1.1. Аналитические группы ионов металлов. Качественный анализ катионов. Схемы внутригруппового разделения

Аналитическая классификация катионов на группы проводится не по всей совокупности химических свойств элементов, а по небольшому числу выбранных свойств конкретных ионов, которые определяют специфику их качественного анализа.

I группа: Na⁺, K⁺, NH₄⁺. Эти катионы в большинстве случаев образуют хорошо растворимые соли и группового регента не имеют;

II группа: Ag⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺. Эти катионы образуют малорастворимые хлориды. Групповым реагентом является раствор хлористоводородной кислоты. Среди хлоридов этих катионов наибольшее значение произведения растворимости у PbCl₂ (1,6 ^. 10^-5), поэтому часть ионов Pb²⁺ остаётся в растворе и в ходе систематического качественного анализа попадает в третью группу катионов;

III группа: Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺ . Эти катионы образуют малорастворимые сульфаты. Групповой реагент – раствор серной кислоты. Из сульфатов катионов этой группы наибольшей растворимостью обладает сульфат кальция (произведение растворимости – 2,5^. 10^-5). Для снижения растворимости рекомендуется добавлять равный объём этилового спирта;

IV группа: Al³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺, As(III), As(V), Sn(II), Sn(IV). Эти катионы образуют амфотерные гидроксиды или растворимые соли кислородсодержащих кислот и поэтому хорошо растворяются в избытке щелочей. Групповым реагентом для этой группы служит раствор гидроксида натрия;

V группа: Bi³⁺, Fe³⁺, Fe²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Sb(III), Sb(V). Эти катионы характеризуются образованием малорастворимых гидроксидов или кислородсодержащих кислот. Групповым реагентом является гидроксид натрия;

VI группа: Cd²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Hg²⁺. Эти катионы характеризуются существованием прочных растворимых в воде аммиакатов, в результате образования которых нерастворимые гидроксиды легко переходят в раствор. Групповой реагент – раствор аммиака.

В соответствии с этой классификацией систематический ход качественного анализа смеси катионов может быть представлен следующей схемой (рис.1.1). В результате получается шесть фракций раствора, содержащих катионы только своей аналитической группы. На следующей стадии анализа каждый катион может быть определён внутри группы с помощью характерных реакций.

Рис.1.1. Схема разделения катионов на аналитические группы

Аналитические реакции катионов I аналитической группы

(Na⁺, K⁺, NH₄⁺).

Реакции катионов калия. Реакция с гексанитрокобальтиатом (III) натрия Na₃[Co(NO₂)₆]:

2KCl + Na3[Co(NO2)6] = K2Na[Co(NO2)6]↓ + 2NaCl

(1.1)

При добавлении двух-трёх капель реактива к такому же количеству соли образуется жёлтый кристаллический осадок.

Реакция с тетрафенилборатом натрия Na[B(C₆H₅)₄].

KCl + Na[B(C6H5)4] = K[B(C6H5)4]↓ + NaCl

(1.2)

При смешении растворов образуется объёмистый мелкокристаллический осадок белого цвета нерастворимый в разбавленных кислотах.

Окрашивание пламени соединениями калия. В присутствии соединений калия пламя газовой горелки окрашивается в фиолетовый цвет.

Реакции ионов натрия. Реакция с гексагидроксиантимонатом (V) калия – K[Sb(OH)₆]:

NaCl + K[Sb(OH)6] = Na[Sb(OH)6]↓ + KCl

(1.3)

Образуется белый кристаллический осадок натриевой соли.

Реакция с уранилацетатом UO₂(CH₃COO)₃;

CH3COONa + UO2(CH3COO)3 = NaUO2(CH3COO)3↓

(1.4)

Образуется лимонно-жёлтый кристаллический осадок. Осадок обладает сильной люминесценцией в УФ свете.

Окрашивание пламени соединениями натрия: пламя газовой горелки соединения натрия окрашивают в ярко-жёлтый цвет.

Реакции ионов аммония. Реакции с едкими щелочами NaOH и KOH.

NH4Cl + NaOH = NH3↑ + NaCl

(1.5)

Выделяется газообразный аммиак с характерным резким запахом. Кроме того, индикаторная бумага в присутствии аммиака краснеет.

Действие реактива Несслера {K₂[HgI₄] + KOH}:

NH4Cl + 2K2[HgI]4 + 4KOH = [OHgNH2]I↓ + 7KI + 3H2O + KCl

(1.6)

В присутствии солей аммония образуется характерный красно-бурый осадок.

Анализ смеси катионов I группы. Анализ смеси катионов можно выполнять дробным методом. Сначала проверяют присутствие ионов натрия. Реакция (1.4). Далее проверяют присутствие ионов аммония (уравнение 1.5).

Для определения ионов калия аммоний необходимо удалить, например, путём упаривания, а затем прокаливанием. Осадок растворяют в дистиллированной воде и проводят реакцию (1.1).