Основы качественного анализа

Качественный анализ представляет собой раздел аналитической химии, основной задачей которого является обнаружение отдельных элементов, групп элементов или ионов, входящих в состав вещества.

Для решения этой задачи обычно используются химические реакции, происходящие между веществами в растворах, причем только те из них, которые сопровождаются каким-либо внешним эффектом, т.е. легко различимыми изменениями, по которым можно судить о том, что соответствующая реакция действительно происходит. Такими внешними эффектами обычно являются:

а) изменение окраски раствора;

б) образование характерного осадка или растворение его;

в) выделение газов.

При анализе неорганических веществ имеют дело с растворами кислот, оснований или солей, которые в той или иной степени диссоциированы на ионы. Поэтому в качественном анализе химические реакции используются для определения не элементов, а образуемых ими ионов - катионов и анионов, что значительно облегчает задачу анализа.

Проводя ту или иную аналитическую реакцию, необходимо создать определенные условия для ее протекания, иначе результат реакции окажется недостоверным. К важнейшим условиям проведения реакций, подлежащих обязательному контролю, относятся: рН среды, температура, отсутствие в растворе ионов, мешающих определению данного компонента. Например, обнаружению Сd²⁺ в виде характерного ярко-желтого осадка CdS мешает присутствие ионов меди, которые дают в этих условиях черный осадок СuS. С этой точки зрения аналитические реакции делятся на специфические, способные обнаруживать данный ион в присутствии других ионов, и селективные, дающие сходный эффект с ограниченным числом ионов. Степень селективности реакции тем выше, чем меньше число ионов, с которыми реакция дает положительный эффект.

Другой важной характеристикой аналитических реакций является их чувствительность, которая количественно характеризуется открываемым минимумом и предельным разбавлением. Открываемый минимум - это наименьшее количество вещества, которое может быть обнаружено посредством данной реакции при определенных условиях ее выполнения. Его обычно выражают в микрограммах. Предельное разбавление - это минимальная концентрация определяемого вещества в растворе, при которой обнаружение его данной реакцией еще возможно. Предельное разбавление выражают отношением 1:g

(g – весовое количество растворителя приходящееся на 1 весовую часть определяемого вещества). Чем меньше определяемый минимум и чем больше предельное разбавление (величина g), тем выше чувствительность реакции.

Применяя специфические реакции, раствор можно анализировать дробным методом, при котором каждый ион определяется независимо от других в отдельных порциях раствора. К сожалению, набор специфических реакций ограничен, поэтому при анализе сложных смесей ионов приходится использовать систематический метод анализа, который заключается в том, что к обнаружению каждого данного иона приступают лишь после того, как все другие ионы, мешающие его обнаружению, будут предварительно определены и удалены из раствора.

При систематическом ходе анализа ионы выделяют из сложной смеси не поодиночке, а целыми аналитическими группами, пользуясь одинаковым отношением их к действию некоторых веществ, называемых групповой реагентами. Групповым реагентом может служить вещество, удовлетворяющее следующим требованиям:

1) он должен осаждать ионы практически количественно (концентрация

иона в растворе после осаждения не должна превышать 10^–6моль/л);

2) полученный осадок должен легко растворяться, чтобы можно было

провести дальнейший анализ;

3) избыток добавленного реагента не должен мешать обнаружению тех

ионов, которые остались в растворе.

Существует несколько схем классификации катионов по аналитическим группам. Одной из наиболее распространенных является классификация, основанная на свойствах хлоридов, сульфидов и карбонатов. При разделении по так называемому сероводородному методу систематический ход анализа заключается в следующем:

1. Раствором хлороводородной кислоты осаждают нерастворимые хлори-

ды: АgС1, Нg₂Сl₂и РЬС1₂. Таким образом, катионы Аg⁺, Нg₂²⁺, Рb²⁺ составляют так называемую V аналитическую группу.

2. Раствор, имеющий кислую реакцию, обрабатывают сероводородом.

При этом в осадок переходят катионы меди (II), кадмия (II), ртути (II), висмута (III), мышьяка, сурьмы и олова, сульфиды которых нерастворимы в разбавленных кислотах. Эти катионы образуют IV аналитическую группу.

3. Оделив раствор от осадка, его нейтрализуют до слабо щелочной реакции и обрабатывают сульфидом аммония, который осаждает катионы железа, цинка, марганца (II), никеля (II), кобальта (II), хрома (III), алюминия (III) и ряда других элементов. Эти катионы составляют III аналитическую группу.

4. После отделения осадка, содержащего катионы III группы, катионы щелочноземельных элементов (кроме магния) осаждают из раствора в виде карбонатов. Эта группа называется II аналитической группой.

5. После отделения карбонатов II группы в растворе остаются катионы щелочных металлов, магния и аммония, которые не имеют группового реагента и составляют I аналитическую группу.

Итак, в основу классификации катионов положено различие в растворимости образуемых ими соединений, позволяющее отделять одни группы ионов от других (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Классификация катионов

Сульфиды, растворимые в воде	Сульфиды, нерастворимые в воде (или гидроксиды, образующиеся при действии группового реагента)
Карбонты, растворимые в воде	Карбонты, нерастворимые в воде	Сульфиды (гидроксиды), растворимые в разбавленных кислотах	Сульфиды, нерастворимые в разбавленных кислотах
I группа	II группа	II группа	IV группа	V группа
K⁺, Na⁺, NH₄⁺, Mg²⁺ (MgCO₃ растворим только в присутствии солей аммония)	Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺	Al³⁺, Cr³⁺, Fe³⁺, Fe²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Co²⁺, Ni²⁺	а) первая подгрупа:сульфиды не образуют тиосолей при действии Na₂S в) вторая подгруппа: сульфиды растворяются в Na₂S с образованием тиосолей	Хлориды нерастворимы в воде и разбавленных кислотах (Ag⁺, Hg²⁺, Pb²⁺)
Группового реагента не имеют	Групповой реагент (NH₄)₂CO₃	Групповой реагент (NH₄)₂S	Групповой реагент: H₂S+HCl	Групповой реагент: HCl

Применение групповых реагентов позволяет задачу анализа свести к определению катионов в пределах группы, если она присутствует в растворе.

Неметаллы в воде содержатся обычно в виде анионов соответствующих кислот. Исключение составляет азот, который может существовать как в фор-

ме анионов N0₃^– и NО₂^–, так и катиона NН₄⁺, и углерод, присутствующий в виде неорганических анионов и органических веществ. Кроме того, следует иметь в виду, что некоторые металлы также могут образовывать анионы, например такие, как СгО₄^2–, [А1(ОН)₆]^3– и ряд других.

Анионы принято делить на три аналитические группы в зависимости от растворимости соответствующих солей бария и серебра. Групповыми реагентами служат хлорид бария и нитрат серебра (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Классификация анионов

Номер аналитической группы	Анионы, составляющие группу	Характеристика группы	Групповой реагент
	SO₄^2–, CO₃^2–, PO₄^3–, SiO₃^2–, AsO₃^3–, AsO₄^3–, CrO₄^2–, Cr₂O₇^2–, F^– и др.	Соли бария мало растворимы в воде, но растворимы в разбавленных кислотах (кроме BaSO₄)	Раствор BaCl₂ в нейтральной или слабощелочной среде
	Cl^–, Br^–, J^–, S^2–, и др.	Соли серебра нерастворимы в воде и в азотной кислоте	Раствор нитрата серебра в присутствии азотной кислоты
	NO₃^–, NO₂^–, CH₃COO^–, и др.	Соли бария и серебра растворимы в воде	Группового реагента нет