Систематичний аналіз катіонів та аніонів

Лекції №12,13 (4 години)

План

1. Якісний хімічний аналіз.

2. Реакції, що застосовуються в якісному аналізі.

3. Різновиди аналітичних класифікацій катіонів за групами.

4. Розподіл катіонів на аналітичні групи за кислотно-лужною класифікацією.

5. Систематичний аналіз катіонів першої аналітичної групи.

6. Систематичний аналіз катіонів четвертої аналітичної групи.

7. Якісний аналіз аніонів.

8. Систематичний аналіз аніонів I-III аналітичних груп.

Якісний хімічний аналіз

Предмет та методи аналітичної хімії

Аналітична хімія  наука, яка розробляє теоретичні основи та методи кількісного аналізу. Практична задача аналітичної хімії  встановлення хімічного складу речовин та їх сумішей. Спочатку встановлюють якісний склад речовини, тобто вирішують питання, із яких елементів, груп елементів чи іонів складається ця речовина, а потім визначають кількісний склад: визначають, в яких кількісних співвідношеннях знайдені складові частини знаходяться в даній речовині.

Задача якісного аналізу  визначення вмісту складових частин досліджуваної речовини. Якісний аналіз, звичайно, йде перед кількісним.

Задачі якісного аналізу можуть бути вирішені за допомогою різних методів: хімічних, фізичних та фізико-хімічних.

У хімічних методах якісного аналізу елемент чи іон, який визначають, переводять у яку-небудь сполуку, що має ті чи інші характерні властивості, на підставі яких можна встановити, що утворилась саме ця сполука. Хімічне перетворення, яке протікає називають аналітичною реакцією, а речовину, яка його викликає  реагентом.

Фізичні методи базуються на вимірюванні будь-якого параметра системи, який є функцією складу (спектральний, люмінесцентний аналізи).

Фізико-хімічні методи (колориметричні)  засновані на залежності інтенсивності забарвлення розчину від концентрації забарвленого іона, а також хроматографічний.

Для хімічного аналізу речовин беруть різні кількості досліджуваного розчину і відповідно до цього, різну кількість реактивів. Метод аналізу, для якого беруть 0,1-1 г речовини, називається макрометодом, якщо використовують менше 0,01 г речовини  мікрометодом. Проміжний метод аналізу називається напівмікрометодом. У більшості випадків користуються напівмікрометодом. Існує й ультрамікрометод, коли для аналізу беруть дуже малу кількість речовини, а зовнішній ефект реакції спостерігають під мікроскопом.

Для проведення реакції можна використати одну або кілька краплин розчину досліджуваної речовини на смужках фільтрувального паперу або на годинниковому скельці. Такий метод називається краплинним. Для відкриття того чи іншого іона можна використовувати реакції, в результаті яких утворюються кристали певної форми. Такий метод називається мікрокристалоскопічним. Спостерігають за формою кристалів за допомогою мікроскопа або лупи.

Таблиця 3

Класифікація методів якісного аналізу за кількістю речовини, яку аналізують

Метод аналізу	Кількість досліджуваної речовини		Посуд для проведення аналізу
	твердої	рідини
Макроаналіз	0,5-1 г	20-50 мл	пробірки, хімічні стакани, колби
Напівмікроаналіз	50 мг	1 мл	пробірки
Мікроаналіз	50 мг	1 мл	фільтрувальний папір, годинникові скельця, мікроскоп та лупа
Ультрамікроаналіз	1 мг	0,1 мл	мікроскоп, скельця

Реакції, що застосовуються в якісному аналізі

Під час аналізу речовини користуються реакціями, характерними для того чи іншого іона в присутності сторонніх іонів. У тих випадках, коли для якогось іона немає відповідних характерних реакцій, застосовують попереднє розділення іонів.

Вимоги до реакцій якісного аналізу

В якісному аналізу знаходять застосування тільки ті реакції, які супроводжуються яким-небудь зовнішнім ефектом, а саме:

а) зміною кольору розчину;

б) осадження (чи розчинення);

в) виділення газу.

Способи виконання аналітичних реакцій

Вміст того чи іншого компонента можна виявити, не переводячи досліджувану речовину в розчин. Для виявлення натрій-іона невелику кількість сухої речовини вносять на платиновій дротинці у безбарвне полум’я. Якщо в досліджуваній речовині міститься натрій-іон, то полум’я забарвлюється в жовтий колір. Калій забарвлює полум’я у фіолетовий колір і т.д. Такий метод аналізу називають “сухим методом”. Він широко використовується за польових умов. Різновидами “сухого” методу є спектральний метод аналізу, метод розтирання порошків та ін.

Якісний аналіз мокрим способом зводиться до виявлення катіонів і аніонів у розчинах солей, основ і кислот. Якісне виявлення іонів у розчині можна виконувати дрібним (кожний іон виявляють характерними реакціями в присутності інших іонів) і систематичним (складну суміш іонів розділяють на окремі групи, в межах яких виявляють окремі іони) методами аналізу.

Виконання дрібного аналізу вимагає від хіміка високої кваліфікації і великого практичного досвіду.

Застосування систематичного методу аналізу передбачає розділення іонів на групи й виявлення їх у кожній групі в цілком певній послідовності, що виключає помилки, які може зробити недосвідчений лаборант, проводячи аналіз дрібним методом. Розділення іонів на групи в систематичному ході аналізу застосовується тільки під час виявлення катіонів. Аналіз аніонів проводиться за іншою схемою.

Умови виконання реакцій

1. відповідне середовище

Наприклад, для виявлення кальцій(ІІ)-катіонів можна використовувати реакцію з амоній оксалатом:

Ca²⁺_{_}+C₂O₄^{2 -} CaC₂O₄.

Якщо під час перебігу реакції утворюється білий осад, це свідчить про наявність кальцій(ІІ)-катіонів у розчині. Але кальцій оксалат розчиняється у сильних кислотах, тому середовище не повинно бути кислим.

2. температура розчину

Наприклад, під час виявлення амоній-катіонів за допомогою лугу реакцію слід проводити за умов нагрівання. Поява запаху амоніаку свідчить про присутність амоній-катіонів у розчині.

3. достатньо висока концентрація іону, що визначають

Осад випадає тільки за умови, що продукту реакції одержують більше, ніж його може міститись у насиченому розчині. Якщо сполука, що утворюється малорозчинна і випадає в осад при невеликій концентрації іона, що визначають, то кажуть, що реакція високочутлива.

4. реакція повинна бути чутливою

Чутливість кількісно визначається за допомогою двох величин.

а) мінімум, що відкривають  найменша кількість йону, яку можна визначити за допомогою цієї реакції. Позначається m (вимірюється у мкг).

б) мінімальна концентрація  величина, яка показує при якому розбавленні розчину реакція ще дає позитивний результат.

Зв’язок між величинами: С=1: .

Наприклад, встановлено, що у 0,03 мл розчину можна визначити не менше 0,15 мкг Pb²⁺ у вигляді PbCrO₄. Значить m=0,15 мкг.

С=1: : 1:200000.

Це означає, що на 1 г Pb²⁺ у розчині може бути не більше 200000 мл води.

В якісному аналізі застосовуються ті реакції, відкриваємий мінімум яких не більше 50 мкг, а С1:1000.

Чутливість реакції залежить від концентрації реагентів, часу перебігу, відповідного середовища та температури, додавання органічних розчинників.

Методи збільшення чутливості реакції

Чутливість реакції збільшується, якщо збільшити концентрацію іона у розчині.

а) метод іонного обміну. Для концентрування іонів використовують іонообмінні смоли (іоніти). Катіоніти  поглинають катіони, аніоніти  аніони.

б) метод екстрагування. Екстракція  один із видів фазового відділення речовин. Вона базується на тому, що деякі розчинники, які не змішуються з водою, мають властивість “вилучати” із водних розчинів компоненти сумішей.

Згідно із законом розподілу у рівноважній системі, що складається з двох рідин, що не змішуються, відношення концентрацій розчинених речовин є величина стала і називається коефіцієнтом розподілу:

К=

Наприклад, кобальт(2+)-іони можна виявити реакцією з калій або амоній тіоціанат NH₄SCN. Під час перебігу реакції утворюється комплексна сполука синього кольору:

CoCl₂+4NH₄SCN → (NH₄)₂Co(SCN)₄ +2NH₄Cl.

Комплексна сполука - амоній тетратіоціанокобальтат(II) - стійка у присутності ацетону.

У пробірку наливають 0,25-0,5 мл досліджуваного розчину, добавляють 0,25-0,5 мл насиченого розчину амоній тіоціанату, 0,5 мл суміші амілового спирту і ефіру (1:1), суміш взбовтують. У присутності кобальту неводний шар після відстоювання забарвлюється в синій колір.

в) застосування соосадження для збільшення чутливості.

У розчин, який містить незначну кількість визначаємого іону вводять сторонній іон, який і осаджують у вигляді малорозчинної сполуки. При цьому соосаджуються і залишки визначаємого іону. Осаджувач буває неорганічним та органічним. Органічні осаджувачі кращі, тому що мають високу селективність. Крім того, їх легко озолити й одержати елементи в чистому вигляді.

Поряд із чутливістю реакцій велике значення для аналізу має їх специфічність.

Специфічною реакцією на даний іон називається така реакція, яка дозволяє виявити його в умовах досліду у суміші з іншими іонами.

Специфічною реакцією є реакція якісного виявлення іона амонію за допомогою лугу, їй не заважають ніякі інші іони. На жаль, таких високо специфічних реакцій дуже мало. Ось чому під час розробки методів виявлення різних іонів передбачається відокремлення та зв’язування сторонніх іонів.

Відбіркові (селективні) реакції  реакції, що дають подібний ефект лише з певним числом іонів.

Різновиди аналітичних класифікацій катіонів за групами

Однією з найбільш розповсюджених класифікацій є класифікація, яка базується на властивостях сульфідів. Цей метод називається сірководневим.

Таблиця 4