Т. Г. Кудырко, Е.В. Мальевская

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 10Следующая ⇒

Т. Г. Кудырко, Е.В. Мальевская

Химические методы

Разделения

И обнаружения

Методические указания к лабораторным работам по курсу

«Аналитическая химия и методы качественного анализа» для студентов химико-технологических специальностей.

Гродно 2006

УДК 543.061 (075.8)

ББК 24.4

Р 15

Рассмотрено и рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом университета

Рецензенты:

доцент кафедры химии ГГАУ,

Т.Г. Кудырко, Е.В. Мальевская

Химические методы разделения и обнаружения: Методические указания к лабораторным работам по курсу «Аналитическая химия и методы качественного анализа» для студентов химико-технологических специальностей /Т.Г. Кудырко, Е.В. Мальевская

– Гр.: ГГАУ, 2006. – с.

ISBN 985-434-345-6

В пособии рассматриваются общие вопросы качественного химического анализа, а также методы разделения и обнаружения катионов и анионов, имеющих наибольшее значение в химической технологии.

Предназначается для студентов химико-технологических специальностей.

УДК 543.061 (075.8)

ББК 24.4

© Т.Г. Кудырко, Е.В. Мальевская 2006

© Учреждение образования

«Гродненский государственный

ISBN 985-434-345-6 Аграрный университет», 2006

ВВЕДЕНИЕ

Предмет, методы и задачи аналитической химии

Аналитическая химия – это наука о методах определения химического состава веществ. Предметом её является теория и практика химического анализа.

Химический анализ – это совокупность действий, которые имеют своей целью получение информации о химическом составе объекта. Для проведения анализа необходимо, чтобы вещество обладало аналитическими свойствами (признаками) – химическими или физическими свойствами, которые позволяют обнаружить вещество или определить его количество. К ним относятся цвет, запах, способность вещества образовывать окрашенные и малорастворимые соединения, газы при взаимодействии с определенными реагентами и т. д.

В зависимости от цели различают следующие виды химического анализа:

ü качественный (обнаружение компонентов пробы, или идентификация);

ü количественный (установление количества компонента в пробе).

Теоретические основы качественного и количественного анализа являются общими, в обоих видах анализа используются одни и те же химические реакции или физические явления. Различия заключаются в том, что в качественном анализе только фиксируют аналитический эффект или аналитическое свойство, а в количественном основное внимание уделяют измерению аналитического сигнала. Качественный анализ обычно предшествует количественному.

В зависимости от поставленной задачи методы аналитической химии классифицируются следующим образом:

ü методы обнаружения – используются для качественного анализа;

ü методы определения – используются для количественного опреде-ления веществ в пробе;

ü методы разделения – используются и в качественном, и в количественном анализе для выделения определяемого вещества и отделения мешающих анализу веществ.

Химический анализ широко используется на предприятиях химической промышленности для контроля хода технологического процесса, качества сырья и готовой продукции, промышленных отходов.

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КАЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА

Таблица 1

Сравнительная характеристика свойств
коллоидных растворов, истинных растворов и суспензий

Отсюда следует, что в случае коллоидообразования осадок не выпадает, его нельзя отделить от раствора фильтрованием или центрифугированием, в то время как большинство разделений в качественном анализе проводится именно с использованием реакций осаждения. Следовательно, коллоидообразование играет отрицательную роль в анализе и химику-аналитику необходимо предпринимать специальные меры с целью коагуляции коллоидных растворов.

Коагуляции способствуют:

1. наличие в растворе сильного электролита;

2. нагревание раствора;

3. перемешивание раствора.

Например, осаждение катионов III группы в виде сульфидов, которые склонны к образованию коллоидных растворов, ведут из горячих растворов при непрерывном перемешивании и в присутствии электролита-коагулятора NH₄Cl.

Однако в ряде случаев коллоидообразование играет положительную роль в качественном анализе, т. к. при этом увеличивается чувствительность реакций и становится возможным обнаружение следовых количеств веществ. Например, малые количества иона NH₄⁺ невозможно открыть реакцией со щёлочью, но можно обнаружить по жёлто-бурому окрашиванию коллоидного раствора, полученного при действии на пробу реактива Несслера.

Органические аналитические реагенты и их применение
в качественном анализе

Органические реагенты (ОР) – это органические соединения, вступающие в реакции с веществами неорганической или органической природы с образованием продуктов, обладающих аналитическими свойствами.

ОР широко используют в аналитической химии благодаря ряду их преимуществ перед неорганическими реагентами:

1) высокая избирательность действия. По этой причине многие ОР являются специфическими реагентами на неорганические ионы. Например, реактив Грисса является специфическим ОР на нитрит-ионы NO₂^–;

2) высокая чувствительность реакций с участием ОР, что позволяет обнаружить вещество в очень малых концентрациях.

Высокая чувствительность и селективность органических реагентов обусловлены их высокой молярной массой, низкой растворимостью в воде комплексов органических реагентов с ионами металлов, а также интенсивной окраской таких комплексов.

В качественном анализе органические реагенты применяют для:

А) обнаружения с использованием реакций осаждения и реакций, протекающих с образованием окрашенных продуктов;

Б) маскирования мешающих ионов с целью подавления побочных реакций аналитического реагента с посторонними ионами, присутствующими в анализируемом растворе.

Обнаружение катионов и анионов осуществляется с помощью органических реагентов, образующих с открываемыми ионами комплексные соединения с интенсивной характерной окраской. Наиболее часто для этой цели используют ализарин (реагент на ион Al³⁺), дифенилкарбазид (реагент на ион Cr³⁺), диметилглиоксим (реагент на ион Ni²⁺), дитизон (реагент на ион Zn²⁺), дифениламин (реагент на ион NO₃^-) и др.

Маскирование проводят, используя органические комплексообразующие реагенты. Например, Fe³⁺ мешает определению никеля с диметилглиоксимом в аммиачных растворах из-за осаждения гидроксида Fe(ОН)₃. Для маскирования ионов Fe³⁺ к анализируемому раствору добавляют винную, щавелевую или лимонную кислоту, которые связывают их в бесцветные растворимые комплексы.

Кроме органических реагентов, в качественном анализе применяют также органические растворители. Их используют для приготовления растворов органических реагентов и проведения экстракции. Например, раствор дитизона для обнаружения ионов Zn²⁺ готовят на хлороформе или четырёххлористом углероде. При экстракции вещество переходит из одной жидкой фазы (чаще всего – водного раствора) в другую (органическую), которая не смешивается с ней. Примером использования экстракции в качественном анализе является реакция обнаружения иодид-ионов:

2I^– + Cl₂ = I₂ + Cl^–.

Образовавшийся продукт реакции I₂ плохо растворяется в воде, поэтому аналитический эффект реакции – появление жёлто-бурой окраски раствора выражен очень слабо. Однако если провести последующую экстракцию I₂ в органическую фазу (хлороформ, бензол), то слой органического растворителя приобретает характерную для I₂ интенсивную фиолетово-розовую окраску. Причина заключается в том, что неполярное вещество I₂ лучше растворяется в неполярном органическом растворителе, чем в полярном (воде).

Лабораторная работа №1

«Качественные реакции на катионы I аналитической группы».

Общая характеристика

В I аналитическую группу входят катионы Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Mg²⁺.

Ионы Na⁺ и K⁺относятся к I группе Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Большинство солей катионов этой группы хорошо растворимо в воде. Главное отличие катионов I группы – растворимость в воде их сульфидов, гидроксидов, карбонатов и хлоридов. Поэтому катионы I группы не осаждаются групповыми реагентами других групп, а остаются в растворе. Ионы магния, который находится во II группе Периодической системы элементов, по некоторым химическим свойствам ближе к катионам щелочных, а не щелочноземельных металлов. При осаждении II аналитической группы карбонатом аммония в присутствии NH₄Cl ионы Mg²⁺ остаются в растворе.

Все катионы I аналитической группы бесцветны. Окраска некоторых солей обусловлена окраской анионов. Группового реагента, осаждающего все катионы I аналитической группы, нет.

Опыт 1. Характерные реакции на ион Na⁺

Описание 1. Микрокристаллоскопическая реакция с антимонатом калия.

Если в анализируемом растворе отсутствуют ионы NH₄⁺ и Mg²⁺, то ионы Na⁺ открывают микрокристаллоскопической реакцией с антимонатом калия KH₂SbO_4. При этом в нейтральной среде образуется белый мелкокристаллический осадок антимоната натрия NaH₂SbO₄:

Na⁺ + KH₂SbO₄ → NaH₂SbO₄↓ + K⁺.

В сильнощелочной среде осадок не образуется, а из сильнокислых растворов выпадает белый аморфный осадок метасурьмяной кислоты HSbO₃, поэтому при рассмотрении под микроскопом необходимо убедиться в том, что полученный осадок – кристаллический. Реакцию проводят на холоду. Мешающие ионы – Li⁺, NH₄⁺, Mg²⁺.

Описание 2. Микрокристаллоскопическая реакция с цинкуранилацетатом.

КатионыNa⁺ открывают также микрокристаллоскопической реакцией с цинкуранилацетатом, образующим характерные жёлтые октаэдрические и тетраэдрические кристаллы натрийцинкуранилацетата, не растворимого в уксусной кислоте:

Na⁺ + Zn[(UO₂)₃(CH₃COO)₈] + CH₃COO^– + 9H₂O →

→ NaZn[(UO₂)₃(CH₃COO)₉]·9H₂O.

Мешающие ионы – Li⁺, K⁺, NH₄⁺, Mg²⁺.

На предметное стекло помещают каплю раствора, содержащего ионы натрия, и каплю уксуснокислого раствора цинкуранилацетатом. При облучении ультрофиолетовым светом наблюдают образование характерных кристаллов.

Описание 3. Окрашивание пламени.

Соли натрия окрашивают пламя в интенсивно-жёлтый цвет.

Опыт 2. Характерные реакции на ион K⁺

Описание1. Микрокристаллоскопическая реакция с гексанитрокупратом (II) натрия и свинца.

КатионыK⁺ в нейтральной среде образуют с гексанитрокупратом (II) натрия и свинца Na₂Pb[Cu(NO₂)₆] чёрные кубические кристаллы K₂Pb[Cu(NO₂)₆]:

2K⁺ + Na₂Pb[Cu(NO₂)₆] → K₂Pb[Cu(NO₂)₆] + 2Na⁺.

На предметное стекло помещают 1 каплю раствора, содержащего ионы калия. Рядом помещают 1 каплю раствора K₂Pb[Cu(NO₂)₆]. Стеклянной палочкой соединяют капли и дают постоять. Рассматривают под микроскопом образовавшиеся кристаллы.

Описание 2. Реакция с гексанитрокобальтатом (III) натрия.

Ионы K⁺образуют с гексанитрокобальтатом (III) натрия жёлтый кристаллический осадок состава K₂Na[PbCo(NO₂)₆]:

2K⁺ + Na₃[Co(NO₂)₆] → K₂Na[Co(NO₂)₆] + 2Na⁺.

К 2-3 каплям раствора, содержащего ионы калия, добавляют 2-3 капли раствора реагента и слегка нагревают в водяной бане. Образуется желтый осадок. Если раствор кислый, необходимо добавить СН₃СООNa до рН 4-5.

Описание 3. Окрашивание пламени.

Соли калия окрашивают пламя в фиолетовый цвет.

Опыт 3. Характерные реакции на ион NH ₄⁺

Описание 1. Реакция со щелочами.

В пробирку поместить 5-6 капель раствора соли аммония, добавить столько же раствора NaOH. Нагреть пробирку и выделяющиеся из пробирки пары внести мокрую фенолфталеиновую бумажку. Она краснеет. Обратите внимание на запах выделяющегося газа.

NH₄Cl + NaOH =

NH₄⁺ + OH^– → NH₃↑ + H₂O.

Описание 2.Реакция с реактивом Несслера.

К 1-2 каплям раствора, содержащего ионы аммония, добавляют 1-2 капли реактив Несслера в щелочной среде образует с ионами аммония характерный красно-бурый (оранжевый)осадок:

NH₄⁺ + 2K₂[HgI₄] + 4KOH → [OHg₂NH₂]I↓ + KCl + 7KI + 3H₂O.

Если концентрация ионов NH₄⁺ мала, осадок не выпадает, а раствор окрашивается в оранжевый цвет. Это наиболее специфическая реакция на ионы NH₄⁺. Катионы I и II групп не мешают определению, т. к. образуют бесцветные гидроксиды.

Опыт 4. Характерные реакции на ион Mg²⁺

Описание 1. Реакции со щелочами и аммиаком.

К 1-2 каплям раствора, содержащего катионы Mg²⁺, прибавляют 1-2 капли гидроксида аммиака или натрия, образуется белый аморфный осадок гидроксида магния Mg(OH)₂:

Mg²⁺ + 2OH^– → Mg(OH)₂↓.

Осадок не растворяется в щелочах, но растворяется в кислотах.

Описание 2. Реакция с гидрофосфатом натрия.

К 1-2 каплям раствора, содержащего катионы Mg²⁺, прибавляют 2-3 капли 2М раствора соляной кислоты, 1 каплю гидрофосфата натрия и при присутствии аммиачного буферного раствора (рН=9) выпадает белый мелкокристаллический осадок магнийаммонийфосфата NH₄MgPO₄:

Mg²⁺ + HPO₄^2– + NH₃ → NH₄MgPO₄↓.

Реакцию можно провести как микрокристаллоскопическую.

Методы разложения и удаления солей аммония

Ионы NH₄⁺ мешают открытию ионов Na⁺ и K⁺, поэтому при проведении анализа поступают следующим образом:

─ сначала открывают ионы NH₄⁺;

─ затем полностью удаляют ионы NH₄⁺ (если обнаружены);

─ после полного удаления ионов NH₄⁺ открывают Na⁺ и K⁺.

Существуют следующиеспособы удаления катионов NH₄⁺:

1) анализируемый раствор, содержащий катионы аммония, подкисляют концентрированной азотной или соляной кислотой, досуха упаривают в фарфоровой чашке, а затем прокаливают сухой остаток до полного удаления NH₄⁺. Полноту удаления контролируют качественной реакцией с реактивом Несслера;

2) к анализируемому раствору добавляют раствор щёлочи с последующим нагреванием до полного удаления NH₄⁺. Полноту удаления контролируют по влажной индикаторной бумаге.

Систематический ход анализа катионов I группы

При изучении реакций катионов I аналитической группы можно сделать следующие выводы:

а) присутствие иона NH₄⁺ мешает открытию иона К⁺ всеми реактивами и открытию иона Na⁺ реактивом KH₂SbO₄;

б) обнаружению ионов NH₄⁺ и Mg²⁺ другие катионы I группы не мешают;

в) ион К⁺ может быть обнаружен в присутствии ионов Na⁺ и Mg²⁺;

г) ионы NH₄⁺ можно удалить из раствора выпариванием и последующим прокаливанием;

д) ионы Mg²⁺ можно удалить из раствора осаждением в виде Mg(OH)₂.

Исходя из этого, систематический ход анализа должен включать следующие операции, которые выполняются в строго определённой последовательности:

1) обнаружение иона NH₄⁺;

2) удаление иона NH₄⁺ (если обнаружен);

3) обнаружение иона К⁺;

4) обнаружение иона Mg ²⁺;

5) осаждение иона Mg ²⁺ (если обнаружен);

6) обнаружение иона Na⁺.

Схема отделения и разделения ионов внутри I аналитической группы при проведении систематического анализа представлена на рис. 2.

Раствор: NH4+ Na+ К+ Mg 2+

Упаривание раствора и прокаливание сухого остатка

Рис. 2. Схема разделения катионов I группы

«Качественные реакции на катионы II аналитической группы».

Общая характеристика

Во II аналитическую группу входят катионы Ca²⁺, Ba²⁺, Sr²⁺.

Катионы II аналитической группы осаждаются из водных растворов в виде малорастворимых карбонатов. Групповым реагентом является карбонат аммония (NH₄)₂CO₃ в присутствии NH₄OH и NH₄Cl (pH≈9,2). При этом значении рН достигается практически полное осаждение карбонатов II группы, а ионы I группы остаются в растворе.

Все карбонаты хорошо растворимы в кислотах, в том числе и слабой уксусной кислоте, с выделением газообразного диоксида углерода, поэтому их осаждение нельзя проводить в кислой среде. Соли Ca²⁺ и Ba²⁺ бесцветны. Окраска некоторых солей обусловлена окраской анионов. Растворы гидроксидов Ca²⁺ и Ba²⁺ – сильные основания.

Опыт 5. Характерные реакции на ион Ca²⁺

Описание 1. Реакция с оксалатом аммония.

К 2-3 каплям раствора, содержащего ионы Ca²⁺, добавляют 2-3 капли раствора реагента. В результате реакции образуется белый кристаллический осадок оксалата кальция CaC₂O₄:

Ca²⁺ + C₂O₄^2– → CaC₂O₄↓.

Реакцию проводят в слабокислой среде (рН ≈6–6,5) в присутствии уксусной кислоты, в которой CaC₂O₄ не растворяется.

Мешают ионы Mg²⁺, Ba²⁺, Sr²⁺, дающие аналогичные осадки.

Описание 2. Реакция с гексацианоферратом (II) калия.

На часовом стекле перемешивают каплю раствора с 2-3 каплями раствора реагента, затем добавляют 1-2 капли раствора хлорида аммония, каплю этанола и снова перемешивают. В результате образуется белый кристаллический осадок гексацианоферрата (II) аммония и кальция (NH₄)₂Ca[Fe(CN)₆]:

2NH₄⁺ + Ca²⁺ + [Fe(CN)₆]^4– → (NH₄)₂Ca[Fe(CN)₆]↓.

Осадок не растворим в уксусной кислоте.

Общая характеристика

В III аналитическую группу входит большое количество катионов, образованных различными элементами:

а) s²- (Ве²⁺) и p¹-элементами;

б) 3d-, 4d- и 5d-элементами;

в) f-элементами.

Однако все они имеют общее свойство, отличающее их от катионов I и II групп. Это способность осаждаться в виде сульфидов или гидроксидов при действии группового реагента – (NH₄)₂S в присутствииаммиачного буфера. Сульфиды катионов III группы, не растворимые в воде, растворяются в разбавленных минеральных кислотах, поэтому они не осаждаются сероводородом из кислых растворов.

Катионы III группы, в отличие от катионов II группы, образуют нерастворимые гидроксиды и растворимые в воде сульфаты. Одним из характерных свойств катионов III группы является их способность образовывать комплексные соединения. Многие из них вступают в реакции окисления-восстановления.

Лабораторная работа №2

«Анализ смеси катионов первой и второй группы».

Цель работы: провести качественный анализ раствора, в котором возможно присутствие ионов NH₄⁺, K⁺, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Ba²⁺.

Подготовка к выполнению работы и проведение анализа.

1.Ознакомиться с техникой выполнения основных операций (см. приложение);

2. Изучить основные аналитические реакции указанных ионов, используя растворы их солей;

3. Ознакомиться с рекомендациями к выполнению контрольных анализов (см. приложение);

4. Получить у лаборантов контрольный (анализируемый) раствор и выполнить лабораторную работу в соответствии со схемой (см. схему 1,2) анализа и приведенным ниже ходом выполнения. Результаты анализа представить в виде таблицы

Таблица 1.

Анализируемый раствор делят на три части: с одной проводят предварительные испытания, другую подвергают систематическому анализу, третью оставляют для проверки полученных результатов.

Предварительные испытания

(проводят с отдельными порциями исследуемого раствора)

Реакция среды.

Определяют рН раствора с помощью универсальной бумаги.

1.2. Обнаружение ионов NH₄⁺.

Определение проводят, действуя на исследуемый раствор раствором щелочи NaOH или КОН при нагревании:

NH₄⁺ + OH^– → NH₃↑ + H₂O.

Определение проводят в «газовой камере», состоящей из двух часовых стекол одинакового размера. На нижнее стекло помещают 1-2 капли анализируемого раствора, 1-2 капли 1н раствора NaOH и накрывают другим стеклом, на вогнутую поверхность которого прикреплен кусочек влажной индикаторной бумаги. Для ускарения реакции камеру слегка нагревают на водяной бане. Посинение индикаторной бумаги свидетельствует о наличии в растворе ионов NH₄⁺

1.3. Проба на присутствие ионов К⁺ (выполняется толь в случае отсутствия ионов NH₄⁺).

Если проба 1.2 дала отрицательный результат, на предметное стекло помещают каплю исследуемого раствора и нагревают его на плитке до появления каемочки сухой соли.

На некотором расстоянии от нее наносят каплю Na₂PbCu(NO₂)₆ (реактив для обнаружения ионов К⁺). Реактив осторожно подводят к сухой каемочке соли и через 2-3 мин рассматривают выпавшие кристаллы под микроскопом. Форма кристаллов показана на рисунке в учебнике.

Если в растворе присутствуют ионы К⁺, то образуются кубические кристаллы К₂PbCu(NO₂)₆ черного или коричневого цвета. Ионы NH₄⁺ образуют такие же кристаллы и поэтому мешают реакции. При выполнении этой реакции полезно провести холостой опыт. Выполнение холостого опыта. При проведении реакции обнаружения полезно сравнивать наблюдаемый эффект с результатом холостого опыта, в котором использовались все те же реагенты в тех же условиях, что и в основном, но в отсутствии определяемого иона. Заключения о наличии иона в системе можно делать лишь в то случае, если наблюдаемый эффект реакции гораздо интенсивнее, чем в холостом опыте.

Систематический ход анализа

Анализ фильтрата

2.2.1 Удаление ионов NH₄⁺ .

Фильтрат перенося в фарфоровый тигель, выпаривают досуха и прокаливают на плитке до полного разложения аммонийных солей. Когда прекратится выделение белого дыма, и тигель (после полного остывания!) добавляют несколько капель дистиллированной воды для растворения сухого остатка. Капля полученного раствора переносят на часовое стекло и добавляют 1-2 капли реактива Несслера. При действии его на раствор, содержащие ионы NH₄⁺, образуется красно-бурый осадок:

NH₃ + 2K₂[HgI₄] + 3KOH → HN-Hg₂IOH ↓+ 7KI + 2H₂O

Таким способом проверяют полноту удаления ионов NH₄⁺

2.2.2. Обнаружение ионов К⁺.

1-2 капли раствора, полученного по п. 2.2.1, переносят на предметное стекло и анализируют аналогично п 1.3.

2.2.3. обнаружение ионов Mg²⁺.

К отдельной порции раствора (2-3 капли), полученного по п.2.2.1, добавляют несколько капель 2н раствора гидроксида калия. Содержимое пробирки нагревают на водяной бане. Образование белого аморфного осадка указывает на присутствие ионов Mg²⁺

2.2.4. Обнаружение ионов Na⁺ ведут различно в зависимости от присутствия или отсутствия в исследуемом растворе ионов Mg²⁺. Ионы Mg²⁺ отсутствуют. Порцию исследуемого раствора, не содержащего ионов Mg²⁺ и NH₄⁺, выпаривают досуха в фарфоровой чашке. На предметное стекло наносят каплю раствора KH₂SbO₄ и вносят в нее несколько крупинок сухого остатка. Если ионы Na⁺ присутствуют, под микроскопом отчетливо видны прозрачные кристаллы зернообразной формы. (см. рисунок в учебнике)

При выполнении э

Познавательные статьи:



Психологические особенности спортивного соревнования

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Занятость населения и рынок труда

Социальный статус семьи и её типология