Качественные реакции на катионы

Цель работы: Знакомство с качественными реакциями на отдельные катионы.

Реакции иона калия K⁺

1. Гексанитрокобальтат натрия – комплексная соль Na₃[Co(NO₂)₆] – образует с растворами солей калия, т.е. с ионами K⁺, желтый кристаллический осадок гексанитрокобальтата калия-натрия: 2K⁺ + Na⁺ + [Co(NО₂)₆]^3- = K₂Na[Co(NО₂)₆]¯

Нельзя реакцию проводить в щелочной и сильно кислой среде.

В щелочной среде реактив разлагается по уравнению:

[Co(NО₂)₆]^3- + 3ОН^- = Со(ОН)₃ ¯+ 6NO₂^-

Разлагается он и в присутствии сильных кислот. Однако уксусная кислота, будучи кислотой слабой, реактива не разрушает. Поэтому обнаружение иона K⁺ с помощью гексанитрокобальтата натрия проводят в нейтральном или уксуснокислом растворе.

       Следует также иметь в виду, что раствор реактива Na₃[Co(NО₂)₆] при хранении постепенно разлагается (происходит порозовение раствора). Пользоваться нужно лишь свежеприготовленным раствором реактива.

Нельзя обнаружить ион K⁺ в присутствии иона NH₄⁺ , так как последний с раствором Na₃[Co(NО₂)₆] тоже образует желтый кристаллический осадок:

2NH₄⁺ + Na⁺  + [Co(NО₂)₆]^3- = ¯ (NH₄)₂Na[Co(NО₂)₆]

Ионы Mg²⁺ ,Ba²⁺ и Ca²⁺ обнаружению иона K⁺ не мешают.

Опыт 1. В коническую пробирку внести 2 капли раствора соли калия, прибавить 1 каплю разбавленного раствора уксусной кислоты и 2 капли раствора Na₃[Co(NО₂)₆].Проделать аналогичный опыт с раствором соли аммония. Какой вывод следует сделать из этого опыта?

       2. Окрашивание пламени. Соли калия или их растворы окрашивают бесцветное пламя газовой горелки в фиолетовый цвет. Этот способ обнаружения калия является вспомогательным.

Опыт 2. Взять платиновую или нихромовую проволочку, впаянную в стеклянную палочку. Очистить проволочку от следов солей натрия прокаливанием. Для этого смочить ее в концентрированной соляной кислоте и прокалить в пламени горелки (до полного исчезновения окраски пламени). Очищенную проволочку смочить анализируемым раствором и снова внести в бесцветное пламя. Наблюдать окраску пламени через индиговую призму или синее стекло.

       Ничтожные количества соединений натрия маскируют окраску пламени. Синее стекло или индиговая призма, поглощают желтые лучи и фиолетовое окрашивание будет заметно в присутствии солей натрия.

Реакции иона натрия Na⁺

Опыт 3. Очистить платиновую или нихромовую проволочку, обмакнуть ее в исследуемый раствор и внести в бесцветное пламя горелки. Наблюдать желтое окрашивание пламени. Способ очень чувствительный. Поэтому о присутствии натрия можно судить лишь в том случае, если желтый цвет пламени будет ярким и не исчезает 10-15 сек.

Реакции иона аммония NH₄⁺

       1. Реактив Несслера – щелочный раствор комплексной соли K₂[HgJ₄] – с растворами солей аммония или аммиака образует характерный красно-бурый осадок йодистого оксодимеркураммония:

                                                                   

           NH₄⁺ + 2[HgJ₄]^2- + 4OH^- =[               NH₂]J¯ + 7J^- + 3H₂O    

                                                               

При очень малых количествах NH₄⁺ осадок не образуется, но раствор окрашивается в желто-бурый или желтый цвет.

Опыт 4. В пробирку поместить 1 каплю раствора соли аммония и прибавить 3 капли реактива Несслера (реактив всегда брать в избытке). Наблюдать выпадение красно-бурого осадка. Продолжить опыт, разбавив 1 каплю раствора соли аммония 20 каплями (1 мл) дистиллированной воды. Взять 1 каплю этого раствора, поместить его в другую пробирку и прибавить туда 3 капли реактива Несслера. Заметить окраску раствора. Какой вывод следует из этого опыта? Изучаемая реакция весьма чувствительна. Ионы I и II групп не мешают реакции. Мешают катионы высших групп, образующие в щелочной среде цветные осадки гидроксидов.

       2. Едкие щелочи при нагревании с солями аммония выделяют аммиак:

NH₄⁺ + OH^-  « NH₄OH.

NH₄OH = H₂O + NH₃­.

Опыт 5. В коническую пробирку поместить 3 капли раствора аммонийной соли. Внести туда же 3-5 капель 2 н раствора NaOH так, чтобы им не смочить стенок пробирки. Держать у отверстия пробирки, не касаясь ее стенок, полоску индикаторной бумаги, смоченную дистиллированной водой. Пробирку со смесью осторожно подогреть на водяной бане. Наблюдать изменение цвета бумажки, производимое выделяющимся аммиаком.

Реакции иона магния Mg²⁺

           1. Едкие щелочи и гидроксид аммония с растворами солей магния образуют белый аморфный осадок Mg(OH)₂, хорошо растворимый в кислотах и растворах аммонийных солей: Mg²⁺ + 2OH^- = Mg(OH)₂¯.

       Растворение в кислотах: Mg(OH)₂ + 2H⁺ = Mg²⁺ + 2H₂O.

Растворение в растворах аммонийных солей:

Mg(OH)₂ + 2NH₄⁺ ↔ Mg²⁺ + 2NH₄OH.

Реакция обратима. При достаточной концентрации в растворе ионов NH₄⁺ они связывают ионы OH^-, в результате чего величина ПР_Mg(OH)2 не достигается, а значит осадок Mg(OH)₂ не образуется. Чтобы отделить Mg²⁺ от K⁺ и Na⁺ в виде Mg(OH)₂, надо предварительно удалить ион NH₄⁺ (прокаливанием).

Опыт 6. Поместить в пробирку 2 капли раствора соли магния и прибавить столько же раствора едкого натра. Наблюдать выпадения осадка Mg(OH)₂. Прибавить в эту же пробирку 5 капель раствора NH₄Cl. Что происходит? Повторить первую часть опыта – получить осадок Mg(OH)₂. Проверить его растворимость в какой-либо кислоте.

       2. Гидрофосфат натрия Na₂HPO₄ в присутствии растворов NH₄Cl и NH₄OH образует с растворами солей магния белый кристаллический осадок двойной соли:                 Mg²⁺ + HPO₄^2- + NH₄OH = MgNH₄PO₄↓ + H₂O

       Раствор NH₄Cl добавляется для предотвращения выпадения иона Mg²⁺ в виде Mg(OH)₂, когда к раствору прибавляется NH₄OH. В свою очередь NH₄OH добавляется для предотвращения образования аморфного осадка кислой соли MgHPO₄. В его же присутствии образуется двойная соль MgNH₄PO₄.

Опыт 7. К 2 каплям исследуемого раствора прибавить 2 капли 2 н. раствора NH₄OH и 3 или более капель 2 н. раствора NH₄Cl (до полного растворения белой мути гидроксида магния). Раствор хорошо перемешать. Прибавить 3 капли 2 н. раствора Na₂HPO₄ и снова перемешать. Осадок выпадает медленно. Осаждение ускоряет охлаждение раствора и интенсивное перемешивание его.

       3. Оксихинолин C₉H₆NOH с аммиачным раствором соли магния образует зеленовато-желтый кристаллический осадок:

Mg²⁺ + 2NH₄OH + 2 C₉H₉NOH = Mg(C₉H₆NO)₂↓ + 2NH₄⁺ + 2H₂O.

       Необходимо реакцию выполнять в аммиачной среде, так как в среде, близкой к нейтральной (pH 6-8), выделяется осадок реактива.

Опыт 8. На фарфоровую пластинку поместить 2 капли раствора NH₄Cl, 2 капли раствора NH₄OH, а затем 2 капли спиртового раствора оксихинолина. Содержимое перемешать стеклянной палочкой. Наблюдать выпадение кристаллического осадка. Реакция с оксихинолином применяется как проверочная.

       4. Карбонат аммония – реактив на катионы II группы – с раствором соли магния образует белый аморфный осадок основной соли (MgOH)₂CO₃.

2Mg²⁺ + 2CO₃^2- + H₂O = (MgOH)₂CO₃↓ + CO₂↑.

Однако, в присутствии достаточного количества ионов NH₄⁺ осадка не образуется. Это свойство используется для отделения Mg²⁺ от катионов II группы.

Опыт 9. В две пробирки поместить по 2 капли раствора соли магния, в первую прибавить 2 капли раствора NH₄Cl, а затем в обе пробирки прибавить по 2 капли раствора (NH₄)₂CO₃. Содержимое пробирок перемешать и нагреть на водяной бане. Объяснить, почему в первой пробирке не выпадает осадок? Осадок (вместе с раствором) второй пробирки разделить на две части. К одной части прибавит 2-3 капли какой-либо кислоты, к другой части – столько же раствора NH₄Cl. В чем растворяется осадок основной соли магния?

Реакции иона бария Ba²⁺

       1. Бихромат калия K₂Cr₂O₇ образует с раствором соли бария желтый осадок BaCrO₄, растворимый в HCl или HNO₃, но нерастворимый в уксусной кислоте.                        2Ba²⁺ + Cr₂O₇^2- + H₂O ↔ 2BaCrO₄↓ + 2H⁺.

       Реакцию следует вести в присутствии избытка CH₃COONa, который реагирует с образующимися ионами H⁺, смещая равновесие вправо:

CH₃COO^- + H⁺ ↔ CH₃COOH.

Опыт 10. В пробирку поместить 2 капли раствора BaCl₂, прибавить 3 капли раствора CH₃COONa и 2 капли раствора K₂Cr₂O₇. Наблюдать образование желтого осадка. Описанной реакцией ион Ba²⁺ обнаруживается в присутствии иона Ca²⁺, так как CaCrO₄ растворим в воде.

    2. Соли бария и их растворы окрашивают пламя в желто-зеленой цвет. Используется в качестве проверочной реакции.

Опыт 11. Получить осадок BaСrO₄ (см. оп. 10). Осадок растворить в 1 капле концентрированной HCl. Очищенную платиновую или нихромовую проволочку смочить этим раствором и внести в пламя газовой горелки. Наблюдать желтовато-зеленый цвет пламени.

Реакции иона кальция Ca²⁺

1. Оксалат аммония (NH₄)₂C₂O₄ образует с раствором соли кальция белый кристаллический осадок, растворимый в соляной, но нерастворимый в уксусной кислоте:                               Ca²⁺ + C₂O₄^2- = CaC₂O₄↓.

Аналогичный осадок образует ион Ba²⁺. Поэтому этой реакцией можно обнаружить Ca²⁺ лишь после удаления иона Ba²⁺.

Опыт 12. К 2 каплям раствора CaCl₂ прибавить 2 капли раствора (NH₄)₂C₂O₄. Белый осадок CaC₂O₄ разделить на две части: одну часть испытать на растворение в уксусной кислоте, другую – в соляной. Сделайте вывод.

       2. Микрокристаллоскопическая реакция может служить как проверочная.

Опыт 13. Поместить на предметное стекло 1 каплю раствора соли кальция, прибавить к ней 1 каплю 2 н. раствора H₂SO₄ и затем смесь осторожно нагреть до начала образования кристаллов. После остывания пластинки наблюдать под микроскопом длинные игольчатые кристаллы CaSO₄∙2H₂O.

Чувствительность реакции: предельное разбавление 1:25000. С помощью микрокристаллоскопической реакции ион кальция можно обнаружить в присутствии иона бария.

Реакции иона железа (II) Fe²⁺

1. Гексацианоферрат (III) калия K₃[Fe(CN)₆] образует с ионами Fe²⁺ темно-синий осадок (турнбулеву синь). Это характерная реакция на ион Fe²⁺. Осадок разлагается щелочами. В кислотах – не растворим.

Fe²⁺ + [Fe(CN)₆]^3- → Fe₃[Fe(CN)₆]₂↓

Опыт 14. В коническую пробирку внести 2 капли свежеприготовленного раствора соли Мора, подкислить 1 каплей 2н. раствора HCl (подкисление благоприятствует течению реакции) и добавить 2 капли раствора гексацианоферрата (III) калия (красной кровяной соли). Содержимое пробирки разбавить дистиллированной водой. Каков цвет осадка? Как называется осадок? Уравнение реакции?

Испытать отношение осадка к раствору щелочи.

Реакции иона железа (III) Fe³⁺

        1. Гексацианоферрат (II) калия K₄[Fe(CN)₆] образует с раствором соли железа (III) темно-синий осадок (берлинскую лазурь). Это характерная реакция на ион Fe³⁺. Осадок разлагается в растворах щелочей. В кислотах – не растворим.

Fe³⁺ + [Fe(CN)₆]^4- → Fe₄[Fe(CN)₆]₃↓

Опыт 15. Внести в коническую пробирку 2 капли раствора соли железа (III), подкислить 1 каплей 2н. раствора HCl и добавить 2 капли раствора гексацианоферрата (II) калия (желтой кровяной соли). Содержимое пробирки разбавить водой. Каков цвет осадка и как называется осадок? Уравнение реакции? Испытать отношение осадка к раствору щелочи.

       2. Роданиды SCN^- образует с растворами солей железа (III) соединение Fe(SCN)₃, которое окрашивает раствор в кроваво-красный цвет.

Опыт 16. К 2 мл раствора хлорного железа прибавить 2 мл раствора роданистого калия. Получить раствор с характерной красной окраской, обусловленной присутствием малодиссоциированных молекул Fe(SCN)₃. Реакция обратима:

FeCl₃ + 3KSCN ↔ Fe(SCN)₃ + 3KCl.

Реакции иона-хрома Cr³⁺

       1. Растворы щелочей (NaOH, KOH) с ионами Cr³⁺ образуют амфотерные гидроксиды.

Опыт 17. К 4 каплям раствора соли хрома (III) прибавить 2 капли 2н. раствора едкого натра. Заметить цвет осадка в пробирке. Уравнение реакции? В ту же пробирку с осадком по каплям добавлять раствор едкого натра до растворения осадка. Уравнение реакции? Пробирку с растворенным осадком нагреть на микробане с кипящей водой. Что при этом наблюдается? Уравнение реакции? К выпавшему при нагревании осадку по каплям прибавлять раствор 2н. серной кислоты до его полного растворения. Объяснить растворение гидроокиси хрома в растворах щелочи и кислоты.

       Растворы окислителей (H₂O₂, Br₂, Cl₂, KMnO₄, (NH₄)₂S₂O₈ и др.) в щелочной среде окисляют ион Cr³⁺ в ион CrO₄^2-.

NaCrO₂ + 2NaOH + 3H₂O₂ = 2Na₂CrO₄ + 4H₂O

       Сильные окислители (KMnO₄, (NH₄)₂S₂O₈ и некоторые другие) в кислой среде окисляют ион Cr³⁺ в ион Cr₂O₇^2-.

Cr₂(SO₄)₃ + 2KMnO₄ + 5H₂O = K₂Cr₂O₇ + 2H₂MnO₃¯ + 3H₂SO₄

Опыт 18. Поместить в пробирку 1 мл соли хрома (III), прибавить 2н. раствора щелочи. Наблюдать выпадение осадка. Записать уравнение реакции. Прибавить по каплям 30% раствор пероксида водорода (H₂O₂) до растворения осадка. Наблюдать изменение окраски. Записать уравнение реакции.

Реакции иона алюминия Al³⁺

       1. Кристаллический хлорид аммония NH₄Cl или насыщенный раствор этой соли, взятый в избытке, осаждает Al(OH)₃ из щелочного раствора, содержащего алюминат – ион:              AlO₂^- + H₂O ↔ΗAlO₂ + OH^-

HAlO₂ + H₂O = Al(OH)₃

OH^- + NH₄⁺ = H₂O + NH₃

AlO₂^- + H₂O + NH₄⁺ = Al(OH)₃↓ + NH₃↑

При этом Al(OH)₃ в присутствии NH₄Cl не растворяется (отличие от Mg(OH)₂), так как ПР_Al(OH)3 = 1,9·10^-33.

Опыт 19. Поместить в пробирку 5 капель раствора соли алюминия и прибавить 1 каплю раствора NaOH. Что наблюдается? Прибавлять в пробирку щелочь до полного растворения осадка. Затем к раствору образовавшегося алюмината натрия NaAlO₂ прибавить насыщенный раствор NH₄Cl или несколько кристалликов этой соли. Раствор нагреть или прокипятить до полного удаления аммиака. Наблюдать выпадение белых студенистых хлопьев гидроксида алюминия.

       2. Ализарин S – органический краситель – образует с Al(OH)₃ красный аморфный осадок («алюминиевый лак»). Обычно реакцию проводят капельным методом.

Опыт 20. Поместить каплю раствора ализарина S на полоску фильтровальной бумаги и дать ей впитаться. Затем поместить на влажное пятно 1 каплю исследуемого раствора и 1 каплю 2н. раствора NH₄OH. В присутствии алюминия на сиреневом фоне образуется красновато-розовое пятно алюминиевого лака. Сиреневый фон, образуемый в результате взаимодействия аммиака с ализарином, нельзя принимать за алюминиевый лак. Осторожно высушить бумагу над пламенем горелки. В этих условиях окраска алюминиевого лака более яркая.

Реакции иона марганца Mn²⁺

Опыт 21. К 2 каплям раствора соли марганца прилить 3-4 капли 6н. раствора HNO₃ и 5-6 капель воды. Затем добавить немного порошка висмутата натрия NaBiO₃. Отметить цвет раствора, написать уравнение реакции.

Реакции иона никеля Ni²⁺

           Реактив Чугаева – диметилглиоксим – дает очень чувствительную качественную реакцию на ионы Ni²⁺.

CH₃ – C = NOH                           CH₃ – C = NO —Ni — ON = C – CH₃

        │         +NiSO₄ + 2NH₃ =       │                                        +(NH₄)₂SO₄

CH₃ – C = NOH                           CH₃ – C = NOH    HON = C – CH₃

Опыт 22. К 1 капле раствора NiCl₂ прибавить 1 каплю реактива Чугаева (диметилглиоксим) и 1 каплю раствора аммиака. Отметить цвет осадка. Написать уравнение реакции.

Реакции иона кобальта Со²⁺

Опыт 23. На раствор CoCl₂ подействовать раствором роданида аммония. Отметить цвет образовавшегося комплексного соединения. Написать уравнение реакции.

Реакция иона серебра Ag⁺

       Разбавленные растворы соляной кислоты и ее солей, т.е. хлорид-ионы образуют с растворами солей серебра не растворимый в воде осадок AgCl. Осадок хорошо растворяется в избытке раствора NH₄OH, при этом образуется растворимая в воде комплексная соль серебра [Ag(NH₃)₂]Cl. При последующем действии азотной кислоты комплексный ион разрушается и хлорид серебра снова выпадает в осадок (если Ag⁺ мало, то образует муть). Эти свойства солей серебра используются для обнаружения. Реакция проводится в три этапа: 1) выпадение осадка AgCl; 2) растворение AgCl в избытке раствора NH₄OH и 3) выпадение осадка (мути) при действии раствором HNO₃. Все эти три этапа выполняются в указанной последовательности в одной и той же пробирке.

Опыт 24. В пробирку к 1 капле раствора нитрата серебра прибавить 2 капли 2н. раствора соляной кислоты или раствора хлорида натрия. К осадку добавлять раствор аммиака (лучше концентрированного) до его полного растворения. Почему растворился осадок? Уравнение реакции? Затем в пробирку с растворенным осадком по каплям прибавлять азотную кислоту (3-5 капель). Уравнение реакции? Объяснить образование осадка при прибавлении азотной кислоты.

Реакции иона свинца Pb²⁺

       1. Йодид калия KJ образует с раствором солей свинца желтый осадок PbJ₂:

Pb²⁺ + 2J^-  = PbJ₂↓

Осадок растворяется при нагревании в 2н. растворе уксусной кислоты. При медленном охлаждении раствора выпадают характерные золотистые чешуйки кристаллов PbJ₂. Медленное охлаждение благоприятствует росту более крупных кристаллов.

Опыт 25. К 2 каплям раствора соли свинца прибавить столько же раствора йодида калия. Отделить осадок от раствора. Добавить к осадку 4 капли 2н. раствора CH₃COOH и хорошо нагреть на водяной бане. Перенести пробирку с раствором в штатив и оставить ее там для медленного охлаждения. Через 10-15 мин наблюдать выпадение блестящих золотистых кристаллов.

       2. Бихромат калия K₂Cr₂O₇ в присутствии CH₃COONa образует с раствором соли свинца желтый осадок PbCrO₄.

Опыт 26. В пробирку поместить 2 капли раствора соли свинца; прибавить 3 капли раствора CH₃COONa и 2 капли раствора K₂Cr₂O₇. Наблюдать образование желтого осадка. Написать уравнение реакции.

Реакции иона меди Cu²⁺

           1. Гидроксид аммония NH₄OH, взятый в небольших количествах, с раствором соли меди образует сине-зеленый осадок основной соли:

2Cu²⁺ + SO₄^2-  + 2NH₄OH = (CuOH)₂SO₄↓ + 2NH₄⁺

Осадок легко растворяется в избытке реактива с образованием иона [Cu(NH₃)₄]²⁺ интенсивно-синего цвета:

(CuOH)₂SO₄ + 2NH₄⁺ + 6NH₄OH = 2[Cu(NH₃)₄]²⁺ + SO₄^2- + 8H₂O

Чувствительность реакции характеризуется предельным разбавлением 1:25000.

Опыт 27. К 3 каплям раствора медного купороса прибавить 2 капли раствора NH₄OH. Наблюдать выпадение зеленовато-голубоватого осадка основной соли (CuOH)₂SO₄. Уравнение реакции в ионном виде? Затем по каплям прибавить избыток раствора аммиака. Что наблюдается? Уравнение реакции в ионном виде?

       2. Гексацианоферрат (II) калия K₄[Fe(CN)₆] образует с раствором соли меди красно-бурый осадок Cu₂[Fe(CN)₆], не растворимый в разбавленных кислотах, но растворимый в растворе аммиака: 2Cu²⁺ + [Fe(CN)₆]^4- = Cu₂[Fe(CN)₆]↓

Эта реакция чувствительнее предыдущей: предельное разбавление равно 1:1000000.

Опыт 28. К 3 каплям раствора CuSO₄ прибавить 2 капли гексацианоферрата (II) калия K₄[Fe(CN)₆]. Наблюдать выпадение красно-бурого осадка. Уравнение реакции?