Акушерство Анатомия Анестезиология Вакцинопрофилактика Валеология Ветеринария Гигиена Заболевания Иммунология Кардиология Неврология Нефрология Онкология Оториноларингология Офтальмология Паразитология Педиатрия Первая помощь Психиатрия Пульмонология Реанимация Ревматология Стоматология Терапия Токсикология Травматология Урология Фармакология Фармацевтика Физиотерапия Фтизиатрия Хирургия Эндокринология Эпидемиология

ТРЕТЬЯ ГРУППА КАТИОНОВ

Прочитайте:

К III аналитической группе относятся катионы щелочно-земельных металлов: Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺. Групповой реагент – раствор серной кислоты, осаждающий сульфаты, растворимость которых уменьшается с увеличением атомной массы элементов.

Фосфаты, оксалаты, силикаты, хроматы, карбонаты катионов Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺ также малорастворимы.

Хлориды, нитраты, ацетаты хорошо растворимы в воде.

Общие реакции катионов Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺

1. Реакция с серной кислотой.

Серная кислота и растворимые в воде сульфаты образуют с ионами Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺ белые кристаллические осадки по уравнению:

Me²⁺ + SO₄²^– = MeSO₄↓.

Все осадки не растворимы в кислотах и щелочах, но имеют различную растворимость в воде:

, , .

Наименее растворим BaSO₄, CaSO₄ – значительно растворяется в воде. Поэтому осадок ВаSO₄ определяется моментально даже из разбавленных растворов, SrSO₄ – через некоторое время, СаSO₄ – только из достаточно концентрированных растворов. Следует отметить, что растворимость CaSO₄ понижается при добавлении спирта или ацетона. В отличие от ВаSO₄и SrSO₄ растворимость сульфата кальция в значительной степени повышается в присутствии сульфата аммония за счёт образования нестойкой соли:

CaSO₄ + (NH₄)₂SO₄ = (NH₄)₂[Ca(SO₄)₂].

Для перевода МеSO₄ в раствор, их превращают в МеСО₃, которые легко растворяются в кислоте:

↓MeSO₄ + CO₃^2– = ↓MeCO₃ + SO₄^2–.

Практически это превращение осуществляется путём многократной обработки осадка сульфатов насыщенным раствором Na₂CO₃ при нагревании (мокрый способ) или сплавлением его в тигле с 5-6-кратным избытком смеси Na₂CO₃ и К₂CO₃ (сухой способ).

В ы п о л н е н и е р е а к ц и и. К растворам солей Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺ добавить 1,5-кратный избыток раствора Н₂SO₄. Выпадают белые кристаллические осадки. Обратить внимание и отметить скорость образования и количество осадка. Если осадок CaSO₄ не выпадает, потереть палочкой о стенки пробирки. Отобрать раствор над осадком CaSO₄ в другую пробирку, добавить спирт или ацетон. Что происходит? Почему?

2. Реакция с гипсовой водой.

Гипсовая вода, то есть водный насыщенный раствор гипса CaSO₄·2Н₂О образует с ионами Ba²⁺ и Sr²⁺ белые кристаллические осадки. Ион бария образует осадок сразу, осаждение SrSO₄ происходит не- полностью, очень медленно, нагревание раствора ускоряет образование осадка. Это объясняется различной растворимостью сульфатов: в насыщенном растворе CaSO₄ равновесная концентрация SO₄^2– равна 3·10^-3. Это количество вполне достаточно для осаждения ВаSO₄, например, из 1·10^–3 М раствора соли. Для SrSO₄ при этой же концентрации Sr²⁺

,

что немного больше и недостаточно для полного осаждения катионов стронция.

В ы п о л н е н и е р е а к ц и и. К нескольким каплям раствора солей Ba²⁺, Sr²⁺ и Ca²⁺ в пробирках добавить насыщенный раствор гипсовой воды. Описать в тетради наблюдаемые явления. Пробирку с SrSO₄ нагреть 2-3 мин. На водяной бане. Что происходит?

3. Реакция с бихроматом и хроматом калия.

K₂CrO₄ и K₂Cr₂O₇ образуют с катионами Ba²⁺ и Sr²⁺ жёлтые кристаллические осадки хроматов состава MeCrO4:

Me²⁺ + CrO₄^2– = ↓MeCrO₄;

2Me²⁺ + Cr₂O₇^2– + H₂O = 2MeCrO₄↓ + 2H²⁺.

, , ПР_SrCrO₄=2,24.10^-5

Катионы кальция осаждаются только из концентрированных растворов, вследствие высокой растворимости СаCrO₄. При рН < 7 катионы стронция и кальция не осаждаются.

Образование хроматов при действии К₂Cr₂O₇ объясняется, во-первых, присутствием в растворе К₂Cr₂O₇ ионов CrO₄^2– согласно равновесию:

Cr₂O₇^2– + Н₂О D 2 CrO₄^2– + 2Н⁺.

Во-вторых, меньшей растворимостью МеCrO₄ по сравнению с МеCr₂O₇. Полное осаждение Ва²⁺ происходит при рН~5, поэтому в реакционную смесь добавляют избыток СН₃СООNa, создавая ацетатную буферную смесь:

СН₃СОО^2– + Н⁺ D СН₃СООН.

Этим пользуются для отделения Ba²⁺ от Sr²⁺ и Ca²⁺, не дающих осадков в данных условиях.

В ы п о л н е н и е р е а к ц и и. К растворам Ba²⁺, Sr²⁺ и Ca²⁺ добавить избыток К₂CrO₄. Отметить наблюдаемые явления. Проверить действие HCl и CH₃COOH. Провести аналогичный опыт с К₂Cr₂O₇. Сопоставить результаты.

4. Реакция с оксалатом аммония.

(NH₄)₂C₂O₄ образует с катионами III группы белые кристаллические осадки оксалатов:

Ме²⁺ + С₂О₄^2– = ↓МеС₂О₄.

Осадки растворимы в минеральных кислотах. Наиболее полно осаждается оксалат кальция, менее – оксалат бария:

, , .

В уксусной кислоте осадок CaС₂О₄ практически нерастворим, а осадки ВаС₂О₄ и SrC₂O₄ заметно растворимы, особенно при нагревании.
В ы п о л н е н и е р е а к ц и и. К нескольким каплям растворов солей Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺, добавить небольшой избыток раствора (NH₄)₂C₂O₄. разделить полученные осадки на 2 части и проверить растворимость: а) в растворе HCl; б) в растворе СН₃СООН. Записать наблюдаемые явления.

5. Реакция с карбонатом аммония.

(NH₄)₂СО₃ осаждает катионы Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺ в виде белых осадков, малорастворимых в воде:

Ме²⁺ + СО₃^2– = ↓МеСО₃.

, , .

Эти осадки легко растворяются в уксусной и минеральных кислотах с выделением углекислого газа.

В ы п о л н е н и е р е а к ц и и. К растворам солей Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺ добавить раствор (NH₄)₂СО₃, испытать растворимость осадков в растворе HCl и СН₃СООН.

6. Окрашивание пламени.

Летучие соли бария окрашивают пламя горелки в желтовато-зелёный цвет, стронция – в карминно-красный, кальция – в кирпично-красный цвет.

В ы п о л н е н и е р е а к ц и и. В 3 фарфоровые лодочки налить по 1 мл спирта, аккуратно поджечь и внести шпательками сухие соли (хлориды, нитраты) Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺, наблюдать за окраской пламени.

Частные реакции иона Ва²⁺

Специфических реакций на катион Ba²⁺ нет, некоторые из общих являются характерными в определённых условиях.

1. Реакция с бихроматом калия

При рН 4-5, т.е. в ацетатном буфере, ион Ba²⁺ даёт кристаллический осадок, растворимый в сильных кислотах. Ионы Sr²⁺ и Ca²⁺ в данных условиях не осаждаются. Мешают ионы Pb²⁺. Выпадению осадка способствует нагревание.

В ы п о л н е н и е р е а к ц и и. В пробирку с несколькими каплями раствора хлорида или нитрата бария добавить по несколько капель СН₃СООNa и K₂Cr₂O₇. Наблюдать образование осадка. Записать уравнение реакции.

Частные реакции иона Sr²⁺

Ион Sr²⁺ также не имеет специфических реакций.

1. Осаждение гипсовой водой.

В отсутствии ионов Ba²⁺ и Pb²⁺ для открытия стронция используется его осаждение насыщенным раствором гипсовой воды CaSO₄·2H₂O.

В ы п о л н е н и е р е а к ц и и. В пробирку с несколькими каплями раствора соли стронция добавить несколько капель насыщенного раствора CaSO₄·2H₂O. Подогреть на водяной бане 5 минут. Через 10-15 минут наблюдать образование необильного белого осадка. Записать уравнение реакции.

Частные реакции иона Са²⁺

Для открытия Ca²⁺ используют следующие реакции.

1. Микрокристалоскопическая реакция с серной кислотой.

При действии серной кислоты на соли кальция выпадают кристаллы гипса CaSO₄·2H₂O, различимые под микроскопом в виде характерных пучков игл. Для получения хороших кристаллов целесообразно вести осаждение из сравнительно разбавленных растворов.

В ы п о л н е н и е р е а к ц и и. На предметное стекло поместить каплю раствора соли кальция, добавить каплю 2N раствора Н₂SO₄, слегка упарить смесь до появления каёмки по краям капли и рассмотреть образовавшиеся кристаллы под микроскопом. Зарисовать их форму.

В присутствии Ba²⁺ и Sr²⁺ можно поступить следующим образом: осадить ионы Ba²⁺, Sr²⁺ и частично Ca²⁺ действием 1,5-ного избытка 2N раствора Н₂SO₄, нагревать 5-6 минут на водяной бане, отфильтровать. Каплю фильтрата, содержащего некоторое количество ионов Ca²⁺ и SO₄^2–, поместить на предметное стекло упарить и рассмотреть полученные кристаллы под микроскопом. Сравнить кристаллы по форме с полученными в предыдущем опыте.

2. Реакция с гексацианоферратом (II) калия.

K₄[Fe(CN)₆] даёт возможность обнаружить Ca²⁺ в присутствии Sr²⁺. Взаимодействие идёт по уравнению:

Ca²⁺ + 2NH₄⁺ + [Fe(CN)₆]^4– = ↓Ca(NH₄)₂[Fe(CN)₆]

и сопровождается осаждением белого кристаллического осадка, нерастворимого в уксусной кислоте, в отличие от Sr²⁺. Реакцию ведут при рН~9, в присутствии аммонийной буферной смеси.

В ы п о л н е н и е р е а к ц и и. К нескольким каплям раствора соли кальция добавить по 2 капли растворов NН₄Cl и NH₃ и равный объём K₄[Fe(CN)₆]. Смесь перемешать и нагреть на водяной бане 2-3 минуты. Что образуется? Проверить растворимость осадка в уксусной кислоте. Сделать вывод. Ион Ва²⁺ при значительной концентрации может также дать осадок с K₄[Fe(CN)₆]. Поэтому в присутствии Ва²⁺ применять эту реакцию для обнаружения Са²⁺ не следует.

Ход анализа смеси катионов III группы

Отделение Ba²⁺, Sr²⁺и Ca²⁺ основано на различной растворимости хроматов и сульфатов этих катионов.

Условия осаждения и разделения ионов Ba²⁺ и Sr²⁺.

При действии K₂Cr₂O₇ на раствор, содержащий ионы бария, установятся следующие равновесия:

Cr₂O₇^2– + H₂O D 2CrO₄^2– + 2H+,

HCrO₄^– + H⁺ D H₂CrO₄,

Cr₂O₇^2– + H₂O D HCrO^4–,

Ba²⁺ + CrO₄^2– D BaCrO₄.

Из приведённых уравнений следует, что в результате периодических реакций в растворе возможно существование различных хромсодержащих форм: H₂CrO₄, HCrO₄^–, CrO₄^2–,– концентрация которых будет определяться [H⁺] в растворе.

Ион считается полностью осаждённым, если его концентрация в растворе остаётся 1·10^–6 моль/л, поэтому для полного осаждения BaCrO₄ необходима [CrO₄^2–], равная:

.

Доля свободных хромат-ионов (α₂) в растворе определяется уравнением:

Решим это уравнение относительно [Н⁺], подставив полученную величину [CrO₄^2–], C_А = 0,1М и , .

моль/л.

При этом рН происходит полное осаждение хромата бария. Поскольку осаждение хромата бария ведут обычно в ацетатном буферном растворе при рН~5, путём обратных расчётов при [H⁺], равной 10^–5, получаем α₂ = 3,1·10^-2.

моль/л.

моль/л

Действительно, в ацетатном буфере хромат бария будет осаждаться полностью. Выпадет ли в этих условиях SrCrO₄?

г-ион/л,

т.е. ионы стронция практически останутся в растворе и в ацетатном буфере возможно разделение Ва²⁺ и Sr²⁺ в виде хроматов.

В ы п о л н е н и е а н а л и з а

1. Открытие и отделение катионов бария.

К 1,5 мл смеси добавить избыток раствора бихромата калия при рН~4-5 (регулируется с помощью ацетата натрия). Образование жёлтого осадка хромата бария укажет на наличие катионов бария в растворе. Отфильтровать осадок и проверить фильтрат на полноту осаждения ионов бария. После полного удаления Ва²⁺ фильтрат анализируют на Sr²⁺, Ca²⁺.

2. Осаждение Sr²⁺ и Ca²⁺ в виде карбонатов.

К полученному фильтрату добавить насыщенный раствор Na₂CO₃ до щелочной реакции. Осадок карбоната отфильтровать, промыть водой и растворить, обрабатывая осадок на фильтре раствором уксусной кислоты.

3. Открытие Sr²⁺.

В части уксуснокислого раствора определить содержание Sr²⁺ реакцией с гипсовой водой при нагревании на водяной бане.

4. Разделение Sr²⁺ и Ca²⁺.

Если в растворе есть ионы Sr²⁺, то их нужно удалить перед определением Ca²⁺. Для этого к оставшемуся уксуснокислому раствору добавить (NH₄)₂SO₄: ионы стронция в виде сульфата осаждаются, ионы кальция остаются в растворе в виде комплексной соли. Отфильтровать.

5. Открытие Са²+.

Фильтрат разделить на две части: к одной добавить оксалат аммония, ко второй – ацетон или спирт. Выпадение осадков укажет на присутствие катионов Са²⁺.

6. Сделать вывод о катионном составе исходной смеси и занести результаты в таблицу.

Дата добавления: 2015-09-03 | Просмотры: 2308 | Нарушение авторских прав

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |