14

ЯКІСНИЙ АНАЛІЗ

Хімічна реакція, за допомогою якої можна зробити висновки про хімічний склад речовини, називається аналітичною реакцією. Аналітичні реакції виконуються за допомогою аналітичних реактивів у відповідних умовах (середовище, температура, концентрація) і супроводжуються певним зовнішнім ефектом (утворюється осад, виділяється газ, змінюється забарвлення розчину тощо). У якісному аналізі ефект аналітичної реакції просто спостерігається візуально і на основі цих спостережень робляться відповідні висновки. У кількісному аналізі ефект аналітичної реакції вимірюється за допомогою аналітичних приладів і виконуються відповідні розрахунки.

Переважна більшість аналітичних реакцій відбувається у розчинах. Яким би чином неогранічна речовина, що аналізується, не переводилася б у розчинений стан, одержується розчин, який містить не елементи, а іони, у вигляді яких ці елементи можуть існувати у розчині. Однакові іони проявляють однакові властивості і дают одні й ті самі аналітичні реації незалежно від того, до складу яких сполук вони входять. Наприклад, якщо до розчину хлоридної кислоти або її солей додають розчин нітрату срібла, в усіх випадках одержують однаковий характерний осад хлориду срібла. Якщо записати ці реації в іонному вигляді, стає ясно, що в усіх випадках відбувається одна аналітична реакція на хлорид-іони: Cl^- + Ag⁺ = AgCl 

Тому аналітичні реакції вивчаються окремо для катіонів і аніонів.

Реактиви, за допомогою яких певний іон можна виявити у присутності інших іонів, називають специфічними. Специфічних реактивів дуже мало, тому перед відкриттям того чи іншого іона необхідно відділити його від інших іонів, які дають аналітичні реакції з тим же реактивом. Порядок відділення одних іонів від інших і послідовність їх відкриття складають систематичний хід аналізу. У систематичному ході аналізу використовуються такі реактиви, які дозволяють із складної суміші іонів перевести в осад певну групу іонів для подальшого аналізу. Такі реактиви називають груповими, а групи іонів, які вони відділяють – аналітичними групами. За кислотно-основною класифікацією, де груповими реактивами є кислоти і основи, усі катіони відповідно до їх хімічних властивностей поділяються на 6 аналітичних груп.

Группа	Катіони	Хімічні властивості	Груповий реагент	Що утворюється при дії групового реагента
1	K^+, Na^+, NH4^+	Хлориди, сульфати, гідроксиди розчинні у воді	Відсутній
2	Ca^2+(Sr^2+)Ba^2+	Сульфати малорозчинні у воді	H2SO4	CaSO4↓, BaSO4↓ білі осади
3	Pb^2+, Ag^+(Hg2^2+)	Хлориди малорозчинні у воді	HCl	PbCl2↓білий AgCl↓ білий
4	Mg^2+, Mn^2+, Fe^2+, Fe^3+	Гідроксиди нерозчинні у воді та лугах	NaOH (KOH)	Mg(OH)2↓білий, Mn(OH)2↓білий,темніє, Fe(OH)2↓білий,чорніє, Fe(OH)3↓бурий
5	Al^3+, Zn^2+ Cr^3+, Sn^2+	Амфотерні гідроксиди нерозчинні у воді, розчинні у лугах	Надлишок NaOH (KOH)	[Al(OH)4]^-, [Zn(OH)4]^2- [Sn(OH)4]^2- безбарвні розчини [Cr(OH)4]^-зелений розчин
6	Co^2+, Ni^2+, Cu^2+, Cd^2+	Гідроксиди нерозчинні у воді, розчинні у надлишку NH4OH у присутності NH4Cl	Надлишок NH4OH	[Co(NH3)6]^2+жовтий, [Ni(NH3)6]^2+ синій, [Cu(NH3)4]^2+ синій, [Cd(NH3)4]^2+безбарвний розчини

З кількох десятків катіонів шести аналітичних груп у скороченому курсі якісного аналізу ми вивчаємо дуже небагато – тільки ті, що безпосередньо пов‘язані з харчуванням людини та хімічним аналізом об’єктів харчової, біо-технології і довкілля.

Катіони амонію утворюються при розчиненні харчових продуктів у концентрованій сульфатній кислоті. Органічні сполуки при цьому руйнуються, а аміногрупи амінокислот, з яких побудовані білки, перетворюються на іони амонію. Визначивши кількість іонів амонію у розчині, що утворилися, визначають загальний вміст білків у харчовому продукті.

Натрій, калій, кальцій та магній у вигляді відповідних сполук споживаються людиною щодено у кількості від 0,5 до 5 г – це макроелементи. Натрію ми споживаємо більше ніж потрібно, звикнувши додавати NaCl під час приготування їжі. Тому дуже важливо врівноважувати це споживанням продуктів, багатих на калій, оскільки саме іони натрію і калію у певному співвідношенні підтримують осмотичну рівновагу в організмі людини і регулюють водний обмін. Кальцій потрібен дітям, у яких формуються кістки, і дорослим, оскільки він має протизапальні властивості і виконує багато інших функцій в організмі. Магній нормалізує діяльність нервової системи, знімає спазми, розширює судини та має інші важливі властивості.

Ферум, кобальт, манган, купрум, цинк, нікель, хром належать до мікроелементів. Їхня кількість у харчових продуктах, що споживаюється людиною щоденно, вимірюється у міліграмах. Вони входять до складу багатьох ферментів та інших біологічно активних речовин, які відіграють важливу роль у біохімічних процесах, що відбуваються у живому організмі. Алюміній, станум (олово) і цинк можуть потрапляти у харчові продукти з поверхні посуду та технологічного обладнання. А свинець (Pb) і кадмій є показниками техногенного забруднення харчових продуктів, їхня присутність постійно контролюється методами аналітичної хімії. Катіони барію отруйні і небезпечні для людини, але вони часто використовуються як важливий аналітичний реактив.

Лабораторна робота №1

Реакції катіонів першої K⁺, Na⁺, NH₄⁺, другої Ca²⁺, (Sr²⁺), Ba²⁺та третьої Pb²⁺, Ag⁺, (Hg₂²⁺)

Аналітичних груп. Виконання аналітичних реацій.

1.Перша аналітична група K⁺, Na⁺, NH₄⁺, не має групового реактиву. Катіони першої та другої аналітичних груп утворюються елементами основних підгруп першої та другої груп періодичної системи. Усі однозарядні катіони належать до першої аналітичної групи разом з іонами амонію. Іони NH₄⁺ у розчині за своїм зарядом і розмірами такі ж, як і іони К⁺. Оскільки осади солей утворюються за рахунок електростатичної взаємодії між катіоном і аніоном, іони NH₄⁺ утворюють осади з усіма реактивами на іони К⁺ і заважають відкриттю калію.

1.1.Катіони амонію NH₄⁺.

1. Луги (NaOH, KOH, Ca(OH)₂) утворюють з іонами амонію нестійкий гідроксид амонію, який розкладається (краще при нагріванні) з виділенням амоніаку – безбарвного газу з характерним запахом: NH₄⁺ + OH^-  NH₄OH  H₂O + NH₃

Реакція відома (ще зі шкільного курсу) як найбільш специфічна, тому що усі інші неорганічні іони такого ефекту не дають і не заважають його спостерігати. Але для того щоб відчути ефект реакції, потрібна значна кількість іонів амонію. Більш чутливою є реакція Несслера.

2. Реактив Несслера містить дві речовини – KOH i K₂HgJ₄ – у водному розчині. З невеликою кількістью іонів амонію (або з амоніаком) цей реактив утворює червоно–бурий осад оксодимеркурамоній-йодиду: NH₄⁺ + 4OH^- + 2HgJ₄^2- OHg₂NH₂ + 7I^- + 3H₂O, який розчиняється у надлишку NH₄Cl, тому важливо, щоб цього надлишку не було.

Виконання: у чисту пробірку внести краплю розчину солі амонію (NH₄Cl, NH₄NO₃, або (NH₄)₂SO₄), додати 5-10 крапель води, перемішати і вилити. До того розчину, який залишився на стінках пробірки, додати 4-5 крапель реактиву Несслера (не торкатися пипеткою стінок пробірки!). Спостерігати утворення у пробірці характерного осаду.

Реакція Несслера проходить у сильно–лужному середовищі (KOH входить до складу реактиву), тому усі катіони, що дають важкорозчинні гідроксиди, випадають в осад. Катіони магнію та інші, що дають з реактивом Несслера білий (або жовтуватий унаслідок забруднень) осад, не заважають спостерігати утворення характерного червоно – бурого осаду, якшо у розчині є амоній. Інші катіони, що утворюють темнозабарвлені осади гідроксидів, заважають реакції, особливо ферум(ІІІ), який дає з KOH червоно – бурий осад Fe(OH)_{3 .}

1.2. Катіони калію К⁺.

1. Гексанітрокобальтат(ІІІ) натрію Na₃Co(NO₂)₆ у нейтральному або слабокислому середовищі утворює з іонами K⁺жовтий кристалічний осад: 2K⁺ +Na⁺+ Co(NO₂)₆^3- K₂NaCo(NO₂)₆

Виконання: у чисту пробірку внести 1 – 2 краплі розчину солі калію (KCl, KNO₃ або K₂SO₄) і додати 2 – 3 краплі розчину Na₃Co(NO₂)₆ (не торкатися піпеткою стінок пробірки!). Спостерігати утворення жовтого кристалічного осаду. Сильні кислоти і луги розкладають реактив. Для нейтралізації лужного середовища використовують слабку оцтову кислоту, надлишок якої не заважає цій аналітичній реакції.

Катіони амонію дають з реактивом такий самий осад, тому при виконанні задачі перед відкриттям іонів калію у досліджуваному розчині треба з окремою порцією цього розчину виконати реакцію Несслера, щоб упевнитися, що в ньому відсутні іони амонію.

Розчин Na₃Co(NO₂)₆ має темно – коричневий колір з червонуватим відтінком. Реактив готуют щодня, тому він стоїть у лабораторії окремо. Якщо розчин має рожевий колір, це означає, що реактив розклався. Такий реактив не дасть характерного осаду з досліджуваним розчином, навіть якщо там є іони калію. Тому треба приготувати свіжий розчин, або використати реактив №2.

2. Винна кислота або її кисла сіль гідротартрат натрію NaHC₄H₄O₆ у слабокислому середовищі утворює з іонами калію білий кристалічний осад: K⁺ + HC₄H₄O₆^- = KHC₄H₄O₆↓,

розчинний у сильних кислотах і лугах. У сильнокислому середовищі утворюються слабка винна кислота H₂C₄H₄O₆. У лужному середовищі кисла сіль переходить у розчинну середню. Слабкі кислоти (приміром, оцтова) не розчиняють осад і не заважають викованню реакції.

Гідротартрат калію може утворювати пересичені розчини. У такому випадку після додавання реактиву, якщо осад не утворився, треба занурити у розчин чисту скляну паличку і потерти нею стінки пробірки, на яких при цьому утворюються центри кристалізації.

Виконання: у чисту пробірку внести 3 – 4 краплі розчину солі калію і додати 4 – 5 крапель розчину NaHC₄H₄O₆ . Якщо осад не утворився, охолодити пробірку під краном з холодною водою, потерти скляною паличкою стінки пробірки.

Катіони амонію дають такий самий осад. Тому перед відкриттям іонів калію у досліджуваному розчині треба упевнитися, що там відсутні іони амонію. Якщо ж вони є, треба відділити їх (солі амонію розкладаються при прожарюванні), а вже потім додавати реактив на іони калію.

1.3. Катіони нарію Na⁺

1.Дигідроантимонат калію KH₂SbO₄ у водному розчині перетворюється у гексагідроксостибіат калію: KH₂SbO₄ + 2H₂O = KSb(OH)₆ .

З іонами натрію цей реактив дає білий дрібнокристалічний осад: Na ⁺ + H₂SbO₄^- = NaH₂SbO₄ 

Для утворення осаду потрібна досить висока конценрація іонів натрію – реакція малочутлива. Продукт реакції – дигідроантимонат натрію – може утворювати пересичені розчини.

Виконання: у чисту пробірку внести 5 – 8 крапель розчину солі натрію (NaCl, NaNO₃ або Na₂SO₄) і додати 5 – 8 крапель розчину KH₂SbO₄ (не торкатися піпеткою стінок пробірки!) Якщо осад не випадає, треба занурити у розчин чисту скляну паличку і потерти нею стінки пробірки, тримаючи пробірку під краном з холодною водою.

У сильнолужному середовищі кисла сіль переходить у розчинну середню і осад не випадає. У кислому середовищі (навіть у слабокислому, яке дають солі амонію) реактив розкладається і виділяється білий аморфний осад HSbO₃, який заважає спостерігати реакцію на іони натрію. Крім іонів NH₄⁺ виконанню реакції на натрій заважають іони Mg²⁺, які дають з цим реактивом білий дрібнокристалічний осад, як і іони Na⁺.

2.Забарвлення полум’я. Солі натрію забарвлюють полум’я газового пальника у яскраво-жовтий колір. Перед відкриттям іонів натрію треба упевнитися, що на паличці, на яку буде нанесений досліджуваний розчин і яку потім вносять у полум’я, відсутні солі натрію.

2.Друга аналітична група Ca²⁺, (Sr²⁺), Ba²⁺

Груповий реактив Н₂SO₄ – сульфатна кислота – осаджує катіони другої аналітичної групи у вигляді білих дрібнокристалічних осадів, нерозчинних у кислотах:

Ca²⁺ + SO₄^2-  CaSO₄ Ba²⁺ + SO₄^2-  BaSO₄

Стронцій – рідкісний елемент для харчових продуктів, тому у скороченому курсі він не вивчається.

Виконання: в одну пробірку взяти 2 – 3 краплі розчину солі барію (Ва(NO₃)₂ або BaCl₂), в іншу – 2-3 краплі солі кальцію (Са(NO₃ )₂ або СaCl₂), додати у кожну 3 – 4 краплі 1 М розчину Н₂SO₄. Спостерігати утворення неоднакових за зовнішнім виглядом білих осадів: CaSO₄ має значно більшу розчинність у воді, ніж BaSO₄, тому його утворюється менше. CaSO₄ може утворювати пересичені розчини. У такому випадку після додавання реактиву, якщо осад не утворився, треба занурити у розчин чисту скляну паличку і потерти нею стінки пробірки, на яких при цьому утворюються центри кристалізації (тримаючи пробірку під краном з холодною водою).

2.1. Катіони барію Ва²⁺ Біхромат калію K₂Cr₂O₇ (діхромат калію) утворює з іонами Ва²⁺ жовтий кристалічний осад хромату: 2Ba²⁺ + Cr₂O₇^2- + H₂O  2BaCrO₄ + 2H⁺;

який розчиняється у сильних кислотах, але не розчиняється в оцтовій кислоті. Як видно з рівняння реакції, при перетворениі діхромату у хромат у розчині з’являється сильна кислота (вільні іони Н⁺), яка спричиняє зворотню реацію – розчинення осаду. Для повного осадження Ba²⁺ треба змістити рівновагу вправо, зв’язуючи іони Н⁺ ацетатом натрію у молекули слабкої оцтової кислоти, яка не заважає осадженню: H⁺ + CH₃COO^-  CH₃COOH

Виконання: у чисту пробірку взяти 2–3 краплі розчину солі барію (Ва(NO₃)₂ або BaCl₂), і додати 3–4 краплі жовтого розчину K₂Cr₂O₇. Спостерігати утворення незначної кількості жовтого осаду. Додати 2–3 краплі розчину CH₃COONa і спостерігати різке збільшення кількості жовтого осаду.

Катіони кальцію та катіони першої аналітичної групи не заважають цій реакції. Такий самий осад можуть дати катіони Pb²⁺, якщо вони присутні у розчині. Але PbCrO₄, на відміну від ВаCrO₄, розчиняється у лугах при нагріванні.

2.2. Катіони кальцію Са²⁺.

Оксалат амонію (NH₄)₂C₂O₄ осаджує кальцій у видгляді білого кристалічного осаду оксалату кальцію: Ca²⁺ + C₂O₄^2- = CaC₂O₄

який розчиняється у сильних кислотах і не розчиняється в оцтовій кислоті.

Виконання: у чисту пробірку взяти 1 – 2 краплі розчину солі кальцію (Са(NO₃ )₂ або СaCl₂), і додати 2 – 3 краплі розчину(NH₄)₂C₂O₄. Спостерігати утворення білого осаду.

Катіони барію утворюють з оксалатом такий самий білий осад і заважають виконанню реакції на кальцій у досліджуваному розчині. Тому спочатку треба відкрити Ва²⁺ за допомогою K₂Cr₂O₇, і відокремити осад, а вже потім до розчину, в якому відсутні іони Ва²⁺, додавати (NH₄)₂C₂O₄ і відкривати Са²⁺.

3.Третя аналітична група катіонів Pb²⁺, Ag⁺ (Hg₂²⁺)

З цієї групи вивчаємо реакції Pb²⁺ і Ag⁺. Ртуть вилучена з навчального процесу.

Груповий реактив 1 М розчин HCl – дає з катіонами Pb²⁺ і Ag⁺ білі осади

: Pb ²⁺ + 2Cl^- = PbCl₂ Ag⁺ + СІ^- = AgСІ↓

Осад PbCl₂ розчиняється у воді при нагріванні. Осад AgCІ розчиняється у NH₄OH.

Виконання: у чисту пробірку взяти краплю розчину солі свинцю(ІІ) (Pb(NO₃)₂ або Pb(CH₃COO)₂), і додати 4–5 крапель 1 М розчину HCl. Спостерігати утворення білого осаду. Додати дистильованої води до 1/3-1/2 об’єму пробірки і нагріти майже до кипіння.Спостерігати розчинення осаду. Додати КІ і спостерігати утворення менш розчинного жовтого осаду PbІ₂.

У другу чисту пробірку взяти 1 – 2 краплі розчину AgNO₃ і додати 4–5 крапель 1 М розчину HCl. Спостерігати утворення білого осаду. Додати 5 – 10 крапель NH₄OH і спостерігати розчинення осаду: AgCl↓ + 2NH₄OH = [Ag(NH₃)₂]⁺ + Cl^- + 2H₂O.

3.1. Катіони свинцю(ІІ) Pb²⁺.

1.Йодид калію KІ осаджує катіони свинцю(ІІ) у вигляді яскраво жовтого осаду

Pb ²⁺ + 2J^- = PbІ₂ Осад розчиняється при нагріванні, а при подальшому охолодженні знов випадає у вигляді характерних кристалів (“золотий дощ”).

Виконання: у чисту пробірку взяти краплю розчину солі свинцю(ІІ) (Pb(NO₃)₂ або Pb(CH₃COO)₂), додати 3– 4 краплі KJ і спостерігати утворення жовтого осаду. Частину осаду відділити у іншу пробірку, додати туди 10 крапель розчину KJ і до 1/3 об’єму пробірки 1 М розчину CH₃COOН, обережно нагріти до повного розчинення осаду і залишити пробірку у штативі. При поступовому охолодженні спостерігати утворєння кристалів “золотого дощу”.

2. Хромат калію K₂CrO₄ осаджує катіони Pb ²⁺ у вигляді жовтого осаду

Pb²⁺ + CrO₄^2- = PbCrO₄, який, на відміну від ВаCrO₄, розчиняється у лугах при нагріванні.

3. H₂SO₄ – розведена сульфатна кислота осаджує катіони Pb ²⁺ подібно до катіонів 2-ї аналітичної групи Ca²⁺, (Sr²⁺), Ba²⁺ у вигляді білого осаду Pb²⁺ + SO₄^2-  PbSO₄

розчинного у концентрованій H₂SO₄: PbSO₄↓ + H₂SO₄ = Pb(HSO₄)₂,

та, на відміну від Ca²⁺, (Sr²⁺), Ba²⁺, у NaOH при нагріванні:

PbSO₄↓ + 4NaOH =Na₂[Pb(OH)₄] + Na₂SO₄.

4. NaOH осаджує катіони Pb²⁺ подібно до катіонів 5-ї аналітичної групи Al³⁺, Zn²⁺ та Sn²⁺ у вигляді білого осаду Pb²⁺ + 2OH^- = Pb(OH)₂↓

розчинного у надлишку NaOH: Pb(OH)₂↓ + 2NaOH = Na₂[Pb(OH)₄]

5. NH₄OH (у присутності NН₄СІ) осаджує катіони Pb²⁺ (подібно до АІ³⁺ та Sn²⁺) у вигляді білого осаду Pb²⁺ + 2NH₄OH^- = Pb(OH)₂↓ + 2 NH₄⁺ нерозчинного у надлишку NН₄OH.