1.5: Поділ катіонів на групи

Last updated
Save as PDF

Page ID: 25068

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Етапи якісного аналізу катіонів у воді

Якісний аналіз катіонів, які зазвичай зустрічаються у водному розчині, зазвичай проводиться в три етапи:

іони поділяються на більш широкі групи шляхом селективного осадження на основі їх властивостей розчинності,
іони, що входять до групи, відокремлюються зазвичай шляхом селективного розчинення опадів, і
окремі іони ідентифікуються за допомогою конкретного тесту підтвердження.

Для ^1-ї стадії, тобто поділу катіонів по групах, підбирається відповідний реагент, який вибірково осаджує певні іони, залишаючи інші іони в розчині.

Критерії вибору відповідного реагенту для селективного осадження

Відповідним реагентом є той, який:

майже повністю видаляє іони, що належать до групи, так що залишкові іони можуть не втручатися в аналіз інших іонів, що залишилися в розчині,
не повинні осаджувати частку іонів, які не належать до відокремлюваної групи, і
не повинен залишати після себе зустрічний іон, який не заважає в аналізі інших іонів.

Реагенти додаються в такому порядку, щоб першим додавався найбільш селективний реагент, той, який випадає в осад найменшу кількість іонів.

Чотирнадцять поширених катіонів, виявлених у воді, які відібрані в цих вправах, розділені на п'ять груп.

Група I включає свинець II (\(\ce{Pb^{2+}}\)), ртуть (I\(\ce{Hg2^{2+}}\)) () та срібло (I) (\(\ce{Ag^{+}}\)), які вибірково осаджуються у вигляді хлоридів шляхом додавання 6M\(\ce{HCl}\) до суміші.

\[\ce{HCl + H2O(l) -> H3O^{+}(aq) + Cl^{-}(aq)}\nonumber\]

\(\ce{HCl}\)розчин вибирають як реагент для I групи виходячи з фактів: i) він є джерелом хлориду (\(\ce{Cl^{-}}\)) іона, який є найбільш селективним реагентом, що робить нерозчинні солі тільки з\(\ce{Pb^{2+}}\)\(\ce{Hg2^{2+}}\), і\(\ce{Ag^{+}}\) (нагадаємо розчинні іони правило #3 описане в розділі 1.1), ii) залишає за\(\ce{H3O^{+}}\) цим робить розчин кислим, що корисно для відділення катіонів наступної групи.

Група II включає олово (IV) (\(\ce{Sn^{4+}}\)), кадмій (II) (\(\ce{Cd^{2+}}\)), мідь (II) (\(\ce{Cu^{2+}}\)) та вісмут (III) (\(\ce{Bi^{3+}}\)), які вибірково осаджуються у вигляді сульфідів шляхом додавання\(\ce{H2S}\) реагенту в кислому середовищі. \(\ce{H2S}\)є джерелом сульфідних (\(\ce{S^{2-}}\)) іонів у воді:

\[\ce{H2S(aq) + 2H2O(l) -> 2H3O^{+}(aq) + S^{2-}(aq)}\nonumber\]

\(\ce{S^{2-}}\)Іон робить нерозчинні солі з багатьма катіонами, як зазначено правилом нерозчинних іонів #1 у розділі 1.1, тобто «Гідроксид (\(\ce{OH^{-}}\)) та сульфіди (\(\ce{S^{2-}}\)) нерозчинні, за винятком випадків, коли катіон є важким іоном лужноземельних металів:\(\ce{Ca^{2+}}\)\(\ce{Ba^{2+}}\),\(\ce{Sr^{2+}}\), і, або іон лужного металу, або нашатирний спирт».

\(\ce{H2S}\)в кислому середовищі вибирається в якості джерела\(\ce{S^{2-}}\) якого є реагент для селективного осадження II групи, тому що концентрацію\(\ce{S^{2-}}\) можна регулювати регулюванням рН. Кисле середовище має більш високу [\(\ce{H3O^{+}}\)], що зменшується\(\ce{S^{2-}}\) через загальний іонний ефект\(\ce{HeO{+}}\) іона. Тому серед сульфідних нерозчинних солей вибірково випадають тільки катіони II групи, що мають дуже низьку розчинність.

Група III включає хром (III) (\(\ce{Cr^{3+}}\)), залізо (II) (\(\ce{Fe^{2+}}\)), залізо (III) () та нікель (II\(\ce{Fe^{3+}}\)) (\(\ce{Ni^{2+}}\)), селективно осаджуваний у вигляді нерозчинних гідроксидів та сульфідів шляхом додавання\(\ce{H2S}\) в лужному середовищі з рН, що підтримується на рівні ~ 9 за\(\ce{NH3}\)/\(\ce{NH4^{+}}\)буфером.

\(\ce{H2S}\)в лужному середовищі є реагентом для селективного осадження катіонів III групи.

Коли рН встановлюється на рівні 9\(\ce{NH3}\)\(\ce{NH4^{+}}\) в/буфер,\(\ce{OH^{-}}\) концентрація досить висока, щоб осаджувати катіони III групи як нерозчинний гідроксид, за винятком нікелю, який утворює розчинний координаційний комплексний іон з аміаком. При\(\ce{H2S}\) додаванні в лужне середовище він виробляє більш високу концентрацію\(\ce{S^{2-}}\) завдяки виведенню\(\ce{H3O^{+}}\) з її рівноваги шляхом реагування з\(\ce{OH^{-}}\):

\[\ce{H3O^{+}(aq) + OH^{-}(aq)-> 2H2O(l)} \nonumber\]

Всі катіони III групи перетворюються в нерозчинні сульфіди, крім хрому.

IV групи складаються з кальцію (\(\ce{Ca^{2+}}\)) та барію (\(\ce{Ba^{2+}}\)) селективно осаджують у вигляді нерозчинних карбонатів шляхом додавання карбонату амонію (\(\ce{(NH4)2CO3}\)) як джерела карбонату (\(\ce{CO3^{2-}}\)) іона:

\[\ce{(NH4)2CO3(s) + 2H2O <=> 2NH4^{+}(aq) + CO3^{2-}(aq)}\nonumber\]

\(\ce{CO3^{2-}}\)Іон робить нерозчинні солі з багатьма катіонами, як зазначено в правилі нерозчинних іонів #2 у розділі 1.1, тобто «Карбонати (\(\ce{CO3^{2-}}\)), фосфати (\(\ce{PO4^{3-}}\)) та оксид (\(\ce{O^{2-}}\)) нерозчинні, за винятком випадків, коли катіон є іоном лужного металу або аміаком». Всі інші іони вже були осаджені на цій стадії в групах I, II і III, крім катіонів IV групи і іонів лужних металів.

\(\ce{CO3^{2-}}\)Іон є селективним реагентом для катіонів IV групи, оскільки

Група V включає іони лужних металів, тобто натрій (\(\ce{Na^{+}}\)) і калій (\(\ce{K^{+}}\)) в суміші відібраних іонів. Згідно з правилом розчинних іонів #1 в розділі 1.1, іони лужних металів і амонію утворюють розчинні солі. Так, катіони V групи залишаються в розчині після видалення катіонів I, II, III і IV груп як нерозчинні, хлоридні, сульфідні в кислому середовищі, сульфідні в основному середовищі і карбонати відповідно.

Поділ катіонів на групи, поряд з поділом іонів всередині групи і їх підтверджуючі тести докладно описані в наступних розділах. На наведеній нижче блок-схемі показано резюме поділу загальних катіонів у воді на п'ять груп.