INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI
		CHEMIA OGÓLNA LABORATORIUM
I ROK INŻYNIERII ŚRODOWISKA STUDIA DZIENNE GRUPA 17 B		02.06.2011 TYDZIEŃ 9
KATIONY I, II, IIIa, IV i V GRUPY TEMAT 7 AUTOR OPRACOWANIA: Jakub Burdajewicz Marek Stańko

I Część teoretyczna

Kationy zostały podzielone na 5 grup.

Do roztworu dodaje się odpowiedni odczynnik grupowy. Jeśli nastąpiło strącenie osadu, oznacza to że jakieś kationy z danej grupy są obecne w roztworze.

Po wykryciu kationów z danej grupy dalsze reakcje to zwykle alkalizacja roztworu, dodanie amoniaku oraz barwienie płomienia.

I grupa kationów

Pierwsza grupa kationów zawiera Ag⁺, Pb²⁺ i Hg₂²⁺.

Chlorki tych kationów są trudnorozpuszczalne i białe, tylko chlorek ołowiu(II) rozpuszcza się częściowo w wodzie, więc dlatego jest umieszczony zarówno w I jak i w II analitycznej grupie kationów, podczas gdy prawie wszystkie inne chlorki są dobrze rozpuszczalne w wodzie. Odczynnikiem grupowym jest więc kwas solny, a odczynnikami charakterystycznymi są : KJ, NaOH, Na₂CO₃ i NH₄OH

II grupa kationów

Druga grupa to Ca²⁺, Sr²⁺ i Ba²⁺.

Siarczany baru i strontu są bardzo słabo rozpuszczalne, a siarczan wapnia słabo choć o rząd wielkości lepiej niż dwa pozostałe.

Najłatwiej rozróżnić je metodą barwienia płomienia palnika, o ile w roztworze nie występują kationy grupy V:

• Ca²⁺ barwi płomień na ceglastoczerwony

• Sr²⁺ barwi płomień na karminowoczerwony

• Ba²⁺ barwi płomień na żółtozielony

Odczynnikiem grupowym jest tutaj H₂SO₄, a odczynnikami charakterystycznymi są: NaOH, woda gipsowa, Na₂CO₃ i K₂CrO₄

III grupa kationów

Trzecia grupa to Hg²⁺ , Bi³⁺ , Cu²⁺ , Cd²⁺

Tworzą one siarczki nierozpuszczalne w wodzie i w kwasach. Odczynnikiem grupowym może być dowolne źródło anionów S^2- w środowisku kwaśnym, przy czym najwygodniejszym jest AKT (tioacetamid - CH₃CSNH₂) w środowisku rozcieńczonego HCl. Dzielą się one na podgrupę miedzi i siarkosoli. Odróżniamy te podgrupy przez dodanie KOH. Do osadu przechodzi podgrupa miedzi, czyli Hg²⁺, Cu²⁺, Cd²⁺ oraz Bi³⁺

Odczynnikami charakterystycznymi dla tej grupy są: NaOH, K₂CO₃, NH₄OH i KJ

IV grupa kationów

Do kationów IV grupy należą Zn²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺ oraz Cr³⁺

Tworzą one siarczki nierozpuszczalne w wodzie, ale rozpuszczalne w kwasach. odczynnikiem grupowym może być dowolne źródło anionów S^2- w środowisku obojętnym lub słabo zasadowym. Często stosuje się tioacetamid.

Odczynnikami charakterystycznymi są: NaOH, Na₂CO₃, NH₄OH oraz dodatkowo KNCS (radanek potasu) i C₄H₈N₂O₂ (odczynnik czugajewa)

V grupa kationów

W skład tej grupy wchodzą Mg²⁺, Li⁺, Na⁺, K⁺ oraz NH₄⁺, przy czym właściwości Mg²⁺ odbiegają trochę od właściwości innych kationów tej grupy.

Kationy tej grupy nie tworzą prawie żadnych trudno rozpuszczalnych związków, grupa ta nie ma więc żadnego odczynnika grupowego.

• NH₄⁺ w środowisku zasadowym wydziela charakterystyczny zapach amoniaku. Można też go wykryć za pomocą tzw. Odczynnika Nesslera czyli mieszaniny soli kompleksowej K₂[HgI₄] i wodorotlenku KOH, strącając z roztworów soli amonu pomarańczowo-brunatny osad. Pozostałe jony nie reagują z tym odczynnikiem.

• Mg²⁺ z jonami OH^- tworzy galaretowaty wodorotlenek magnezu który jest rozpuszczalny w rozcieńczonych kwasach i roztworach soli anomowych, a nierozpuszczalny w nadmiarze odczynnika.

• Węglan amonu (NH₄)₂CO₃. Węglan amonu w pierwszej chwili nie wytrąca osadu z rozcieńczonych roztworów zawierających jony Mg²⁺. Osad może powstać po pewnym czasie lub po podgrzaniu, przy czym jednak wytrącanie nie jest całkowite ze względu na obecność jonów NH₄⁺. W obecności nadmiaru jonów NH₄⁺ (np. dodatek NH₄Cl) osad w ogóle nie powstaje.

• Wodorofosforan sodu Na₂HPO₄. Odczynnik ten wytrąca z obojętnych roztworów zawierających jony Mg²⁺ biały kłaczkowaty osad wodorofosforanu magnezu MgHPO₄.

• Li⁺ barwi płomień na intensywny wiśniowo-czerwony

• Na⁺ barwi płomień na intensywny żółty;

• sześciohydroksyantymonian (V) potasowy K [ Sb (OH)₆]. Odczynnik ten wytrąca z obojętnych lub słabozasadowych roztworów zawierających jony Na⁺ biały, krystaliczny osad Sześciohydroksyantymonianu sodowego Na[Sb(OH)₆].

• Octan uranylowomagnezowy Mg(UO₂)₃(CH₃COO)₈ wytrąca z obojętnych, ewentualnie zakwaszonych kwasem octowym roztworów zawierających jony Na⁺ żółty, krystaliczny osad

Na(CH₃COO) • Mg(CH₃COO) • 3 [UO₂(CH₃COO)₂ • 9 H₂O.

Jony Mg²⁺ nie przeszkadzają.

• K⁺ barwi płomień na słaby różowo-fioletowy.

• Można wykorzystać też wytrącanie z ClO₄^-, z którym K⁺ w przeciwieństwie do Li⁺ i Na⁺ tworzy biały osad.

• Kwas winowy H₂C₄H₄O₆ i wodorowinian sodowy NaHC₄H₄O₆. Odczynniki te z obojętnych lub słabokwaśnych roztworów, zawierających jony K⁺, biały, krystaliczny osad wodorowinianu potasu- KHC₄H₄O₆.

K⁺ + HC₄H₄O₆^- → KHC₄H₄O₆

wodorowinian potasowy rozpuszcza się w zasadach, kwasach mineralnych i w gorącej wodzie a nawet w dużej ilości zimnej wody.

II Część eksperymentalna

1. I Grupa kationów

1. Kation Ag⁺

• + HCL Ag⁺ + CL^- AgCL↓ ;biały, serowaty osad

• + KJ Ag⁺ + J^- AgJ↓ ;żółty osad

• + NaOH 2Ag⁺ + 2OH^- Ag₂O↓ + H₂O ;brunatny osad

• + Na₂CO₃ 2Ag⁺ + CO₃^2- Ag₂CO₃↓ ;biały osad, przechodzi w żółtawy

• + NH₃∙H₂O 2Ag⁺ + 2OH^- ↔Ag₂O↓ + H₂O ;biały (brunatniejący) osad

w nadmiarze amoniaku osad rozpuszcza się, tworząc jon kompleksowy 2Ag(NH₃)₂⁺

b.) Kation Hg₂²⁺

• + HCL Hg₂²⁺ + 2CL^- Hg₂CL₂↓ ;biały osad (powstały związek nosi nazwe kalomel)

• + KJ Hg₂²⁺ + 2J^- Hg₂J₂↓ ;żółtawozielony osad

• + NaOH Hg₂²⁺ + OH^- Hg₂O↓ + H₂O HgO + Hg + H₂O ;czarny osad

• + Na₂CO₃ Hg₂²⁺ + CO₃^2- Hg₂CO₃↓ ;biały osad

• + NH₃∙H₂O

2Hg₂(NO₃)₂ + 4(NH₃•H₂O) OHg₂NH₂NO₃ + 2Hg↓ + 3NH₄NO₃ + 3H₂O ;czarny osad

c.) Kation Pb²⁺

• + HCL Pb²⁺ + 2CL^- PbCL₂↓ ;opadający na dno biały osad

• + KJ Pb²⁺ + J^- PbJ₂↓ ;żółty osad

• + NaOH Pb²⁺ + 2OH^- Pb(OH₂)↓ ;biały amfoteryczny osad

• + Na₂CO₃ Pb²⁺ + CO₃^2- PbCO₃↓ ;biały osad

• + NH₃∙H₂O Wytrąca biały osad mieszaniny wodorotlenku i zasadowej soli nierozpuszczalnej w nadmiarze odczynnika. W obecności kwasów organicznych (kwas octowy i winowy) i wobec dużego stężenia soli amonowych osad nie wytrąca się.

2. II Grupa kationów

a.) Kation Ba²⁺

• + H₂SO₄ Ba²⁺ + SO₄^2- BaSO₄↓ ;biały drobnokrystaliczny osad

• + Na₂CO₃ Ba²⁺ + CO₃^2- BaCO₃↓ ;biały osad

• + NH₃∙H₂O - nie wytrąca osadu

• + Woda gipsowa - nasycony roztwór CaSO₄ (woda gipsowa) - powoduje zmętnienie roztworu zawierającego jony Ba²⁺ wskutek wytrącenia się BaSO₄, biały osad powstaje natychmiast

• + K₂CrO₄ Ba²⁺ + CrO₄^2- BaCrO₄↓ ;żółty osad

2. Kation Sr²⁺

• + H₂SO₄ Sr²⁺ + SO₄^2- SrSO₄↓ ;biały krystaliczny osad

• + Na₂CO₃ Sr²⁺ + CO₃^2- SrCO₃↓ ;biały osad

• + NH₃∙H₂O - nie wytrąca osadu

• + Woda gipsowa - powoduje po pewnym czasie zmętnienie obojętych lub słabo kwaśnych roztworó zawierających jony Sr²⁺, z powodu wytrącania się SrSO₄ ;biały osad

• + K₂CrO₄ Sr²⁺ + CrO₄^- SrCrO₄↓ ;żółty osad

3. Kation Ca²⁺

• + H₂SO₄ Ca²⁺ + SO₄^2- CaSO₄↓ ;biały osad

• + Na₂CO₃ Ca²⁺ + CO₃^2- CaCO₃↓ ;biały bezpostaciowy osad

• + NH₃∙H₂O - nie wytrąca osadu

• + Woda gipsowa - nie wytrąca osadu

• + K₂CrO₄ - nie wytrąca osadu

3. IIIa Grupa kationów

a.) Kation Hg²⁺

• + H₂S Hg²⁺ + S^2- HgS↓ ;biały przechodzący w żółty, przez ceglasty do czarnego

• + NaOH Hg²⁺ + 2OH^- HgO↓ + H₂O ;żółty osad

• + NH₃∙H₂O Amoniak daje z roztworem HgCL₂ (sublimat) biały osad chlorku aminortęciowego HgNH₂CL↓

• + KJ Hg²⁺ + 2J^- HgJ₂ ;czerwony, w nadmiarze: bezbarwny

• + Na₂CO₃ Hg²⁺ + CO₃^2- HgCO₃↓ ;żółto-pomarańczowy osad

b.) Kation Bi³⁺

• + H₂S Bi³⁺ + S^2- Bi₃S₂↓ ;ciemnobrunatny (czarny) osad

• + NaOH Bi³⁺ + OH^- Bi(OH)₃↓ ;biały osad, znaczne zmętnienie

• + NH₄OH Bi³⁺ + OH^- Bi(OH)₃↓ ; biały osad

• + KJ Bi³⁺ + 3J^- BiJ₃↓ ;czarny osad, w nadmiarze: żółte zabarwienie

• + Na₂CO₃ 2Bi³⁺ + 3CO₃^2- Bi₂(CO₃)₃↓ ;biały osad

c.) Kation Cu²⁺

• + H₂S Cu²⁺ + S^2- CuS↓ ;czarny osad

• + NaOH Cu²⁺ + OH^- Cu(OH)₂↓ ;niebieski osad, w nadmiarze ciemnoniebieski

• + NH₃∙H₂O - wytrąca się jasnoniebieski osad Cu₂(OH)₂SO₄↓

• + KJ Cu²⁺ + 2J^- CuJ₂↓ ;brązowawy osad

• + Na₂CO₃ Cu²⁺ + CO₃^2- CuCO₃↓ ;jasnoniebieski osad

4. Kation Cd²⁺

• + H₂S Cd²⁺ + S^2- CdS↓ ;żółty osad

• + NaOH Cd²⁺ + OH^- Cd(OH)₂↓ ;biały osad

• + NH₄OH Cd²⁺ + OH^- Cd(OH)₂↓ ;biały osad, rozpuszcza się

w nadmiarze amoniaku przechodząc w Cd(NH₃)₄²⁺

• + KJ - nie wytrąca osadu

• + Na₂CO₃ Cd²⁺ + CO₃^2- CdCO₃↓ ;biały osad

4. IV Grupa kationów

a.) Kation Al³⁺

• + (NH₄)₂S - nie powstaje tutaj siarczek, tylko trudno rozpuszczalny biały osad Al(OH)₃ ; 2Al³⁺ + 2S^2- + 6H₂O 2Al(OH)₃↓ + 3H₂S

• + NaOH Al³⁺ + 3OH^- Al(OH)₃↓ ;biały koloidalny osad

• + NH₃∙H₂O Al³⁺ + 3(NH₃∙H₂O) Al(OH)₃↓ + 3NH₄⁺ ;biały galaretowaty osad

• + Na₂CO₃ 2Al³⁺ + 3CO₃^2- + 3H₂O 3CO₂ + 2Al(OH)₃↓ ;biały osad

b.) Kation Cr³⁺

• + (NH₄)₂S - podobnie jakw przypadku Al³⁺, nie powstaje siarczek, tylko szarozielony Cr(OH)₃

2Cr³⁺ + 3S^2- + 6H₂O 2Cr(OH)₃↓ + H₂S

• + NaOH Cr³⁺ + 3OH^- Cr(OH)₃↓ ;fioletowy osad amfoteryczny, w nadmiarze czynnika przechodzi w zielony

• + NH₄OH Cr³⁺ + OH^- Cr(OH)₃↓ ;szarozielony galaretowaty osad

• + Na₂CO₃ 2Cr³⁺ + 3CO₃^2- + 3H₂O 3CO₂ + 2Cr(OH)₃↓ ;zielony osad

c.) Kation Fe³⁺

• + (NH₄)₂S 2Fe³⁺ + 3S^2- Fe₂S₃↓ ;czarny osad

• + NaOH Fe³⁺ + 3OH^- Fe(OH)₃↓ ;brunatny osad

• + NH₄OH Fe³⁺ + 3OH^- Fe(OH)₃↓ ;brunatny osad

• + Na₂CO₃ 2Fe³⁺ + 3CO₃^2- + 3H₂O 3CO₂ + 2Fe(OH)₃↓ ;brunatny osad

• + KNCS Fe³⁺ + 3NCS^- ↔ Fe(NCS)₃↓ ;charakterystyczny odczynnik, tzw. „bycza krew”, powstaje ciemnoczerwona barwa roztworu

d.) Kation Fe²⁺

• + (NH₄)₂S Fe²⁺ + S^2- FeS↓ ;czarny osad

• + NaOH Fe²⁺ + 2OH^- Fe(OH)₂↓ ;brunatny osad

• + NH₄OH Fe²⁺ + 2OH^- Fe(OH)₂↓ ;zielonkawy, brunatniejący osad

• + Na₂CO₃ biały osad, przechodzący w szarozielony

5. Kation Ni²⁺

• + (NH₄)₂S Ni²⁺ + S^2- NiS↓ ;czarny osad

• + NaOH Ni²⁺ + 2OH^- Ni(OH)₂ ;zielony osad

• + NH₄OH - amoniak wytrąca z obojętnych roztworów zielony osad wodorotlenosoli Ni(OH)Cl, rozpuszczalny w nadmiarze tworząc szafirowofioletowego kompleksowego jonu sześcioamoniklowego (II) Ni(NH₃)₆²⁺

• + Na₂CO₃ Ni²⁺ + CO₃^2- NiCO₃↓

• + Wskaźnik Czugajewa - najbardziej czuły związek na obecność nawet śladowych ilości niklu, powstaje czerwony, krystaliczny osad wewnątrzkompleksowej soli dimetyloglioksymu

f.) Kation Co²⁺

• + (NH₄)₂S Co²⁺ + S^2- CoS↓ ;czarny osad

• + NaOH Co²⁺ + 2OH^- Co(OH)₃↓ ;niebieski osad

• + NH₄OH - amoniak w nieobecności soli amonowych wytrąca niebieski osad wodorotlenosoli

Co²⁺ + 2NO₃^- + NH₃∙H₂O Co(OH)NO₃↓ + NH₄⁺ + NO₃^-

• + Na₂CO₃ - tworzy różowofioletowy osad soli zasadowej

g.) Kation Mn²⁺

• + (NH₄)₂S Mn²⁺ + S^2- MnS↓ ;cielisty osad

• + NaOH Mn²⁺ + 2OH^- Mn(OH)₂↓ ;cielisty osad, w nadmiarze brunatniejący

• + NH₄OH Mn²⁺ + 2OH^- Mn(OH)₂↓ ;biały, brunatniejący osad

• + Na₂CO₃ Mn²⁺ + CO₃^2- MnCO₃↓ ;biały osad

h.) Kation Zn²⁺

• + (NH₄)₂S Zn²⁺ + S^2- ZnS↓ ;biały osad

• + NaOH Zn²⁺ + 2OH Zn(OH)₂↓ ;biały osad

• + NH₄OH Zn²⁺ + 2OH Zn(OH)₂↓ ;biały osad, rozpuszczalny w nadmiarze

• + Na₂CO₃ Zn²⁺ + CO₃^2- ZnCO₃↓ ;biały osad

5. V Grupa kationów

a.) Kation Mg²⁺

• + NaOH Mg²⁺ + 2OH^- Mg(OH)₂↓ ;biały osad

• + Na₂CO₃ - wytrąca biały osad wodorotlenku soli o zmiennym składzie:

nMgCO₃ ∙ mMg(OH)₂ ∙ H₂O

• + Na₂HPO₄ Mg²⁺ + HPO₄^2- MgHPO₄↓ ;biały kłaczkowaty osad

b.) Kation NH₄⁺

• + NaOH NH₄⁺ + OH^- ↔ NH₃ + H₂O ;ulatniający się zapach amoniaku

• + Odczynnik Nesslera - czerwonobrunatny osad jodku tlenoaminortęciowego

III Podsumowanie i wnioski

• Ewentualne różnice w kolorach w porównaniu do wzorcowych, mogą wynikać przykładowo:

- z pomieszania pipet, pomiędzy odczynnikami

- niedokładnej obserwacji, np. za szybkim wlewaniu odczynnika do roztworu

• W niektórych przypadkach różnice , między powstającymi związkami są subtelne, np dla kationu Al³⁺, z wszystkimi odczynnikami powstał wodorotlenek glinu, jednak różne było środowisko zachodzenia rekacji, stąd kolor może być taki sam, ale osad może być galaretowaty bądź koloidalny, lub amfoteryczny.

• W przypadku pierwszej grupy, dany kation najłatwiej rozpoznać używając odczynnika NaOH, daje on kationami Ag²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺ kolory kolejno: brunatny, czarny, i biały (amfoteryczny); praktycznie niewykonalne jest rozpoznanie przy użyciu odczynnika KI, gdzie każdorazowo otrzymuje się żółty osad.

• W drugiej grupie żaden z charakterystycznych odczynników, nie wskazuje jednoznacznie obecności danego kationu. Konieczne jest przeprowadzenie wszystkich reakcji. Jedyny łatwo rozpoznawalny kation, w tej grupie to Ca²⁺, które nie reaguje z chromianem potasu. Ba²⁺ od Sr²⁺ odróżnimy natomiast stosując wodę gipsową, zmętnienie w obu przypadkach jest barwy białej, ale w przypadku jonów Ba²⁺ zachodzi natychmiast.

• Grupa trzecia A każdy z badanych w tej grupie kationów, na pewnym etapie, ma swój charakterystyczny kolor, w obecności któregoś z odczynników. Już odczynnik grupowy H₂S pozwala dość pewnie określić obecność konkretnego kationu, innym „dobrym” odczynnikiem, który warto użyć w drugiej kolejności jest KI

• W czwartej grupie zawarte są dwa kationy które bardzo łatwo rozpoznać przy użyciu odczynników charakterystycznych.

Radanek potasu lub amonu jest bardzo czułym odczynnikiem, wrażliwym na obecność Fe³⁺, efektem jest ciemne, krwistoczerwone zabarwienie, co jednoznacznie wskazuje na obecność tego właśnie jonu.

Podobna sytuacja występuje z Ni²⁺ i odczynnikiem czugajewa, czerwona krystaliczna barwa mieszaniny określa jon Ni²⁺ w roztworze.

VI Literatura

• Z.S. Szmal, T. Lipiec „Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej”, Państwowy Zakład Wydawnictw Lekarskich, Warszawa 1988

• R. Jastrząb, L. Łomozik, R. Bregier-Jarzębowska „Podstawy chemii nieorganicznej - Ćwiczenia Laboratoryjne” , Poznań 2004

• http://pl.wikipedia.org/

---