Систематический анализ катионов по кислотно-основной классификации

1. Частные реакции на катионы первой группы.

1.1. Реакции катионов аммония (NH4+).

1) Реакции со щелочами.

При нагревании аммонийных солей с едкими щелочами NaOH и KOH выделяется аммиак, который легко узнать по запаху или по посинению влажной красной лакмусо­вой бумажки.

К 2-3 каплям раствора или крупинке сухой соли аммония в пробирке прибавляют 3-4 капли щелочи и, держа влажную красную или фиолетовую лакмусовую бумажку у от­верстия пробирки, нагревают ее на водяной бане. Наблюдают изменение цвета лакмусовой бумажки.

2)Реакция с реактивом Несслера.

Реактив Несслера (смесь K2[HgJ4] с KOH) дает с ионами аммония красно-бурый осадок иодида оксодимеркураммония:

NH4Cl + 2K2[HgJ4] + 4KOH = [NH2Hg2O]J + 3H2O + 7KJ + KCl

К 1-2 каплям раствора соли аммония приливают 5-6 капель воды и 1-2 капли реактива Несслера. Наблюдают образование оранжево-коричневого осадка.

1.2. Реакции катионов калия (K+).

1) Реакция окрашивания пламени.

Платиновую или нихромовую проволочку, впаянную в стеклянную палочку, сначала очищают неоднократным смачиванием в концентрированной соляной кислоте и про­каливанием в пламени горелки до тех пор, пока пламя не перестанет окрашиваться (можно воспользоваться очищенным графитовым стержнем простого карандаша). Очищенную проволочку опускают в раствор KCl или, смочив в концентрированной HCl, прикасаются к какой-либо другой твердой соли калия и вносят сначала в основание пламени горелки, а затем переводят в часть пламени с наивысшей температурой. Наблюдают окрашивание пламени горелки в фиолетовый цвет через синее стекло, поглощающее желтый цвет пла­мени, окрашенного следами натрия.

1.3. Реакции катионов натрия (Na+).

1) Реакция окрашивания пламени.

Соли натрия окрашивают бесцветное пламя горелки в желтый цвет. Реакция выполняется так же, как и для калия.

2. Действие группового реагента (2н HCl) и частные реакции на катионы второй группы.

2.1. Реакции катионов свинца (Pb2+).

1) Реакция с соляной кислотой.

К 2-3 каплям раствора соли свинца прибавляют столько же соляной кислоты. К раствору с осадком приливают 5-6 капель дистиллированной воды и нагревают на кипящей

водяной бане. Наблюдают растворение осадка и постепенное его выпадение при охла­ждении раствора.

HCl с ионами свинца образует белый осадок хлорида свинца, растворимый в горячей воде.

2) Реакция с иодидом калия.

К 2-3 каплям раствора нитрата свинца прибавляют столько же иодида калия. В полученный раствор с осадком приливают 8-10 капель уксусной кислоты и смесь нагревают до полного растворения осадка. После этого пробирку с раствором охлаждают под краном с водой или ставят пробирку в штатив для постепенного охлаждения. Наблюдают выпа­дение осадка в виде золотисто-желтых чешуек. К осадку добавляют несколько капель раствора

иодида калия и наблюдают растворение осадка:

PbJ2 + 2KJ = K2[PbJ4].

KJ с ионами свинца образует желтый осадок, растворимый в горячей воде, избытке иодида калия и уксусной кислоте.

2.2. Реакции катионов серебра (Ag+).

1) Реакция с соляной кислотой.

К 2-3 каплям раствора нитрата серебра прибавляют 2-3 капли раствора соляной кислоты. К раствору с осадком прибавляют 5-6 капель раствора аммиака и встряхивают

смесь. Наблюдают растворение осадка. К полученному раствору приливают несколько капель азотной кислоты. Наблюдают выпадение осадка хлорида серебра.

HCl с ионами серебра образует белый осадок хлорида серебра, который не растворяется в разбавленных кислотах, но растворяется в гидроксиде аммония с образованием комплексной соли:

AgCl + 2NH4OH = [Ag(NH3)2]Cl + 2H2O.

При подкислении азотной кислотой комплексная соль разрушается и снова выпадает осадок хлорида серебра:

[Ag(NH3)2]Cl + 2HNO3 = AgCl↓ + 2NH4NO3.

2) Реакция с хроматом калия.

К 1-2 каплям раствора нитрата серебра приливают столько же раствора хромата калия. Наблюдают выпадение осадка хромата серебра.

K2CrO4 c ионами серебра образует кирпично-красный осадок хромата серебра, который растворяется в азотной кислоте и гидроксиде аммония, но не растворяется в уксус­ной кислоте.

3. Действие группового реагента (2н H2SO4) и частные реакции на катионы третьей группы.

3.1. Реакции катионов кальция (Ca2+).

1) Реакция с серной кислотой.

К 2-3 каплям раствора соли кальция приливают столько же серной кислоты. Ион SO42- с ионами кальция дает осадок только в концентрированных растворах солей кальция, так как CaSO4 заметно растворим в воде и в кислотах.

2) Реакция с оксалатом аммония.

К 1-2 каплям раствора соли кальция прибавляют такое же количество раствора оксалата аммония. Наблюдают выпадение осадка оксалата кальция.

(NH4)2C2O4 c ионами кальция образует белый мелкокристаллический осадок окса­лата кальция (CaC2O4), который растворим в сильных кислотах и нерастворим в уксусной кислоте. Этой реакцией открывают ион кальция только после удаления иона бария, так как последний дает аналогичный осадок.

3)Реакция окрашивания пламени.

Летучие соли кальция окрашивают бесцветное пламя горелки в кирпично-красный цвет.

3.2. Реакции катионов бария (Ba2+).

1) Реакция с серной кислотой.

К 2-3 каплям раствора соли бария приливают столько же серной кислоты. Серная кислота образует с ионами бария нерастворимый в кислотах и щелочах белый осадок BaSO4.

2) Реакция с бихроматом калия.

К 2-3 каплям раствора соли бария приливают 1-2 капли ацетата натрия и 2-3 капли раствора бихромата калия.

K2Cr2O7 с ионами бария образует желтый осадок хромата бария BaCrO4. Это объясняется тем, что в растворе K2Cr2O7 всегда присутствуют ионы CrO42-, образующиеся из ионов Cr2O72-:

Cr2O72- + H2O ⇔ 2 CrO42- + 2H+.

При введении ионов бария образуется осадок BaCrO4 как менее растворимой соли по сравнению с BaCr2O7.

Другие катионы третьей группы осадка с бихроматом калия не образуют.

3) Реакция окрашивания пламени.

Летучие соли бария, например BaCl2, Ba(NO3)2, окрашивают бесцветное пламя горелки в зеленый цвет.

4. Действие группового реагента (2н NaOH) и частные реакции на катионы четвертой группы.

4.4.1. Реакции катионов алюминия (Al3+).

1) Реакция с гидроксидом натрия.

К 5-6 каплям раствора соли алюминия прибавляют 1-2 капли раствора щелочи. Наблюдают образование осадка гидроксида алюминия. Содержимое пробирки взбалтывают и делят на две части. Испытывают растворимость осадка в соляной кислоте и избытке щелочи.

NaOH с ионами алюминия дает белый аморфный осадок Al(OH)3, который рас­творяется и в кислотах и в щелочах, вследствие амфотерности гидроксида алюминия:

Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4].

2) Реакция с гидроксидом аммония.

К 2 каплям раствора соли алюминия приливают 3-4 капли раствора гидроксида аммония и нагревают.

NH4OH осаждает ионы алюминия в виде Al(OH)3.

3) Капельная реакция с ализарином.

Наносят каплю раствора соли алюминия на полоску фильтровальной бумаги и дер­жат ее над концентрированным раствором гидроксида аммония 1-2 минуты для образования Al(OH)3. Добавляют каплю спиртового раствора ализарина (C14H8O4) и снова дер­жат в парах аммиака. Розово-красное пятно на фиолетовом фоне – признак присутствия ионов алюминия. Если фильтровальную бумагу осторожно подсушить, аммиак улетучивается и фиолетовый фон заменяется желтым, на котором ярче выступает красное окрашивание.

Ализарин в щелочном растворе с ионами алюминия дает соединение красного цвета – алюминиевый лак.

4.2. Реакции катионов хрома (Cr3+).

1) Реакция с гидроксидом натрия.

К 5-6 каплям раствора соли хрома прибавляют 1-2 капли раствора щелочи. Полу­ченный осадок делят на две части; к одной части приливают еще 3-4 капли щелочи, к дру­гой – кислоты. Наблюдают растворение осадка в обоих случаях.

NaOH с ионами хрома образует осадок гидроксида хрома Cr(OH)3 серо-зеленого цвета, который, как и Al(OH)3, обладает амфотерными свойствами и растворяется в ки­слотах и щелочах:

Cr(OH)3 + 3NaOH = Na3[Cr(OH)6]

2) Реакция с гидроксидом аммония.

К 1-2 каплям раствора соли хрома приливают 1-2 капли гидроксида аммония.

NH4OH с ионами хрома образует осадок гидроксида хрома, который частично растворяется в избытке NH4OH с образованием комплексного соединения:

Cr(OH)3 + 6NH4OH = [Cr(NH3)6](OH)3 + 6H2O.

4.3. Реакции катионов цинка (Zn2+).

1) Реакция с гидроксидом натрия.

К 2-3 каплям раствора соли цинка прибавляют сначала 1 каплю раствора щелочи, а затем его избыток. Наблюдают выпадение и последующее растворение осадка.

NaOH из растворов солей цинка осаждает студенистый осадок гидроксида цинка Zn(OH)2, который обладает амфотерными свойствами и поэтому растворяется как в кислотах, так и в щелочах:

Zn(OH)2 + 2NaOH = Na2[Zn(OH)4].

2) Реакция с гидроксидом аммония.

К 2-3 каплям раствора соли цинка прибавляют сначала 1 каплю раствора гидроксида аммония, а затем его избыток. Наблюдают выпадение осадка и последующее его рас­творение.

NH4OH с ионами цинка дает осадок гидроксида цинка, который растворяется в избытке реактива и в солях аммония. В присутствии солей аммония NH4OH совсем не осаждает ионов цинка.

Zn(OH)2 + 4NH4OH = [Zn(NH3)4](OH)2 + 4H2O

3) Реакция с ферроцианидом калия.

К 3-4 каплям раствора соли цинка прибавляют столько же реактива и смесь нагре­вают до кипения.

K4[Fe(CN)6] − ферроцианид калия или гексациано-(II) феррат калия − с ионами цинка образует белый осадок ферроцианида калия и цинка:

3ZnCl2 + 2K4[Fe(CN)6] = Zn3K2[Fe(CN)6]2↓ + 6KCl,

3Zn2+ + 2K+ + 2[Fe(CN)6]4- = Zn3K2[Fe(CN)6]2↓.

Осадок не растворим в кислотах, но растворяется в щелочах. Ионы алюминия и хрома не мешают этой реакции.

5. Действие группового реагента (2н NaOH) и частные реакции на катионы пятой группы.

5.1. Реакции катионов трехвалентного железа (Fe3+).

1) Реакция с гидроксидом натрия и гидроксидом аммония.

К 2-3 каплям раствора соли железа (III) прибавляют столько же раствора щелочи. Наблюдают образование осадка гидроксида железа красно-бурого цвета.

NaOH или NH4OH с ионами железа (III) дают красно-бурый осадок Fe(OH)3, растворимый в кислотах, но не растворимый в избытке щелочей и гидроксиде аммония.

2) Реакция с ферроцианидом калия.

К 1-2 каплям раствора соли железа (III) прибавляют столько же HCl и 2-3 капли раствора ферроцианида калия.

K4[Fe(CN)6] с ионами трехвалентного железа образует темно-синий осадок «берлинской лазури»:

4FeCl3 + 3K4[Fe(CN)6] = Fe4[Fe(CN)6]3↓ + 12KCl,

Fe3+ + 3[Fe(CN)6]4- = Fe4[Fe(CN)6]3↓.

Это характерная реакция на ион Fe3+. При действии избытком реактива получается растворимая форма «берлинской лазури»:

Fe4[Fe(CN)6]3 + K4[Fe(CN)6] = 4KFe[Fe(CN)6].

Осадок не растворим в кислотах, но разлагается щелочами с образованием Fe(OH)3:

Fe4[Fe(CN)6]3 + 12NaOH = 4Fe(OH)3↓ + 3Na4[Fe(CN)6].

3) Реакция с роданидом калия или аммония.

К 2-3 каплям раствора железа (III) прибавляют 1-2 капли раствора роданида калия или аммония.

KCNS и NH4CNS с ионами железа (III) образуют роданид железа Fe(CNS)3 кроваво-красного цвета, хорошо растворимый в воде.

5.2. Реакции катионов двухвалентного железа (Fe2+).

1) Реакция с гидроксидом натрия.

К 2-3 каплям раствора железа (II) прибавляют столько же раствора щелочи.

NaOH с ионами двухвалентного железа образуют осадок гидроксида железа (II) серозеленоватого цвета Fe(OH)2, который растворим в кислотах и в солях аммония, легко окисляется кислородом воздуха в гидроксид железа (III) бурого цвета:

4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 = 4 Fe(OH)3.

2) Реакция с феррицианидом калия.

К 2-3 каплям раствора соли двухвалентного железа прибавляют 1-2 капли раствора соляной кислоты и 2-3 капли реактива.

K3[Fe(CN)6] − феррицианид калия или гексациано- (III) феррат калия − с ионами двухвалентного железа образует темно-синий осадок турнбулевой сини:

3FeSO4 + 2K3[Fe(CN)6] = Fe3[Fe(CN)6]2↓ + 3K2SO4,

3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2↓.

5.3. Реакции катионов марганца (Mn2+).

1) Реакция с гидроксидом натрия и гидроксидом аммония.

К 2-3 каплям раствора соли двухвалентного марганца прибавляют столько же реактива. Наблюдают изменение окраски осадка при стоянии.

NaOH и NH4OH с ионами Mn2+ образуют белый осадок гидроксида Mn(OH)2, растворимого в кислотах, но не растворимого в щелочах и гидроксиде аммония. Осадок на воздухе быстро буреет вследствие окисления кислородом воздуха до марганцоватистой ки­слоты:

2Mn(OH)2 + O2 = 2H2MnO3.

2) Реакция окисления Mn2+ до MnO4- диоксидом свинца в присутствии азотной кислоты при нагревании.

В пробирку помещают 2-3 крупинки PbO2, прибавляют 4-5 капель концентрированной азотной кислоты и смесь нагревают на водяной бане. К окислительной смеси при­бавляют 1 каплю раствора MnSO4 или Mn(NO3)2 (но не MnCl2, т.к. ионы хлора ме­шают реакции), перемешивают стеклянной палочкой и снова нагревают.

2Mn(NO3)2 + 5PbO2 + 6HNO3 = 2HMnO4 + 5Pb(NO3)2 + 2H2O

2Mn2+ + 5PbO2 + 4H+ = 2MnO4- + 5Pb2+ + 2H2O

Mn2+ + 4H2O - 5e- = MnO4- + 8H+ ⎮2

PbO2 + 4H+ + 2e- = Pb2+ + 2H2O ⎮5

В присутствии большого количества марганца реакция не удается, так как образовавшаяся вначале HMnO4 восстанавливается ионами Mn2+ до H2MnO3, и вместо фиолетово-розовой окраски появляется бурый осадок H2MnO3.

5.4. Реакции катионов магния (Mg2+).

1) Реакция с гидроксидом натрия.

К 2-3 каплям раствора соли магния приливают столько же раствора щелочи.

NaOH образует с ионами Mg2+ белый аморфный осадок гидроксида, растворимый в кислотах и аммонийных солях, вследствие чего гидроксид аммония не полностью осаж­дает гидроксид магния.

2) Реакция с гидрофосфатом натрия.

К 2-3 каплям раствора соли магния приливают столько же раствора NH4OH, вы­павший осадок растворяют в растворе NH4Cl и к раствору при помешивании прибавляют по каплям Na2HPO4.

Na2HPO4 в присутствии NH4OH и NH4Cl дает с солями магния белый кристал­лический осадок двойной соли фосфата магния-аммония MgNH4PO4, растворимый в ми­неральных кислотах и уксусной кислоте:

MgCl2 + Na2HPO4 + NH4OH = MgNH4PO4↓+ 2NaCl + H2O,

Mg2+ + HPO42- + NH4OH = MgNH4PO4↓ + H2O.

6. Действие группового реагента (2н NH4OH) и частные реакции на катионы шестой группы.

6.1. Реакции катионов меди (Cu2+).

1) Реакция с гидроксидом аммония.

К 2-3 каплям раствора соли меди прибавляют 1-2 капли NH4OH, наблюдают об­разование осадка основной соли. Приливают избыток реактива до полного растворения осадка.

NH4OH с ионами меди образует зеленоватый осадок основной соли:

2CuSO4 + 2NH4OH = (CuOH)2SO4↓ + (NH4)2SO4.

Осадок растворяется в избытке реактива с образованием комплексной соли − тетраамминомедь (II) темно-синего цвета:

(CuOH)2SO4 + (NH4)2SO4 + 6NH4OH = 2[Cu(NH3)4]SO4 + 8H2O

2) Реакция с едкими щелочами.

К 4-5 каплям раствора соли меди (II) прибавляют 8-10 капель раствора щелочи и наблюдают образование осадка. Полученный осадок взбалтывают и делят на две части: одну

часть растворяют в NH4OH, а другую нагревают.

NaOH и KOH осаждают из раствора солей меди (II) голубой осадок гидроксида меди, который разлагается при нагревании на оксид меди и воду, растворяется в гидроксиде аммония с образованием соединения темно-синего цвета:

Cu(OH)2 = CuO + H2O,

Cu(OH)2 + 4NH4OH = [Cu(NH3)4](OH)2 + 4H2O.

6.2. Реакции катионов кобальта (Co2+).

1) Реакция с гидроксидом аммония.

К 2-3 каплям раствора соли кобальта прибавляют 1-2 капли NH4OH, наблюдают образование осадка основной соли. Приливают избыток реактива до полного растворения осадка.

NH4OH с ионами кобальта образует голубой осадок основной соли:

CoCl2 + NH4OH = Co(OH)Cl↓ + NH4Cl.

Осадок растворяется в избытке реактива с образованием комплексной растворимой соли [Co(NH3)6]Cl2 грязно-желтого цвета, которая окисляется воздухом в вишнево-красную растворимую соль [Co(NH3)5Cl]Cl2:

Co(OH)Cl + NH4Cl + 5NH4OH = [Co(NH3)6]Cl2 + 6H2O.

2) Реакция с едкими щелочами.

К 2-3 каплям раствора соли кобальта (II) прибавляют 4-6 капель щелочи, нагревают и наблюдают выпадение осадка. Добавляют по каплям аммиак до растворения осадка.

NaOH и KOH осаждают из раствора солей кобальта (II) голубой осадок основной соли кобальта Co(OH)Cl, который при нагревании переходит в розовый гидроксид кобальта (II) Co(OH)2, растворяющийся в избытке аммиака с образованием растворимого соедине­ния

грязно-желтого цвета [Co(NH3)6]Cl2, которое окисляется воздухом в вишнево-крас­ную растворимую соль [Co(NH3)5Cl]Cl2.

6.3. Реакции катионов никеля (Ni2+).

1) Реакция с гидроксидом аммония.

К 2-3 каплям раствора соли никеля прибавляют 1-2 капли NH4OH, наблюдают образование осадка основной соли. Приливают избыток реактива до полного растворения осадка.

NH4OH с ионами никеля образует осадок основной соли:

NiCl2 + NH4OH = Ni(OH)Cl↓ + NH4Cl.

Осадок растворяется в избытке реактива с образованием комплексной соли − гексаамминоникель (II) синего цвета:

Ni(OH)Cl + NH4Cl + 5NH4OH = 2[Ni(NH3)6]Cl2 + 6H2O.

2) Реакция с едкими щелочами.

К 4-5 каплям раствора соли никеля (II) прибавляют 8-10 капель раствора щелочи и наблюдают образование осадка. Полученный осадок взбалтывают и делят на две части: одну часть растворяют в NH4OH, а в другую по каплям добавляют бромную воду.

NaOH и KOH осаждают из раствора солей никеля (II) светло-зеленый осадок гидроксида никеля (II), который растворяется в гидроксиде аммония с образованием соединения синего цвета, а при добавлении бромной воды светло-зеленый осадок чернеет с образованием гидроксида никеля (III):

Ni(OH)2 + 6NH4OH = [Ni(NH3)6](OH)2 + 6H2O,

2Ni(OH)2 + Br2 + NaOH ⇔ Ni(OH)3↓ + 2NaBr.