2. ANALIZA JAKOŚCIOWA KATIONÓW

Jakościowa analiza chemiczna ma na celu określenie jakościowego składu badanej substancji. Polega ona na tym że do badanej próbki dodaje się odpowiedniego odczynnika, pod wpływem którego zachodzi jakaś zauważalna, charakterystyczna reakcja, najczęściej roztwór się zabarwia, wytrąca lub rozpuszcza się osad (często barwny), wydziela się gaz lub powstaje charakterystyczny zapach. Takie reakcje, które pozwalają na wykrycie danego jonu w obecności innych jonów - nazywane są reakcjami charakterystycznymi.

Klasyczną analizę można przeprowadzić jako analizę wybiórczą lub analizę systematyczną. Analiza wybiórcza polega na wykrywaniu poszczególnych jonów z oddzielnych próbek badanego roztworu w dowolnej kolejności, bez oddzielania od siebie grup jonów za pomocą reakcji charakterystycznych. Analiza systematyczna polega na kolejnym oddzielaniu lub stwierdzeniu nieobecności grup jonów za pomocą tzw. odczynników grupowych. W ten sposób dzieli się analizowane jony na grupy, w których łatwiej jest wykryć poszczególne jony. W systematycznym toku analizy każdy jon jest wykrywany dopiero po wykryciu i usunięciu (oddzieleniu) wszystkich jonów przeszkadzających.

2.1. ANALIZA KATIONÓW

Podstawą systematycznej analizy kationów jest podział kationów na 5 grup analitycznych. Odczynnikami grupowymi są: rozcieńczony kwas solny (HCl), kwas siarkowy (H₂SO₄) lub węglan amonu (NH₄)₂CO₃], siarkowodór (H₂S) oraz siarczek amonu (NH₄)₂S. Wymienione odczynniki grupowe wytrącają z badanego roztworu kationy należące odpowiednio do grup I, II, III i IV. Podział najważniejszych kationów na grupy analityczne przedstawiono w tabeli 2.1( wg Z.S. Szmal, T. Lipiec).

Tabela 2.1

Podział kationów na grupy analityczne

Grupa	Odczynnik grupowy	Kationy	Skład osadu	Uwagi
I	HCl ( mol/dm^3)	Ag^+ Pb^2+ Hg^2+	AgCl PbCl2 Hg2Cl2	Chlorki nierozpuszczalne w H2O i w rozcień- czonym HCl
II	H2SO4	Ba^2+ Sr^2+ Ca^2+ (Pb^2+ )	BaSO4 SrSO4 CaSO4 (PbSO4)	Siarczany nierozpuszczalne w H2O i w rozcień-czonym H2SO4
III	H2S lub AKT (amid kwasu tiooctowego CH3CSNH2) w rozc. H2SO4 (pH ≅ 0,5)	Hg^2+ Bi^3+ Cu^2+ Cd^2+ Sn^2+ Sn^4+	HgS Bi2S3 CuS CdS SnS SnS2	Siarczki nierozp. w rozcieńcz. HCl i H2SO4
IV	Na2S lub (NH4) 2S lub AKT (amid kwasu tiooctowego CH3CSNH2) wobec NH3⋅H2O + NH4Cl (pH ≈ 9)	Al^3+ Cr^3+ Fe^2+ Fe^3+ Ni^2+ Co^2+ Mn^2+ Zn^2+	Al.(OH)3 Cr(OH)3 FeS Fe2S3 NiS CoS MnS ZnS	Siarczki Al(OH) 3 i Cr(OH)3 nierozp. w H2O i rozcień. kwasach
V	Brak odczynnika grupowego	Mg^2+ Na^+, K^+ NH4^+		Nie wytrącają się z poprzednimi od-czynnikami grupowymi

W tabeli zaznaczono te kationy które identyfikuje się na ćwiczeniach laboratoryjnych

REAKCJE CHARAKTERYSTCZNE WYBRANYCH KATIONÓW

2.1.1 Reakcje kationu ołowiu (II) - Pb²⁺

1. Kwas solny HCl i rozpuszczalne chlorki. Jony Cl⁻ wytrącają z roztworów zawierających jony Pb²⁺ biały krystaliczny osad chlorku ołowiu (II) (PbCl₂)

↓

Osad PbCl₂ jest rozpuszczalny w gorącej wodzie, po oziębieniu z roztworu wytrąca się w postaci igieł.

2. Wodorotlenek sodu NaOH lub potasu KOH. Jony OH^- wytrącają z roztworów zawierających jony Pb²⁺ biały osad amfoterycznego wodorotlenku ołowiu (II) Pb(OH)₂ :

↓

Pb(OH)₂ rozpuszcza się w nadmiarze odczynnika z utworzeniem anionu tetrahydroksoołowiu (II) [Pb(OH)₄] ^2- :

Osad Pb(OH)₂ rozpuszczalny jest również w kwasach mineralnych.

3. Jodek potasu KI. Jony I^- wytrącają z roztworów zawierających jony Pb²⁺ żółty osad jodku ołowiu(II) PbI₂

↓

Osad PbI₂ rozpuszcza się w gorącej wodzie, po oziębieniu wytrąca się ponownie w postaci złocistych blaszek. Osad PbI₂ jest rozpuszczalny również w nadmiarze KI

4. Chromian(VI) potasu K₂CrO₄ i dichromian(VI) potasu K₂Cr₂O₇. Jony chromianowe(VI)
i dichromianowe(VI)
wytrącają z roztworów zawierających jony Pb²⁺ - żółty osad chromianu (VI) ołowiu(II) PbCrO₄:

PbCrO₄

5. Kwas siarkowy(VI) H₂SO₄. Jony SO₄^2- wytrącają z roztworów zawierających jony Pb²⁺ biały osad siarczanu(VI) ołowiu(II) PbSO₄

PbSO₄

2.1.2. Reakcje kationu wapnia(II) Ca²⁺

2. Szczawian amonu (NH₄)₂C₂O₄. Jony szczawianowe C₂O₄^2- wytrącają z roztworów zawierających jony Ca²⁺ biały osad szczawianu wapnia CaC₂O₄ .

↓

Osad szczawianu wapnia CaC₂O₄ jest rozpuszczalny w kwasach mineralnych (HCl, H₂SO₄, HNO₃) lecz nie rozpuszcza się w kwasie octowym

2. Węglan sodu Na₂CO₃ i inne rozpuszczalne węglany. Jony węglanowe CO₃^2- wytrącają z roztworów zawierających kationy Ca²⁺ biały bezpostaciowy osad węglanu wapnia CaCO₃, rozpuszczalny w rozcieńczonych kwasach.

3. Wodorotlenek sodu NaOH lub potasu KOH. Jony OH⁻ wytrącają z roztworów zawierających jony Ca²⁺ biały osad wodorotlenku wapnia -Ca(OH)₂

↓

Ca(OH)₂ nie rozpuszcza się w nadmiarze odczynnika.

4. Wodoroortofosforan (V) sodu Na₂HPO₄. Jony wodoroortofosforanowe (V) HPO₄^2- wytrącają z roztworów zawierających jony Ca²⁺ biały kłaczkowaty osad wodoroortofosforanu (V) wapnia CaHPO₄:

↓

5. Zabarwienie płomienia. Lotne sole sodu barwią płomień na kolor ceglasto-czerwony

2.1.3. Reakcje kationu miedzi(II) Cu²⁺

2. Wodorotlenek sodu lub potasu, NaOH lub KOH. Jony OH^- wytrącają na zimno z roztworów zawierających jony Cu²⁺ niebieski osad wodorotlenku miedzi (II) Cu(OH)₂:

↓

Osad Cu(OH)₂ po ogrzaniu przechodzi w czarnobrunatny osad tlenku miedzi(II) CuO

2. Amoniak, NH₄OH. Rozcieńczony roztwór amoniaku wytrąca z roztworów zawierających jony Cu²⁺ jasnoniebieski osad hydroksosoli, który łatwo rozpuszcza się w nadmiarze amoniaku, przy czym roztwór zabarwia się na ciemnoniebiesko, od powstającego jonu tetraamminomiedzi(II).Przebieg reakcji w obecności jonów siarczanowych(VI) ilustruje poniższe równanie:

3. Heksacyjanożelazian (II) potasu K₄[Fe(CN)₆]. Odczynnik ten wytrąca z roztworów zawierających jony Cu²⁺ (w środowisku obojętnym lub słabokwaśnym CH₃COOH) czerwonobrunatny osad heksacyjanożelazianu(II) miedzi(II):

↓

Przy małym stężeniu jonów Cu²⁺ roztwór barwi się na różowobrunatno.

4. Zabarwienie płomienia. Lotne sole miedzi barwią płomień na kolor zielony

2.1.4. Reakcje kationu glinu(III) Al³⁺

1. Wodorotlenek sodu i potasu NaOH i KOH. Jony OH^- wytrącają z roztworów zawierających jony Al³⁺ biały, galaretowaty, amfoteryczny wodorotlenek glinu Al(OH)₃, rozpuszczalny w nadmiarze odczynnika z utworzeniem kompleksowego jonu tetrahydroksoglinianu(III) - [Al(OH)₄]⁻

↓

Po zakwaszeniu wytrąca się ponownie osad Al(OH)₃, który rozpuszcza się w nadmiarze kwasu:

2. Amoniak NH₄OH. Roztwór amoniaku wytrąca z roztworów zawierających jony Al³⁺ biały, galaretowaty osad wodorotlenku glinu:

3. Wodoroortofosforan(V) sodu, Na₂HPO₄. Odczynnik ten wytrąca z roztworów zawierających jony Al³⁺ biały, galaretowaty osad ortofosforanu(V)glinu AlPO₄:

4. Alizaryna. Odczynnik ten tworzy z jonami Al³⁺ czerwony osad lub czerwone zabarwienie.

Wykonanie: Do badanego roztworu (ok.1 cm³) należy dodać kilka kropli roztworu amoniaku, około 1 cm³ roztworu alizaryny oraz kilka kropli roztworu CH₃COOH. W obecności jonów Al³⁺ powstaje czerwony osad lub czerwone zabarwienie.

2.1.5.. Reakcje kationu żelaza(II) Fe²⁺

1. Wodorotlenek sodu i potasu, NaOH i KOH. Jony OH^- wytrącają z roztworów zawierających jony Fe²⁺ biały lub brudnozielony osad wodorotlenku żelaza(II) Fe(OH)₂:

↓

Osad Fe(OH)₂ na powietrzu łatwo utlenia się do czerwonobrunatnego wodorotlenku żelaza(III) Fe(OH)₃:

↓

2. Amoniak NH₄OH. Roztwór amoniaku wytrąca z roztworów zawierających jony Fe²⁺ biały lub brudnozielony osad wodorotlenku żelaza(II) Fe(OH)₂

3. Heksacyjanożelazian(III) potasu, K₃[Fe(CN)₆]. Jony Fe(CN)₆^2- wytrącają z roztworów zawierających jony Fe²⁺ w środowisku kwaśnym lub obojętnym ciemnobłękitny osad heksacyjanożelazianu(III) żelaza(II) Fe₃[Fe(CN)₆]₂, tzw. błękit Turnbulla:

↓

4. Heksacyjanożelazian(II) potasu, K₄[Fe(CN)₆]₂. Jony Fe(CN)₆^4- wytrącają z roztworów zawierających jony Fe²⁺ w atmosferze pozbawionej tlenu biały osad heksacyjanożelazianu(II) żelaza(II) Fe₂[Fe(CN)₆].

↓

lub heksacyjanożelazianu(II) żelazowo(II) potasowego K₂Fe[Fe(CN)₆]:

↓

Powstający osad łatwo utlenia się na powietrzu nabierając niebieskiej barwy od powstającego heksacyjanożelazianu(II) żelaza(III) Fe₄[Fe(CN)₆]₃ tzw. błękitu pruskiego_.

2.1.6. Reakcje jonu żelaza(III) - Fe³⁺

1. Wodorotlenek sodu i potasu, NaOH i KOH. Jony OH^- wytrącają z roztworów zawierających jony Fe³⁺ czerwonobrunatny osad wodorotlenku żelaza(III) Fe(OH)₃:

↓

2. Amoniak NH₄OH. Roztwór amoniaku wytrąca z roztworów zawierających jony Fe³⁺ czerwonobrunatny osad wodorotlenku żelaza(III) Fe(OH)₃:

3. Heksacyjanożelazian(II) potasu K₄[Fe(CN)₆]. Jony Fe(CN)₆^4- wytrącają z roztworów zawierających jony Fe³⁺ w środowisku słabo kwaśnym lub obojętnym ciemnoniebieski osad heksacyjanożelazianu(II) żelaza(III) Fe₄[Fe(CN)₆]₂, tzw. błękit pruski:

↓

Przy małym stężeniu jonów Fe³⁺ powstaje niebieskie lub zielone zabarwienie

4. Heksacyjanożelazian(III) potasu, K₃[Fe(CN)₆]₂. Jony Fe(CN)₆^2- nie wytrącają z roztworów zawierających jony Fe²⁺( w odróżnieniu od jonó Fe²⁺) lecz tworzą rozpuszczalny w wodzie heksacyjanożelazian (III) żelaz (III) Fe[Fe(CN)₆] o barwie ciemnobrunatnej:

↓

5. Tiocyjanian (rodanek) potasu KSCN lub amonu NH₄SCN. Odczynniki te w słabokwaśnym roztworze zawierającym jony Fe³⁺, tworzą tiocyjanian żelaza(III) Fe(SCN)₃, o intensywnym krwistoczerwonym zabarwieniu:

6. Octan sodu CH₃COONa. Z jonami Fe³⁺ tworzy octan żelaza(III) o zabarwieniu czerwonobrunatnym:

Z rozcieńczonego roztworu i po ogrzaniu wytrąca się brunatny osad dihydroksyoctanu żelaza (III):

2.1.7. Reakcje kationu cynku (II) Zn²⁺

1. Wodorotlenek sodu i potasu NaOH i KOH. Jony OH^- wytrącają z roztworów zawierających jony Zn²⁺ biały osad amfoterycznego wodorotlenku cynku Zn(OH)₂:

↓

osad Zn(OH)₂ rozpuszcza się w kwasach:

jak również w nadmiarze odczynnika, tworząc kompleksowy jon tetrahydroksocynkanu (II):

2. Amoniak NH₄OH. Roztwór amoniaku wytrąca z roztworów zawierających jony Zn²⁺ biały osad wodorotlenku cynku Zn(OH)₂:

Osad Zn(OH)₂ rozpuszcza się w nadmiarze roztworu amoniaku z utworzeniem jonów kompleksowych: tetraamminocynku [Zn(NH₃)₄] ²⁺ lub heksaamminocynku - [Zn(NH₃)₆]²⁺

3. Wodorofosforan(V) sodu Na₂HPO₄. Odczynnik ten wytrąca z roztworów zawierających jony Zn²⁺ biały osad ortofosforanu(V) cynku Zn₃(PO₄)₂

2.1.8. Reakcje kationu magnezu(II) Mg²⁺

1. Wodorotlenek sodu i potasu NaOH i KOH. Jony OH^- wytrącają z roztworów zawierających jony Mg²⁺ biały galaretowaty osad wodorotlenku magnezu Mg(OH)₂:

↓

Osad Mg(OH) ₂ nie rozpuszcza się w nadmiarze wodorotlenku, natomiast rozpuszcza się w rozcieńczonych kwasach i w roztworach soli amonowych:

2. Amoniak NH₄OH. Roztwór amoniaku częściowo wytrąca z roztworów zawierających jony Mg²⁺ biały galaretowaty osad wodorotlenku magnezu Mg(OH)₂:

3. Wodoroortofosforan (V) sodu Na₂HPO₄. Odczynnik ten wytrąca z roztworów zawierających jony Mg²⁺ biały kłaczkowaty osad wodoroortofosforanu (V) magnezu MgHPO₄:

↓

W obecności chlorku amonu (NH₄Cl) i w środowisku amoniakalnym (NH₄OH) wytrąca się biały krystaliczny osad ortofosforanu(V) magnezowo-amonowego MgNH₄PO₄:

Wykonanie :

Do badanego roztworu należy dodać tyle roztworu NH₄Cl aby dodawany roztwór NH₄OH nie powodował wytrącania się osadu Mg(OH)₂. Po dodaniu roztworu Na₂HPO₄ wstrząsnąć probówką. W przypadku obecności jonów Mg²⁺ powstaje biały krystaliczny osad.

2.1 9. Reakcje kationu amonu NH₄⁺

1. Wodorotlenek sodu i potasu NaOH i KOH. Jony OH^- rozkładają sole amonowe z wydzieleniem amoniaku, który można rozpoznać po charakterystycznym zapachu:

2. Odczynnik Nesslera tetrajodortęcian(II) potasu K₂[HgJ₄]. Odczynnik ten wytrąca z zasadowych roztworów soli amonowych czerwonobrunatny osad jodku μ-amino-μ-oksortęci(II):

Wykonanie:

Do probówki nalewamy 1 cm³ roztworu soli amonowej, probówkę napełniamy do połowy wodą, po czy dodajemy 1 cm³ odczynnika Nesslera .Powstanie czerwonobrunatnego osadu świadczy o obecności jonu amonowego.

2.1.10. Reakcje kationu sodu Na⁺

1. Zabarwienie płomienia. Lotne sole sodu barwią płomień na kolor intensywnie żółty

2. Diwodoroantymonian(V) potasu KH₂SbO₄ wytrąca z roztworów soli sodowych, biały krystaliczny osad diwodoroantymonianu (V) sodu:

Wykonanie:
Do roztworu soli sodowej (o dość dużym stężeniu) dodajemy roztwór diwodoroantymonianu(V) potasu. Na skutek dużej rozpuszczalności NaH₂SbO₄ osad może pojawić się dopiero po pewnym czasie. Aby przyspieszyć wytrącanie się osadu z roztworu przesyconego pocieramy ścianki probówki bagietką szklaną. Odczyn roztworu powinien być obojętny albo słabo zasadowy. Reakcja powinna być przeprowadzona na zimno.

Wykonanie ćwiczenia

W otrzymanych do analizy próbkach należy zidentyfikować znajdujące się tam kationy.

Identyfikacje należy prowadzić w probówkach, używając 1-2 cm³ badanego roztworu i dodając taką samą objętość roztworu odczynnika. Przystępując do analizy należy zwrócić uwagą na barwę roztworu otrzymanego do analizy, ponieważ niektóre kationy i aniony wykazują w roztworach wodnych charakterystyczne zabarwienie.

W celu sprawdzenia poprawności identyfikowanych jonów wykonuje się tzw. ślepe próby, polegające na użyciu zamiast badanego roztworu roztworów zawierających odpowiednie jony.

Tabela 2

Przegląd reakcji chemicznych wybranych kationów

Odczynnik

Pb^2+

Ca^2+

Cu^2+

Al^3+

Fe^2+

Fe^3+

Zn^2+

Mg^2+

Na^+

NH4^+

NaOH lub KOH

Pb(OH)2 biały amfoteryczny

Ca(OH)2 biały

Cu(OH)2 niebieski

Al(OH)3 biały amfoteryczny

Fe(OH)2 biały lub brudnozielony

Fe(OH)3 czerwono-brunatny

Zn(OH)2 biały amfoteryczny

Mg(OH)2 biały

-

-

NH4OH

Pb(OH)2 biały

nie wytrąca po dłuższym staniu na powietrzu    CaCO3     biały

[Cu(NH3)4]^2+ ciemno- niebieskie zabarwienie

Al(OH)3 biały

Fe(OH)2 biały lub brudnozielony

Fe(OH)3 czerwono-brunatny

Zn(OH)2 biały

Mg(OH)2 biały

-

-

K4[Fe(CN)6]

-

-

Cu2[Fe(CN)6] czerwono-brunatny

-

Fe2[Fe(CN)6] biało-niebieski

Fe4[Fe(CN)6]3 ciemno- niebieski

Zn2[Fe(CN)6] biało- kremowy

-

-

-

Na2HPO4

-

-

-

AlPO4 biały

Fe3(PO4)2 biały

FePO4 żółtawy

Zn3(PO4)2 biały

MgHPO4 biały

-

-

Barwa płomienia

-

ceglasto­czerwona

zielona

-

-

-

-

-

żółta

-

Barwa roztworu

bezbarwny

bezbarwny

niebieski

bezbarwny

zielonkawy

żółty

bezbarwny

bezbarwny

bezbarwny

bezbarwny

Reakcja charakter.

KJ

Barwa płomienia

NH4OH

Alizaryna

K3[Fe(CN)6]

KSCN

NaOH

Barwa płomienia

Odczynnik Nesslera

PbJ2 żółty

Ceglasto-czerwona

Cu(NH3)4]^2+ ciemno- niebieskie zabarwienie

Czerwony osad lub czerwone zabarwienie tzw. lak

F3[Fe(CN)6]2 ciemnobłękitny tzw. błękit Turnbulla

Fe(SCN)3 krwisto­czerwone zabarwienie

Zn(OH)2 biały amfoteryczny

żółta

Czerwono­brunatny osad

45

---