IDENTYFIKACJA WYBRANYCH KATIONÓW I ANIONÓW
W klasycznej analizie chemicznej ( jakościowej ) do badanej próbki - najczęściej w formie roztworu dodaje się odczynnika analitycznego reagującego z określonym jonem w znany sposób. Jeśli przebiega oczekiwana reakcja np.powstaje charakterystyczny osad lub zabarwienie, wydziela się gaz o odpowiedniej woni wnioskuje się, że poszukiwany jon jest obecny w badanej próbce. Aby ułatwić tok analizy, jony rozdziela się na grupy analityczne. Do każdej grupy zalicza się jony tworzące osady z odczynnikiem grupowym.
Kationy podzielono na pięć grup. I- grupę tworzą jony dające osady z HCl ( Ag+, Hg+, Pb+ ); II - grupę tworzą jony dające osady z H2S w środowisku kwaśnym (Cu+2, Hg+2 );. III - grupę tworzą jony dające osady z (NH4)2S ( Fe+3, Al.+3, Zn+2 ); IV - grupę tworzą jony dające osady z (NH4)2CO3 ( Ca+2, Ba+2 ); V - grupa nie posiada odczynnika grupowego (NH4+, Mg+2, K+, Na+ ).
Analizę kationów zawsze przeprowadza się wykonując operacje chemiczne według numeracji grup.Grupy analityczne anionów ( 7 grup ) mają mniejsze znaczenie, a także kolejność analizy anionów jest już zupełnie dowolna. W analizie anionów wykorzystuje się reakcje z jonami Ag+ ( AgNO3 ), Ba+ ( Ba(NO3)2 ) a także rozpuszczalność powstałych osadów w HNO3.
W chemicznej analizie praktyczniej jest wykonać identyfikację obecnych anionów, a dopiero później kationów, gdyż znajomość występujęcych w roztworze anionów daje chemikowi więcej informacji dla dalszego prowadzenia analizy. Niektóre jony można wykryć reakcjami specyficznymi (selektywnymi) z pominięciem skomplikowanej analizy opartej na odczynnikach grupowych.
Podstawą klasycznej analizy chemicznej jest odkrycie, że dysponując znanymi kationami możemy wykryć wszystkie istniejące aniony, a znając aniony możemy wykryć wszystkie występujące w przyrodzie kationy. Niestety, wadą klasycznej analizy chemicznej jest to, że wymaga stosunkowo dużych stężeń jonów w badanych próbkach. Wspóczesne instrumentalne, fizykochmiczne metody oznacznia pierwiastków w próbkach są tylko i wyłącznie pochodnymi metody klasycznej.
Wykrywanie jonów Ag+
1) Jony Cl- wytrącają z obojętnych lub kwaśnych roztworów zawierających jony Ag+ biały, serowaty osad chlorku srebra AgCl który na świetle ulega rozkładowi i czernieje od wydzielającego się koloidalnego srebra - reakcja fotochemiczna.(Każdy metal w będąc w rozdrobnieniu koloidalnym jest czarny).
Ag+ + Cl- AgCl 2AgCl ----światło 2Ag + Cl2
Osad AgCl jest nierozpuszczalny w wodzie zarówno zimnej jak i gorącej, ale w obecności jonów amonowych tworzy rozpuszczalny, bezbarwny kompleksowy jon Ag(NH3)2+.
AgCl + 2NH4OH [Ag(NH3)2]Cl + 2H2O
Dodanie kwasu azotowego powoduje powtórne wytrącenie się osadu AgCl .
[Ag(NH3)2]+ + Cl- + 2H+ AgCl + 2NH4+
Reakcja z jonami Cl- jest dla jonów Ag+ reakcją selektywną w połączeniu z reakcjami z NH3 i HNO3.
Wykonanie próby:
Do 2 probówek dodać po 0,5 cm3 wzorcowego roztworu Ag+, a następnie kilka kropli (3 - 5) stężonego kwasu solnego Pierwszą probówkę wystawić na światło słoneczne i po 30 minutach obserwować zachodzący proces fotochemiczny. Drugą probówkę ostrożnie ogrzać i obserwować osad powstałego chlorku srebra. Po ochłodzeniu probówki z AgCl dodać do niej kroplami 2M NH4OH aż do utworzenia się rozpuszczalnego chlorku diaminasebra [Ag(NH3)2]Cl, a następnie dodając kroplami z pipety 2M kwas azotowy doprowadzić do ponownego pojawienia się osadu AgCl.
Wodorotlenek sodu NaOH wytrąca z roztworów zawierających jony Ag+ brunatny
osad tlenku srebra Ag2O.
2Ag+ + 2OH- Ag2O + H2O
Wykonanie próby:
Do 0,5cm3 wzorcowego roztworu Ag+ dodać 0,5cm3 0,1M NaOH. Po wytrąceniu się osadu Ag2O dodać do probówki powtórnie 0,5cm3 0,1M NaOH Zaobserwować czy osad nie rozpuszcza się w nadmiarze zasady.
3) Chromian potasowy K2CrO4 wytrąca z roztworów zawierających jony Ag+ czerwonobrunatny osad chromianu srebra Ag2CrO4. Reakcja ta znalazła praktyczne zastosowanie w oznaczaniu ilości srebra w jubilerstwie, gdyż barwa powstającego Ag2CrO4 jest zależna od ilości Ag w stopie z którego została wykonana srebrna biżuteria.
2Ag+ + CrO4+2 Ag2CrO4
Wykonanie próby:
Do 0,5cm3 wzorcowego roztworu Ag+ dodać 0,5cm3 1M K2CrO4, a po pojawieniu się osadu chromianu srebra Ag2CrO4 dodać kilka kropel 2M roztworu kwasu azotowego. Obserwować przebieg reakcji.
Powyższą reakcję można przeprowadzić i z dichromianem potasu K2Cr2O7, ale należy wówczas najpierw do probówki dodać 0,5cm3 1M K2Cr2O7, 0,5cm3 0,1M NaOH a następnie 0,5cm3 wzorcowego roztworu Ag+.
Wykrywanie jonów Pb+2
1) Jony Cl- wytrącają z roztworów zawierających jony Pb+2 biały krystaliczny, szybko opadający na dno probówki osad chlorku ołowiawego PbCl2 .
Pb+2 + Cl- PbCl2
Osad ten po podgrzaniu probówki rozpuszcza się, a po oziębieniu powtórnie wytrąca się w postaci kryształków w kształcie igiełek. Próba z podgrzewaniem chlorków srebra i ołowiu jest istotna gdyż służy do łatwego rozróżnienia AgCl od PbCl2 (AgCl jest w gorącej wodzie nierozpuszczalny).
Wykonanie próby:
Do 0,5cm3 wzorcowego roztworu Pb+2 dodać kilka kropli stężonego kwasu solnego (HCl). Wytrąca się osad chlorku ołowiawego PbCl2. Do probówki z osadem dodać 2cm3 wody destylowanej i pogrzewać aż do rozpuszczenia się powstałego PbCl2, a następnie wstawić do stelaża i po ostygnięciu roztworu obejżeć na nowo powstałe kryształki PbCl2.
2) Chromian potasowy K2CrO4 i dichromian potasowy K2Cr2O7 wytrącają z roztworów zawierających jony Pb+2 żółty osad chromianu ołowiawego.
Pb+2 + CrO4-2 PbCrO4
W reakcji z dichromianem potasowym uwalniają się wolne jony wodorowe które powodują zwiększenie rozpuszczalności PbCrO4 i zmniejszają czułość tej reakcji.
2Pb+2 + Cr2O7-2 + H2O 2PbCrO4 + 2H+
Wykonanie próby:
Do 0,5cm3 wzorcowego roztworu Pb+2 dodać 0,5cm3 0,1M K2CrO4. Po kilku ninutach obejrzeć powstały osad.
Wykrywanie jonów Cu+2
W roztworach wodnych jony miedzi są najczęściej barwne - od barwy niebieskiej do zielonej. W środowisku zasadowym rozpuszczalne związki miedzi przechodzą w galaretowaty żel o barwie niebieskiej.
Cu+2 + 2OH- Cu(OH)2
Cu(NO3)2 + 2NaOH Cu(OH)2 + 2NaNO3
Żel Cu(OH)2 szybko przechodzi w niebieski osad, który podczas ogrzewania ulega odwodnieniu przekształcając się w czarny nierozpuszczalny osad tlenku miedziowego.
Cu(OH)2 CuO + H2O
Żel Cu(OH)2 po dodaniu zasady amonowej tworzy rozpuszczalny ciemnoniebieski związek kompleksowy tetraaminamiedzi.
Cu(OH)2 + 4NH4OH [Cu(NH3)4]+2 + 2OH- + 4H2O
Wykonanie próby:
Do 2 probówek dodać po 0,5 cm3 wzorcowego roztworu Cu+2 , anastępnie 0,5 cm3 2M NaOH. Po utworrzeniu się Cu(OH)2 jedną probówkę ogrzać nad palnikiem, a do drugiej dodać 0,5 cm3 2M NH4OH.
Wykrywanie jonów Fe+3
Jony żelaza na trzecim stopniu utlenienia są bardzo często barwne: najczęściej żółte lub brunatne, rzadziej fioletowe, a w połączeniach kompleksowych - krwistoczerwone. Najczulszą i jednocześnie specyficzną reakcją na jon Fe+3 jest reakcja z tiocyjanianem potasu K-N=C= S lub amonu (starsza, tradycyjna nazwa tego związku - rodanek potasu, amonu)
Fe+3 + NCS- Fe(NCS)3 FeCl3 + KNCS Fe(NCS)3
Można się spotkać z wzorem rodanku potasu / amonu - KSCN / NH4SCN
Wykonanie próby:
Do 0,5 cm3 roztworu zawierającego jony Fe+3 dodać 0,5 cm3 roztworu 0,1M KNCS. Pojawia się intensywnie krwisto czerwona barwa rozpuszczalnego Fe(NCS)3 , która dała tej reakcji nazwę zwyczajową - reakcja na smoczą krew. Jony Fe+2 tej charakterystycznej reakcji nie dają.
Wykrywanie jonów Ca+2
Wiele soli wapnia np.: węglany, siarczany, chromiany, szczawiany, fosforany, krzemiany są związkami nierozpuszczalnymi. Tworzenie się nierozpuszczalnych osadów soli wapnia stanowi istotę reakcji wykrywających ten jon.
1) Jony CO3-2 wytrącają z roztworów zawierających jony Ca+2 biały bezpostaciowy osad węglanu wapniowego CaCO3, który po zagotowaniu przechodzi w osad krystaliczny.
Ca+2 + CO3-2 CaCO3
CaCl2 + Na2CO3 CaCO3 + 2NaCl
Wykonanie próby:
Do 0,5 cm3 wzorcowego roztworu Ca+2 dodać 0,5 cm3 roztworu 0,2M węglanu sodu Na2CO3. Odstawić probówkę na 10 minut w stelażu, aby reakcja przebiegła do całkowitego zakończenia. Obejrzeć powstały osad CaCO3. Probówkę ostrożnie podgrzać do zagotowania, wstawić do stelaża i po ostygnięciu powtórnie obejżeć powstały osad węglanu wapniowego.
2) Czulszą próbą na wykrywanie jonów wapniowych jest reakcja z szczawianem amonu lub szczawianem potasu. Dodatek jonów szczawianowych do krwi, które wiążą jony wapnia konieczne do procesu krzepnięcia krwi umożliwia przechowanie pobranej krwi w stanie płynnym do dalszych badań biochemicznych.
Wykonanie próby:
Do 0,5 cm3 wzorcowego roztworu Ca+2 dodać 0,5 cm3 roztworu 0,2M szczawianu amonu (NH4)2 C2O4 lub 0,2M szczawianu potasu K2 C2O4.
Zachodzą następujące reakcje.
Ca+2 + C2O4-2 Ca C2O4
CaCl2 + (NH4)2 C2O4 Ca C2O4 + 2NH4Cl,
CaCl2 + K2 C2O4 Ca C2O4 + 2KCl
Powstały osad Ca C2O4 jest biały, krystaliczny.
Wykrywanie jonów Ba+2
1) Jony CO3-2 wytrącają z roztworów zawierających jony Ca+2 biały osad węglanu barowego BaCO3 który łatwo rozpuszcza się w kwasie octowym.
Ba+2 + CO3-2 BaCO3
BaCl2 + Na2CO3 BaCO3 + 2Na2Cl
BaCO3 + 2CH3COOH Ba(CH3COO)2 + CO2 + H2O
Wykonanie próby:
Do 0,5 cm3 wzorcowego roztworu Ba+2 dodać 0,5 cm3 roztworu 0,2M węglanu sodu Na2CO3. Po wytrąceniu się osadu BaCO3 dodać 1cm3 kwasu octowego o stężeniu 2M. W przypadku nierozpuszczenia się osadu węglanu baru dodać jeszcze 1 cm3 kwasu octowego.
2) Chromian i dichromian potasowy wytrąca z roztworów zawierających jony baru żółty osad chromianu barowego (BaCrO4).
Ba+2 + CrO4-2 Ba CrO4
BaCl2 + K2CrO4 BaCrO4 + 2KCl
Wykonanie próby:
Do 0,5 cm3 wzorcowego roztworu Ba+2 dodać 0,5 cm3 roztworu 0,2M chromianu potasu K2CrO4.
Wykrywanie jonów NH4+
Jon NH+ jest prostym kationem kompleksowym, który tworzy się podczas reakcji amoniaku z jonami wodorowymi, a różni się od kationów metali alkalicznych (I grupa w Tab. Mendelejewa) tym, że w roztworze wodnym tworzy słabą zasadę NH4OH. Wodne roztwory soli amonowych wykazują więc na skutek hydrolizy odczyn kwaśny. Zasady mocniejsze od NH4OH np. NaOH, KOH wypierają z soli amonowych po podgrzaniu zasadę amonową, która natychmiast rozkłada się z wydzieleniem gazowego amoniaku o charakterystycznym zapachu.
NH4+ + OH- NH3 + H2O
NH4Cl + NaOH NH3 + NaCl + H2O
Obecność wydzielającego się amoniaku można stwierdzić po zmianie zabarwienia zwilżonego różowego papierka lakmusowego na kolor niebieski.
Wykonanie próby:
Do 0,5 cm3 wzorcowego roztworu NH4+ dodać 0,5 cm3 2M NaOH. Probówkę ogrzać. Do wylotu probówki zbliżyć zwilżony papierek lakmusowy, lub ostrożnie! powąchać.
Wykrywanie jonów Cl-
Jony chlorkowe z jonami srebra dają biały serowaty nierozpuszczalny osad AgCl, który powoli na świetle czernieje.
Ag+ + Cl- AgCl
Ag NO3 + NaCl AgCl + Na NO3
Powstały osad AgCl jest rozpuszczalny w wodnym roztworze amoniaku, ponieważ tworzy się rozpuszczalny związek kompleksowy.
AgCl + 2NH4OH [Ag(NH3)2]Cl + H2O
Po dodaniu kwasu azotowego kompleks ten rozpada się i ponownie wytrąca się osad chlorku srebra.
[Ag(NH3)2]- + Cl- + 2H+ AgCl + 2NH4+
[Ag(NH3)2]Cl + 2HNO3 AgCl + 2NH4NO3
Wykonanie próby:
Do 0,5 cm3 wzorcowego roztworu Cl- dodać kroplami 0,5 cm3 roztworu 0,1M Ag NO3 . Wytrącony biały osad rozpuścić dodając kroplami 2M NH4OH . Wytrącić ponownie AgCl poprzez dodanie kilku kropli 2M kwasu azotowego.
Próba ta jest identyczna z próbą na jony srebra wykonaną wcześniej. Poprzednio wiedząc, że dysponujemy jonani Cl- wykryliśmy jony Ag+. Obecnie wiedząc,że mamy jony Ag+ wykrywamy jony Cl-.
Wykrywanie jonów CH3COO-
Jon CH3COO- (octanowy) jest anionem słabego kwasu organicznego (octowego), który w roztworach wodnych ulega dysocjacji:
CH3COOH + H2O CH3COO- + H3O+
Bezwodny kwas octowy poniżej temperatury 16,7oC krzepnie i staje się substancją stałą, nazywa się on wtedy kwasem octowym „lodowatym”.Sole tego kwasu - octany są z reguły dobrze rozpuszczalne. Roztwory octanów litowców i berylowców wykazują odczyn zasadowy spowodowany procesem hydrolizy.
1) Rozcieńczony H2SO4 wypiera z octanów wolny kwas octowy, który przy ogrzaniu możemy wykryć po charakterystycznym zapachu.
CH3COO- + H+ ---temperatura CH3COOH
Wykonanie próby:
Do probówki odmierzyć 0,5cm3 wzorcowego roztworu CH3COO- i dodać 0,5cm3
0,1M H2SO4. Probówkę podgrzać nad palnikiem do zagotowania się płynu. Ulatniającą się parę powąchać z zachowaniem dużej ostrożności.
2) W roztworach zawierających jony CH3COO- chlorek żelazowy FeCl3 daje czerwonobrunatne zabarwienie pochodzące od powstałego octanu żelazowego Fe(CH3COO)3. Octan żelazowy po rozcieńczeniu wodą i zagotowaniu przekształca się w brunatny osad dihyroksyoctanu żelaza (III), dizasadowego octanu żelazowego - Fe(OH)2CH3COO.
Fe+3 + 3CH3COO- Fe(CH3COO)3
Fe(CH3COO)3 + 2H2O ---temperatura Fe(OH)2CH3COO + 2CH3COOH
Wykonanie próby:
Do probówki odmierzyć 0,5cm3 wzorcowego roztworu CH3COO- i dodać kilka kropli FeCl3 do utworzenia się czerwonobrunatnego zabarwienia. Następnie do probówki dodać 1cm3 wody i podgrzać do zagotowania. Po kilku minutach obejrzeć powstały osad.
Wykrywanie jonów CO3-2
Jon CO3-2 jest anionem występującym w nietrwałym, słabym kwasie węglowym oraz w roztworach wodnych rozpuszczalnych węglanów. Rozpuszczalnymi i dysocjującymi węglanami są węglany litowców i amonu. Węglany berylowców i metali ciężkich są nierozpuszczalne. Reakcje charakterystyczne na jon węglanowy opierają się na wypieraniu gazowego CO2, a także na tworzeniu nierozpuszczalnych osadów.
Wykonanie próby a:
Do 0,5 cm3 wzorcowego roztworu CO3-2 dodawać kroplami 2M H2SO4 .
CO3-2 + 2H+ H2O + CO2
Na2CO3 + H2SO4 Na2SO4 + H2O + CO2
Natychmiast obserwować przebieg zachodzącej w probówce reakcji - wydzielanie gazowego CO2.
Wykonanie próby b:
Do 0,5 cm3 wzorcowego roztworu CO3-2 dodać 0,5 cm3 0,2M octanu ołowiawego Pb(CH3COO)2
Pb+2 + CO3-2 PbCO3
Na2CO3 + Pb(CH3COO)2 PbCO3 + 2CH3COONa
Powstaje biały osad węglanu ołowiawego (węglanu ołowiu II).
Wykonanie próby:
Do 0,5 cm3 wzorcowego roztworu CO3-2 dodać 0,5 cm3 1M BaCl2
Ba+2 + CO3-2 Ba CO3
Na2CO3 + BaCl2 Ba CO3 + 2NaCl
Powstaje biały osad węglanu baru.
Chlorek baru (BaCl2) jest bardzo silną trucizną! - ostrożnie pobierać ten odczynnik.
Wykrywanie jonów PO4-3
Reakcją specyficzną na wykrywanie jonów PO4-3 jest reakcja z molibdenianem amonu (NH4)2MoO4 w obecności kwasu azotowego.
Na2HPO4 + 12(NH4) MoO4 + 23HNO3 (NH4)P(MoO3O10)4 + 21NH4NO3 + 2NaNO3 + 12H2O
Powstaje żółty osad molibdenianofosforanu amonowego.
Wykonanie próby:
Do 0,5 cm3 wzorcowego roztworu PO4-3 dodać 5 kropli stężonego HNO3 i 0,5 cm3 roztworu 0,1M molibdenianu amonowego. Próbę ogrzawć nad palnikiem kilka minut aż do pojawienia się żółtego osadu - uważać na przegrzewanie się roztworu.
Wykrywanie jonów SO4-2
Większość siarczanów jest rozpuszczalna w wodzie, ale niektóre jak: siarczan wapniowy, strontowy, barowy, ołowiawy i rtęciowy są nierozpuszczalne i służą do wykrywania jonów SO4-2.
Wykonanie próby:
Do 0,5 cm3 wzorcowego roztworu SO4-2 dodać 0,5 cm3 roztworu 0,2M Pb(CH3COO)2
Zachodzi reakcja:
Pb+2 + SO4-2 PbSO4
Na2SO4 + Pb(CH3COO)2 PbSO4 + 2 CH3COONa
Powstaje biały osad siarczanu ołowiawego.
Wykonanie próby:
Do 0,5 cm3 wzorcowego roztworu SO4-2 dodać 0,5 cm3 roztworu BaCl2 .
Zachodzi reakcja:
Ba+2 + SO4-2 BaSO4
BaCl2 + (NH4)2SO4 + 2NH4Cl
Powstaje biały osad siarczanu baru. Siarczan baru jest związkiem nierozpuszczalnym, a więc nieprzenika do wnętrza organizmu z przewodu pokarmowego. Sam bar (Ba) jest typowym metalem ciężkim podobnie jak i ołów, a więc dobrze pochłaniającym promieniowanie. Dlatego BaSO4 jest stosowany jako kontrast w prześwietleniach rentgenowskich przewodu pokarmowego. Kwas solny (obecny w żołądku) nie jest w stanie wyprzeć kwasu siarkowego z siarczanów.
1
5