НМЦ

АНАЛІТИЧНА ХІМІЯ

Електронний посібник

 

ВФПО

РОЗДІЛ 2. ЯКІСНИЙ АНАЛІЗ НЕОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

 

2.1 Загальні положення якісного аналізу

2.1.1. Методи якісного аналізу

2.1.2. Аналітичні реакції, їх чутливість та селективність

2.1.3. Дробний та систематичний аналіз

2.1.4. Лабораторний посуд та реактиви в якісному аналізі

2.2. Аналіз катіонів

2.2.1. Аналітична класифікація катіонів

2.2.1.1. Сірководневий метод класифікації катіонів

2.2.1.2. Амонійно-фосфатний метод класифікації катіонів

2.2.1.3. Кислотно-основна класифікація катіонів

2.2.2. Аналіз катіонів першої групи

2.2.2.1. Загальна характеристика катіонів першої групи

2.2.2.2. Реакції катіонів Na+

2.2.2.3. Реакції катіонів К+

2.2.2.4. Реакції катіонів NH4+

2.2.2.5. Систематичний хід аналізу суміші катіонів першої групи

2.2.3. Аналіз катіонів другої групи

2.2.3.1. Загальна характеристика катіонів другої групи

2.2.3.2. Дія групового реагенту на катіони другої групи

2.2.3.3. Реакція катіонів Ag+

2.2.3.4. Реакція катіонів Pb2+

2.2.3.5. Систематичний хід аналізу суміші катіонів другої групи

2.2.4. Аналіз катіонів третьої групи

2.2.4.1. Загальна характеристика катіонів третьої групи

2.2.4.2. Дія групового реагенту на катіони третьої групи

2.2.4.3. Реакція катіонів Ba2+

2.2.4.4. Реакція катіонів Сa2+

2.2.4.5. Систематичний хід аналізу суміші катіонів третьої групи

2.2.5. Аналіз катіонів четвертої групи

2.2.5.1. Загальна характеристика катіонів четвертої групи

2.2.5.2. Дія групового реактиву на катіони четвертої групи

2.2.5.3. Реакція катіонів Zn2+

2.2.5.4. Реакція катіона Al 3+

2.2.5.5. Реакція катіона Cr3+

2.2.5.6. Систематичний хід аналізу суміші катіонів четвертої групи

2.2.6. Аналіз катіонів п’ятої групи

2.2.6.1. Загальна характеристика катіонів п’ятої групи

2.2.6.2. Дія групового реактиву на катіони п’ятої групи

2.2.6.3. Реакція катіона Mg2+

2.2.6.4. Реакція катіона Mn2+

2.2.6.5. Реакція катіона Fe2+

2.2.6.6. Реакція катіона Fe3+

2.2.6.7. Систематичний хід аналізу суміші катіонів п’ятої групи

2.2.7. Аналіз катіонів шостої групи

2.2.7.1. Загальна характеристика катіонів шостої групи

2.2.7.2. Дія групового реактиву на катіони шостої групи

2.2.7.3. Реакція катіона Сo2+

2.2.7.4. Реакція катіона Ni2+

2.2.7.5. Реакція катіона Сu2+

2.2.7.6. Систематичний хід аналізу суміші катіонів шостої групи

2.3. Аналіз аніонів

2.3.1. Аналітична класифікація аніонів

2.3.2. Аналіз аніонів першої групи

2.3.2.1. Загальна характеристика аніонів першої групи

2.3.2.2. Якісні реакції на аніони першої групи

2.3.2.3. Аналіз суміші аніонів першої групи

2.3.3. Аналіз аніонів другої групи

2.3.3.1. Загальна характеристика аніонів другої групи

2.3.3.2. Якісні реакції на аніони другої групи

2.3.3.3. Аналіз суміші аніонів другої групи

2.3.4. Аналіз аніонів третьої групи

2.3.4.1. Загальна характеристика аніонів третьої групи

2.3.4.2. Якісні реакції на аніони третьої групи

2.3.4.3. Аналіз суміші аніонів третьої групи

2.4. Аналіз невідомої речовини

2.4.1. Підготовка речовини до аналізу. Попередній аналіз

2.4.1.1. Підготовка речовини до аналізу

2.4.1.2. Попередні дослідження невідомої речовини

2.4.2. Систематичний хід аналізу катіонів та суміші аніонів

2.4.2.1. Виявлення катіонів у розчині

2.4.2.2. Виявлення аніонів у розчині

 

 

2.1 Загальні положення якісного аналізу

2.1.1. Методи якісного аналізу

 

 

04d45030af00b248e9cf11c9e9f0021c

 

Завдання якісного аналізу – визначення, з яких атомів, елементів, йонів, функціональних груп складається проба.

 

Для виконання якісного аналізу використовують такі хімічні реакції, які супроводжуються характерним зовнішнім ефектом:

► утворенням осаду;

► виділенням газу;

► зміною забарвлення розчину;

► появою характерного запаху;

► зміною агрегатного стану речовини.

 

1-39 (1)

images

132287_Fig-4---C0363923-Manganese_oxidation_states-SPL

wafting-technique-l

images (2)

Рис.2.1. Зовнішній ефект хімічних реакцій:

а) утворення осаду;

б) виділення газу;

в) зміна забарвлення розчину;

в) поява характерного запаху;

г) розчинення осаду

 

Розв’язання аналітичної задачі здійснюється шляхом виконання аналізу речовини. За термінологією IUPAC під аналізом розуміють добування дослідним шляхом даних про хімічний склад речовини. Аналіз складається з декількох стадій (рис. 2.2).

 

table

Рис. 2.2. Схематичне відображення понять

«метод аналізу» та «методика аналізу»

 

Результат аналізу може бути правильним тільки в тому випадку, якщо проба була представницькою, тобто точно відображала склад об’єкта, з якого вона була відібрана. Для виконання аналізу вибирають зазвичай невелику порцію речовини, яка залежить від обраної методики аналізу.

 

images (3)

Рис. 2.3. Відбір проб для аналізу

 

Залежно від кількості досліджуваної речовини, об’єму розчину методи аналізу класифікують так (табл. 2.1).

 

Таблиця 2.1

Класифікація методів аналізу за розміром проби

Назва методу

Кількість проби речовини

Традиційна

Рекомендована IUPAC

Маса, г

Об'єм, см3

Макрометод

Грам-метод

1 – 10

1 – 100

Напівмакрометод

Сантиграм-метод

0,05 – 0,50

1 – 10

Мікрометод

Міліграм-метод

10-6 – 10-3

10-4 – 10-1

Ультрамікрометод

Мікрограм-метод

10-9 – 10-6

10-6 – 10-4

Субмікрометод

Нанограм-метод

10-12 – 10-9

10-10 – 10-6

Субультрамікрометод

Пікограм-метод

< 10-12

 

За способом проведення аналітичні реакції виконують «сухим» та «мокрим» методами.

 

slide-14

Рис. 2.4. Способи виконання значних реакцій

 

У разі виконання аналізу сухим методом зразок речовини вносять в аналітичну частину полум’я пальника й за зміною кольору полум’я роблять висновок про наявність певного йона. Наприклад: Натрій – жовтий колір; Калій – фіолетовий колір; Кальцій – рожево-червоний колір; Барій – блідо-зелений колір; Купрум – зелений колір.

 

flame_calcium_02

bjzkg3b262v21

sddefault

Рис. 2.5. Виконання аналізу сухим методом

 

images (1)

Рис. 2.6. Забарвлення полум’я катіонами металів

 

До сухих методів відносять утворення забарвлених перлів бури з катіонами різних металів та розтирання сухих сумішей досліджуваної речовини та реагенту.

 

Borax_Bead_Tests-Cobalt-2

Borax_Bead_Tests-Cobalt-3

Borax_Bead_Tests-Cobalt-7

Borax_Bead_Tests-Cobalt-21

Borax_Bead_Tests-Cobalt-22

Borax_Bead_Tests-Cobalt-46

Рис. 2.7. Утворення забарвлених перлів бури катіонами Со2+

 

Проводити реакції мокрим методом запропонував у 1920 році М. О. Тананаєв, використовуючи крапельні реакції, що відбуваються з утворенням осадів та забарвлених сполук.

 

загружено (2)

Рис. 2.8. Микола Олександрович Тананаєв, хімік-аналітик, професор, доктор хімічних наук

 

Такі реакції проводять на пластинках, фільтрувальному папері та у мікропробірках.

 

3714925a5f455ddd26781df725b3d511

depositphotos_87971774-stock-photo-micro-tubes-with-biological-samples

Analytical-Chemist

Рис. 2.9. Крапельний аналіз

 

 

2.1.2. Аналітичні реакції, їх чутливість та селективність

 

 

04d45030af00b248e9cf11c9e9f0021c

Аналітичною (якісною) реакцією називають хімічну реакцію, що супроводжується певним аналітичним ефектом за рахунок продуктів реакції, що мають певні властивості.

 

У хімічних методах якісного аналізу елемент, що його визначають, чи йон переводять у будь-яку сполуку, яка має характерні властивості, за якими можна встановити, що утворилась саме ця сполука. У якісному аналізі використовують характерні аналітичні реакції, що супроводжуються певним зовнішнім аналітичним ефектом – появою або зникненням забарвлення, осаду, характерного запаху, зміною агрегатного стану речовини.

Не всі хімічні реакції можуть задовольняти вимоги, які дають їм право вважатися аналітичними.

Вимоги до аналітичних реакції:

► мають відбуватися з високою швидкістю, майже миттєво;

► відбуватися до кінця (бути необоротними);

► супроводжуватися зовнішнім ефектом (зміною забарвлення, виділенням осаду, утворенням газу);

► відрізнятися високою чутливістю та специфічністю.

 

 

04d45030af00b248e9cf11c9e9f0021c

Чутливість реакції характеризується найменшою кількістю речовини, яку можна визначити за допомогою цієї хімічної реакції або кількісно визначити цим методом.

 

Що меншу кількість йонів можна визначити за допомогою хімічної реакції, то вона більш чутлива. Кількісно чутливість реакції характеризується відкриваним мінімумом (межею визначення).

 

 

04d45030af00b248e9cf11c9e9f0021c

Відкриваний мінімум – це найменша маса речовини, що може бути визначена за допомогою якісної реакції в мінімальному об’ємі рідини. Цю величину виражають у мікрограмах (10-6 г).

 

Реакції поділяють на специфічні та селективні.

 

 

04d45030af00b248e9cf11c9e9f0021c

 

Специфічною називають аналітичну реакцію, на перебіг якої не впливають сторонні йони.

 

Наприклад, якісною реакцією на йони амонію є взаємодія з лугом:

 

 

 

Ця реакція відбувається в присутності інших йонів, тобто вони їй не заважають. Але є дуже багато хімічних реакцій, перебігу яких інші йони заважають. Наприклад, йони  заважають відкривати йони Na+, тому ці йони відокремлюють або маскують.

 

 

04d45030af00b248e9cf11c9e9f0021c

 

Селективними називають аналітичні реакції, що дають схожий зовнішній ефект з декількома йонами.

 

Наприклад, амоній оксалат утворює білі осади з катіонами Ca2+, Ba2+, Sr2+:

 

 

кальций оксалат

Рис. 2.10. Білий осад кальцій оксалату

 

Що менша кількість таких йонів, то більш виражена селективність реакції.

Умови перебігу аналітичних реакцій

►1. Температура розчину

Деякі якісні реакції вимагають нагрівання реакційної суміші, а деякі виконують за охолодження, наприклад під струмом холодної води. Вважається, що такі реакції ведуть «на холоді».

 

hqdefault

images (4)

images (7)

загружено (3)

Рис. 2.11. Нагрівання та охолодження реакційної суміші

 

►2. Концентрація реагуючих речовин

Якщо концентрація речовин дуже мала, йон може не давати аналітичного ефекту, тому при цьому слід враховувати відкриваний мінімум.

 

images (9)

Рис. 2.12. Розчини різної концентрації

 

►3. Реакція середовища

Реакція середовища (рН) є важливим чинником, який слід враховувати під час проведення якісних реакцій.

 

images (10)

Рис. 2.13. Водневий показник (рН-чинник)

 

Наприклад, йон Ca2+ не можна відкрити амоній оксалатом в присутності сильної кислоти. А білий осад AgCl добре розчиняється в амоніачному розчині.

 

 

2.1.3. Дробний та систематичний аналіз

У якісному аналізі є небагато специфічних реакцій тому для виявлення йонів застосовують вибіркові, або селективні, реакції, які вимагають усунення впливу інших речовин, що заважають визначенню. Цього досягають розділенням суміші йонів на певні групи, і це розділення виконують так, щоб йони, що заважають виявленню інших, потрапили в різні групи. Залежно від способу виконання реакцій виявлення йонів розрізняють дробний та систематичний методи аналізу.

 

 

04d45030af00b248e9cf11c9e9f0021c

Дробним аналізом називають визначення йонів за допомогою специфічних реакцій в окремих порціях досліджуваного розчину, яке виконують у будь-якій послідовності.

 

загружено (4)

science-laboratory-test-tubes-260nw-341968622

Рис. 2.14. Дробний аналіз

 

Дробний аналіз набув застосування в промислових та агрохімічних лабораторіях, особливо в тих випадках, коли склад об’єкта дослідження відомий і вимагає лише підтвердження. Якщо вплив сторонніх йонів значний або склад речовини зовсім невідомий – виконують систематичний аналіз.

 

 

04d45030af00b248e9cf11c9e9f0021c

Систематичний аналіз – це певна послідовність аналітичних операцій, за якої кожний йон визначають лише після того, як будуть визначені й відокремлені йони, що заважають його визначенню.

 

Наприклад, у розчині містяться йони Ca2+ і Ba2+. Катіон Ca2+ визначають за реакцією утворення білого осаду кальцій оксалату:

 

 

Ця реакція достатньо чутлива, але не специфічна. Йони Ba2+ дають аналогічний осад. Тому перш ніж визначати катіони Ca2+, необхідно визначити в розчині катіони Ba2+, наприклад за реакцією:

 

 

Після цього йони Ba2+ відокремлюють надлишком реактиву-осаджувача (K2CrO4) і тільки потім визначають у розчині катіони Ca2+.

 

 

2.1.4. Лабораторний посуд та реактиви в якісному аналізі

У лабораторії якісного аналізу для проведення аналітичних операцій користуються різними видами хімічного посуду та обладнання.

Штатив з набором реактивів у реактивних склянках має всі необхідні розчини реактивів та сухі речовини для проведення аналізу напівмікрометодом. Зручно користуватись склянками об’ємом 20-50 мл. Вони містять піпетки, що дозволяє проводити реакції крапельним методом. Такі склянки розміщують у визначеному порядку в штативі для реактивів. Кожен такий штатив є стаціонарним на робочому місці й служить для індивідуальної роботи. Реактиви, що швидко розкладаються під час зберігання, отруйні, ті, що мають неприємний запах, концентровані кислоти та розчин амоніаку зберігають у спеціальних склянках з ковпачком під витяжною шафою.

 

images

загружено (5)

загружено (6)

Рис.2.15. Штатив з набором реактивів (а), склянка з ковпачком (б)

а)

б)

 

Для реактивів спеціального призначення, індикаторів, розчину крохмалю, органічних реагентів використовують крапельниці Страшейна та Шустера.

 

загружено (7)

images (8)

Рис. 2.16. Крапельниці:

а) Страшейна;

б) Шустера

 

Для проведення аналітичних реакцій користуються пробірками. Пробірки бувають звичайні та центрифужні.

 

probirka_polimernaya_laboratornaya_tsilindricheskaya_bez_deleniy_i_probki

а)

1798060770_w200_h200_probirka-tsentrifuzhnaya-konicheskaya

б)

Рис. 2.17. Пробірки: а) звичайні, б) центрифужні

 

Для проведення крапельних реакцій зручно користуватися годинниковим склом, предметним склом та фарфоровими пластинками для крапельних реакцій.

 

621825114_w700_h500_chasovoe-steklo-90mm

Steklo-2

46458-09-1627245973

Рис. 2.18. Посуд для крапельних реакцій:

а) годинникове скло;

б) предметне скло;

в) фарфорова пластинка

 

Для промивання осадів користуються пластиковими або скляними промивалками.

 

360933432e3f30d0286e67d94d74590d

загружено (8)

Рис. 2.19. Промивалки:

а) скляна;

б) пластикові

 

Нагрівальні прилади

Для нагрівання речовин та для виконання реакцій забарвлення полум’я використовують спиртівки, газові пальники Бунзена та Теклю.

 

460x460_spirtovka-sl-2-stekl-s-met-opravoj-100ml

2188512544_palnik-bunzena-z

Brulilo_Teclu

Рис. 2.20. Нагрівальні прилади:

а) спиртівка;

б) пальник Бунзена;

в) пальник Теклю

 

Лабораторний посуд має бути ретельно вимитий, промитий проточною та дистильованою водою й висушений. Від чистоти хімічного посуду та реактивів значно залежать результати аналізу.

Хімічні реактиви для проведення аналізу розрізняють за ступенем чистоти (табл. 2.2).

 

Таблиця 2.2

Класифікація реактивів за ступенем чистоти

Марка реактиву

Позначення

Вміст основної речовини, %

Вміст домішок,%

Технічний

т.

< 95

-

Чистий

ч.

> 98

-

Чистий для аналізу

ч.д.а.

> 99

-

Хімічно чистий

х.ч.

99,9

-

Спектрально чистий

сп.ч.

> 99,9

10-3…10-5

Особливо чистий

ос.ч.

> 99,9

10-5…10-10

 

Вимоги до чистоти хімічних реактивів регламентує державний стандарт. Майже всі реактиви, що їх застосовують для аналізу, повинні мати марку ч.д.а. або х.ч.

 

 

самконтр

Контрольні питання

1. Які хімічні реакції можуть використовуватися для виконання якісного аналізу?

2. Яким шляхом розв’язують аналітичну задачу?

3. Визначити та пояснити вимоги до аналітичних реакцій.

4. Які якісні реакції є специфічними?

5. Які умови впливають на перебіг аналітичних реакцій та слід враховувати під час якісного аналізу?

6. Що покладено в основу виявлення йонів дробним аналізом та які межі його застосування?

7. Яким способом виконують виявлення йонів невідомої речовини?

8. Як зберігають у лабораторії отруйні реактиви та ті, що мають неприємний запах?

9. Які вимоги висуваються до чистоти лабораторного посуду, який використовують у аналітичних лабораторіях?

10. Яку марку повинні мати реактиви, що їх застосовують для аналізу?

 

 

2.2. Аналіз катіонів

2.2.1. Аналітична класифікація катіонів

2.2.1.1. Сірководневий метод класифікації катіонів

Для систематичного аналізу застосовують декілька методів класифікації катіонів: сірководневий, амоніачно-фосфатний, кислотно-основний.

Історично першим був сірководневий метод аналізу, запропонований в 1871 році М. О. Меншуткіним.

 

19087

Рис. 2.21. Микола Олександрович Меншуткін, видатний хімік-аналітик

 

В основу розділення катіонів на аналітичні групи в цьому методі покладено різну розчинність сульфідів катіонів залежно від рН середовища (табл. 2.3).

 

Таблиця 2.3

Класифікація катіонів за сірководневим методом

Гру-па

Катіони

Груповий реагент

Розчинність сполук

I

NH4+, K+, Na+, Mg2+

Немає

Усі солі й основи, розчинні у воді

(крім Mg2+)

II

Ba2+, Sr2+, Ca2+

(NH4)2CO3,

NH3× Н2О + NH4Сl

Карбонати, не розчиняються у воді

III

Al3+, Cr3+,

Fe2+, Fe3+, Mn2+, Co2+, Ni2+, Zn2+

(NH4)2S

NH3× Н2О + NH4Сl

Сульфіди, не розчиняються у воді, але розчиняються у розведених кислотах

IV

Cu2+, Hg2+, Bi3+,

Sn (II, IV),

As (III, V),

Sb (III,V)

H2S, HСl

Сульфіди, не розчиняються у воді й розведених кислотах

V

Ag+, Pb2+, Hg22+

HСl

Хлориди, не розчиняються у воді й розведених кислотах

 

Як групові реагенти в сірководневому методі використовують амоній карбонат, амоній сульфід, хлоридну кислоту, сірководень та амоній полісульфід. У процесі аналізу для осадження застосовують й інші речовини – сульфатну кислоту, луг, амоніак, хромат-, фосфат-йони, натрій тіосульфат та ін. Головним недоліком цього методу є застосування високотоксичного сірководню.

 

f89f394e18eee2f1dd5883424ee6cdeb

f89f394e18eee2f1dd5883424ee6cdeb

f89f394e18eee2f1dd5883424ee6cdeb

f89f394e18eee2f1dd5883424ee6cdeb

Рис. 2.22. Симптоми отруєння сірководнем

 

 

2.2.1.2. Амонійно-фосфатний метод класифікації катіонів

Через отруйність сірководню останнім часом частіше застосовують амонійно-фосфатний метод, який ґрунтується на різній розчинності фосфатів катіонів (табл. 2.4). Корисно під час аналізу об’єктів, що містять фосфат-іон (ґрунту, добрива) без його попереднього відділення.

 

Таблиця 2.4

Класифікація катіонів за амонійно-фосфатним методом

Гру-па

Катіони

Груповий реагент

Розчинність сполук

I

Ag+, Pb2+, Hg22+

 

HСl

Хлориди, не розчиняються у воді

II

Sn (II, IV),

Sb (III,V)

HNО3

Метасурм’яна і метаолов’яна кислоти, не розчиняються у воді

III

Ba2+, Sr2+, Ca2+

Mg2+, Mn2+, Fe2+, Al3+, Cr3+, Fe3+

(NH4)2HPO4,   

конц. NH3× Н2О 

Фосфати, не розчиняються у воді і у надлишку амоніаку

IV

Cu2+, Cd2+, Hg2+, Co2+, Ni2+, Zn2+

(NH4)2HPO4,   

конц. NH3× Н2О 

Фосфати, не розчиняються у воді, але розчиняються у надлишку амоніаку

V

Na+, K+, NH4+

Немає

Хлориди, нітрати і фосфати, розчиняються у воді

 

 

2.2.1.3. Кислотно-основна класифікація катіонів

Кислотно-основний метод базується на різній розчинності гідроксидів і деяких солей, утворених цими катіонами й сильними кислотами (табл. 2.5).

 

Таблиця 2.5

Поділ катіонів на аналітичні групи за кислотно-основною класифікацією

Група катіонів