Характеристика четвертої аналітичної групи катіонів

 

До четвертої групи катіонів відносяться іони Al³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺.

Добре розчиняються у воді сульфати, нітрати, хлориди, броміди і йодиди алюмінію, цинку і хрому (III). Іони Al³⁺ і Zn²⁺.безбарвні, сполуки хрому (III) пофарбовані в зелений чи фіолетовий колір. Гідроксиди катіонів четвертої групи важкорозчинні і є слабкими електролітами. Крім того, вони володіють амфотерними властивостями. Ця властивість гідроксидів використовується в систематичному ході аналізу. Груповим реактивом є NaOH в надлишку. Гідроксиди алюмінію, хрому (III) і цинку розчиняються в надлишку лугу і при дії групового реактиву переходять у розчин у вигляді сполук Na[Al(OH)₄], Na₂[Zn(OH)₄], Na₃[Cr(OH)₆]. Так як гідроксиди катіонів четвертої аналітичної групи є дуже слабкими основами, солі цих катіонів у водних розчинах гідролізовані. Солі дуже слабких кислот, наприклад сульфіди, карбонати алюмінію і хрому(III), піддаються необоротному гідролізу і не можуть існувати у водному розчині. Іони Al³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺.мають здатність до комплексоутворення. Для сполук хрому(III) характерна схильність до окисно-відновних реакцій, що використовується при аналізі. Однією з найбільш характерних реакцій відкриття катіона Cr ³⁺ є окислення його до жовтого іона CrO₄^2-. Сполуки катіонів четвертої групи входять до складу багатьох лікарських препаратів. Гідроксид алюмінію Al(ОН)з володіє адсорбуючими властивості і тому застосовується як зовнішній засіб у присипках, а всередину - при отруєннях. Його також застосовують при захворюваннях шлунково-кишкового тракту. Галун KAl(SO₄)₂ застосовують як кровоспинний засіб і для припікань. Сульфат цинку ZnSO₄ застосовують у вигляді очних крапель, а оксид цинку ZnO входить до складу багатьох мазей для лікування шкірних захворювань.

 

IV група катіонів

 

Прилади та реактиви: пробірки, лійки, фільтри, електроплитки, водяні бані, залізні ошурки, ізоаміловий спирт, діетиловий ефір, цинк (гранули), вата.

 

 

Розчини: цинку хлорид (0,5н), натрію ацетат (0,5н), сірководнева вода або амонію сульфід, калію гексаціаноферат (II), оцтова кислота (2н), амонію тетрароданометркурат (II), сірчаної кислоти (2н), кобальту хлорид (0,5н), олова (III) хлорид (0,5н), гідроксиду калію або натрію (2н), вісмуту нітрат (0,5н), ртуті (II) хлорид (0,2н), олова (IV) хлорид (0,5н), хлороводневої кислоти (конц., 10%, 2н), солі алюмінію (хлорид, нітрат або сульфат) (0,5н), амонію гідроксид (конц., 2н), алюмінону (0,1%), амонію карбонат (2н), солі хрому (хлорид або нітрат) (0,5н), калію перманганат (0,1н), пероксиду водню (3%), натріію метаарсеніт (0,5н) або натрію моногідроарсеніт (0,5н), свинцю ацетат (0,5н), срібла нітрат (0,1н), амонію хлорид (0,5н), магнію хлорид (0,5н), натрію карбонат (квасці).

 

 

Характерні реакції катіонів Zn²⁺

 

1. Реактив Na₂S або (NH₄)₂S.

Катіони Zn²⁺ можна відкривати реакцією з Na₂S або (NH₄)₂S в присутності CH₃COONa, який зв^,язує кислоту, яка утворюється (при рН=2 ця реакція є специфічною).

Наливають в пробірку 3-4 краплі розчину хлориду цинку, добавляють 2-3 краплі розчину ацетату натрію і 5-7 капель сульфіду натрію або сульфіду амонію. Напишіть рівняння реакції.

 

2. Реактив гексаціаноферат (II) калію K₄[Fe(CN)₆].

З гексаціанофератом (II) калію катіони Zn²⁺ утворює білий осад K₂Zn₃[Fe(CN)₆]_2, не розчинний в оцтовій кислоті. Напишіть рівняння реакції.

Проведенню вказаних реакцій заважають катіони Sn²⁺, солі яких в присутності оцтової кислоти легко піддаються гідролізу.

 

3. Реактив тетрароданомеркуріат амонію (NH₄ ) ₂ [Hg(CNS) ₄].

Менш чутливою, ніж реакції вказані вище, але більш характерною є реакція з тетрароданомеркуріатом амонію.

До 1 мл досліджуваного розчину додають кілька капель 2н сірчаної кислоти, потім рівний об’єм 0,02 % розчину CoCl₂ і декілька капель тетрароданомеркурату амонію (NH₄ ) ₂ [Hg(CNS) ₄]. При наявності в розчині катіонів Zn²⁺ випадають голубі кристали Co [Hg(CNS) ₄] ·Zn [Hg(CNS) ₄].

 

Zn ²⁺+ Co²⁺ + 2 [Hg(CNS) ₄]^2- = Co [Hg(CNS) ₄] ·Zn [Hg(CNS) ₄]

 

Ні один із катіонів цієї групи не заважає даній реакції. Із катіонів інших груп заважають катіони Co²⁺,Cu²⁺,Ag⁺,Pb²⁺, Mn²⁺, якщо їхня концентрація значно перевищує концентрацію катіонів Zn ²⁺.

 

 

Характерні реакції катіонів Sn²⁺ та Sn⁴⁺

 

Катіони олова відкривають, використовуючи відновні властивості катіонів двовалентного олова Sn²⁺.

1. Реактив солі вісмуту та ртуті.

Якщо до лужного розчину солей, які містять катіони Sn²⁺, прилити розчин нітрату вісмуту або хлориду ртуті, з’являється чорний бархатний осад металічного вісмуту або сірий осад ртуті:

 

SnCl₂ + 4KOH → K₂[Sn(OH)₄] + 2KCl

 

2Bi(NO₃)₃ + 3 K₂[Sn(OH)₄] + 6KOH → 2Bi↓+ 3 K₂[Sn(OH)₆] + 6KNO₃

 

HgCl₂ + K₂[Sn(OH)₄] + 2KOH → Hg↓ + K₂[Sn(OH)₆] + 2KCl

 

В пробірку вносять 4 краплі розчину, який містить катіон Sn²⁺, добавляють 2н розчин гідроксиду калію (натрію) до розчинення утвореного осаду, додають 1-2 краплі розчину нітрату вісмуту або хлориду ртуті.

 

2. Реактив металічне залізо.

Металічне залізо відновлює Sn⁴⁺ до Sn²⁺ в присутності хлороводневої

кислоти:

Sn⁴⁺ + Fe → Sn²⁺ + Fe²⁺

 

В пробірку поміщають 4-5 капель розчину хлориду олова (IV), додають 2 краплі концентрованої HCl та декілька залізних стружок, нагрівають на водяній бані. До одержаного розчину додають 7-8 капель розчину лугу, відділяють осад. До 2-3 капель розчину, після відділення осаду, додають 1-2 краплі розчину нітрату вісмуту або хлориду ртуті.

 

Характерні реакції катіонів Al³⁺

 

1. Реактив солі амонію.

Для відкриття катіонів Al³⁺ використовують загально аналітичну реакцію

гідролізу алюмінатів в присутності солей амонію.

В пробірку поміщають 3-4 краплі розчину солі алюмінію і додають по каплях розчин аміаку до утворення білого осаду. Осад розчиняють в концентрованому розчині NaOH. Напишіть рівняння реакції утворення Al(OH)₃ та його розчинення.

До одержаного розчину додають декілька кристалів NH₄Cl і кип’ятять до зникнення запаху аміаку. Утворюється білий осад Al(OH)₃:

 

Na[Al(OH)₄] + NH₄Cl →Al(OH)₃↓+ NH₄OH + NaCl

 

Цій реакції заважають катіони Cr³⁺, так як хроміти гідролізують легше, ніж алюмінати.

 

2. Реактив алюмінон (амонійна сіль аурінтрикарбонової кислоти).

Алюмінон утворює з катіоном Al³⁺ червоний осад комплексної солі.

 

До 4-5 капель досліджуваного розчину додають 2-3 краплі розчину оцтової кислоти і 4-5 капель розчину алюмінону (0,1 %). Суміш нагрівають на водяній бані, додають NH₄OH до лужної реакції а потім 3-4 краплі 2 н розчину (NH₄)₂СО₃. Випадання червоного аморфного осаду або червоне забарвлення є ознакою наявності катіону Al³⁺.

 

3. Реактив алізарин (1,2-диоксиантрахіон).

Дана реакція чутлива але її протіканню заважають катіони Cr³⁺,Zn²⁺.

В пробірку поміщають 3 краплі солі алюмінію, додають розчин аміаку до

слабо лужного середовища (утворення Al(OH)₃), нагрівають і додають 4-5 капель розчину алізарину.

Виконання крапельним методом: на клаптик фільтрувального паперу наносять 1 каплю солі алюмінію, потім папір тримають 1-2 хвилини над концентрованим розчином аміаку. Утворену пляму змочують розчином алізарину. Утворення яскраво-червоного забарвлення - “алюмінієвого лаку” є свідком наявності у розчині іону Al³⁺.

 

 

Характерні реакції катіонів Cr³⁺

 

1. Реактив - окисники H₂O_2, KMnO₄, (NH₄)₂S₂O_8.

Найбільш характерною та специфічною для катіонів Cr³⁺ є реакція окислення їх до хромато- або біхромат-іонів і дальше до надхромових кислот (H₂CrO₆, H₂Cr₂O₁₂ і т.д.), які забарвлені в інтенсивний синій колір.

До 4-5 капель розчину солі хрому (III) додають 3-4 краплі розчину H₂SO₄,10 капель розчину KMnO₄ і нагрівають декілька хвилин на водяній бані. Малиновий колір розчину переходить в оранжевий. Після цього розчин охолоджують, додають декілька капель суміші ізоамілового спирту та кілька капель перекису водню. Після легкого струшування верхній шар забарвлюється в синій колір, при наявності в розчині катіонів Cr³⁺:

 

2Cr³⁺ + 5Н₂О + 2 MnO₄^- → Cr₂O₇^2- + Н₂MnO₃↓ + 6Н⁺

 

Cr₂O₇^2- + 2 Н⁺ + 4Н₂О₂ → 2Н₂CrO₆ + 3 Н₂О

 

2. Реактив H₂O₂ (в лужному середовищі)

В пробірку з 3-4 каплями розчину солі хрому (III) додають 3-5 капель розчину NaOH і 2-3 краплі 3 % розчину H₂O₂. Суміш нагрівають і спостерігають утворення CrO₄^2- жовтого кольору:

 

2 CrCl₃ +10 NaOH + 3 H₂O₂ → 2 Na₂CrO₄ + 8 Н₂O + 6NaCl

 

Після цього розчин охолоджують і додають 2 н розчин H₂SO₄ до переходу жовтого забарвлення в оранжеве. При додаванні перекису водню та суміші ізоамілового спирту з ефіром з’являється синє забарвлення органічного шару.

 

 

Характерні реакції катіонів As³⁺, As⁵⁺

 

Миш’як в досліджуваних розчинах знаходиться переважно у вигляді аніонів AsO₃^3-, AsO₄^3- і тільки в сильно кислому середовищі переходить в катіонну форму: As³⁺, As⁵⁺.

1. Реактив - водень в момент виділення

Водень в момент виділення відновлює As³⁺, As⁵⁺ до AsH₃. В добре вимиту пробірку поміщають один кусочок гранульованого цинку, кілька капель 10 % хлороводневої кислоти і 3-4 краплі розчину Na₃AsO₃ (або Na₂HАsO₄).У верхню частину пробірки поміщають ватний тампон, змочений розчином ацетату свинцю (для поглинання можливих домішок сірководню). Отвір накривають кусочком фільтрувального паперу, змоченого розчином нітрату срібла або хлориду ртуті. Утворюється темна пляма металічного срібла або ртуті:

 

Zn + 2H⁺ → Zn²⁺ + 2H⁰

 

AsO₃^3- + 9H⁰ → AsH₃ + 3H₂O

 

AsH₃ + 6Ag⁺ + 3H₂O → H₃AsO₃ + 6 Ag↓+ 6H⁺

 

2. Реактив магнезіальна суміш (MgCl₂, NH₄OH, NH₄Cl)

З магнезіальною сумішшю іони AsO₄^3- утворюють білий дрібнокристалічний осад NH₄MqAsO₄. Цій реакції заважає присутність інших катіонів цієї групи, так як всі вони утворюють з NH₄OH осади гідроксидів. Тому до порції досліджуваного розчину спочатку додають розчин NH₄OH до лужного середовища, осад який випав відфільтровують, а потім додають до фільтрату розчин NH₄Cl і повільно, по каплях розчин MqCl₂:

HAsO₄^2- + Mg ²⁺ + NH₄OН → MgNH₄AsO₄↓ + H₂O

 

Цей осад розчинний в мінеральних кислотах.

 

3. Реактив AgNO₃.

В нейтральному середовищі іони AsO₄^3- утворюють з іонами Ag⁺ осад шоколадного кольору Ag₃AsO₄ , а іони AsO₃^3- - жовтий осад Ag₃AsO_3. Ці осади розчинні в розведеній азотній кислоті та гідроксиді амонію.

Напишіть рівняння реакцій.