Группы катионов 1-3

Общие сведения о качественном анализе

Для установления химического состава анализируемого объекта используется качественный анализ. Другими словами, он позволяет установить, из каких химических элементов состоит анализируемое вещество и какие ионы, атомы или молекулы входят в его состав. С помощью качественного анализа в неорганических веществах исследуются катионы и анионы. При этом используются такие понятия, как аналитические сигналы и аналитические реакции.

Аналитическая реакция представляет собой такое химическое превращение анализируемого вещества под действием аналитического реагента, в результате которого образуется продукт с наличием аналитического сигнала.

Аналитические реакции делятся на групповые, селективные и специфические:

• селективные реакции предназначены для обнаружения ограниченного числа ионов в смеси без ее предварительного разделения;
• для специфических реакций характерным является наличие аналитического сигнала только у одного иона в присутствии многих других;
• в групповых реакциях аналитические сигналы одинаковы для нескольких ионов, что позволяет использовать их для обнаружения конкретной группы ионов. На основе данных реакций разработана аналитическая классификация катионов и анионов.

Аналитическая классификация катионов

Классификация связана с разделением катионов на аналитические группы при последовательном действии на смесь катионов групповыми реагентами.

Выделяют сероводородную, аммиачно-фосфатную и кислотно-основную (кислотно-щелочную) классификации.

Рисунок 1. Аналитическая классификация катионов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассмотрим кислотно-основную классификацию более подробно.

Катионы первой аналитической группы

К данной группе относятся катионы щелочных металлов ($\mathrm{K^+, Na^{+}, Li^{+}}$) и $\mathrm{NH_4^{+}}$. Представленные катионы не имеют группового реактива, так как почти все соли натрия, калия и аммония растворимы в воде, в отличие от катионов других групп.

$\mathrm{K^+, Na^{+}, NH_4^{+}}$ бесцветны, окраска их соединений определяется окраской аниона.

Рассмотрим реакции обнаружения катионов первой аналитической группы.

Реакции ионов калия $\mathrm{K^+}$

Окрашивание пламени в бледно-фиолетовый цвет. Для реакции берут чистую нихромовую проволоку, которую погружают в раствор соли калия и вносят ее в несветящуюся часть пламени.

Реакция с гексанитрокобальтом (III) натрия. В результате реакции образуется жёлтый кристаллический осадок.

$\mathrm{2KCl + Na_3[Co(NO_2)_6] \longrightarrow K_2Na[Co(NO_2)_6] \downarrow + 2NaCl}$

Реакция с гидротартратом натрия или винной кислотой. При достаточной концентрации ионов калия образуется белый кристаллический осадок гидротартрата калия.

$\mathrm{K^{+} + HC_4H_4O_6^{-} \longrightarrow KHC_4H_4O_6\downarrow}$

Микрокристаллоскопическая реакция с гексанитрокупратом (II) натрия-свинца. Образуются чёрные или коричневые кубические кристаллы гексанитрокупрата (II) калия-свинца.

$\mathrm{2KCl + Na_2Pb[Cu(NO_2)_6] \longrightarrow K_2Pb[Cu(NO_2)_6] \downarrow + 2NaCl}$

Реакция с тетрафенилборатом натрия, в результате которой образуется белый кристаллический осадок тетрафенилбората калия, нерастворимый в кислотах.

$\mathrm{KCl + Na[B(C_6H_5)_4] \longrightarrow K[B(C_6H_5)_4] \downarrow + NaCl}$

Реакция с платинохлористоводородной кислотой. Образуется жёлтый кристаллический осадок хлороплатината калия.

$\mathrm{2K^{+} + [PtCl_6]^{-} \longrightarrow K_2[PtCl_6]\downarrow}$

Реакции ионов натрия $\mathrm{Na^+}$

Реакция с дигидроантимонатом калия. В результате реакции образуется белый кристаллический осадок дигидроантимоната натрия.

$\mathrm{NaCl + KH_2SbO_4 \longrightarrow NaH_2SbO_4\downarrow + KCl}$

Окрашивание пламени. Соли натрия окрашивают пламя в ярко-жёлтый цвет.

Микрокристаллоскопическая реакция с цинкуранилацетатом. Образуется желтоватый кристаллический осадок.

$\mathrm{NaCl + CH_3COOH + Zn(CH_3COO)_2 \cdot 3UO_2(CH_3COO)_2 \cdot 9H_2O \longrightarrow CH_3COONa \cdot Zn(CH_3COO)_2 \cdot 3UO_2(CH_3COO)_2 \cdot 9H_2O \downarrow + HCl}$

Реакции ионов аммония $\mathrm{NH_4^+}$

Реакция со щелочью. В результате выделяется газообразный аммиак.

$\mathrm{NaOH + NH_4Cl \longrightarrow NH_3\uparrow + H_2O + NaCl}$

Выделяющийся аммиак можно обнаружить по запаху, с помощью смоченной лакмусовой бумажки, которая будет окращиваться в синий цвет, а также по образованию "дыма" вокруг палочки, смоченной концентрированной соляной кислотой.

Реакция с реактивом Несслера. Образуется красно-бурый осадок иодида оксодимеркураммония.

Рисунок 2. Реакция ионов аммония с реактивом Несслера

Катионы второй аналитической группы

Ко второй аналитической группе катионов относятся $\mathrm{Ag^+, Hg_2 ^{2+}, Pb^{2+}}$. Групповым реактивом является соляная кислота, при взаимодействии с которой катионы образуют малорастворимые в воде и в разбавленных кислотах белые осадки: $\mathrm{AgCl, Hg_2Cl_2, PbCl_2}$.

Перейдём к реакциям обнаружения данных катионов.

Реакции ионов серебра $\mathrm{Ag^+}$.

Взаимодействие с щелочами, в результате которого образуется бурый осадок $\mathrm{Ag_2O}$, так как происходит разложение неустойчивого белого гидроксида серебра.

$\mathrm{AgNO_3 + NaOH \longrightarrow AgOH \downarrow + NaNO_3}$

$\mathrm{2AgOH \downarrow \longrightarrow Ag_2O \downarrow + H_2O}$

Реакция с галогенами. $\mathrm{AgCl}$ - белый осадок, $\mathrm{AgBr}$ - бледно-жёлтый осадок, $\mathrm{AgI}$ - жёлтый осадок.

$\mathrm{AgNO_3 + KCl \longrightarrow AgCl \downarrow + KNO_3}$

$\mathrm{AgNO_3 + KBr \longrightarrow AgBr \downarrow + KNO_3}$

$\mathrm{AgNO_3 + KI \longrightarrow AgI \downarrow + KNO_3}$

Взаимодействие с хроматом калия приводит к образованию кирпично-красного осадка хромата серебра.

$\mathrm{2AgNO_3 + K_2CrO_4 \longrightarrow Ag_2CrO_4 \downarrow + 2KNO_3}$

Реакция "серебряного зеркала". Происходит образование блестящей зеркальной плёнки в результате восстановления ионов серебра до металлического серебра при взаимодействии с формальдегидом в аммиачном растворе.

$\mathrm{2Ag^{+} + 3NH_4OH + HCOH \longrightarrow 2Ag\downarrow + HCOO^{-} + 3NH_4^{+} + 2H_2O}$

Взаимодействие с гидрофосфатом с образованием жёлтого осадка фосфата серебра.

$\mathrm{3Ag^{+} + HPO_4^{2-} \longrightarrow Ag_3PO_4\downarrow + H^{+}}$

Реакции ионов ртути $\mathrm{Hg_2^{2+}}$

Реакция с соляной кислотой и растворимыми хлоридами. Образуется белый осадок - $\mathrm{Hg_2Cl_2}$. На свету он чернеет с выделением тонкодисперсной металлической ртути.

$\mathrm{Hg_2Cl_2 \downarrow \longrightarrow Hg \downarrow + HgCl_2}$

Взаимодействие со щелочами приводит к образованию чёрного осадка оксида ртути (I)

$\mathrm{Hg_2^{2+} + 2OH^{-} \longrightarrow Hg_2O\downarrow + H_2O}$

Реакция с водным раствором аммиака:

$\mathrm{Hg_2Cl_2 + 2NH_3 \cdot H_2O \longrightarrow [Hg_2NH_2]Cl + NH_4Cl + 2H_2O}$

$\mathrm{[Hg_2NH_2]Cl \longrightarrow HgNH_2Cl\downarrow + Hg\downarrow }$

Реакция хромата калия с ионами ртути, в результате которой образуется красный осадок хромата ртути.

$\mathrm{Hg_2(NO_3)_2 + K_2CrO_4 \longrightarrow Hg_2CrO_4 \downarrow + 2KNO_3}$

Восстановление ионов ртути до металлической ртути с помощью вытеснения её из соединений более активным металлом.

$\mathrm{Hg_2(NO_3)_2 + Cu \longrightarrow 2Hg \downarrow + Cu(NO_3)_2}$

Взаимодействие с йодидом калия приводит к образованию зеленоватого осадка йодида ртути

$\mathrm{Hg_2(NO_3)_2 + 2KI \longrightarrow Hg_2I_2 \downarrow + 2KNO_3}$

Реакции иона свинца $\mathrm{Pb^{2+}}$

Реакция со щелочами ведёт к образованию белого осадка.

$\mathrm{Pb(NO_3)_2 + 2NaOH \longrightarrow Pb(OH)_2 \downarrow + 2NaNO_3}$

Реакция с серной кислотой и растворимыми сульфатами приводит к образованию белого осадка сульфата свинца

$\mathrm{Pb(NO_3)_2 + 2NaOH \longrightarrow Pb(OH)_2 \downarrow + 2NaNO_3}$

Взаимодействие с хроматом калия, при котором выпадает жёлтый осадок, который плохо растворим в разбавленной азотной кислоте, легко растворим в щелочах и не растворим в растворе аммиака и уксусной кислоте.

$\mathrm{Pb(NO_3)_2 + K_2CrO_4 \longrightarrow PbCrO_4 \downarrow + 2KNO_3}$

$\mathrm{PbCrO_4 + 4KOH \longrightarrow K_2CrO_4 + K_2[Pb(OH)_4]}$

Реакция с раствором йодида калия (реакция "золотого дождя"). Выделяется ярко-жёлтый осадок

$\mathrm{Pb(NO_3)_2 + 2KI \longrightarrow PbI_2 \downarrow + 2KNO_3}$

Катионы третьей аналитической группы

К третьей группе катионов относятся ионы двух валентных металлов $\mathrm{Ba^{2+}, Ca^{2+}, Sr^{2+}}$. Катионы данной группы образуют труднорастворимые сульфаты, фосфаты, карбонаты, оксалаты, хроматы и сульфиды с хлоридами, которые легко растворимы. Групповым реагентом является раствор серной кислоты.

Реакции иона кальция $\mathrm{Ca^{2+}}$

Микрокристаллоскопическая реакция с серной кислотой. В разбавленных растворах образуется малорастворимый белый осадок $\mathrm{CaSO_4\cdot 2H_2O}$ (гипс), который выделяется при медленной кристаллизации в виде игольчатых кристаллов, которые могут быть представлены в виде снежинок или звёздочек.

Взаимодействие с оксалатом аммония приводит к образованию белого мелкокристаллического осадка (оксалата кальция)

$\mathrm{CaCl_2 + (NH_4)_2C_2O_4 \longrightarrow CaC_2O_4\downarrow + 2NH_4Cl}$

Реакция с гидрофосфатом натрия. Образуется белый аморфный осадок, растворимый в кислотах

$\mathrm{CaCl_2 + Na_2HPO_4 \longrightarrow CaHPO_4\downarrow + 2NaCl}$

Реакция с гексацианоферратом (II) калия (жёлтой кровяной солью)

$\mathrm{CaCl_2 + K_4[Fe(CN)_6] + NH_4Cl \longrightarrow (NH_4)KCa[Fe(CN)_6]\downarrow + 3KCl}$

Взаимодействие с растворимыми карбонатами приводит к выпадению белого осадка

$\mathrm{CaCl_2 + (NH_4)_2CO_3 \longrightarrow CaCO_3\downarrow + 2NH_4Cl}$

Ионы кальция окрашивают пламя в кирпично-красный цвет.

Реакции иона бария $\mathrm{Ba^{2+}}$

Реакция с серной кислотой, выделяется белый кристаллический осадок

$\mathrm{BaCl_2 + H_2SO_4 \longrightarrow BaSO_4\downarrow + 2HCl}$

Взаимодействие с карбонатом аммония

$\mathrm{BaCl_2 + (NH_4)_2CO_3 \longrightarrow BaCO_3\downarrow + 2NH_4Cl}$

Реакция с дихроматом калия, в ходе которой выпадает жёлтый мелкокристаллический осадок

$\mathrm {2BaCl_2 + K_2Cr_2O_7 + 2CH_3COONa + H_2O \longrightarrow 2BaCrO_4\downarrow + 2KCl + 2CH_3COOH + 2NaCl}$

Реакция с оксалатом аммония, выпадает белый мелкокристаллический осадок

$\mathrm {BaCl_2 + (NH_4)_2C_2O_4 \longrightarrow BaC_2O_4\downarrow + 2NH_4Cl}$

Реакция с родизонатом натрия, в результате которой образуется соединения красного цвета. При дальнейшем добавлении соляной кислоты соединение становится розовым.

Рисунок 3. Реакция родизоната натрия с ионами бария

Ионы бария окрашивают пламя в жёлто-зелёный цвет

Реакции иона стронция $\mathrm{Sr^{2+}}$

Действи сульфат-ионов на ионы стронция приводит к выпадению белого осадка - $\mathrm{SrSO_4\downarrow}$

При взаимодействии с оксалатом аммония выпадает белый осадок - $\mathrm{SrC_2O_4\downarrow}$

Реакция с гидрофосфатом натрия

$\mathrm {SrCl_2 + Na_2HPO_4 \longrightarrow SrHPO_4\downarrow + 2NaCl}$

Реакция с родизонатом натрия с образованием красно-бурого соединения

Рисунок 4. Реакция с родизонатом натрия. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Ионы стронция окрашивают пламя в карминово-красный цвет.