3.1: Поділ катіонів I групи

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 3: Катіони I групи
- 3.2: Поділ та підтвердження окремих іонів у осадах групи I

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Селективне осадження набору групи I, тобто свинцю (II) ( $\ce{Pb^{2+}}$ ), ртуті (I) ( $\ce{Hg2^{2+}}$ ) та срібла (I) ( $\ce{Ag^{+}}$ ) засноване на правилі розчинних іонів #3 у керівництвах щодо розчинності в розділі 1.1, де зазначено: «Солі хлориду ( $\ce{Cl^{-}}$ ), броміду ( $\ce{Br^{-}}$ ) та йодиду ( $\ce{I^{-}}$ ) розчинні, крім випадків, коли катіоном є Свинець ( $\ce{Pb^{2+}}$ ), Меркурій ( $\ce{Hg2^{2+}}$ ) або Срібло ( $\ce{Ag^{+}}$ ). Найкращим джерелом $\ce{Cl^{-}}$ для осадження катіонів групи 1 з досліджуваного розчину є $\ce{HCl}$ , оскільки це сильна кислота, яка повністю дисоціює у воді виробляє $\ce{Cl^{-}}$ і $\ce{H3O^{+}}$ іони, обидва не беруть участі в будь-яких небажаних реакціях в умовах.

$\ce{K_{sp}}$ Вираз використовується для обчислення $\ce{Cl^{-}}$ того, що буде достатньо для осаду катіонів групи 1. Молярну концентрацію іонів хлориду тобто, [ $\ce{Cl^{-}}$ ], в моль/літр в насиченому розчині іонної сполуки можна обчислити шляхом перестановки їх відповідної $\ce{K_{sp}}$ експресії. Наприклад, для $\ce{AgCl}$ вирішення, $\mathrm{K}_{\mathrm{sp}}=\left[\mathrm{Ag}^{+}\right]\left[\mathrm{Cl}^{-}\right]$ переставляє на:

$\left[\mathrm{Cl}^{-}\right]=K_{s p} /\left[\mathrm{Ag}^{+}\right]\nonumber$

і для $\ce{PbCl2}$ розв'язку K _sp = [Pb ² ⁺] [Cl ^-] ² переставляє на:

$\left[C l^{-}\right]=\sqrt{K_{s p} /\left[P b^{2+}\right]}\nonumber$

Концентрація іонів у невідомому зразку становить ~ 0,1 М. Підключення значення 0,1 М для $\ce{Pb^{2+}}$ наведеного вище рівняння показує, що [ $\ce{Cl^{-}}$ ] в насиченому розчині, що має 0,1 М, $\ce{Pb^{2+}}$ становить 1,3 х 10 ^-2 М:

$\left[C l^{-}\right]=\sqrt{K_{s p} /\left[P b^{2+}\right]}=\sqrt[2]{1.6 \times 10^{-5} / 0.1}=1.3 \times 10^{-2} \mathrm{M}\nonumber$

Це означає, що $\ce{Cl^{-}}$ концентрація до 1,3 х 10 ^-2 М не викличе опадів з 0,1 М $\ce{Pb^{2+}}$ розчину. Збільшення $\ce{Cl^{-}}$ вище 0,013М видалить $\ce{Pb^{2+}}$ з розчину як $\ce{PbCl2}$ осад. Якщо потрібне видалення 99,9%, то в розчині $\ce{Pb^{2+}}$ залишиться 1,0 х 10 ^-4 М і [ $\ce{Cl^{-}}$ ] доведеться підняти до 0,40 М:

$\left[C l^{-}\right]=\sqrt[2]{K_{s p} /\left[P b^{2+}\right]}=\sqrt[2]{1.6 \times 10^{-5} / 1.0 \times 10^{-4}}=0.40 \mathrm{M}\nonumber$

Розчинність $\ce{Hg2Cl2}$ і $\ce{AgCl}$ менше, ніж у $\ce{PbCl2}$ . Так, 0,40М $\ce{Cl^{-}}$ видалить більше 99,9% $\ce{Hg2^{2+}}$ і $\ce{Ag^{+}}$ з розчину.

Проба з 20 крапель водного розчину становить близько 1 мл. У цих експериментах ~ 15 крапель досліджуваного розчину збирають в пробірку і $\ce{HCl}$ змішують з розчином від 3 до 4 крапель 6М. Це призводить до отримання близько 0,9 мл загального розчину, що містить від 1 до 1,3 М $\ce{Cl^{-}}$ , що більш ніж удвічі перевищує концентрацію, необхідну для випадання 99,9% катіонів групи 1.

Концентрований реагент (6М $\ce{HCl}$ ) використовується для мінімізації розведення досліджуваного зразка, оскільки розчин центрифугують, а супернатант, який відокремлюється декантацією, використовується для аналізу решти катіонів. 12M $\ce{HCl}$ доступний, але він не використовується, оскільки він є більш небезпечним реагентом через більш концентровану сильну кислоту, а також тому, що якщо $\ce{Cl^{-}}$ концентрація підвищена до 5 М або вище в досліджуваному розчині, він може повторно розчинятися $\ce{AgCl}$ , утворюючи водорозчинний [ $\ce{AgCl2}$ ] ^- комплексний іон.

Додавання $\ce{HCl}$ викликає осадження катіону групи 1 у вигляді молочно-білої суспензії, як показано на малюнку $\PageIndex{1}$ та рівняннями хімічних реакцій нижче. Осади можуть бути розділені гравітаційною фільтрацією, але більш ефективного поділу можна досягти, піддаючи суспензію центрифузі в пробірці. Відцентрова сила змушує тверду суспензію осідати і упакувати на дні пробірки, з якої можна вилити прозорий розчин, званий супернатантом - процес, званий декантацією. Осад повторно суспендують у чистій воді шляхом перемішування чистим скляним стрижнем, центрифугують і знову зціджують, щоб вимити залишкові домішки. Промитий осад використовують для відділення і підтвердження катіонів групи 1 і супернатант зберігають для аналізу катіонів 2, 3, 4 і 5 групи.

$\ce{ Pb^{2+}(aq) + 2Cl^{-}(aq) <=> PbCl2(s)(v)}\nonumber$

$\ce{Hg2^{2+}(aq) + 2Cl^{-}(aq) <=> Hg2Cl2(s)(v)}\nonumber$

$\ce{ Ag^{+}(aq) + Cl^{-}(aq) <=> AgCl(s)(v)}\nonumber$

Білі опади катіонів I групи — Малюнок $\PageIndex{1}$ : Осади катіонів I групи утворюються у вигляді суспензії при додаванні $\ce{HCl}$ крапель до досліджуваного зразка (зліва), осад відокремлюється у вигляді гранул на дні пробірки центрифугуванням з прозорим супернатантом у верхній (середній), а осад ресуспендується при промиванні рідина (праворуч).

Осад, відокремлений центрифугуванням від супернатанта — Малюнок $\PageIndex{1}$ : Осади катіонів I групи утворюються у вигляді суспензії при додаванні $\ce{HCl}$ крапель до досліджуваного зразка (зліва), осад відокремлюється у вигляді гранул на дні пробірки центрифугуванням з прозорим супернатантом у верхній (середній), а осад ресуспендується при промиванні рідина (праворуч).