Виявлення йонів у розчинах

Одним з найскладніших (особисто для мене ☺) розділів хімії є аналітична хімія. До яких тільки хитрощів не вдавалися студенти-хіміки щоб визначити якісний та кількісний склад речовин. І незавжди ці хитрощі були "законними" з точки зору викладачів ☺.

Першу методику систематичного елементного аналізу розробив німецький хімік Юстус фон Лібіх ще у ХІХ столітті. Тоді ж були створені методики аналізу органічних речовин в основу яких було покладено властивості функціональних груп.

Сьогодні головними в аналітичній хімії вважаються інструментальні методи досліджень, які появилися в другій половині ХХ століття. Спектроскопічні та спектрометричні методи набули суттєвого вдосконалення, а також використовуються комбіновані інструментальні методи досліджень як малих так і великих біологічних молекул. Галузі практичного використання аналітичної хімії значно розширилися, зокрема в біології, медицині та фармацевтиці.

Ми торкнемося лише маленької частки "аналітики", розглянувши якісні реакції деяких катіонів та аніонів. Пригадаймо, що якісними називають реакції, за якими можна виявити наявність (відсутність) певної речовини чи йонів у суміші, які відбуваються швидко і під час яких добре помітні певні зміни.

У І семестрі ми навчилися застосовувати якісні реакції для визначення органічних речовин (багатоатомних спиртів, альдегідів тощо). Тепер ми продовжимо вивчати якісні реакції для виявлення певних йонів у розчинах неорганічних речовин.

Виявлення катіонів у розчині

Коли йдеться про катіони, то насамперед мають на увазі йони металічних елементів. Такі катіони виявляють переважно реакціями, які супроводжуються утворенням осаду, хоча існують і інші специфічні реакції. Зокрема, йони Н⁺ та OH^- виявляють індикаторами, а деякі катіони — за зміною забарвлення полум'я.

1. Виявлення катіонів Феруму (ІІ) Fe²⁺

Розчини солей Феруму (ІІ) зазвичай мають слабке блідо-зелене (салатове) забарвлення. Під час додавання до такого розчину лугу утворюється нерозчинний гідроксид такого самого кольору, який із часом стає більш рудим унаслідок окиснення киснем повітря:

FeSO₄+2KOH = Fe(OH)₂↓+K₂SO₄

блідо-зелений

4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O=4 Fe(OH)₃

бурий

Більш чутливою реакцією (тобто яка виявляє певні йони в меншій концентрації) на йони Fe²⁺є реакція з червоною кров'яною сіллю. Як відбувається ця реакція подано в демонстраційному досліді.

2. Виявлення катіонів Феруму (ІІІ) Fe³⁺

Розчини солей Феруму(ІІІ) зазвичай мають інтенсивне жовте або навіть коричневе забарвлення. Під час додавання до такого розчину лугу утворюється нерозчинний гідроксид жовтого (або рудого, іржавого чи бурого) кольору:

FeCl₃+3KOH=Fe(OH)₃↓+3KCl

Більш чутливою реакцією на йони Fe³⁺є реакція із жовтою кров'яною сіллю чи калій тіоціанатом. Як відбувається ця реакція подано в демонстраційному досліді.

Демонстраційний дослід: виявлення у розчині йонів Fe²⁺ та Fe³⁺

У першу пробірку наливаємо розчини ферум (ІІ) сульфату, а в другу — ферум (ІІІ) хлориду. До обох пробірок додаємо по декілька крапель розчину червоної кров'яної солі (калій гексаціаноферату (ІІІ) K₃Fe(CN)₆). У першій пробірці утворюється темно-синій осад турнбулевої сині, що свідчить про наявність йонів Феруму (ІІ) в розчині. У другій пробірці жодних змін не відбувається (мал. а).

Повторюємо дослід, але до обох пробірок додаємо по декілька крапель розчину жовтої кров'яної солі (калій гексаціаноферату (ІІ) K₄Fe(CN)₆).

У першій пробірці жодних змін не відбувається, а в другій утворюється синій осад берлінської лазурі, що свідчить про наявність йонів Феруму (ІІІ) (мал.б).

Повторюємо дослід, але до обох пробірок додаємо по декілька крапель розчину калій тіоціанату KSCN. У першій пробірці жодних змін не відбувається, а в другій забарвлення змінюється на криваво-червоне внаслідок утворення ферум (ІІІ) тіоціанату Fe(SCN) (мал. в).

3. Виявлення йонів Al³⁺

Демонстраційний дослід: виявлення йона алюмінію Al⁺³

У пробірку поміщаємо 4 – 5 крапель розчину солі алюмінію, додаємо 5 – 6 крапель концентрованого розчину натрій гідроксиду (або розчину амоніаку). Спостерігаємо утворення білого осаду алюміній гідроксиду, який має амфотерні властивості і тому розчиняється в кислотах і лугах.

З натрій чи калій гідроксидами (NaOH, KOH), катіон Al³⁺утворює осад білого кольору, що має амфотерні властивості.

AlCl₃+3NaOH =Al(OH)₃↓+3NaCl

Al³⁺+ 3OH^- = Al(OH)₃↓

Al(OH)₃+3NaOH =Na₃[Al(OH)₆].

4. Виявлення катіонів Барію Ва²⁺

Барій утворює нерозчинний сульфат, на цьому ґрунтується спосіб виявлення його в розчинах. До розчину, що випробують на вміст йонів Барію, додають розчин будь-якого розчинного сульфату (зазвичай натрій сульфату) або розбавлену сульфатну кислоту. За умови наявності йонів Ва²⁺утворюється білий кристалічний осад барій сульфат.

BaCl₂+Na₂SO₄=BaSO₄↓+2NaCl

Демонстраційний дослід: виявлення йонів Барію Ва²⁺

У дві пробірки наливаємо розчин барій хлориду (або нітрату). У першу пробірку додаємо декілька крапель натрій сульфату, а в другу — розбавленої сульфатної кислоти. В обох пробірках утворюється білий кристалічний осад барій сульфату, що свідчить про наявність йонів Барію в розчині.

5.Виявлення катіонів амонію ґрунтується на леткості амоніаку. Хоча амоніак дуже добре розчиняється у воді, але (хоча й у невеликій кількості) він завжди виділяється з розчину в повітря без утворення бульбашок газу. Для проведення якісної реакції до розчину солі амонію додамо розчин лугу:

NH₄Cl + KOH = NH₃↑ + KCl + H₂O

Амоніак — безбарвний газ, але він має специфічний запах. Утім, якщо концентрація йонів амонію в розчині була невелика, то запаху амоніаку можна не відчути. Тому для доведення його наявності використовують властивість розчину амоніаку змінювати забарвлення індикаторів.

Після додавання лугу в пробірку обережно (не торкаючись стінок пробірки та розчину на дні) поміщають зволожений індикаторний папір. Зміна кольору індикатора на такий, що відповідає лужному середовищу, свідчить про наявність амоніаку в повітрі всередині пробірки.

Демонстраційний дослід: виявлення йонів амонію

У пробірку наливаємо розчин амоній хлориду 2-3 мл. До розчину доливаємо розчин лугу об'ємом 1-2 мл.

В середину пробірки обережно, не торкаючись стінок і рідини, вносимо зволожений папірець універсального індикатора.

Посиніння індикаторного папірця свідчить про наявність йонів амонію в розчині.

6.Виявлення катіонів Купруму Cu²⁺

Катіон Cu²⁺з їдкими лугами KOH та NaOH утворює аморфний голубий осад гідроксиду купруму, що чорніє при нагріванні внаслідок перетворення в оксид купруму.

Cu²⁺+ 2OH^- → Cu(OH)2 ↓

Cu(OH)2↓→ CuO + H2O

Гідроксид купруму має слабко виражені амфотерні властивості. Він погано розчиняється в лугах та добре розчинний у кислотах.

6.Демонстраційний дослід: виявлення йонів Купруму Сu²⁺

До 4-5 крапель розчину солі купруму CuSO4 додати 3-4 краплі розчину лугу NaOH. Голубий осад Cu(OH)2 розділити на дві частини. До однієї частини додати надлишок лугу, підігріти і спостерігати часткове розчинення купруму гідроксиду та утворення синього розчину куприту натрію.

До іншої частини додати декілька крапель нітратної кислоти HNO3. Осад повністю розчиниться.

CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂↓+ Na₂SO₄

Іншою якісною реакцією на йон Сu²⁺є реакція з гексаціанофератом калію K4 [Fe (CN)]6. В результаті випадає осад червоно-бурого кольору.

2CuSO₄ + K₄ [Fe (CN)]₆= Сu₂[Fe (CN)]₆↓+ 2K₂SO₄

Із розчином амоніаку йон купруму Сu²⁺дає яскравий синій осад, який розчиняється коли додати надлишок розчину того ж розчину амоніаку NH4OH.

CuSO₄ + 2NH₄OH = Cu(OH)₂↓+ (NH₄)₂SO₄

Виявлення аніонів

У більшості випадків аніони, які виявляють у розчинах, — це аніони кислотних залишків. Найчастіше їх виявляють за утворенням нерозчинних солей певного кольору.

1. Виявлення силікат-йонів. Майже всі солі силікатної кислоти нерозчинні у воді. Але, на відміну від інших кислот, силікатна кислота має ще одну особливість: сама вона нерозчинна. Цю її властивість використовують для виявлення силікат-іонів. Для проведення якісної реакції до досліджуваного розчину додають розчин будь-якої сильної кислоти:

Na₂SiO₃+2HCl=H₂SiO₃↓+2NaCl

Залежно від концентрації солі в розчині силікатна кислота утворює білий аморфний пластівчастий осад або безбарвний гель, що не витікає з пробірки.

2. Виявлення ортофосфат-йонів. Багато солей ортофосфатної кислоти нерозчинні у воді. Але одна з них — аргентум(І) ортофосфат — має характерний яскраво-жовтий колір. Тому для виявлення ортофосфат-іонів використовують аргентум(І) нітрат:

K₃PO₄+3AgNO₃=Ag₃PO₄↓+3KNO₃

Як ви вже вивчали, аргентум(І) нітрат використовують для виявлення інших аніонів, але осад аргентум(І) ортофосфату від інших осадів відрізняється кольором.

3. Виявлення хлорид-йонів. Для виявлення хлорид-йонів у розчині до досліждуваного розчину додають реактив — сіль аргентум нітрат. В результаті хімічної реакції випадє білий сирнистий осад аргентум хлориду. Цей осад не розчиняється у нітратній кислоті, а з легкістю розчиняється в гідроксиді амонію NH4OH. Також він поступово темніє на світлі через утворення вільного срібла

NaCl + AgNO3 = NaNO3 + AgCl↓

Ag⁺+ Cl^-= AgCl↓