Общая характеристика катионов I аналитической группы

Лабораторная работа 1

Общая характеристика катионов I аналитической группы

К I аналитической группе катионов относятся Li+, K+, Na+, NH4+, Mg2+. Все эти катионы не имеют группового реактива, т. е. одновременно не могут быть осаждены каким-либо реактивом. Но, в свою очередь, эта группа катионов делится на две подгруппы. Первая подгруппа катионов: NH4+, K+ осаждается общими реактивами , Вторая подгруппа катионов: Li+, Na+, Mg2+ не имеет группового реактива. Отличительная черта катионов I аналитической группы: большинство их солей хорошо растворимо в воде. Наиболее растворимыми являются соли натрия и калия. Менее растворимы соли лития и магния, так как их атомы имеют самые маленькие радиусы. Все катионы I аналитической группы, кроме NH4+, устойчивы к действию восстановителей и окислителей. Катионы I аналитической группы бесцветны, большинство солей не являются окрашенными. Окрашенными соединениями являются: хроматы (желтые) – K2CrO4, бихроматы (оранжевые) - K2Cr2O7, перманганаты (малиново-красные) – KMnO4, гексацианоферраты (III) (красные) - K3[Fe(CN)6] и гексанитрокобальтаты (III) (желтые и красные) – K3[Co(NO2)3]. Катион Mg2+ относится к катионам I аналитической группы, несмотря на то, что он образует нерастворимые в воде карбонаты и фосфаты (в этом его отличие от других катионов этой группы). По электронному строению он ближе к катионам I аналитической группы, так как имеет атомный радиус значительно меньше, чем катионы II аналитической группы (Ca, Sr, Ba).

Качественный анализ катионов Й аналитической группы

Реакции Na+ - ионов

Реакция с ацетатом уранила

Поместите каплю раствора на предметное стекло и выпарьте почти досуха при нагревании над электрической лампой. Рядом с этой каплей поместите каплю раствора ацетата уранила в разбавленной уксусной кислоте. Стеклянной палочкой смешайте реактив с сухим остатком. В присутствии - ионов вскоре выделяются жёлтые тетраэдры и октаэдры ацетата натрий-уранила легко различимые под микроскопом.

Кристаллы ацетата натрий-уранила

Реакция окрашивания пламени.

Чистую накалённую проволоку опустите в раствор хлорида натрия или наберите на неё немного твёрдой соли . Внесите проволоку вместе с капельками или частицами натриевой соли в бесцветное пламя горелки – пламя окрасится в жёлтый цвет.

Реакции K+- ионов

Реакции с гексанитрокобальтом (ЙЙЙ) натрия

Поместите в пробирку 1-2 капли раствора какой-либо соли калия, прибавьте к нему 3-5 капель раствора гексанитрокобальта (ЙЙЙ) натрия и потрите стеклянной палочкой о стенки пробирки. При этом выпадет жёлтый кристаллический осадок :

или в ионной форме:

Условия проведения реакции.

Реакцию следует проводить в присутствии разбавленной уксусной кислоты. В щелочной среде выпадают осадки гидроокисей и . В сильнокислой среде осадок может не выпасть, так как при этом образуется крайне нестойкая кислота , разлагающаяся в момент выделения:

Катионы, образующие с гексанитрокобальтатом (ЙЙЙ) натрия осадки, в том числе и  - ионы, предварительно удаляют. Соли натрия и магния не мешают обнаружению - ионов. Окислители или восстановители, реагирующие с реактивом, должны отсутствовать. Например, иодистоводородная кислота восстанавливает нитрит до окиси азота, при этом выделяется свободный йод, а реактив разрушается. Вредно действуют также перекись водорода, сероводород и т. п. Для проведения реакции следует применять свежеприготовленный реактив, так как он при хранении разлагается. В разбавленных растворах осадок образуется только после долгого стояния. Вследствие образования пересыщенных растворов потирание стеклянной палочкой о стенки сосуда ускоряет процесс образования осадка.

Реакция с гидротартратом натрия

Поместите в пробирку 2-3 капли раствора какой-либо соли калия, прибавьте 0,5 мл раствора гидротартрата натрия и потрите стеклянной палочкой о стенки пробирки. Через некоторое время выпадет белый кристаллический осадок:

или в ионной форме:

       

        Условия проведения реакции.

Реакцию проводят в нейтральной среде. В сильнощелочной среде происходит растворение осадка, сопровождающееся образованием соли В кислой среде осадок растворяется с образованием винной кислоты и катионы других групп должны быть предварительно удалены, так как они образуют с реактивом осадки (например,), которые могут быть приняты за осадок гидротартрата калия. Реакцию проводят без подогрева, так как растворимость гидротартрата калия сильно возрастает с повышением температуры раствора. Концентрации анализируемого раствора и реактива должны быть высокими. Потирание стенок пробирки стеклянной палочкой благоприятствует осаждению.

Реакция окрашивания пламени.

Летучие соединения калия окрашивают бесцветное пламя в характерный фиолетовый цвет. Фиолетовая окраска пламени в присутствии солей натрия становится незаметной, так как соединения натрия окрашивают пламя горелки в жёлтый цвет. Однако окраску, вызываемую калием, можно различить при рассматривании через кобальтовое стекло или через синюю индиговую призму, не пропускающую жёлтых лучей.

Реакции NH4+- ионов

Реакция со щелочами.

Поместите в пробирку несколько капель раствора соли аммония и добавьте 5 капель водного раствора какого-либо из сильных оснований – KOH, NaOH, Ca(OH)2  или солей Na2CO3, K2CO3  и подогрейте содержимое пробирки. Вследствие разложения соли аммония выделится аммиак:

или в ионной форме:

NH4+ + OH - →NH3↑ + H2O

Выделяющийся аммиак может быть обнаружен различными способами:

по запаху; по посинению красной лакмусовой или по покраснению фенолфталеиновой бумаги, смоченной дистиллированной водой и внесённой в пары над раствором; по образованию дыма хлорида аммония при поднесении к отверстию пробирки стеклянной палочки, смоченной каплей концентрированной хлористоводородной кислоты; по почернению фильтровальной бумаги, смоченной раствором нитрата ртути (Й).

Условия проведения реакции.

Среда раствора должна быть сильнощелочной

Раствор нужно нагревать до кипения.

Индикаторную бумагу следует предварительно смочить водой, бумагу укрепляют так, чтобы она не касалась жидкости. От брызг лакмусовая бумага синеет, а фенолфталеиновая краснеет даже в отсутствии под влиянием щелочи, налитой в пробирку.

Реакция с реактивом Несслера

Прибавьте к капле разбавленного раствора соли аммония 1-2 капли раствора реактива. В присутствии - ионов образуется характерный красно-бурый осадок; при наличии следов раствор окрашивается в жёлтый цвет:

или в ионной форме:

Другие катионы Й аналитической группы не мешают обнаружению ионов аммония реактивом Несслера.

Кипячение с едкими щелочами или карбонатами натрия или калия.

При действии едких щелочей или карбонатов натрия или калия, а также при длительном нагревании аммониевые соли в растворах разлагаются с выделением газообразного аммиака.

Связывание азота аммониевых солей формальдегидом [образование гексаметилентетрамина (CH2)6N4].

К анализируемому раствору прилейте щелочь и водный раствор формальдегида (формалин). При этом образуется гексаметилентетрамин (уротропин):

Эта реакция успешно используется для удаления ионов аммония.

Реакции Mg++-ионов

Реакция с моногидрофосфатом натрия

Пробирочная реакция.

Поместите в пробирку несколько капель раствора или и , прибавьте к полученной смеси 3-5 капель реактивного раствора Тщательно перемешайте содержимое пробирки стеклянной палочкой и затем добавьте водный раствор аммиака до щелочной реакции.

При этом в присутствии ионов магния выпадает белый кристаллический осадок фосфата магний-аммония

или в ионной форме

Микрокристаллоскопическая реакция.

Для микрокристаллоскопического обнаружения - ионов в виде поместите каплю анализируемого раствора на предметное стекло. Затем к исследуемому веществу прибавьте из капиллярной  пипетки сначала каплю раствора , затем каплю концентрированного водного раствора . Наконец, внесите в раствор кристаллик (гидрофосфат натрия). Предметное стекло рекомендуется нагреть. В непосредственной близости от кристалла фосфата натрия появляются дендритные кристаллы, на более дальнем расстоянии – правильно образованные кристаллы в виде шестилучевых звёзд.

Условия проведения реакции.

Осаждение рекомендуется проводить в аммиачной среде. Осадок в кислой среде растворяется, причём наряду с ионами магния и аммония в растворе образуются ионы гидрофосфата , дигидрофосфата и ортофосфорная кислота :

  D

D

D

Посторонние ионы (кроме катионов Й аналитической группы) должны быть предварительно удалены, так как большинство катионов остальных аналитических групп образует в этих условиях нерастворимые фосфаты. При осаждении следует добавлять небольшой избыток солей аммония во избежание выпадения в аммиачной среде аморфного осадка . Однако большой избыток солей аммония задерживает осаждение вследствие образования комплексных соединений типа . Нагревание раствора до 75-100 0С благоприятствует образованию кристаллического осадка. Так как растворы склонны к пересыщению, то для ускорения выпадения осадка рекомендуется потереть стеклянной палочкой о стенки пробирки.

Действие сильных оснований.

При добавлении сильных оснований к растворам солей магния выпадает белый осадок . При добавлении слабого основания осаждение неполное, а в присутствии солей аммония осадок не выпадает совсем. Поэтому соли аммония нужно предварительно удалить из раствора.

Анализ смеси катионов первой аналитической группы

(Контрольная задача)

Обнаружение и отделение - ионов. Поместите в две пробирки по 5 капель анализируемой смеси. В одну пробирку  (проба Й), в которой предполагается открыть - ионы, добавьте 5 капель 2н. раствора или . В другую пробирку (проба ЙЙ), в которой будете обнаруживать - ионы, прилейте 5 капель 2н. раствора или . Затем содержимое пробирок нагрейте на слабом пламени горелки до кипения. При этом в случае присутствия в анализируемом растворе солей аммония из обеих пробирок выделяется , который обнаруживают описанными выше реакциями. Обнаружению - ионов другие катионы не мешают. При наличии солей аммония необходимо кипятить раствор до полного исчезновения запаха аммиака.
Обнаружение - ионов. При кипячении исследуемого раствора с или и - ионы остаются в растворе, а - ионы выпадают в виде оксикарбоната или гидроксида.

Выпавшие при кипячении анализируемого раствора сили осадки или отделите от раствора фильтрованием или центрифугированием, растворите их в или и проделайте проверочные реакции на - ионы. Так как ,,- ионы обнаружению - ионов не мешают, то ионы магния могут быть обнаружены также из отдельной пробы дробным методом.

Для проведения реакции на - ионы дробным методом поместите в пробирку 2 капли исходного анализируемого раствора и прибавьте по 2 капли 2 н. раствора , 6 н. раствора и 2 н. раствора Реакция раствора должна быть щелочной. Содержимое пробирки нагрейте. В присутствии - ионов выпадает белый кристаллический осадок фосфата магний-аммония .

С фильтратом, полученным из первой пробирки, в которую был прибавлен или , проведите реакции на - ионы; с фильтратом из второй пробирки, в которую был прибавлен или , выполните реакции на обнаружение - ионов.

Обнаружение - ионов. Если ионы аммония в анализируемом растворе отсутствуют, то обнаружение - ионов можно провести и из общей пробы при помощи

В присутствии - ионов выпадает жёлтый кристаллический осадок .

Если же ионы аммония присутствуют, то предварительно удалите их из раствора кипячением с или , как указано выше. Затем фильтрат подкислите уксусной кислотой и проведите реакцию на - ион при помощи

Обнаружение – ионов. Если в анализируемом растворе отсутствуют ионы аммония и магния, то можно в отдельной пробе анализируемого раствора обнаружить - ионы  по образованию характерных кристаллов ацетата натрий-уранила .

NB! При наличии в анализируемом растворе ионов магния и аммония необходимо  перед определением ионов натрия от них избавиться путем кипячения анализируемой пробы с K2CO3 или KOH.

Дополнительные проверочные реакции. Для проверки полученных результатов анализа рекомендуется проделать дополнительные поверочные реакции:

Для обнаружения - ионов – микрокристаллоскопическую реакцию с и реакцию окрашивания пламени

Для обнаружения - ионов - микрокристаллоскопическую капельную реакцию с