Характеристика п'ятої аналітичної групи катіонів

До п'ятої аналітичної групи катіонів відносяться іони Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Mg²⁺. Іони Mn²⁺ і Mg²⁺ - безбарвні, іони Fe²⁺ - блідо-зелені, а іони Fe³⁺ - жовті. Нітрати, сульфати і хлориди катіонів цієї групи добре розчиняються у воді. Гідроксиди катіонів цієї групи слабкі важкорозчинні електроліти. Вони не розчиняються в надлишку лугу і в розчині аміаку, чим відрізняються від гідроксидів четвертої та шостої груп. Груповим реактивом є NaOH.

Всі солі катіонів п'ятої аналітичної групи піддаються гідролізу, особливо солі заліза(III).

Іони Fe²⁺, Fe³⁺ легко утворюють комплексні сполуки. Ця властивість широко використовується не тільки для відкриття, а й для маскування іонів Fe³⁺.

Елементи п'ятої аналітичної групи мають змінну ступінь окислення (крім магнію) і тому для них характерні окисно-відновні реакції. Ця властивість використовується для відкриття іонів Mn²⁺ (окислення до фіолетового іона MnО₄^-).

Свіжоосаджені сульфіди та гідроксиди елементів п'ятої аналітичної групи аморфні і здатні досить легко переходити в колоїдний стан. Це відбувається в тому випадку, коли за певних умов зростання часток важкорозчинної сполуки затримується і утворюються так звані колоїдні частинки. Таким чином, важкорозчинні сполуки не випадають в осад, а утворюють колоїдний розчин, що займає проміжне положення між грубими суспензіями та істинними розчинами. Якщо в колоїдний розчин додати надлишок будь-якого електроліту, відбувається процес коагуляції: утворюються великі частки які починають швидко осідати. Коагуляції також сприяє підвищення температури. Схильність сульфідів і гідроксидів утворювати колоїдні розчини ускладнює аналіз, тому що колоїдні частинки не можуть бути відокремлені центрифугуванням. Тому осадження необхідно вести в умовах, що сприяють руйнуванню колоїдних часток, тобто при нагріванні розчину і додавання до нього електроліту. Промивати такі осади треба гарячою водою з невеликою кількістю електроліту (зазвичай додають хлорид або нітрат амонію). Якщо цього не зробити, то при промиванні водою електроліт з осаду повністю видаляється і частинки осаду знову утворюють колоїдний розчин.

Залізо, марганець і магній відносяться до елементів, необхідних для життєдіяльності організму людини. Залізо входить до складу гемоглобіну і ряду ферментів. Більша частина заліза міститься в гемоглобіні еритроцитів, частина знаходиться в печінці в сполученні з білком. Марганець бере участь в обміні вуглеводів. Кількість магнію в природній воді визначає її твердість. Солі магнію необхідні для живлення рослин, тому що магній входить до складу хлорофілу. Магній міститься в тілі людини, в основному в кістковій тканині, і, крім того, регулює роботу серця. У медицині знайшли застосування перманганат калію КМnО₄, розчин якого використовується як антисептичний засіб. Препарати заліза застосовують при анемії. Сульфат магнію використовується як проносне, заспокійливий та спазмолітичний засіб.

 

 

V група катіонів

Прилади та реактиви: пробірки, лійки, фільтри, електроплитки, водяні бані, лакмусовий або універсальний індикаторний папір, оксид свинцю, амоній персульфат, алюміній (залізо або цинк), натрій тіосульфат.

Розчини: заліза (II) сульфат (0,5н), амонію гідроксид (конц., 2н), диметилгліоксиму, хлороводневої кислоти (конц.,2 н), α,α-дипіридил (0,5 %), калію гексаціаноферат (II) (0,5 н), калію гексаціаноферат (III) (0,5 н), заліза (III) сульфат (0,5 н),), заліза (III) хлорид (0,5 н), амонію роданід (0,5 н) або калію роданід (0,5 н), марганцю нітрат (0,5 н) або марганцю сульфат (0,5 н), азотної кислоти (конц., 2н),натрію гідроксид або калію гідроксид (2 н), міді сульфат (0,5 н), бромної води, срібла нітрату (0,1 н), солі магнію (нітрат, сульфат або хлорид)(0,5 н), амонію хлорид (0,5 н), вісмуту хлорид (0,5 н), олова хлорид (0,5 н), калію або натрію хлорид (2 н), калію йодид (0,5 н), винної кислоти (2 н), перекису водню (3 %).

 

 

Характерні реакції катіонів Fe²⁺

 

1. Реактив диметилгліоксим (реактив Чугаєва).

Диметилгліоксим утворює з катіоном Fe²⁺ комплексну сіль кармінно-червоного кольору складу: [Fe(C₄H₇N₂O₂)₂].

В пробірку поміщають 3-4 краплі розчину солі заліза (II), додають розчину аміаку до лужного середовища (проба лакмусовим або універсальним

папірцем) і 2-3 краплі розчину диметилгліоксиму.

 

2. Реактив α,α^′-дипіридил.

α,α-дипіридил з катіоном Fe²⁺ утворює в кислих розчинах комплексну

сполуку червоного кольору.

В пробірку поміщають 3-4 краплі розчину солі заліза (II), додають 2-3 краплі розчину хлороводневої кислоти і 2-3 краплі розчину реактиву.

 

3. Реактив калію гексаціаноферат (III).

З гексаціанофератом (III) калію катіон Fe²⁺ утворює темно-синій осад турнбуленової сині Fe₃[Fe(CN)₆ ]₂. Напишіть рівняння реакції. Осад нерозчинний в слабо лужному середовищі, розчинний в надлишку реактиву, розрушається в лужному середовищі.

Практично реакцію виконують наступним чином: до 1-2 капель досліджуваного розчину додають 1-2 краплі 2 н розчину хлороводневої кислоти і 1-2 краплі реактиву. В солянокислому середовищі реакція є практично специфічною, так як осади, які утворюють катіони Mn²⁺, Bi³⁺ з реактивом розчинні в соляній кислоті.

 

Характерні реакції катіонів Fe³⁺

 

1. Реактив калію гексаціаноферат (II).

З гексаціанофератом (II) калію цей катіон утворює темно-синій осад берлінської лазурі Fe₄[Fe(CN)₆ ]₃. Напишіть рівняння реакції.

Реакцію проводять в слабо кислому середовищі (1-2 краплі 2 н розчину HCl). З цим реактивом дають осади катіони Mn²⁺,Bi³⁺,Fe²⁺. Колір цих осадів менш характерний, ніж у берлінської лазурі: Mn₂[Fe(CN)₆] – білого кольору, Fe₂[Fe(CN)₆] – білий, синіє на повітрі по мірі окислення, осад з катіонами Bi³⁺ - брудно-жовтого кольору. Тому темно-синій осад берлінської лазурі Fe₄[Fe(CN)₆ ]₃ і більша чутливість роблять цю реакцію дуже характерною для катіонів Fe ³⁺.

 

2. Реактив роданід-іони.

Роданід-іони з катіонами Fe ³⁺ утворюють роданід заліза – розчинну

сполуку інтенсивного темно-червоного кольору. Реакція зворотня але дуже чутлива.

В пробірку поміщають3-4 краплі розчину солі заліза (III), додають 1-2 краплі насиченого розчину NH₄CNS або KCNS.

 

Характерні реакції катіонів Mn²⁺

 

Найбільш характерними і навіть специфічними для катіонів Mn²⁺ є реакції окислення. Ці реакції дозволяють відкривати катіони Mn²⁺ в присутності катіонів інших аналітичних груп.

1. Реактив оксид свинцю (IV)

В кислому середовищі катіони Mn²⁺ окислюють оксидом свинцю (IV).

До 1 мл азотної кислоти додають небагато порошку PbO₂, нагрівають до кипіння а потім додають 1 каплю розведеного в 10 разів розчину нітрату або сульфату марганцю і знову нагрівають. Після відстоювання помічаємо рожево-фіолетове забарвлення розчину, характерне для іонів MnO₄^-:

 

2Mn²⁺ + 5PbO₂ + 4H⁺ → 2MnO₄^- + 5Pb²⁺ +2H₂O

 

Цій реакції заважають іони – відновники (наприклад, галогенід-іони та ін.) і надлишок самих катіонів Mn²⁺, так як при цьому може протікати реакція:

 

2MnO₄^- + 3Mn²⁺ + 7H₂O→ 5H₂MnO₃↓ + 4H⁺

 

2. Реактив – галогени.

Окислення катіонів Mn²⁺ галогенами в лужному середовищі.

Хлорна або бромна вода в лужному середовищі окисляють катіони Mn²⁺ в MnO(OH)₂ – осад темно-бурого майже чорного кольору.

 

Mn²⁺ + Br₂ + 4OH^- → MnO(OH)₂ ↓ + 2Br^- + H₂O

 

Цю реакцію проводять в присутності каталізатора CuSO₄, тоді катіони Mn²⁺ окисляються до MnO₄^- (рожево-фіолетове забарвлення):

 

2Mn²⁺ + 5Br₂ + 16OH^- →2 MnO₄^- + 10Br^- + H₂O

 

Цій реакції заважає присутність іонів – відновників.

В пробірку поміщають 1 каплю досліджуваного розчину, після чого розчин з пробірки виливають. На стінках пробірки залишається мінімальна кількість досліджуваного розчину. До нього додають 2 краплі 2 н розчину гідроксиду натрію та 1 каплю розчину сульфату міді, 5-6 капель бромної води і кип’ятять.

 

3. Реактив персульфат амонію.

Окислення катіонів Mn²⁺ персульфатом амонію.

В пробірку поміщають декілька кристалів (NH₄)₂S₂O₈, після цього додають 2 мл розчину HNO₃ і 2-3 краплі розчинуAgNO₃ в якості каталізатора. Суміш нагрівають до 70-80^о С, вносять сліди розчину марганцю і спостерігають забарвлення розчину в результаті утворення іонів MnO₄^-:

 

2Mn²⁺ + 5S₂O₈^2- + 8H₂O→ 2MnO₄^- + 10SO₄^2- + 16H⁺

 

Характерні реакції катіонів Mg²⁺

 

1. Реактив гідрофосфат натрію Na₂HPO₄ в присутності NH₄OH і NH₄Cl утворює з катіонами Mg²⁺ білий кристалічний осад MgNH₄PO₄.

Реакцію проводять при додаванні NH₄Cl, щоб уникнути утворення осаду Mg(OH)₂.

До 1 мл досліджуваного розчину додають кілька капель розчину NH₄OH (до запаху аміаку), стільки ж розчину NH₄Cl, а потім повільно по каплях Na₂HPO₄. Напишіть рівняння реакції.

 

2. Реактив магнезон.

Барвник магнезон, розчин якого в лужному середовищі забарвлений в

червоний або червоно-фіолетовий колір, має властивість адсорбуватися на осаді Mg(OH)₂ з утворенням продуктів адсорбції, забарвлених в синій колір.

В пробірку поміщають 1-4 краплі розчину хлориду магнію, 1-2 краплі лужного розчину магнезону і, якщо розчин набув жовтого кольору, додають кілька капель розчину гідроксиду натрію.

 

Характерні реакції катіонів Bi³⁺

 

1. Реактив – луги NaOH ,KOH.

При дії лугів на розчини солей вісмуту утворюється осад гідроксиду вісмуту:

 

Bi(NO₃)₃ + 3KOH = Bi(OH)₃↓+ 3 KNO₃

розчинний в розбавлених кислотах.

В пробірку поміщають 2 краплі розчину солі Bi(NO₃)₃ і додають 2 краплі розчину NaOH або KOH відмічають випадання осаду гідроксиду вісмуту білого кольору.

 

2. Гідроліз солей вісмуту.

Солі вісмуту гідролізують в водних розчинах з утворенням основних солей, у вигляді осаду.

BiCl₃ + 2H₂O =Bi(OH)₂Cl↓+ 2HCl

 

Bi(OH)₂Cl =BiOCl↓+ H₂O

 

Осад розчинний в HCl, нерозчинний у винній кислоті. Дана реакція специфічна.

В пробірку поміщають 2-3 краплі розчину BiCl_3, додають 10 капель води. До осаду, який утворився, додають концентровану соляну кислоту.

 

 

3. Реактив сульфід натрію.

Солі вісмуту в присутності сульфідів металів утворюють коричнево-чорне забарвлення.

2BiCl₃ + 3 Na₂S = Bi₂S₃ + 6 NaCl

4. Реактив йодид калію.

Катіони Bi³⁺ можна відкрити за допомогою KI, при цьому утворюється чорний осад BiI₃.

BiCl₃ + 3KI = BiI₃↓ + 3KCl

 

При цьому необхідно уникати надлишку йодиду калію, так як осад BiI₃ розчиняється в надлишку KI з утворенням комплексної солі K[BiI₄] червонувато-жовтого кольору:

 

BiI₃ + KI = K[BiI₄]

 

В пробірку поміщають 3-4 краплі розчину солі вісмуту, додають 1-2 краплі розчину KI і спостерігають утворення осаду.

 

 

Характерні реакції катіонів Sb³⁺

1. Реактив метали.

Реакція відновлення катіонів сурьми до вільної сурьми, яка випадає у вигляді чорних клаптів, дією металів. Реакцію проводять у середовищі НСІ, в якій сурьма знаходиться у стані катіонів та комплексних іонів. [SbCI₆]^3-, [SbCI₆]^-.

Дослідний розчин (1мл) підкислюють декількома краплинами розчину хлороводневої кислоти, опускають кусок алюмінію, заліза або цинку і кип’ятять. Поверхня металу вкривається чорним нальотом сурми. При великих кількостях сурми в досліджуваному розчині з’являються чорні клапті.

 

3. Реактив 2Na₂ S₂О₃.

Катіони сурми можна відкривати реакцією з тіосульфатом, яка супроводжується утворенням оранжево-червоного осаду Sb₂ОS₂:

 

2SbCI₃ + 2Na₂ S₂О₃ + 3Н₂О → Sb₂ОS₂↓ + 2Н₂SО₄ + 4NaСІ + 2НСІ

 

2-3 краплі розчину хлориду сурьми (ΙΙΙ) підкислюють однією каплею сірчаної кислоти, додають 5-6 капель води, кристалик тіосульфату натрію і нагрівають.

Цій реакції заважають катіони Ві³⁺, тому що утворюють чорний осад, який буде маскувати сіркоокис сурьми.