2.4 практические работы лабораторная работа № 1

Анализ смеси катионов I и II групп

Цель работы  –  изучить характерные реакции катионов NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+  в модельных растворах и провести качест- венный анализ контрольного раствора.

1. Изучение характерных реакций катионов I и II групп.

Обнаружение ионов аммония. Реакцию проводят в газовой ка-

мере, представляющей собой два часовых стекла одинакового размера с направленными наружу выпуклыми сторонами. Часовые стекла предварительно моют и ополаскивают дистиллированной водой. На вогнутую поверхность верхнего часового стекла помещают полоску

универсальной индикаторной бумаги и смачивают ее дистиллирован- ной водой. На нижнее часовое стекло помещают 1–2 капли раствора, содержащего NH4+, 1–2 капли 2 н. раствора NaOH и быстро накрыва- ют верхним часовым стеклом с прикрепленной влажной индикатор- ной бумагой. Выделяющийся аммиак вызывает посинение индикатор- ной бумаги.

NH4+ + NaOH → NH3↑ +H2O + Na+

Обнаружение ионов калия проводят с использованием микро- кристаллоскопической реакции. На предметное стекло помещают ка- плю модельного раствора, содержащего ион K+, и нагревают стекло над электрической плиткой до появления тонкой каемочки сухой со- ли. На расстоянии ~1 см от нагретой капли модельного раствора по- мещают 1 каплю реагента Na2PbCu(NO2)6. С помощью стеклянной па- лочки соединяют обе капли. Через 2 – 5 минут рассматривают выпав- шие кристаллы под микроскопом. Черные или коричневые кубические кристаллы свидетельствуют о присутствии ионов калия (рис. 1).

K+ + Na2PbCu(NO2)6 → K2PbCu(NO2)6↓ + Na+

Обнаружение ионов натрия проводят в виде пробирочной реак- ции. В пробирку наливают 2 – 3 капли модельного раствора, содер- жащего ионы натрия. Затем в пробирке создают строго нейтральную среду, добавляя кислоту или щелочь до рН=7 (по индикаторной бума-

ге). К полученному раствору прибавляют равный объем KH2SbO4. Об- разование белого кристаллического осадка свидетельствует о присут- ствии в растворе ионов натрия. Для ускорения выпадения осадка ре- комендуется потереть стеклянной палочкой о стенки пробирки и ох- ладить ее содержимое.

При использовании микрокристаллоскопической реакции для обнаружения ионов натрия на предметное стекло помещают каплю модельного раствора, содержащего ионы Na+. Стекло нагревают над плиткой до появления тонкой каемочки сухой соли. Затем вносят 1–2 капли реагента KH2SbO4. Через 2 – 5 минут препарат рассматривают под микроскопом. Появление прозрачных зерновидных кристаллов подтверждает присутствие ионов натрия (рис. 2).

Na+ + KH2SbO4 → NaH2SbO4↓ + K+.

Рис. 1. Кристаллы К2PbCu(NO2)6  Рис. 2. Кристаллы NaH2SbO4

Обнаружение ионов магния проводят в виде пробирочной реак- ции. При этом возможны два варианта.

Первый вариант. В пробирку приливают 2–3 капли раствора, содержащего Mg2+, добавляют несколько капель 2 н. раствора KOH. Выпадение белого аморфного осадка указывает на присутствие ионов магния.

Mg2+ + KOH → Mg(OH)2↓ + K+

Второй вариант обнаружения ионов магния заключается в сле- дующем. В пробирку в равных количествах вносят растворы, содер- жащие Mg2+, NH4Cl, Na2HPO4, и тщательно перемешивают содержи- мое пробирки стеклянной палочкой. Затем добавляют 2 н. раствор NH4OH до щелочной реакции по индикаторной бумаге. В присутствии ионов магния выпадает белый кристаллический осадок.

Mg2+ + NH3 + HPO42– → MgNH4PO4↓ Обнаружение ионов бария  проводят в виде пробирочной реак-

ции. В пробирку приливают 2–3 капли раствора, содержащего Ba2+, добавляют по 2 капли 2 н. CH3COOH и CH3COONa (ацетатный бу- фер). Затем приливают столько раствора K2Cr2O7, чтобы раствор в пробирке окрасился в оранжевый цвет. Выпадение желтого осадка яв-

ляются свидетельствует о присутствии ионов бария.

2Ba2+ + Cr2O72– + 2 CH3COO– + H2O → 2BaCrO4↓ + 2CH3COOH Обнаружение ионов кальция проводят в виде пробирочной ре-

акции. В пробирку помещают 2–3 капли модельного раствора, содер- жащего Ca2+, и затем добавляют несколько капель раствора (NH4)2C2O4. Выпадение белого кристаллического осадка указывает на присутствие ионов кальция.

Ca2+ + (NH4)2C2O4 → CaC2O4↓ + NH4+

2. Обнаружение катионов I и II групп в контрольном растворе

Предварительные испытания. Испытания проводят в отдель- ных порциях раствора.

Реакцию среды (рН раствора) проверяют с помощью универ- сальной индикаторной бумаги.

Обнаружение ионов NH4+   проводят  в  «газовой  камере».  На внутреннюю поверхность верхнего часового стекла помещают полос- ку универсальной индикаторной бумаги и смачивают ее дистиллиро- ванной водой. На нижнее часовое стекло помещают 2–3 капли кон- трольного раствора, прибавляют 2–3 капли 2 н. раствора NaOH и бы- стро накрывают верхним часовым стеклом. Если ионы аммония при-

сутствуют в контрольном растворе, то выделяется аммиак и индика- торная бумага синеет за счет протекания реакции:

NH4+ + NaOH → NH3↑ +H2O + Na+

Если индикаторная бумага не посинела, то ионы NH4+  отсутст-

вуют.

Обнаружение ионов калия проводят только в том случае, если в

контрольном растворе отсутствуют ионы аммония. На предметное стекло помещают каплю контрольного раствора, нагревают стекло над электрической плиткой до появления тонкой сухой каемочки соли. На расстоянии ~1 см от нагретой капли контрольного раствора помещают

1 каплю реагента Na2PbCu(NO2)6 и стеклянной палочкой соединяют обе капли. Через 2 – 5 минут препарат рассматривают под микроско- пом.  Появление  черных  кубических  кристаллов  свидетельствует  о

присутствии ионов калия в контрольном растворе (рис. 1).

2 K+ + Na2PbCu(NO2)6 → K2PbCu(NO2)6↓ + 2 Na+

Ионы аммония образуют с Na2PbCu(NO2)6 черные кубические кристаллы, характерные для ионов калия.

Систематический ход анализа используют для разделения ка- тионов I и II группы и их последующего обнаружения с применением характерных реакций.

Осаждение катионов II группы. К 2–3 мл контрольного раствора в центрифужной пробирке по каплям добавляют 2н. раствор NH4OH до появления явного запаха аммиака, затем несколько капель раствора

NH4Cl для растворения осадка, который может образоваться при дей- ствии NH4ОН. Даже если осадок не образовался, все равно надо доба- вить немного NH4Сl для создания нужной кислотности среды (рН~9). Затем к содержимому центрифужной пробирки добавляют по каплям раствор осадителя (NH4)2CO3. В присутствии катионов II группы вы- падает белый осадок карбонатов.

Ме2+ + (NH4)2СО3 → МеCO3↓ + 2 NH4+

Если при добавлении (NH4)2CO3 белый осадок не выпадает, то в контрольном растворе катионы II группы отсутствуют.

После выпадения белого осадка содержимое пробирки нагрева- ют на водяной бане до 60–70ºС. Осадок карбонатов отделяют от рас- твора центрифугированием и проверяют полноту осаждения.

Для проверки полноты осаждения катионов II группы к про- зрачному раствору над осадком добавляют несколько капель (NH4)2СО3. Если раствор мутнеет, прибавляют еще (NH4)2СО3, содер- жимое пробирки нагревают, центрифугируют и снова проверяют пол- ноту осаждения. Полнота осаждения считается достигнутой, если рас- твор над осадком при действии на него (NH4)2СО3  остается прозрач- ным.

После отделения осадка карбонатов катионы I и II групп оказы- ваются разделенными: фильтрат содержит катионы I группы, а осадок

– катионы II группы.

NH4+, K+, Мg2+, Na+, Ва2+, Ca 2+

↓

NH4OH, NH4Cl, (NH4)2CO3

Фильтрат        Осадок

NH4+, K+, Мg2+, Na+          BaCO3↓ (CaCO3)↓

Анализ осадка начинают с его растворения. Осадок карбонатов (MeCO3) растворяют в 8–10 каплях 2 н. уксусной кислоты при пере- мешивании стеклянной палочкой ( до получения прозрачного раство- ра).

MeCO3 +2 CH3COOH → Me(CH3COO)2 +H2O +CO2 ↑ Обнаружение ионов Ва2+ проводят в отдельной порции уксусно-

кислого раствора, нагретой на водяной бане, добавляют несколько ка- пель K2Cr2O7 и CH3COONa. Раствор K2Cr2O7 добавляют до изменения желтого цвета анализируемого раствора на оранжевый, создавая избы- ток реагента. Выпадение желтого осадка свидетельствует о наличии ионов Ва2+. Если раствор остается прозрачным, то ионы Ва2+ отсутст- вуют.

2Ва2+ + K2Cr2O7 + Н2О  2ВаCrО4 + 2К+ + 2Н+

После полного осаждения ионов Ва2+  осадок ВаCrО4  отделяют центрифугированием и проверяют полноту осаждения ионов бария. Фильтрат используют для обнаружения ионов Са2+.

Обнаружение ионов Са2+. в фильтрате проводят добавлением 4–

5 капель раствора (NH4)2C2O4  и нагреванием содержимого пробирки на водяной бане. Выпадение белого кристаллического осадка СаС2О4 указывает на присутствие ионов Са2+.

Са2+ + (NH4)2C2O4  СаС2О4 + 2NH4+

Если ионы Ва2+  в анализируемом растворе не обнаружены, на- личие ионов Са2+  лучше проверять в свежей порции уксуснокислого раствора.

Анализ фильтрата, содержащего только катионы I группы (ка-

тионы II группы отделены в виде осадка карбонатов), начинают с удаления ионов NH4+. Фильтрат переносят в фарфоровый тигель, кото- рый помещают на электроплитку для прокаливания. Содержимое тиг- ля выпаривают досуха и прокаливают на плитке до полного прекра- щения выделения белого дыма. Затем тигель продолжают прокаливать еще в течение 20 минут. После охлаждения тигля до комнатной тем- пературы к сухому остатку добавляют несколько капель дистиллиро- ванной воды и при перемешивании растворяют содержимое тигля. Одну каплю полученного раствора помещают на часовое стекло и до- бавляют 1–2 капли реактива Несслера. Выпадение красно-бурого осадка свидетельствует о неполном удалении ионов NH4+.

NH3 + 2K2[HgI4] + 3KOH  HN–Hg2IOH + 7KI + 2H2O

В таком случае тигель с остатками раствора продолжают прокаливать до тех пор, пока при действии реактива Несслера на отдельную пор- цию анализируемой пробы раствор останется прозрачным.

Обнаружение ионов К+ проводят, если это обнаружение не про- водили в предварительных испытаниях. 1–2 капли раствора после полного удаления солей аммония переносят на предметное стекло, на- гревают стекло над электрической плиткой до появления тонкой су-

хой каемочки соли. На расстоянии ~1 см от нагретой капли контроль- ного раствора помещают 1 каплю реагента Na2PbCu(NO2)6 и стеклян-

ной палочкой соединяют обе капли. Через 2 – 5 минут препарат рас- сматривают под микроскопом. Появление черных кубических кри- сталлов свидетельствует о присутствии ионов калия в контрольном растворе (рис. 1).

2 K+ + Na2PbCu(NO2)6 → K2PbCu(NO2)6↓ + 2 Na+

Обнаружение ионов Мg2+ проводят в отдельной порции раство- ра, полученного после полного удаления солей аммония. В пробирку в равных количествах вносят испытуемый раствор, раствор NH4Cl, рас- твор Na2HPO4, и тщательно перемешивают содержимое пробирки стеклянной палочкой. Затем добавляют 2 н. раствор NH4OH до ще- лочной реакции по индикаторной бумаге. В присутствии ионов маг- ния выпадает белый кристаллический осадок.

Mg2+ + NH3 + HPO42– → MgNH4PO4↓ Обнаружение ионов Na+  возможно в двух вариантах в зависимо-

сти от того, обнаружены ли ионы магния.

Ионы Мg2+ отсутствуют. На предметное стекло помещают ка- плю раствора из тигля. Стекло нагревают над плиткой до появления тонкой каемочки сухой соли. Затем вносят 1–2 капли реагента KH2SbO4. Через 2 – 5 минут препарат рассматривают под микроско- пом. Появление прозрачных зерновидных кристаллов подтверждает присутствие ионов натрия (рис. 2).

Эту же реакцию можно выполнять как пробирочную. В пробир- ку наливают 2–3 капли исследуемого раствора. Затем создают строго

нейтральную среду, добавляя кислоту или щелочь до рН=7 (по инди- каторной бумаге). К полученному раствору прибавляют равный объем раствора реактива KH2SbO4 и перемешивают стеклянной палочкой. Образование белого кристаллического осадка свидетельствует о нали- чии в растворе ионов Na+. Для ускорения образования осадка реко- мендуется потереть палочкой о стенки пробирки и охладить ее содер- жимое.

Ионы Мg2+  присутствуют. Перед проведением микрокристал- лоскопической реакции ионов Na+ необходимо предварительно уда- лить мешающие ионы Мg2+. К отдельной порции раствора из тигля добавляют при нагревании 2 н. раствор КОН и центрифугируют. По- сле проверки полноты осаждения и центрифугирования осадок гидро-

ксида магния отбрасывают. Фильтрат переносят в другую пробирку, нейтрализуют 2 н. раствором НСl до рН=7 по индикаторной бумаге. Необходимо строго довести реакцию среды до рН=7, поскольку в ки- слой среде происходит разложение KH2SbO4. Полученный нейтраль- ный раствор упаривают досуха в фарфоровом тигле. Сухой остаток растворяют в 2 – 3 каплях дистиллированной воды. В полученном рас- творе обнаруживают ионы Na+  микрокристаллоскопической реакцией с KH2SbO4.

Пример оформления отчета о лабораторной работе

Дата