Как найти катионы аммония

Анализ катионов

При систематическом анализе принято деление катионов и анионов на аналитические группы. Наиболее удобная, применяемая и в настоящее время классификация катионов, разработана Н.А. Меншуткиным в 1871 г. Все существующие ныне классификации предусматривают разделение катионов на 5 или 6 аналитических групп на основании следующих их свойств:

1.На различии растворимости хлоридов, карбонатов, сульфатов или гидроксидов.

2. На амфотерных свойствах некоторых гидроксидов.

3. На способности ряда гидроксидов образовывать комплексные аммиакаты.

Классификация катионов на аналитические группы

№	Катионы	Групповая характеристика	Групповой реактив	Получаемые соединения
1	К+, Na+, NH4+,Mg2+	Соли и гидроксиды растворимы в воде
2	Ca2+, Ba2+, Sr2+	Карбонаты не растворимы в воде, но растворимы в кислотах. Сульфаты не растворимы в воде и в кислотах.	(NН4)2СО3 2н. раствор	СаСO3↓, ВаСОз↓, SrO3↓ Аморфные осадки белого цвета.
3	Al3+, Fe2+,Fe3+, Mn2+, Zn2+, Cr2+.	Сульфиды не растворимы в воде, но растворимы в кислотах. Гидроксиды не -растворимы в воде, но могут растворятся в кислотах	(NH4)2S 6н. раствор	FeS↓, Fе2S3↓- черные, MnS↓-розоватый, ZnS↓- белый, Аl(ОН)3↓- белый, Сr(ОН)3↓-серо-зеленый.
4	Ag+, Pb2+, Hg22+	Хлориды не растворимы в воде.	НСl 2н. раствор	AgCl↓, PbC12↓, Hg2C12↓- осадки белого цвета.
5	Сu2+, Co2+, Ni2+,Cd2+, Bi3+	Гидроксиды и основные соли не растворимы в воде, но растворимы в избытке аммиака.	NH4ОH 2н. раствор в избытке	Раствор Сu(NН3)42+— синий, Со(NН3)42+— грязно-желтый, Ni(NН3)42+ — синий, Сd(NН3)42+ — бесцветный, Вi(0Н)2Сl↓ — белый.
6	Sn2+, Sn4+, Sb3+, Sb5+, (Аs3+, As5+)	Гидроксиды амфотерны. Сульфиды нерастворимы в воде, но растворимы в cульфидах Na, К и аммония.	NaOH, КОН, NH40H, 3н. растворы	H4Sn04↓, Sn(ОН)2↓, НSb02↓, НSbО3↓- белые осадки, растворимые в избытке щелочей.

Первая аналитическая группа катионов: К⁺, Na⁺, NН₄⁺, Mg²⁺

Почти все соли калия, натрия, аммония и большинство солей магния хорошо растворимы в воде. Поэтому группового реактива, осаждающего все четыре катиона, нет.

Калий и натрий относятся к 1 группе периодической системы элементов и образуют сильные щелочи. Гидроксид аммония является слабым основанием, но катион аммония близок по свойствам к катиону калия и образует несколько аналогичных малорастворимых солей. Соли аммония разлагаются при нагревании и могут быть удалены прокаливанием. Гидроксид магния — слабое основание, плохо растворимое в воде. Труднорастворимы также фосфат магния и карбонат. Гидроксокарбонат магния растворяется в избытке солей аммония и при действии карбонатом аммония в присутствии хлорида аммония в осадок не выпадает. Поэтому при систематическом анализе ион магния остается в растворе с катионами 1 группы. По этой причине он и отнесен к этой группе.

При систематическом анализе катионы калия, натрия и магния обнаруживают в последнюю очередь, так как катионы других групп мешают их обнаружению и должны быть удалены. В водных растворах катионы 1 группы бесцветны, образуемые ими соли имеют окраску только в тех случаях, когда в их состав входят окрашенные анионы, например: перманганат, хромат или дихромат -ионы.

Катионы 1 аналитической группы содержатся в почвах как в подвижном, доступном для усвоения растениями состоянии, так и в связанном. Они вносятся в почву в виде минеральных удобрений. Калий в виде -калийной селитры, сульфата, хлорида и других солей. Натрий — составная часть чилийской селитры (NаNО₃). Магний входит в состав доломита СаСО_З•МgСО₃ . Ион аммония содержится в аммонийной селитре, сульфате и хлориде аммония, в аммофосе NH₄H₂PО₄ и диаммофосе (NН₄)₂HPО₄.

Ионы калия, магния, аммония необходимы для минерального питания растений. Большое содержание солей натрия указывает на засоленность почв.

Анализ водных вытяжек из почвы на наличие этих катионов используют для определения пригодности почв для возделывания различных культур.

Оценка качества природных вод включает пробы на присутствие ионов аммония. Наличие в воде аммиака и солей аммония служит признаком загрязненности, так как эти соединения образуются при гниении белков.

Продукты детского и диетического питания также подвергаются обязательному исследованию на содержание натрия, калия и магния.

Вторая аналитическая группа катионов: Ca²⁺, Ba²⁺, Sr²⁺

Катионы 2 группы, в отличии от катионов 1 группы, образуют малорастворимые в воде карбонаты. Поэтому их осаждают действием карбоната аммония, который является групповым реактивом.

Осадки карбонатов кальция, бария и стронция могут быть получены и при действии на раствор карбонатами натрия и калия. Но при систематическом анализе пользоваться этими реактивами невозможно, так как вместе с ними в исследуемый раствор вводятся ионы Na⁺ и К⁺. Использование карбоната аммония оправдано тем, что ион NH₄⁺ можно предварительно открыть дробным методом.

Из солей кальция, бария и стронция также не растворимы сульфаты, фосфаты и оксалаты. Однако осаждение серной кислотой проводится редко, так как сульфаты не растворимы в сильных кислотах и щелочах и с большим трудом снова переводятся в раствор. Осаждение фосфорной и щавелевой кислотой не проводят по той причине, что присутствие в растворе фосфат — и оксалат -ионов усложняет анализ.

Сульфиды этих элементов, в отличие от катионов 3,4 и 5 групп, хорошо растворимы в воде.

В водных растворах катионы 2 группы бесцветны.

Соли кальция используют для улучшения почв: в сильно кислые почвы для нейтрализации вводят известняк СаСО₃; а в солонцеватые — гипс CaS0₄•2H₂O. Кальций входит в состав минеральных удобрений: фосфоритной муки Са₃(РО₄)₂, суперфосфата Са(Н₂РО₄)₂ + CaS0₄, кальциевой селитры Са(НСО₃)₂ и т.д.

Растворимый гидрокарбонат кальция Са(НСО₃)₂ находится в природных водах, сообщая им временную жесткость. Арсенит и арсенат кальция используют как сельскохозяйственные яды.

Ионы бария ядовиты. Карбонат и хлорид бария используют в сельском хозяйстве как яды. Поэтому обнаружение ионов бария проводят при распознавании ядохимикатов.

Радиоактивный изотоп стронция ⁹⁰Sr, образующийся при ядерных реакциях, представляет большую опасность для здоровья и жизни.

Реакции катионов второй группы

Реактивы	Катионы
Са2+	Ba2+	Sr2+
(NH4 )2СО3, Nа2СО3, К2СО3	СаСО3↓ белый	ВаСО3↓ белый	SrСО3↓ белый
Na2HP04	СаНРО4↓ белый	ВаНРО4↓ белый	SrHP04↓ белый
(NH4)2C204	СаС2Н4↓ белый	ВаС2О4↓ белый	SrC204↓ белый
H2S04 и растворимые сульфаты	CaS04↓ белый	BaS04↓ белый	SrS04↓ белый
К4[Fe(CN)6]+NH4Cl	Ca(NH4)2 [Fe(CN)6] ↓ белый	Ba(NH4)2•Fe(CN)6]↓, белый	────
CaS04		BaS04↓ выпадает сразу	SrS04↓ выпадает не сразу
К2Сr207		ВаСrО4↓ желтый	─────
Окрашивание пламени	Кирпично- красное	Желто-зеленое	Карминово-красное

Катионы третьей аналитической группы: Al³⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, Cr²⁺

К третьей аналитической группе относят катионы алюминия, железа(II), железа(III), марганца (II), цинка, хрома(III). Они характеризуются большим разнообразием свойств.

Алюминий и цинк проявляют постоянную валентность. Гидроксиды этих элементов и хрома обладают амфотерными свойствами; это свойство используется для отделения алюминия, хрома и цинка от других катионов третьей аналитической группы. Алюминий образует ионы АI³⁺ и АlО^2-, цинк — ионы Zn²⁺ и ZnO₂^2-, хром ­ионы Сr³⁺ и СrО₂^—.

Железо, марганец и хром проявляют переменную валентность. Железо образует ионы Fe²⁺, Fe³⁺, FeO₄^2-, марганец — ионы Mn²⁺, Mn³⁺, Mn⁴⁺, MnО₄^2- и MnO₄^—, хром ­ионы Cr³⁺, CrO₄^2-, Cr₂0₇^2-.

Изменение валентности этих элементов осуществляется сравнительно легко, поэтому для них характерны окислительно-восстановительные реакции.

Гидроксиды железа и марганца обладают слабоосновными свойствами, растворяются в кислотах, но не растворяются в щелочах. Гидроксиды всех катионов третьей группы не растворимы в воде, но могут переходить в коллоидное состояние.

Соли большинства элементов этой группы образуют окрашенные растворы.

Окраска растворов солей элементов третьей аналитической группы

Ион	А13+, Zn2+	Cr3+	СrО42-	Сr2О72-	Fe3+	Fe2+	Mn2+	MnO4—	МnО42-
Окраска раствора	Бесцвет-ная	Зеленая или фио-летовая	Желтая	Оранже-вая	Красно- бурая	Бледно- зеленая	Бледно-розовая	Малиново- фиолетовая	Зеленая

Катионы третьей аналитической группы образуют сульфиды, нерастворимые в воде, но растворимые в кислотах. В отличие от них сульфиды первой и второй группы растворимы в воде, а сульфиды четвертой и пятой группы катионов нерастворимы в кислотах. Поэтому в качестве группового реактива используют сульфид аммония. Другие растворимые сульфиды, так же осаждающие катионы третьей группы, не могут быть использованы как групповой реактив, так как с ними в раствор будут введены катионы первой и второй групп. Присутствие катиона аммония в ходе систематического анализа определяется до введения сульфида аммония, а в дальнейшем катион аммония легко удаляется из раствора в виде аммиака. Катионы третьей группы в зависимости от воздействия на них гидр оксида аммония в присутствии хлорида аммония подразделяют на две подгруппы:

1 подгруппа:

катионы аллюминия, хрома(III), железа (III), осаждаемые водным аммиаком в присутствии хлорида аммония.

2 подгруппа:

катионы железа(II), марганца(II), цинка не осаждаемые таким образом.

Катионы третьей группы, подобно катионам второй группы и магния, образуют труднорастворимые карбонаты и гидрофосфаты. Кроме того, они обладают способностью образовывать комплексные соединения.

Обнаружение и количественное определение катионов третьей группы связано главным образом с анализом почв, микроудобрений, растительного и животного материала, продовольственного сырья и продуктов питания (особенно детских и диетических), так как эти катионы имеют важнейшее биологическое значение.

Алюминий в больших количествах содержится в кислых подзолистых почвах, снижая урожайность многих культур. Соли алюминия применяют для очистки природных вод.

Железо содержится в тканях всех растений и животных. Оно входит в состав гемоглобина крови животных, участвует в синтезе хлорофилла зеленых растений. При недостатке железа в почве у растений развивается хлороз, т.е. отсутствие зеленой окраски из-за пониженного содержания хлорофилла. Избыток железа в почве так же вреден для растений. Многие соли железа (лактат, сульфат, глицерофосфат) применяют в ветеринарии как антианемические средства.

Марганец, цинк, хром — микроэлементы, необходимые для нормального течения обменных процессов у растений и животных. Недостаток марганца в почве способствует развитию у них различных заболеваний; в крови — приводит к возникновению „марганцевого рахита”. Нехватка цинка ведет к нарушению синтеза хлорофилла, витаминов, ауксинов у растений, витаминов и ферментов у животных и человека.

Избыток цинка в почвах, продуктах питания, сырье является токсичным для человека, животных и растений. Согласно гигиеническим нормативам качества и безопасности продовольственных продуктов и сырья предельно допускаемое содержание цинка: в мясе- 70,0 мг/кг., в молоке — 5,0 мг/кг., в яйце-50,0 мг/кг.

Реакции катионов третьей группы

Реактивы	Катионы
A13+	Cr3+	Fe3+	Fe2+	Mn2+	Zn2+
(NH4)2S в щелочной среде	Аl(ОН)3	Сr(ОН)3↓	↓Fе2S3	↓FeS	↓MnS	↓ZnS
NaOH, КОН, NН4ОH	АI(ОН)3	Сr(ОН)3↓	↓Fе(ОН)3	↓Fе(ОН)2	↓Мn(OН)2	↓Zn(ОН)2
NaOH, КОН	Р-р А102—	Р-р Cr02—	↓Fе(ОН)3	↓Fе(ОН)2	↓Мn(ОН)2	р-р ZnО22-
NH4Cl в щел. среде	↓Аl(ОН)3	↓Сr(ОН)3	↓Fе(ОН)3
Na2HP04	↓AlP04	↓CrPО4	↓FePО4	↓Fе3(РО4)	↓Мn3(РО4)	↓Zn3(РО4)
K4[Fe(CN)6]			↓Fe4[Fe(CN)6]3	↓Fe2[Fe(CN)6]	↓Мn2[Fе(CN)6]	↓К2Zn3[Fе(CN)6]2
К3[Fе(СN)6]				↓Fe3[Fe(CN)6]	↓Мn3[Fе(CN)6]2	Zn3[Fе(CN)6]2
KCNS				Fе(СNS)3
Алюминон	Красный	Красный	Красный
(NH4)2S208		Cr2072- р-р			МnО4— р-р
Дитизон						Красный
Cо(NО3)2						CoZn02
Н2О2 в щелочной среде		Cr204 р-р		Fе(ОН)3

Катионы четвертой аналитической группы: Ag⁺, Pb²⁺,Hg₂²⁺

Четвертая аналитическая группа объединяет катионы серебра, свинца, и ртути(I). Общим свойством этих катионов является способность осаждаться под действием разбавленной соляной кислоты и ее солей в виде хлоридов-осадков белого цвета. Поэтому соляная кислота является групповым реактивом для катионов этой группы.

Кроме того, катионы четвертой аналитической группы образуют нерастворимые сульфиды черного цвета, которые в отличие от катионов 5 группы, не растворяются в сульфидах натрия, калия, аммония. Мало растворимы в воде также фосфаты и карбонаты катионов четвертой группы. Растворимые соли подвергаются гидролизу и их растворы имеют кислую реакцию. В окислительно-восстановительных реакция катионы четвертой группы выступают в роли окислителей и восстанавливаются до свободных металлов. В водных растворах катионы серебра, свинца и ртути (I) бесцветны.

Соединения ртути (I) содержат группировку -Нg-Hg-, в которой одна из двух связей каждого атома ртути используется на соединения с другим. Соли ртути(I) имеют строение CI-Hg — Hg-Cl или O₃N-Hg — Hg-NO₃. В этих соединениях на два атома ртути приходится два положительных заряда. Ртуть в этих соединениях является электрохимически одновалентной. При диссоциации этих соединений образуется сложный ион Hg₂²⁺.

Соединения катионов четвертой группы имеют важное биологическое значение. Ионы серебра обладают бактерицидным действием. Нитрат серебра применяют в медицине и ветеринарии при эрозиях, язвах, экземах, а также в офтальмологии и стоматологии. Металлическая ртуть и большинство ее соединений очень ядовиты. Наиболее токсичны для животных и человека: хлорид (сулема) и йодид ртути (II) и органические ртутные препараты, применяемые для протравливания семян: гранозан, этилмеркурхлорид, этилмеркурфосфат. Эти соединения нарушают углеводный и кальциевый обмен, функции почек, печени, эндокринных желез, центральной нервной системы вследствие блокады сульфгидрильных групп ферментов. Хлорид ртути (I) или каломель (Hg₂CI₂) не ядовита и используется в медицине и ветеринарии как слабительное, антисептическое и мочегонное средство.

Соединения свинца также ядовиты. К наиболее токсичным относятся нитрат, ацетат и гидроксохлорид свинца, а так же тетраэтилсвинец. Загрязнение воздуха, почвы и воды соединениями свинца происходит в результате выброса их промышленными предприятиями, выхлопными газами автотранспорта. В соответствии с санитарными нормами содержание свинца в 1 л воды не должно превышать 0.1 мг. В основных сельскохозяйственных продуктах допускается следующее содержание свинца и ртути:

Гигиенические нормативы содержания свинца и ртути в основных продовольственных продуктах, (в мг/кг)

	Мясо	Молоко	Яйца
Свинец	0,5	0,1	0.3
Ртуть	0,03	0,005	0,02

Ацетат свинца и оксид свинца используются в медицине, ветеринарии как вяжущие и противовоспалительные средства в форме примочек, компрессов, мазей и пластырей.

Реакции катионов четвертой группы

Реактивы	Катионы
Ag+	Pb2+	Нg22+
HCl и хлориды	AgCl↓ — белый, растворимый в NH4ОH	PbC12↓- белый, растворимый в горячей воде	Hg2C12↓ — белый, чернеющий в NH4ОH
KOH, NaOH	Аg2O↓ — бурый	Pb(OH)2↓- белый, растворимый в кислотах и избытке щелочей.	Hg2О↓- черный
NH40H (избыток)	[Аg(NН3)2]+ раствор		Рb(ОН)↓-белый	(NН2Нg)NО3↓- белый + ↓Hg
K2Cr04	Аg2СrО4↓ кирпично- красный	PbCr04↓ — желтый	Hg2CrО4↓ — красный
H2S04	─────	PbS04↓ — белый	─────
Na2HP04	Аg3РО4↓ — желтый	─────	─────
НI, (KI)	AgI↓- желтый	РbI2↓- желтый, растворимый в горячей воде, NaOH, избытке КI	Hg2I2↓- грязно-зеленый, растворимый в избытке КI
Сu металлич.	─────	─────	Hg↓

Пятая аналитическая группа катионов: Cu²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Bi³⁺

Катионы пятой группы образуют нерастворимые в воде сульфиды, гидроксиды и основные соли. Гидроксид аммония, который используется как групповой реактив, образует с катионами пятой группы, ярко окрашенные основные соли, которые, кроме солей висмута, растворимы в избытке аммиака. Образующиеся при этом комплексные соли — аммиакаты, также имеют характерную окраску.

Катионы меди, кадмия и висмута, кроме того, образуют комплексные соединения с цианидами и йодидами. В реакциях окисления-восстановления катионы пятой группы ведут себя как окислители и восстанавливаются до свободных металлов.

В водных растворах почти все катионы пятой группы окрашены.

Окраска растворов солей катионов пятой аналитической группы

Ион	Cu2+	Co2+	Ni2+	Cd2+	Bi3+
Окраска раствора	голубая	розовая	зеленая	бесцветная	бесцветная

Объектом качественного анализа на присутствие катионов меди, кобальта, никеля, кадмия и висмута являются удобрения, почвы, растения, биологические жидкости, сельскохозяйственное сырье, продовольственные продукты. Медь входит в состав удобрений и сельскохозяйственных ядов, например: медного купороса, парижской зелени Сu(СН₃СОО)₂3Сu(АsО₂)₂, бордосской жидкости. Медь необходима для нормальной жизнедеятельности растений и животных, так как входит в состав ферментов, влияет на белковый и углеводный обмен. Сульфат и карбонат меди используют в ветеринарии как антгельминтики. Медь отнесена к токсичным элементам. Предельно допустимое содержание меди в некоторых продуктах питания приведено в таблице N29. Кобальт входит в состав витамина В₁₂. Пониженное содержание этого микроэлемента в почвах, растениях, кормах и пищевых продуктах отрицательно сказывается на росте сельскохозяйственных культур, продуктивности животных и развитии человека. Избыточное содержание кобальта, как и меди, и кадмия считается токсичным.

Гигиенические нормативы содержания меди и кадмия в основных продовольственных продуктах, (в мг/кг)

	Мясо	Молоко	Яйца
Медь	5.0	1.0	3.0
Кадмий	0.05	0.03	0.01

Шестая аналитическая группа катионов: Sn²⁺, Sn⁴⁺, Sb³⁺, Sb⁵⁺, As³⁺, As⁵⁺

Олово, мышьяк и сурьма расположены в 4-5 группах периодической системы и обладают неметаллическими свойствами. В то же время положение этих элементов в 4-5 периодах также отражается на их свойствах и позволяет в некоторых реакциях давать соединения, характерные для металлов. В частности, сурьма, мышьяк, и олово образуют амфотерные гидроксиды. В щелочной среде эти гидроксиды диссоциируют с образованием анионов: AsO₃^3-, АsО₄^3-, SbO₄^3-, SbО₃^3-,SnО₃^3-. В кислой среде образуются катионы : Аs^З+, As⁵⁺, Sn²⁺, Sn⁴⁺, Sb³⁺, Sb⁵⁺. Растворы солей этих катионов, образованных сильными кислотами, имеют кислую реакцию.

Мышьяк /III/, сурьма/III/ и олово /III/ в щелочной среде ведут себя как восстановители. Мышьяк /V/, cурьма /V/ в кислой среде проявляют свойства окислителей.

Характерной реакцией для катионов 6 группы является образование нерастворимых в воде сульфидов при взаимодействии с сероводородом в кислой среде. Сульфиды катионов 6 группы растворяются в сульфидах натрия, калия, аммония, образуя сульфосоли (тиосоли). Например:

↓Аs₂S₃ + ЗNа₂S = 2Nа₃АsS₃ тиомышьяковский натрий.

Сульфосоли по своему составу подобны кислородосодержащим кислотам тех же элементов с той разницей, что роль кислорода здесь играет элемент, ему аналогичный — сера.

Использование сероводорода в качестве группового реактива сопряжено с многочисленными трудностями.

Бессероводородный метод качественного анализа предусматривает осаждение катионов 6 группы (олова и сурьмы) едкими щелочами. При этом образуются соединения нерастворимые в воде, обладающие способностью растворяться в избытке щелочей.

В водных растворах сурьма образует ионы Sb^З+, Sb⁵⁺, олово Sn²⁺, Sn⁴⁺, мышьяк ­Аs^З+, ( в кислой среде); арсенит ион AsO₃^3- и арсенат-ион AsO₄^3- (в щелочной среде). Все эти ионы бесцветны. Соединения мышьяка сильно ядовиты. Мышьяк входит в состав сельскохозяйственных ядов: парижской зелени Сu(СН₃СОО)₂3Сu(АsО₂)₂, арсенита натрия, арсенита и арсената кальция. У животных и человека при попадании больших доз мышьяка внутрь наблюдаются острые отравления, сопровождающиеся сильной болезненностью органов брюшной полости, коликами, рвотой, поносом, слюнотечением, ослаблением сердечной деятельности, резким падением кровяного давления, параличом.

В ветеринарии соединения мышьяка применяют в качестве противопаразитарных средств и веществ, улучшающих обмен (осарсол, новарсенол, натрия арсенат).

Продовольственные продукты и сельскохозяйственное сырье подлежат обязательному анализу на присутствие мышьяка. Предельно допустимое содержание мышьяка составляет: в мясе- 0.1 мг/кг, в молоке- 0.05 мг/кг, в яйце — 0.1 мг/кг.

Биологическая роль сурьмы и олова выяснена недостаточно. В ветеринарии используют сульфиты сурьмы /III/ и /V/ в качестве отхаркивающих средств, арсенат олова как антгельминтик.

Лекция
4. Катионы
1-ой аналитической группы К⁺, Na⁺ NH4⁺

Общая характеристика катионов первой
аналитической группы

          К
первой аналитической группе относятся катионы щелочных металлов — К⁺,
Na⁺ NH4⁺.
Большинство солей катионов 1-ой группы представляют собой кристаллические
порошки, хорошо растворимые в воде. Вследствие этого катионы 1-ой аналитической
группы не имеют группового реактива и их открывают с помощью специальных
дробных реакций. Открытию катионов 1-ой аналитической группы мешают катионы
других групп, поэтому при проведении качественного анализа из раствора сначала
необходимо удалить катионы других групп с помощью осадочных реакций.

          Калий
и натрий образуют сильные основания КОН и NaОН. Их соли с сильными кислотами
типа соляной, серной, азотной в воде устойчивы и не подвергаются гидролизу.
Гидроксид аммония NH4ОН –
слабое основание, поэтому соли аммония с сильными кислотами в воде легко
гидролизуют. Соли аммония летучи и в отличие от солей щелочных металлов легко
удаляются  при нагревании и прокаливании смесей солей. Эти свойством пользуются
при удалении из смеси солей аммония.

          Катионы
1-ой аналитической группы широко распространены в природе, являясь важными
составными частями земной коры, океанов, морей, биосферы. Их соли получили
широкое распространение в химии, с.х. и т.д.

Применение в медицине и фармации солей
катионов 1-ой аналитической группы

          Катионы
калия и натрия входят в состав протоплазмы, крови, тканей и органов растений и
животных. Поэтому их используют в медицине и фармации.

          Хлорид
натрия входит в состав физиологических растворов, кровозаменителей, широко
применяется как вспомогательное средство при приготовлении таблеток, микстур.
Бромид натрия, бромид калия и бромид аммония часто применяют как средства,
действующие на нервную систему, регулирующие ее деятельность. Сульфат натрия
используют как слабительное средство.

          Гидрокарбонат
натрия применяют при повышенной кислотности желудочного сока, вводят в состав
кровозаменяющих растворов, ряда лекарственных веществ для регуляции рН.

          Гидроксид
аммония в виде 10% раствора используют при обморочных состояниях, как средство,
возбуждающее при вдыхании паров деятельность дыхательных центров, для мытья рук
в хирургической практике.

          Хлорид
аммония применяют диуретическое и отхаркивающее средство.

          Катионы
калия, натрия и аммония входят в состав многих лекарственных препаратов типа
кислот.

Реакции
катионов натрия Na⁺

1.      Реакция с
дигидроантимонатом калия KH₂SbO₄

NaCl+ KH₂SbO₄→NaH₂SbO₄↓+KCl

Образуется белый мелкокристаллический
осадок дигидроантимоната натрия, растворимый в щелочах и кислотах. Проведению
реакции мешают соли лития.

2.      Реакция с
цинкуранилацетатом HZn(UO₂)₃(CH₃COO)₉*9H₂O:

Na⁺+ HZn(UO₂)₃(CH₃COO)₉→NaZn(UO₂)₃(CH₃COO)₉↓+H⁺

Образуется
мелкокристаллический осадок цинкуранилацетата натрия. Осадок растворим в
щелочах и кислотах. Проведению реакции мешают соли лития.

3.      Реакция
окрашивания пламени. При внесении солей натрия в пламя газовой горелки
появляется желтая окраска пламени.

Реакции
катионов калия К⁺

1.      Реакция с
гидротартратом  NaHC₄H₄O₆:

KCl+ NaHC₄H₄O₆→KHC₄H₄O₆↓+NaCl

Образуется белый
мелкокристаллический осадок гидротартрата калия, растворимый в щелочах и
кислотах. Проведению реакции мешают катионы аммония

2.      Реакция с гексанитро(3)
кобальтом натрия Na₃[Co(NO₂)₆]

2KCl+ Na₃[Co(NO₂)₆]→NaK₂[Co(NO₂)₆]↓+3NaCl

Образующийся
осадок желтого цвета растворим в кислотах и щелочах. Проведению реакции мешают
катионы аммония.

3.      Реакция с
гексанитро(3) купратом свинца и натрия Na₂Pb[Cu(NO₂)₆]

2KCl+ Na₂Pb[Cu(NO₂)₆]→K₂Pb[Cu(NO₂)₆]↓+2NaCl

Образуется осадок
черного цвета, растворим в кислотах и щелочах.

4.      Реакция
окрашивания пламени. При внесении солей калия в пламя окраска пламени
становится фиолетовой.

Реакции
катионов аммония NH4⁺

1.      Реакция со
щелочами:

NH₄Cl+NaOH→NH₄OH+NaCl

NH₄OH→NH₃↑+H₂O

При проведении
реакции вследствие разложения образующегося гидроксида аммония на аммиак и воду
появляется запах аммиака. Выделение аммиака можно определить с помощью красной
лакмусовой бумажки или фенолфталеиновой бумажки, смоченной водой. При выделении
аммиака лакмусовая бумажка изменяет цвет на синий,а фенолфталеиновая бумажка
краснеет.

2.      Реакция с
гидротартратом
натрия.

NH₄Cl+ NaHC₄H₄O₆→(NH₄)HC₄H₄O₆↓+NaCl

Образуется белый
кристаллический осадок гидротартрата аммония, растворимый в щелочах и кислотах.
Проведению реакции мешают катионы калия.

3.      Реакция с
реактивом Несслера (смесь тетрайодо(2) меркурата калия с гидроксидом калия ) K₂[HgI₄]+KOH:

                                                     
Hg

NH₄Cl+2K₂[HgI₄]+4KOH→[O        
NH₂]I+3H₂O+KCl+7KI

                                                     
Hg

Образуется
красно-бурый осадок, растворимый в кислотах и щелочах. Реакция очень
чувствительна и специфична.

4.      Реакция с
гексанитро(3) кобальтом натрия Na₃[Co(NO₂)₆]:

2NH₄Cl+ Na₃[Co(NO₂)₆]→
Na(NH₄)₂[Co(NO₂)₆]↓+2NaCl

Образуется осадок
желтого цвета, растворимый в кислотах и щелочах. Проведению реакции мешают
катионы калия.

5.      Реакция с
гексанитро(3) купратом свинца и натрия Na₂Pb[Cu(NO₂)₆]

2NH₄⁺+ Na₂Pb[Cu(NO₂)₆]→(NH₄)₂Pb[Cu(NO₂)₆]↓+2Na⁺

Образуется осадок
черного цвета, растворим в кислотах и щелочах. Проведению реакции мешают
катионы калия.

6.      Возгонка и
разложение аммониевых солей при нагревании. При нагревании соли аммония
способны возгоняться, образуя белые налеты на охлаждающем предмете.

Анализ
смеси катионов первой аналитической группы.

Смесь
солей, содержащих катионы 1-ой группы, растворяют в воде и проводят
качественные реакции. Ввиду того, что катионы калия и аммония дают одинаковые
реакции, сначала открывают ион аммония специфичными для него реакциями с
реактивом Несслера и со щелочами. В присутствии катиона аммония, калий открыть
нельзя, поэтому для того, чтобы открыть калий. Необходимо удалить катион
аммония. Удаление проводят, упаривая часть раствора и прокаливая осадок в
тигле. Охлаждают тигель и растворяют осадок в воде. Полноту удаления аммония
проверяют реактивом Несслера. Открытие катиона натрия осуществляют, используя
раствор цинкуранилацетата, получившиеся кристаллы рассматривают под микроскопом

Катион
калия открывают реакциями с гидротартратом натрия, гексанитро(3) кобальтом
натрия и гексанитро(3) купратом свинца и натрия.

Аммоний-катионы — положительно заряженные ионы аммония с общей химической формулой N⁺RR^lR^llR^lll, где R,R^l,R^ll,R^lll = H, Alk, Ar.^[1][2]

Аммоний-катионы можно рассматривать как продукты замещения атомов водорода аммоний-катиона NH₄⁺ на органические радикалы (Alk, Ar).

По числу замещённых атомов водорода (1,2,3 или 4) различают, соответственно, первичные, вторичные, третичные и четвертичные аммоний-катионы (рис.1).

Простейший аммоний-катион NH₄⁺ образуется по донорно-акцепторному механизму путём присоединения протона к аммиаку:

NH₃ + H⁺ → NH₄⁺

Поставщиком протонов являются минеральные (неорганические) и органические кислоты. Продуктами взаимодействия аммиака и кислот являются соли аммония.

В аммоний-катионе NH₄⁺ все четыре связи равноценны и неразличимы, поэтому считается что электрический заряд в катионе делокализован (рассредоточен) по всему комплексу. Размер аммоний-катиона NH₄⁺ составляет 1,43 Å^[3]. В кристалле хлорида аммония аммоний-катион NH₄⁺ окружают восемь ионов хлора (рис.2). Параметр кристаллической решётки 3,8758 Å.^[4]

Замещённые аммоний-катионы также образуются по донорно-акцепторному механизму путём присоединения протона к соответствующим аминам.

Первичные:

CH₃NH₂ (метиламин) + H⁺ → CH₃N⁺H₃;

C₆H₅NH₂(анилин) + H⁺ → C₆H₅N⁺H₃.

Вторичные:

(CH₃)₂NH (диметиламин) + H⁺ → (CH₃)₂N⁺H₂;

(C₆H₅)₂NH (дифениламин) + H⁺ → (C₆H₅)₂N⁺H₂.

Третичные:

(C₂H₅)₃N (триэтиламин) + H⁺ → (C₂H₅)₃N⁺H.

Четвертичные аммоний-катионы получают главным образом алкилированием третичных аминов (так называемая кватернизация)^[1]:

C₆H₅CH₂Cl + (C₂H₅)₃N → [C₆H₅CH₂N⁺(C₂H₅)₃]Cl^—.

Многие четвертичные аммониевые соединения биологически активны, встречаются в природе (наиболее важные из них — холин и ацетилхолин).^[1]

Примечания

См. также

• Аммиак
• Амины
• Аммоний

Опыт 7. Качественная
реакция катиона аммония с щёлочами

Щёлочи NаОН и КОН
выделяют из солей аммония при нагревании
газообразный аммиак:

NН₄С1+
NаОН = NН₃↑
+ Н₂О
+ NаС1

К 2 — 3 каплям раствора
соли аммония (хлорида или сульфата)
добавьте 3-4 капли щёлочи и поставьте на
водяную баню. Выделение аммиака определите
по изменению окраски универсальной
индикаторной бумаги.

Опыт 8. Реакция
с реактивом Несслера

Реактив Несслера
(смесь К₂[Hg₄I]
и КОН) выделяет из растворов солей
аммония красно-бурый осадок иодида
оксодимеркураммония:

NН₄С1+
2 К₂[HgI₄]
+ 4 КОН = [ОHg₂NН₂]
I
+7КI
+КС1 +3 Н₂О

К одной капле
разбавленного раствора соли аммония
на предметном стекле добавляют 2-3 капли
реактива Несслера. Для выполнения
реакции берут обязательно избыток
реактива, так как образующийся осадок
растворим в солях аммония. Эта реакция
очень чувствительна и показывает
присутствие даже случайных примесей
NН₄⁺.

Катион аммония
дает осадок подобно катиону натрия с
гексагидроксостибиатом(V) калия и подобно
катиону калия осадок с гидротартратом
натрия. Поскольку обнаружению ионов
натрия и калия мешает присутствие иона
аммония, его необходимо предварительно
удалить.

Опыт
9.
Удаление
катиона аммония

В керамическую
чашку или тигель поместите по 5
—
7 капель
солей калия, натрия и аммония, выпарьте
досуха и прокалите сухой остаток до тех
пор, пока не прекратится выделение
белого «дыма». После этого тигель
охладите, растворите часть сухого
остатка в 1 — 2 каплях дистиллированной
воды на предметном стекле и добавьте 1
каплю реактива Несслера. Если полное
удаление NH₄⁺
не достигнуто (бурая окраска на предметном
стекле), прокаливание продолжают. Если
тест на наличие NH₄⁺
отрицательный, то оставшийся в тигле
сухой остаток растворяют в 1 мл
дистиллированной воды и проверяют на
наличие катионов К⁺
и Na⁺.

Форма
контроля знаний студентов.
Проверка
протокола выполнения лабораторной
работы. Опрос по теме «Элементы
IА-подгруппы».

ЛАБОРАТОРНАЯ
РАБОТА 11. МЕТАЛЛЫ
IIA-ПОДГРУППЫ

Литература:
учебник,
глава 16.

Приборы и
оборудование: микроскоп,
газовая горелка, штатив с пробирками,
предметные стёкла, нихромовая проволока.

Реактивы:
соли (хлориды) магния, кальция, стронция
и бария, гидроксид натрия NaOH,
гидрофосфат натрия Na₂HPO₄,
хромоген чёрный, карбонат аммония
(NH₄)₂CO₃,
хлорид аммония NH₄Cl,
оксалат аммония (NH₄)₂C₂O₄,
серная кислота H₂SO₄,
хромат калия K₂CrO₄,
аммиачный буферный раствор (рН 9 — 10).

Выполнение
работы. При
выполнении этой работы следует соблюдать
те же требования, что и в предыдущей
работе № 10.

11.2. Химические свойства магния

Опыт 1. Получение
осадка гидроксида магния

Щёлочи NаОН и КОН
выделяют из растворов солей магния
белый аморфный осадок гидроксида магния.
В четыре пробирки налейте по 3-4 капли
соли магния. В две из них добавьте по
1-2 капли гидроксида натрия, в другие две
– 1 — 2 капли гидроксида аммония. Осадки,
полученные в первых двух пробирках,
попробуйте растворить в соляной кислоте
и в растворе хлорида аммония. То же
проделайте с осадком, полученным при
взаимодействии соли магния с гидроксидом
аммония. Объясните причины наблюдаемых
явлений и запишите уравнения реакций.

Опыт
2. Качественная
реакция с гидрофосфатом натрия

Гидрофосфат натрия
Nа₂НРО₄
в присутствии гидроксида и хлорида
аммония образует с солями Мg²⁺
белый кристаллический осадок фосфата
магния-аммония:

МgС1₂
+ Nа₂НРО₄
+ NН₄ОН
= МgNН₄РО₄↓
+ 2 NаС1 + Н₂О

Хлорид аммония
добавляют для того, чтобы под действием
NН₄ОН
не выпал осадок гидроксида магния.
Реакцию проводят в нейтральной или
слабощелочной среде. К 2-3 каплям
концентрированной соли магния MgCl₂
добавьте четыре капли Nа₂НРО₄,
затем 2 н. раствор NН₄ОН
до щелочной реакции на лакмус, перемешивая
раствор палочкой после добавления
каждой капли реактива. Процесс осаждения
можно ускорить потиранием стеклянной
палочкой о стенки пробирки. Эта реакция
используется для качественного открытия
ионов магния.

Опыт 3. Реакция
Мg²⁺
с хромогеном чёрным

К 4-5 каплям раствора
хлорида магния добавьте 1-2 мл аммиачного
буферного раствора (рН ~9 -10) и на кончике
микрошпателя порошок хромогена чёрного.
Отметьте цвет раствора.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

План урока:

Основные понятия

Распознавание катионов щелочных металлов

Распознавание ионов щелочноземельных металлов

Качественные реакции на анионы

Основные понятия

Качественная реакция – это реакция, обладающая определенными признаками для того или иного соединения. К таким процессам предъявляется ряд требований: низкий порог чувствительности, специфичность, селективность.

Определять можно ионы. Это заряженные частицы. Если ион заряжен положительно – это катион, если отрицательно – анион. Ионы могут быть простыми и сложными, но у каждого есть специфическая качественная реакция.

Индикаторы

Индикаторы – вещества, которые дают специфический продукт реакции (осадок, газ, соль определенного цвета) с тем или иным ионом.

Определять можно не только конкретное соединение, но и класс, к которому оно относится. Одним из первых индикаторов являются индикаторы среды: фенолфталеин, метилоранж и лакмус. Молекулы этих веществ меняют свою конфигурацию в зависимости от кислотности раствора, на чем основана их индикаторная значимость.

В лабораториях и на производстве часто используют не сам раствор, а бумажку, пропитанную им – индикаторную бумагу. Существует несколько типов таких бумаг:

• Универсальная;
• Фенолфталеиновая;
• Лакмусовая;
• Свинцовая и т.д.

Для каждого вида индикаторных бумажек есть шкала цвета, по которому можно определить значение того или иного результата.

Распознавание катионов щелочных металлов

Для некоторых ионов есть несколько способов их идентификации. Например, ионы щелочных металлов определяются сухим способом – окрашиванием пламени и реакциями в растворах.

Каждый ион щелочного металла окрашивает пламя в определенный цвет:

• натрий – ярко-желтый,
• калий – розово-фиолетовый,
• литий – карминово-красный,
• рубидий – темно-фиолетовый.

Для определения наличия катиона щелочного металла можно провести качественную реакцию. Для каждого катиона используется определенный реактив.

Таблица. Характеристика качественных реакций на ионы щелочных металлов.

Распознавание ионов щелочноземельных металлов

Щелочно-земельные металлы расположены во второй группе таблицы Менделеева. Они, так же, активны, но меньше щелочных. Их распространенность в природе намного выше. К этим металлам относятся: бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba), радий (Ra).

Раньше первые два металла не относили к группе щелочно-земельных. Последние научные исследования подтвердили их принадлежность к этому ряду.

Эти металлы можно определять окрашиванием пламени, но различить правильный оттенок у некоторых из них довольно трудно:

• Be – красный;
• Mg – ярко-белый (сильное выделение тепла);
• Ca – оранжево-красный;
• Sr – карминово-красный;
• Ba – желтовато-зеленый;
• Ra – темно-красный.

Определение катионов бериллия

Бериллий имеет специфическое строение атома. Его электронная конфигурация больше свойственная инертным газам. Обычных химических реакций для определения этого катиона нет. Бериллий определяют электрометрическим титрованием. При этом, производится титрование (по каплям) бериллия фторидом аммония в кислой среде. Бериллий образует аквафторокомплексы [BeF₄]2^—, удерживая до четырех молекул воды.

Еще одним инновационным способом определения бериллия является нефелометрический метод с применением гидроксида аммиака. При этом получают мутные спеси с дальнейшим определением оптической плотности.

Описанные методы основаны не на химической реакции, а на процессе образования комплексных соединений.

Определение катионов магния

Для определения магния используют сильные щелочи, карбонат аммония или гидрофосфат натрия в присутствии солей аммония.

В первых двух случаях выпадает белый аморфный осадок. Его кристаллы настолько малы, что практически не оседаю на дно, оставаясь взвешенными в водном растворе.

Mg²⁺ + 2OH^— → Mg(OH)₂↓

2Mg²⁺ + 4NН₄⁺ + 2CO₃^2- + Н₂O → Mg²⁺(OH)₂CO₃↓ + 4NН₄⁺ + CO₂

Во втором случае образуется, так же, белый осадок, но крупнокристаллический:

Mg²⁺ + NН₄OH + НРО₄^2- → MgNН₄РО₄↓ + Н₂O

Определение катионов кальция

Для определения кальция чаще всего используют угольную или сернистую кислоту. Образующиеся соли белого цвета и не растворимы в вод. При этом, они хорошо растворимы в других кислотах:

CaCl₂ + (NH₄)₂CO₃ → CaCO₃ ↓+ 2NH₄Cl

Еще один способ – микрокристаллоскопическая реакция с серной кислотой. Образуются белые кристаллы игольчатой формы.

4Ca + 5H₂SO₄ → 4CaSO₄↓ + 4H₂O + H₂S

Определение ионов стронция

Стронций образует белые нерастворимые осадки с серной кислотой, карбонатом аммония:

Sr + H₂SO₄ = SrSO₄↓+ H₂

Sr(NO₃)₂ + (NH₄)₂CO₃ = SrCO₃↓ + NH₄NO₃

Также, для индикации используют оксалат аммония. Образующийся белый осадок растворяется во всех кислотах:

Sr⁺ + C₂O₄^— = Sr(C₂O₄) ↓

Одной из самых ярких реакций на ион стронция является реакция с родизонатом натрия. При этом образуется красно-бурый осадок:

Определение катионов бария

В растворе ионы бария определяют с помощью серной кислоты или ее растворимых солей.

Ba(NO₃)₂ + Na₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2NaNO₃

При реакции образуется белый нерастворимый в кислотах осадок. Это микрокристаллоскопическая реакция, можно рассмотреть форму кристаллов под микроскопом.

Определение ионов меди

Для обнаружения ионов меди в растворе соли в него добавляют концентрат аммиачного раствора.

Cu²⁺ + 4NН₃ → [Cu(NH₃)₄]²⁺

При этом, медь образует комплексную соль ярко-синего цвета.

еще один способ — реакция с гидроксидом натрия. В результате реакции образуется синий студенистый осадок.

Cu²⁺ + 2OH^— = Cu(OH)₂ ↓

При его нагревании происходит разложение с образованием черного оксида меди.

Cu(OH)₂ → CuO + H₂O

Медь можно определить сухим способов в пламени горелки. Она приведет к окрашиванию пламени в зеленый цвет.

Определение ионов двух- и трехвалентного железа

Железо имеет два основных иона: Fe²⁺ и Fe³⁺.

Ионы Fe³⁺ можно идентифицировать с помощью трех реактивов. Первый из них – щелочь. При этом образуется красно-бурый нерастворимый осадок:

FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃↓+ 3NaCl.

Другой вариант – желтая кровяная соль K₃[Fe(CN)₆], при взаимодействии с которой трехвалентное железо образует комплексное соединение синего цвета.

Третий вариант – роданид калия (ядовитое вещество). При реакции образуется красная густая соль. Это соединение часто использовали в кинематографе в качестве искусственной крови.

Для определения Fe²⁺используют красную кровяную соль K₄[Fe(CN)₆]. В результате образуется соединение синего цвета (берлинская лазурь).

Определение катионов аммония

Катион аммония необычен тем, что состоят из молекулы аммиака с присоединенным за счет донорно-акцепторной связи водородом. Так, ион имеет вид NH₄⁺. Соли аммония применяются в сельском хозяйстве, медицине.

Определить наличие этого катиона можно с помощью индикаторной бумаги. Над раствором соли аммония она синеет.

Значения цветов индикаторной бумаги

Гидроксид аммония – слабое соединение, которое распадается на аммиак и воду. Аммиак обладает характерным запахом (нашатырный спирт), по которому, так же, определяют наличие катиона аммония.

Качественная реакция на катион аммония: NH₄Cl + NaOH → NaCl + NH₃↑ + H₂O

Другой способ индикации – с помощью реактива Несслера– K₂[HgI₄]. При взаимодействии с солями аммония образуется бурый цвет:

NH₃ + 2[HgI₄]^2- + 3ОН^— → [NH₂Hg₂O]I + 7I^— + 2Н₂О

Реакция очень чувствительная. При малом содержании катионов аммония, цвет будет желтый.

Качественные реакции на анионы

Сульфат-ион и сульфит-ион

Ионы серной и сернистой кислот дают одинаковую реакцию с растворимыми солями бария – образуется белый осадок:

BaCl₂ + Na₂SO₃ = BaSO₃↓ + 2NaCl

BaCl₂ + Na₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2NaCl

Различить их можно добавлением к полученному раствору азотной кислоты. Осадок сульфита бария растворится с образованием газа, а сульфата – нет.

BaSO₃+ 2HNO₃ = Ba(NO₃)₂ +SO₂ ↑ +H₂O

Хлорид-, бромид-, йодид-ион

Для определения этих ионов используют один реактив – нитрат серебра. Во всех трех случаях выпадает творожистый осадок, но цвет у каждого – свой. Фторид-ион осадок с этим реактивом не дает.

Для индикации фторида используют нитрат кальция. При этом образуется белый осадок:

2NaF + Ca(NO₃)2 → 2NaNO₃ + CaF2↓

Карбонат-ион

Карбонат-ион определяется в две стадии. Первая – получение угольной кислоты:

Вторая реакция – пропускание выделяемого газа через известковую воду. Углекислый газ приводит к ее помутнению из-за образования нерастворимого карбоната кальция:

Ca(OH)₂ + CO₂ ⟶CaCO₃↓ + H₂O

Фосфат-ион

Фосфат-ион определяется с помощью нитрата серебра.  При взаимодействии образуется ярко-желтый осадок:

Na₃PO₄ + 3AgNO₃= Ag₃PO₄↓ +3NaNO₃