Аналитические реакции важнейших катионов

СОДЕРЖАНИЕ:

1.      Введение…………………………………………………………………………...3

2.      Тема: «Аналитические реакции важнейших катионов».

1.1   Основные понятия и терминология………………………………..4

1.2   Условия проведения аналитических реакций……………………..6

1.3   Системный и дробный анализ……………………………………...7

1.4   Аналитическая классификация катионов……………………….....8

1.5   Аналитические реакции…………………………………………….9

3.      Заключение……………………………………………………………………….17

4.      Список литературы………………………………………………………………18

Введение

     Основой любого химического исследования является совокупность различных химических наук, каждая из которых нуждается в результатах химического анализа, поскольку химический состав – основа полезной и здоровой пищи. Целью аналитической химии становится определение концентрации веществ в различных продуктах питания.

     Аналитическая химия – это наука о способах идентификации химических соединений, о принципах и методах определения химического состава веществ и их структуры. Она является научной основой химического анализа.

     Аналитическая химия базируется на знаниях, полученных при изучении курсов: неорганической, органической, общей химии, физики и математики.

     Цель изучения аналитической химии – освоение современных методов анализа веществ и их применение для решения задач по содержанию различных веществ в пище.

     Цель аналитической химии - установление качественного и количественного состава вещества или смеси веществ. В соответствии с этим аналитическая химия делится на качественный и количественный анализ.

    Задачей качественного анализа является выяснение качественного состава вещества, т. е. из каких элементов или ионов состоит данное вещество.

При изучении состава неорганических веществ в большинстве случаев приходится иметь дело с водными растворами кислот, солей и оснований. Эти вещества являются электролитами и в растворах диссоциированы на ионы. Поэтому анализ сводится к определению отдельных ионов - катионов и анионов.

    При проведении качественного анализа можно работать с различными количествами исследуемого вещества. Имеются так называемые грамм-метод, при котором масса исследуемого вещества берется более 0,5 г (более 10 мл раствора), сантиграмм-метод (масса исследуемого вещества от 0,05 до 0,5 г, или 1-10 мл раствора), миллиграмм-метод (масса исследуемого вещества от 10 -6 г до 10 -3 г, или от 0,001 до 0,1 мл раствора) и др. Наиболее распространенным является сантиграмм-метод, или полумикро-метод.]

Основные понятия и терминология.

     Катион — положительно заряженный ион. Характеризуется величиной положительного электрического заряда: например, NH4+ — однозарядный катион, Ca2+ — двухзарядный катион. В электрическом поле катионы перемещаются к отрицательному электроду — катоду.

Понятие аналитические реакции.

     Анализ вещества, проводимый в растворах, называется анализом мокрым путем. Это основной путь полного определения состава вещества. При этом применяют реакции образования осадка, окрашенных соединений или выделения газа. Эти реакции проводят обычно в пробирках. Ряд качественных реакций проводят на предметных стеклах, и образующиеся кристаллы рассматривают под микроскопом. Это так называемые микрокристаллоскопические реакции. Иногда прибегают к выполнению реакций капельным методом. Для этого на полоску фильтровальной бумаги наносят каплю испытуемого раствора и каплю реактива и рассматривают окраску пятна на бумаге.             

     Реакции, проводимые сухим путем (не в растворах), обычно применяются как

вспомогательные, главным образом при предварительных испытаниях. Из реакций,

проводимых сухим путем, чаще применяются реакции окрашивания перлов

буры. В качественном анализе используются также пирохимические реакции:

окрашивание пламени в различные цвета летучими солями некоторых катионов.

В химическом анализе используется лишь незначительная часть того

многообразия реакций, которое свойственно данному иону

     Для открытия ионов пользуются реакциями, сопровождающимися различными внешними изменениями, например выпадением или растворением осадка, изменением окраски раствора, выделением газов, т. е. открываемый ион переводят в соединение, внешний вид и свойства которого характерны и хорошо известны. Происходящее при этом химическое превращение называется аналитической реакцией.

     Вещества, с помощью которых выполняется открытие ионов, называются реактивами на соответствующие ионы. Реакции, характерные для какого-либо

иона, называются частными реакциями этого иона.

     Аналитическая реакция должна отвечать определенным требованиям. Она должна

протекать не слишком медленно и быть достаточно простой по выполнению.

Для аналитических реакций важнейшими требованиями являются специфичность

и чувствительность. Чем меньшее количество ионов вступает в реакцию с

данным реактивом, тем более специфична данная реакция. Чем меньшее количество

вещества может быть определено с помощью данного реактива, тем более

чувствительна эта реакция.

     Чувствительность реакции можно охарактеризовать количественно при помощи двух показателей: открываемого минимума и предельного разбавления.

     Открываемым минимумом называется наименьшее количество вещества или иона, которое может быть открыто данным реактивом при данных условиях.

     Предельное разбавление характеризует наименьшую концентрацию вещества

(или иона), при которой еще возможно открыть его данным реактивом.

Условия проведения аналитических реакций.

     Выполнение каждой аналитической реакции требует соблюдения определенных

условий ее проведения, важнейшими из которых являются:

1)концентрация реагирующих веществ,

2)среда раствора,

3)температура.

Реактивы

    Реактивы, используемые для выполнения аналитических реакций, делятся на

специфические, избирательные, или селективные, и групповые.

  Специфические реактивы образуют характерный осадок или окрашивание

только с определенным ионом. Например, реактив Кз[Fе (СN)6] образует темно-синий осадок только с ионами Fe 2+.                                                                                            Избирательные, или селективные, реактивы реагируют с несколькими ионами,

которые могут принадлежать к одной или к разным группам.

Например, реактив KI реагирует с ионами Pb 2+, Ag +, Hg22+  (II группа), а также с ионами Hg 2+ и Си 2+ (VI группа).

     Групповой реактив вступает в реакцию со всеми ионами данной группы. С

помощью этого реактива ионы данной группы можно отделить от ионов других групп.

     Например, групповым реактивом второй аналитической группы является

хлороводородная кислота, которая с катионами Pb 2+, Ag + ,Hg22+  образует белые труднорастворимые осадки.

Систематический и дробный анализ.

     Большинство аналитических реакций недостаточно специфично и дает сходный эффект с несколькими ионами. Поэтому в процессе анализа приходится прибегать к

отделению ионов друг от друга. Таким образом, открытие ионов проводится в

определенной последовательности. Последовательное разделение ионов и их

открытие носит название систематического хода анализа.

     Систематический ход анализа основан на том, что сначала с помощью групповых

реактивов разделяют смесь ионов на группы и подгруппы, а затем уже в

пределах этих подгрупп обнаруживают каждый ион характерными реакциями.

Групповыми реагентами действуют на смесь ионов последовательно и в строго

определенном порядке.

     В ряде случаев прибегают не к систематическому разделению ионов, а к

дробному методу анализа. Этот метод основан на открытии ионов специфическими

реакциями, проводимыми в отдельных порциях исследуемого раствора. Так,

например, ион Fe 2+    можно открыть при помощи реактива Кз

[Fе(СN)6] в присутствии любых ионов.

     Так как специфических реакций немного, то в ряде случаев мешающее влияние

посторонних ионов устраняют маскирующими средствами. Например, ион Zn2+   

можно открыть в присутствии Fe2+    при помощи реактива (NH4)2[Hg(SCN)4], связывая мешающие ионы Fe2+   гидротартратом натрия в бесцветный комплекс.

Дробный анализ имеет ряд преимуществ перед систематическим ходом анализа:

возможность обнаруживать ионы в отдельных порциях в любой последовательности, а также экономия времени и реактивов.                                                                                                                                          Но так как специфических реакций немного и мешающее влияние многих ионов

нельзя устранить маскирующими средствами, в случае присутствия в растворе

многих катионов из разных групп прибегают к систематическому ходу анализа,

открывая лишь некоторые ионы дробным методом.

Аналитическая классификация катионов.

     В основу классификации ионов в аналитической химии положено различие в растворимости образуемых ими солей и гидроксидов, позволяющее отделять (или отличать) одни группы ионов от других.

     Существуют разные системы группового разделения ионов: сероводородная, кислотно-основная, аммиачно-фосфатная, тиоацетамидная и т. д. Каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки. Основным недостатком сероводородной системы является необходимость работы с сероводородом, что требует хорошей вентиляции, склонность к образованию коллоидных сульфидных осадков, в результате чего нарушается разделение катионов на группы, и т. д. В кислотно-основной системе при разделении групп можно встретиться с затруднениями, особенно если концентрации разделяемых катионов сильно различаются. С подобными же затруднениями можно встретиться и в других системах разделения. Сознательный подход к групповому разделению позволяет в каждом конкретном случае использовать для этой цели метод, наиболее подходящий для анализируемой смеси ионов.

     Классификация катионов:

I группа катионов: Na+, K+, NH4+

II группа катионов: Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+

III группа катионов: Al3+, Cr3+, Zn2+

IV группа катионов: Cu2+, Bi3+, Cd2+

V группа катионов: Ag+, Hg22+, Pb2+

Аналитические реакции.

     I группа катионов.

В первую аналитическую группу катионов входят ионов калия K+, натрия Na+, аммония NH4+ и магния Mg2+. В отличии от катионов других групп большинство солей калия, натрия, аммония, легко растворимы в воде. Ион Mg2+ свойствам несколько отличается от других катионов этой группы. Он образует труднорастворимые в воде гидрат окиси, фосфорнокислую и углекислую соли. Поскольку нерастворимость в воде углекислых солей – важнейший аналитический признак катионов второй группы, то Mg2+ иногда относят к ней. Но углекислый магний хорошо растворим в аммонийных солях. А так как отделение катионов второй группы от катионов первой группы растворим (NH4)2CO3 проводят присутствии NH4Cl, то в ходе анализа Mg2+ оказывается не в осадке со второй группой, а в растворе с первой группой.

     Реакции катионов калия.

Реакция с кобальтинитритом натрия Na3[Co (NO2)6].

Кобальтинитрит натрия в нейтральном или уксусном растворе дает с ионами калия желтый кристаллический осадок кобальтинитрита калия-натрия:

2KCl + Na3[Co(NO2)6] = K2Na[Co(NO2)6] + 2NaCl

или в ионном виде:

2K+ +Na+ + [Co(NO2)6]3- = K2Na[Co(NO2)6]

Ион NH4+ дает аналогичный осадок.

Выполнение.

Реакцию можно выполнить на капельной пластинке и в пробирке. К 3—4 каплям раствора KCl или KNO3 прибавили 2—3 капли раствора реактива. В щелочной среде реакцию проводить нельзя, так как от щелочи реактив разлагается, образуя гидрат окиси кобальта:

Na3[Co(NO2)6] + 3NaOH = Co(OH)3 + 6NaNO2

Рассматриваемая реакция на ион K+ более чувствительна, чем с гидротартратом натрия. Поэтому именно ею и пользуются для осаждения иона K+ из сыворотки при перманганатометрическом определении калия в крови.

Реакции катионов аммония.

    Реакция с реактивом Несслера (щелочной раствор ртутноиодистого калия K2[HgI4]).

    Этот реактив дает с аммонийными солями красновато-коричневый осадок состава [NH2Hg2O]I (его структурная формула HO – Hg –NH – I ):

NH4Cl + 2 K2[HgI4] + 4KOH = [NH2Hg2O]I + 7KI + KCl + 3H2O

или в ионном виде:

NH4+ + 2[HgI4] - + 4OH- = [NH2Hg2O]I + 7I- + 3H2O

    При очень малых количествах солей аммония вместо осадка получает желтый раствор. Реакция очень чувствительна. Она применяется в биохимическом анализе для определения общего азота в крови, мочевины, в санитарно-гигиенических лабораториях - при анализе воды, воздуха, пищевых продуктов (в частности мяса) и т.д.

Выполнение.

А. К 1—2 каплям разбавленного раствора аммонийной соли на капельной пластинке прибавить 3—4 капли реактив Несслера выпадение красновато-коричневого осадка. Реактив Несслера прибавлять в избытке, так как осадок растворим в большом количестве аммонийных солей.

II группа катионов.

     Ко второй аналитической группе катионов относятся ионы Ba2+, Ca2+, Sr2+.

Кальций, стронций, барий называются щелочноземельными металлами. По своей активности они лишь немного уступают щелочным металлам. Образуемые ими гидраты окислов являются сильными основаниями; их растворимость растёт с увеличением порядкового номера металла.

Щелочноземельные металлы образуют большое количество солей; из них растворимы галоидные, азотнокислые, уксуснокислые и кислые углекислые. Групповой реактив этой группы катионов – углекислый аммоний (NH4)2CO3, образующий с ионами Ba2+ и Ca2+ не растворимые в воде средние соли BaCO3 и CaCO3.

Реакции катиона кальция Ca2+

    Серная кислота и ее соли при достаточной концентрации ионов Ca2+ образуют белый кристаллический осадок CaSO4 (если осадок сразу не выпал, то нагреть содержимое пробирки):

CaCI2 + H2SO4 = ↓CaSO4 + 2HCI.

     Осадок CaSO4 растворяется в избытке (NH4)2SO4 с образованием комплексной соли (NH4)2[Ca(SO4)2]. Это свойство осадка CaSO4 используется в анализе для отделения ионов Ca2+ от Ba2+.