растворимости очень малы.

Свойства сульфидов катионов IV группы связаны с положением образующих их элементов в периодической системе Д.И. Менделеева.

Сульфиды подгруппы меди CuS, CdS, Bi2S3 имеют преобладающий основной характер легко растворяются в разбавленной HNO3, обладающей сильными окислительными свойствами:

3CuS + 2NO3- + 8H+ Ўъ 3Cu2+ + 3SЎэ + 2NOЎь + 4H2O (4.3.1)

3CdS + 2NO3- + 8H+ Ўъ 3Cd2+ + 3SЎэ + 2NOЎь + 4H2O (4.3.2)

Bi2S3 + 2NO3- + 8H+ Ўъ 2Bi3+ + 3SЎэ + 2NOЎь + 4H2O (4.3.3)

Наиболее растворимый из всех сульфидов IV группы CdS растворяется не только в HNO3, но и в достаточно концентрированных растворах HCl, что связано с образованием комплекса [CdCl4]2- (реакция 4.2.2).

К V аналитической группе относятся катионы Bi3+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Mg2+, Sb3+, Sb5+, Zr+4, Ti+4. Групповым реагентом на катионы V аналитической группы являются щелочи или гидроксид аммония, с которыми получаются гидроксиды металлов, нерастворимые в избытке реагента.

Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2Ўэ.

Fe3+ + 3OH- = Fe(OH)3Ўэ.

Mn2+ + 2OH- = Mn(OH)2Ўэ.

Mg2+ + 2OH- = Mg(OH)2Ўэ.

Bi3+ + 3OH- = Bi(OH)3Ўэ.

Sb3+ + 3OH- = Sb(OH)3Ўэ.

H [SbCl6]+ 6OH- = SbO(OH)3Ўэ + 6Cl- + 2H2O.

Осадки Fe(OH)2 и Mn(OH)2 на воздухе быстро буреют вследствие окисления кислородом воздуха:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3Ўэ,

2Mn(OH)2 + O2 + 2H2O = 2Mn(OH)4Ўэ.

Гидроксиды элементов V аналитической группы растворяются в минеральных кислотах с образованием солей соответствующих катионов:

Fe(OH)2 + 2H+ = Fe2+ + 2H2O,

Fe(OH)3 + 3H+ = Fe3+ + 3H2O,

Mn(OH)2 + 2H+ = Mn2+ + 2H2O,

Mg(OH)2 + 2H+ = Mg2+ + 2H2O,

Bi(OH)3 + 3H+ = Bi3+ + 3H2O,

Sb(OH)3 + 3H+ = Sb3+ + 3H2O,

SbO(OH)3 + 5H+ = Sb5+ + 4H2O.

Гидроксид магния растворим в концентрированных растворах солей аммония за счет протекания реакции:

Mg(OH)2 + NH4+ = MgOH+ + NH4OH.

Аналитическая кислотно-основная классификация катионов

Заключение