ANALIZA JAKOŚCIOWA KATIONÓW I ANIONÓW- PŁYNY PROSTE

Wstęp

Chemiczna analiza jakościowa polega na określaniu z jakich pierwiastków, względnie związków chemicznych składa się badana próbka. W celu wykrycia (identyfikacji) poszczególnych składników w próbce przeprowadza się obserwacje właściwości fizycznych, fizykochemicznych i chemicznych badanego materiału, na podstawie których można wyciągać wnioski. Przy rozwiązywaniu praktycznych problemów analitycznych, ważne jest, aby zgromadzić możliwie dużo informacji o badanym materiale, takich jak: orientacyjny (spodziewany) skład, źródło pochodzenia, sposób pobrania, transportu i przechowywania próbki.

W dalszej części niniejszego opracowania będą omawiane jedynie klasyczne (nieinstrumentalne) metody analizy jakościowej.

Próbki pobierane lub otrzymane do analizy mogą być gazowe, stałe lub ciekłe (roztwory).

Analiza w roztworach wodnych (na drodze mokrej) ma najszersze zastosowanie. Próbki gazowe można poddać wstępnym czynnościom, jak:

• badanie barwy i zapachu (UWAGA- wiele gazów jest toksycznych ,

• badanie palności.

Jednak zwykle nie można pominąć rutynowego rozpuszczenia gazu w wodzie, które pozwoli

na przeprowadzenie dalszej analizy na drodze mokrej.

Próbki stałe mogą być wstępnie analizowane na drodze suchej:

• obserwacja barwy i kształtu ziaren,

• badanie twardości,

• obserwacja zmian w trakcie podgrzewania, albo stapiania próbki z innymi substancjami. Również i w tyra przypadku należy potwierdzić uzyskane wyniki poprzez ujednorodnienie (sproszkowanie) próbki, rozpuszczenie proszku i przeprowadzenie analizy na drodze mokrej. Proszki przeprowadza się do roztworu próbując rozpuścić je kolejno w:

• wodzie (na zimno, ewentualnie gorąco),

• w rozcieńczonych roztworach kwasów (zwykle HCl lub HNO₃) na zimno, ewentualnie na gorąco

• w stężonych roztworach HCl lub HNO₃

• w wodzie królewskiej ( stężone r-ry HCl i HNO₃ w stosunku 3:1)

W przypadku kiedy proszek nie uległ roztworzeniu przy pomocy powyższych metod należy poddać go spiekaniu lub stapianiu z odpowiednimi topnikami. Otrzymany spiek lub stop wyługowywuje się wrzącą wodą. Można też poddać próbkę roztwarzaniu w kwasach, w autoklawie pod zwiększonym ciśnieniem. Należy pamiętać, że przystępując do roztwarzania proszków musimy korzystać z fachowej literatury lub porady osób bardziej doświadczonych, gdyż możemy się narazić na utratę zdrowia (szczególnie dotyczy to pracy ze stężonymi kwasami). Możemy też spowodować poważne straty materialne np. niszcząc tygle z metali szlachetnych, niewłaściwie dobranych do danego stapiania.

W uzyskanych roztworach wodnych składniki próbki występują w postaci jonów prostych np. Ag⁺, Al³⁺ ,Cu^- lub jonów złożonych np. NH₄⁺, SO₄^2-. Dalsza analiza będzie więc polegać na identyfikacji występujących w tych roztworach kationów i anionów. Roztwory zawierające tylko jeden kation i anion nazywane są płynami prostymi. Roztwory wielu jonów są nazywane płynami złożonymi.

Wstępnie można rozróżnić kilka jonów po barwie roztworów, w których występują np.
- niebieski kolor akwajonu
,
- zielony,
- różowy,
- żółto- pomarańczowe zabarwienie pochodzące od
powstałego w czasie hydrolizy soli żelaza (III),
- zielony. Niektóre jony posiadają charakterystyczne zapachy: woń amoniaku- jon amonowy, octu- jon octanowy
, siarkowodoru- anion siarczkowy
.

W przypadku systematycznej analizy płynów złożonych należy pamiętać o konieczności wykonania prób wstępnych i usunięcia (zamaskowania) substancji przeszkadzających.

1. Próby wstępne- wykrywanie jonów, które mogą zniknąć w czasie analizy, takich jak Fe²⁺, CO3-". Oprócz tego wstępnie wykrywane są substancje, które będą wprowadzane w czasie analizy, np. sole amonowe, czy węglany.

2. Typowe substancje przeszkadzające: szczawiany, winiany, borany, fosforany, krzemiany, fluorki, tiocyjaniany.

Podstawę analizy jonów na drodze mokrej stanowią reakcje strąceniowe, w wyniku których powstają osady. Wyróżnia się dwie grupy osadów:

* osady krystaliczne- powstają w wyniku tworzenia się zarodków krystalizacyjnych i ich
dalszego wzrostu

• osady koloidalne (bezpostaciowe)- powstają w procesie strącenia się (koagulacji) roztworu
koloidalnego pod wpływem mocnych elektrolitów i podwyższonej temperatury.

Reakcje chemiczne strącania, których przebieg jest typowy tylko dla pewnej grupy jonów (reakcje z odczynnikiem grupowym) pozwalają zawęzić obszar poszukiwań analitycznych. Na grupowym strącaniu opiera się klasyczny podział kationów Freseniusa. Reakcje chemiczne, których efekty są charakterystyczne tylko dla danego jonu nazywamy reakcjami specyficznymi. Pozwalają one na jednoznaczne określenie z jaką substancja ma analityk'do czynienia. Jednak najczęściej do ostatecznych wniosków można dojść obserwując pewną ilość reakcji, których zestawienie charakteryzuje tylko jeden jon.

Przebieg ćwiczenia

Na dwóch kolejnych zajęciach laboratoryjnych, każdy student wykona po jednym ćwiczeniu:

• tydzień- oznaczenie kationów w siedmiu probówkach.

• tydzień- wykrywanie kationu i anionu w pięciu probówkach.

Roztwory otrzymane do badania nazywane są zadaniami pierwotnymi (próbkami pierwotnymi). Poszczególne zadania są ponumerowane. W trakcie analizy należy postępować zgodnie z instrukcją wykrywania jonów, notując wyniki pojedynczych reakcji. Po wykryciu wszystkich jonów należy przedstawić swoje wyniki prowadzącemu w celu przeprowadzenia korekty. Błędne wyniki analiz należy poprawić. Aby zaliczyć ćwiczenie, po drugiej korekcie, nie może być więcej niż:

• dwa błędy w przypadku analizy kationów,

• trzy błędy w przypadku analizy kationów i anionów.

Po wykonaniu obu ćwiczeń należy przygotować sprawozdanie, opisujące przebieg analizy z przedstawieniem reakcji identyfikacyjnych. Należy także opisać trudności, które przyczyniły się do zaistnienia ewentualnych błędów w trakcie analizy.

INSTRUKCJA WYKRYWANIA KATIONÓW- PŁYNY PROSTE

1. Do pierwotnego zadania dodać HC1:

• powstaje biały osad- możliwe Ag⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺-badać dalei wg przepisu 1

• nie powstaje żaden osad, to:

2. Do pierwotnego zadania dodać NH₄Cl (parę kropel) i małymi porcjami NH₄OH. Jeżeli
powstaje biały osad, to należy wlać nadmiar NH₄OH:

• powstaje osad niebieski lub lazurowe zabarwienie- obecny Cu²⁺

• powstaje osad brunatno- zielony- obecny Fe²⁺

• powstaje osad brunatny- obecny Fe³⁺

• powstaje osad biały rozpuszczalny całkowicie w nadmiarze NH₄OH - obecny Zn²⁺

• powstaje osad biały (ewentualnie lekko bnanatniejący)- możliwe Mn²⁺, Sn²⁺ Al³⁺- badać dalei wg przepisu 2

• nie tworzy się osad, ani nie powstaje jakiekolwiek zabarwienie, to:

3. Do pierwotnego zadania dodaje się NH₄Cl i NH₄OH (po parę kropel) i (NH₄)₂CO₃:

• powstaje osad biały- możliwe Ba²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺- badać dalei wg przepisu 3

• nie tworzy się osad, to:

4. Do pierwotnego zadania dodaje się NH₄Cl, i NH₄OH (po parę kropel) i Na₂HPO₄:

• powstaje biały osad- obecny Mg²⁺

• nie powstaje żaden osad- możliwe K⁺, Na⁺, NH₄ ⁺ ,- badać dalei wg przepisu 4

Po identyfikacji kationu, należy wykonać potwierdzające reakcje szczegółowe.

PRZEPISY

Przepis 1

Do zadania pierwotnego dodać NaOH:

• powstaje biały osad- obecny Pb²⁺

• powstaje brunatny osad- obecny Ag⁺

• powstaje czarny osad- obecny Hg₂²⁺

Przepis 2

Znad powstałego w reakcji z NH₄Cl i NH₄OH osadu należy zlać nadmiar roztworu

(proces dekantacji). Osad następnie zalać mała ilością H₂0₂:

• jeżeli osad staje się brunatny- obecny Mn²⁺

• jeżeli osad się nie zmienia, to do pierwotnego zadania dodać parę kropli KMnO₄:

1. roztwór odbarwia się- obecny Sn²⁺

2. roztwór nie odbarwia się- obecny Al³⁺

Przepis 3

Do pierwotnego zadania dodaje się nasycony roztwór CaS0₄

• jeżeli natychmiast powstał biały osad- obecny Ba²⁺

• jeżeli osad tworzy się po dłuższym czasie, po podgrzaniu- obecny Sr²⁺

• jeżeli nie powstaje osad- obecny Ca²⁺

Wynik tych reakcji należy potwierdzić wprowadzając do płomienia, na druciku platynowym próbkę zadania pierwotnego:

• intensywna zielono-żółta barwa płomienia wskazuje na bar

• purpurowo- czerwone, krótkie, ale intensywne świecenie potwierdza obecność strontu

• świecenie wapnia jest mało intensywne, koloru ceglastego (podobne do barwy płomienia)

Przepis 4

Do pierwotnego zadania dodaje się NaOH i podgrzewa do temperatury bliskiej wrzeniu:

• woń amoniaku świadczy o obecności jonu NH₄⁺

Jeżeli próba wypadła negatywnie, to na druciku platynowym wprowadzamy do płomienia próbkę zadania pierwotnego:

• .żółto- pomarańczowe_bardzo intensywne zabarwienie wskazuje na obecność Na⁺

• krótki, fiołkowy błysk płomienia wskazuje na obecność K⁺

Po identyfikacji kationu należy wykonać potwierdzające reakcje szczegółowy.

REAKCJE SZCZEGÓŁOWE KATIONÓW

Pb²⁺

1. Biały osad PbCI jest rozpuszczalny w wodzie na gorąco, a w czasie chłodzenia krystalizuje ponownie.

2. W reakcji Z K₂CrO₂ daje żółty osad PbCrO₄ .

Ag⁺

1. Biały osad AgCl rozpuszcza się w roztworze amoniaku.

2. W reakcji z Na₂HPO₄ daje żółty osad Ag₃PO₄.

Hg₂²⁺

1.W reakcji z KI powstaje żółto- zielony Hg₂I_2:, rozpuszczalny w nadmiarze KI z wydzieleniem Hg.

Cu²⁺

1. W reakcji z NaOH daje niebieski, a po zagotowaniu brunatno- czarny osad wodorotlenku miedzi(II) i tlenku miedzi.

2. Z K₄[Fe(CN)₆] daje czerwono- brunatny osad sześciocyjanoże!azianu(II) miedzi(II).

Sn²⁺

1. W reakcji z NaOH daje biały, rozpuszczalny w nadmiarze osad wodorotlenku cyny(II).

Mn²⁺

1. W reakcji z NaOH powstaje biały, brunatniejący na powietrzu osad Mn(OH) ₂.

2. Z K₄[Fe(CN)₆] daje biały osad Mn₂[Fe(CN)₆

Fe²⁺
1. W reakcji z K₄[Fe(CN)₆] daje biało- niebieskawy osad sześciocyjanożelazianu(Il) żelaza(II).

Fe³⁺

1. W reakcji z KCNS- tiocyjanianem potasu powstaje krwisto-czerwone zabarwienie od Fe(CNS)₃.

2. W reakcji z K₄[Fe(CN)₆] daje niebieski osad Fe₄[Fe(CN)₆]₃ (błękit pruski).

Zn²⁺

1. Z K₄[Fe(CN)₆]daje biały- osad Zn₂[Fe(CN)₆],

2. Powstający w reakcji z małą ilością NaOH wodorotlenek cynku nie brunatnieje na powietrzu w odróżnieniu od manganu. Po dolaniu nadmiaru NaOH osad rozpuszcza się i powstaje [Zn(OH) ₄]^2-

Al³⁺

1. W reakcji z NaOH powstaje biały, galaretowaty osad wodorotlenku glinu, rozpuszczalny w nadmiarze rozpuszczalnika

Ca²⁺

1. W odróżnieniu od Sr²⁺ i Ba²⁺ nie daje reakcji z K₂CrO₄.Sr²⁺

Sr²⁺

1. W reakcji z K₂CrO₄ powstaje żółry chromian(VI) strontu rozpuszczalny, w odróżnieniu od chromianu(VI) barowego, w kwasie octowym. W niezbyt stężonych roztworach reakcja zachodzi dopiero po podgrzaniu lub nie zachodzi w ogóle.

Ba²⁺

l. W reakcji ze szczawianem amonowym powstaje biały osad BaC₂O₄.

Mg²⁺

1. W reakcji z roztworem amoniaku powstaje biały, galaretowaty osad wodorotlenku magnezu.

ISNTRUKCJA WYKRYWANIA ANIONÓW- PŁYNY PROSTE
:'.■.•■-.	ODCZYNNIK	AgNO3	BaCl2		Inne
	ANION
	chlorkowy- Cl^-	osad biały nierozpuszczalny w HNO3
	tiocyjankowy- CNS^-	osad biały nierozpuszczalny w HNO3			z FeCl3 zabarwienie krwisto-czerwone
	octanowy- CH3COO^-	brak osadu z roztworów niestężonych			z H2SO4 po podgrzaniu uwalnia się zapach octu
	węglanowy- CO3^2-	osad biały rozpuszczalny w HNO3 z wydzieleniem bąbelków CO2	osad biały rozpuszczalny w HNO3 z wydzieleniem bąbelków CO2
	szczawianowy- C2O4^2-	osad biały na ciepło rozpuszczalny w HNO3	osad biały rozpuszczalny w HNO3
	fosforanowy(V)- PO4^3-	osad żółty rozpuszczalny w HN03		osad biały rozpuszczalny w HNO3
	siarczanowy(VI)- SO4^2-		osad biały nierozpuszczalny w HNO3
	azotanowy(V)- NO3^-		. ■-		z H2SO4 po podgrzaniu brak reakcji

6

---