4.2: Поділ та підтвердження окремих іонів у осадах II групи

Поділ і підтвердження іона олова (IV)

Серед сульфідів II групи тільки\(\ce{SnS2}\) є амфотерним і реагує з\(\ce{OH^{-}}\) іонами в лужному середовищі з утворенням\(\ce{[Sn(OH)6]^{2-}}\) -координаційного комплексу аніону та іона станату\(\ce{[SnS3]^{2-}}\), обидва є водорозчинними. 3M\(\ce{KOH}\) змішується з осадами іонів II групи і суміш нагрівається розчинити\(\ce{SnS2}\) через наступну реакцію рівноваги:

\[\ce{3SnS2(s, yellow) + 6OH^{-}(aq) <=> [Sn(OH)6]^{2-}(aq) + 2[SnS3]^{2-}(aq)}\nonumber\]

Гарячий розчин центрифугують і декантують, щоб відокремити супернатант, який містить\(\ce{[Sn(OH)6]^{2-}}\) і\(\ce{[SnS3]^{2-}}\) розчинений в ньому, і осад, який містить сульфіди інших катіонів II групи, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\). Кращим підходом є відокремлення супернатанта шляхом аспірації за допомогою технології бавовняної пробки, щоб уникнути забруднення опадів у супернатанті.

 

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Супернатант містить\(\ce{[Sn(OH)6]^{2-}}\) і\(\ce{[SnS3]^{2-}}\) (ліва пробірка) і чорнуватий осад (права пробірка), що містить суміш\(\ce{CdS}\) (жовто-оранжевий),\(\ce{CuS}\) (чорно-коричневий) і\(\ce{Bi2S3}\) (чорний).

 

Вищевказана реакція є оборотною, що означає видалення\(\ce{OH^{-}}\) з супернатанта реакцією кислотно-лужної нейтралізації рухає рівновагу в зворотному напрямку, відтворюючи жовтий\(\ce{SnS2}\) осад, як показано на малюнку\(\PageIndex{2}\).

\[\ce{[Sn(OH)6]^{2-}(aq) + 2[SnS3]^{2-}(aq) <=> 3SnS2(s, yellow) + 6OH^{-}(aq)}\nonumber\]

\[\ce{6HCl(aq) + 6OH^{-}(aq) <=> 6H2O(l) + 6Cl^{-}(aq)}\nonumber\]

\[\text{Overall reaction: }\ce{~6HCl(aq) + [Sn(OH)6]^{2-}(aq) + 2[SnS3]^{2-}(aq) <=> 3SnS2(s, yellow) + 6H2O(l)}\nonumber\]

 

Малюнок\(\PageIndex{2}\):\(\ce{Sn^{4+}}\) жовтий осад, що підтверджує присутність\(\ce{Sn^{4+}}\) в досліджуваному зразку.

 

Деякі сульфіди можуть бути втрачені внаслідок окислення повітря\(\ce{H2S}\) наступною реакцією:

\[\ce{2H2S(aq) + O2(g) <=> 2S(s, whitish-yellow) + 2H2O(l)}\nonumber\]

Для компенсації втрати сульфіду також додають 1М розчин тіоацетаміду разом з 6М\(\ce{HCl}\) до супернатанту і суміш нагрівають для реформування жовтого\(\ce{SnS2}\) осаду, що підтверджує наявність\(\ce{Sn^{4+}}\) в досліджуваному розчині. Зверніть увагу, що обидва S і\(\ce{SnS2}\) є жовтими твердими речовинами. Додайте\(\ce{KOH}\) розчин 3M до суміші, щоб знову перетворити його лужним,\(\ce{SnS2}\) осад знову розчиниться, підтверджуючи\(\ce{Sn^{4+}}\) присутність у тестовому розчині. \(\ce{S}\)Частинки не будуть повторно розчинятися.

 

Поділ і підтвердження іона кадмію (II)

\(\ce{CdS}\)є найбільш розчинним сульфідом серед сульфідних опадів II групи. Згідно з принципом Ле Шательє, видалення продуктів, тобто\(\ce{Cd^{2+}}\) і реакції\(\ce{S^{2-}}\) розчинення в цьому випадку, рухає реакцію вперед. \(\ce{CdS}\)можна повторно розчинити, додаючи 1M\(\ce{HCl}\) до опадів після видалення\(\ce{Sn^{4+}}\). Дисоціація\(\ce{HCl}\) виробляє\(\ce{H3O^{+}}\) у воді, яка видаляє S ^2-, утворюючи\(\ce{H2S}\) яку є слабкою кислотою. У той же час Cl ^- видаляє\(\ce{Cd^{2+}}\) b y утворює розчинний координаційний комплекс аніон\(\ce{[CdCl4]^{2-}}\), який є досить стабільним при\(K_f\) = 6,3 × 10 ²:

\[\ce{CdS(s, yellow-orange) <=> Cd^{2+}(aq) + S^{2-}(aq)}\nonumber\]

\[\ce{4HCl(aq) + 4H2O(l) <=> 4H3O^{+}(aq) + 4Cl^{-}(aq)}\nonumber\]

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

\[\ce{Cd^{2+}(aq) + 4Cl^{-}(aq) <=> [CdCl4]^{2-}(aq)}\nonumber\]

\[\text{Overall reaction:} \ce{~CdS(s, yellow-orange) + 4HCl(aq) + 2H2O(l) <=> [CdCl4]^{2-}(aq) + 2H3O^{+}(aq) +H2S(aq)}\nonumber\]

\(\ce{CdS}\)Розчиненню сприяє нагрівання реакційної суміші. Решта катіони II групи, тобто\(\ce{CuS}\) і\(\ce{Bi2S3}\) дуже нерозчинні і не розчиняються в цих умовах. Розчин центрифугують і декантують або аспірують, щоб відокремити супернатант, який містить,\(\ce{[CdCl4]^{2-}}\) і осад, який містить\(\ce{CuS}\) та/або\(\ce{Bi2S3}\) якщо\(\ce{Cu^{2+}}\) і/або\(\ce{Bi^{3+}}\) присутні. Осад, як правило, переходить у супернатант, тому техніка бавовняної пробки необхідна, щоб запобігти потраплянню опадів у супернатант під час поділу, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\).

 

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Чистий супернатант,\(\ce{[CdCl4]^{2-}}\) що містить аспірацію в присутності вільно упакованих\(\ce{CuS}\) і\(\ce{Bi2S3}\) осад за допомогою бавовняної пробки в гирлі пасовищної піпетки.

 

Всі реакції, що відповідають за розчинення\(\ce{CdS}\), оборотні. Додавання\(\ce{HCl}\) розчиняється\(\ce{CdS}\) шляхом переміщення рівноваги вперед і видалення\(\ce{HCl}\) рухається рівновага в зворотному напрямку до реформування жовтого\(\ce{CdS}\) осаду. Аміак\(\ce{NH3}\) - це така основа, яка видаляє\(\ce{HCl}\) л:

\[\ce{HCl(aq) + NH3(aq) <=> NH4Cl(aq)}\nonumber\]

6М\(\ce{NH3}\) розчин додають краплю за краплею при перемішуванні і тестують червоно-лакмусовим папером, поки розчин не стане лужним. Якщо утворюється жовтий осад, то це\(\ce{CdS}\) підтверджує\(\ce{Cd^{2+}}\) наявність в досліджуваному розчині:

\[\ce{[CdCl4]^{2-} +2H3O^{+} + H2S(aq) + 4NH3(aq)<=> CdS(s, yellow-orange)(v) +4NH4^{+}(aq) + Cl^{-} + 2H2O(l)}\nonumber\]

Якщо осад не утворюється, додайте 1М тіоацетаміду і нагрійте, щоб заповнити будь-які втрати\(\ce{S^{2-}}\) в розчині. Якщо утворюється жовтий осад, то\(\ce{Cd^{2+}}\) це\(\ce{CdS}\) підтверджує присутність в тестовому розчині, як показано на рис\(\PageIndex{4}\).

 

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Жовтий осад,\(\ce{CdS}\) що підтверджує наявність\(\ce{Cd^{2+}}\) в досліджуваному зразку.

 

Поділ та підтвердження іона міді (II) та іона вісмуту (III)

Після видалення\(\ce{Sn^{4+}}\) і\(\ce{Cd^{2+}}\), якщо залишився осад, він може бути\(\ce{CuS}\) і/або\(\ce{Bi2S3}\), які є найменш розчинними сульфідами в групі II. Для розчинення\(\ce{CuS}\) і\(\ce{Bi2S3}\), що знаходяться\(\ce{S^{2-}}\) в продуктах потрібно видалити в більшій мірі, ніж в разі\(\ce{CdS}\) повторного розчинення.

Азотна кислота забезпечує\(\ce{NO3^{2-}}\), який є сильним окислювачем, який може видалити\(\ce{S^{2-}}\) достатню для руху рівноваги вперед для розчинення\(\ce{CuS}\) і\(\ce{Bi2S3}\).

\[\ce{Bi2S3(s, black) <=> 2Bi^{3+}(aq) + 3S^{2-}(aq)}\nonumber\]

\[\ce{3S^{2-}(aq) + 2NO3^{-}(aq) + 8H3O^{+}(aq) <=> 3S(s, yellow)(v) + 2NO(g)(^) + 12H2O(l)}\nonumber\]

\[\text{Overall reaction:}\ce{~Bi2S3(s, black) + 2NO3^{-}(aq) + 8H3O^{+}(aq) <=> 3S(s, yellow)(v) + 2Bi^{3+}(aq) + 2NO(g)(^) + 12H2O(l)}\nonumber\]

\[\ce{3CuS(s, black-brown) <=> 3Cu^{2+}(aq) + 3S^{2-}(aq)}\nonumber\]

\[\ce{3S^{2-}(aq) + 2NO3^{-}(aq) + 8H3O^{+}(aq) <=> 3S(s, yellow)(v) + 2NO(g)(^) + 12H2O(l)}\nonumber\]

\[\text{Overall reaction:}\ce{~3CuS(s, black-brown) + 2NO3^{-}(aq) + 8H3O^{+}(aq) <=> 3S(s, yellow)(v) + 2Cu^{2+}(aq) + 2NO(g)(^) + 12H2O(l)}\nonumber\]

Суміш підігрівають для посилення вищевказаних реакцій. \(\ce{S^{2-}}\)Окислюється до твердих світло-жовтих забарвлених частинок сірки. Бурого кольору пари спостерігаються над розчином в результаті окислення повітря оксиду азоту (\(\ce{NO}\)), який випаровується з розчину, як показано на малюнку\(\PageIndex{5}\):

\[\ce{2NO(g) + O2(g) <=> 2NO2(g, red-brown)}\nonumber\]

 

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Жовтий осад сірки, зважений в рідкій суміші, і коричневий\(\ce{NO2}\) газ над рідкою сумішшю, коли\(\ce{CuS}\) і\(\ce{Bi2S3}\) осад нагрівається азотною кислотою.

 

Видалення\(\ce{NO}\) і\(\ce{S^{2-}}\) з продуктів призводить реакцію в прямому напрямку на основі принципу Le Chatelier.

Твердий осад сірки видаляють центрифугуванням з подальшим декантацією.

Супернатант кислий і виглядає світло-блакитним, якщо присутні іони міді, як показано на малюнку\(\PageIndex{6}\).

 

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Суміш іонів міді і вісмуту в супернатанті після видалення сірчаного осаду.

 

Якщо розчин роблять лужним\(\ce{Cu^{2+}}\), і\(\ce{Bi^{3+}}\) утворюють тверді гідроксиди. Однак водний аміак (\(\ce{NH3}\)) вибірково випадає в осад\(\ce{Bi(OH)3}\), зберігаючи мідь, розчинену як комплексні іони координації,\(\ce{[Cu(NH3)4]^{2+}}\):

\[\ce{Bi^{3+}(aq) + 3NH3(aq) + 3H2O(l) <=> Bi(OH)3(s, white)(v) + 3NH4^{+}(aq)}\quad  K = 3.3\times10^{39}\nonumber\]

\[\ce{Cu^{2+}(aq) + 4NH3(aq) <=> [Cu(NH3)4]^{2+}(aq, blue)}\quad  K = 3.8\times10^{12}\nonumber\]

Розчин роблять лужним шляхом додавання 6М по\(\ce{NH3}\) краплях і тестують за допомогою червоно-лакмусового паперу. Надлишки\(\ce{NH3}\) розчину додають, щоб переконатися, що будь-які залишки\(\ce{Cd^{2+}}\) також видаляються як\(\ce{[Cu(NH3)4]^{2+}}\)_. Якщо супернатант синіє, роблячи його лужним з аміаком,\(\ce{Cu^{2+}}\) він підтверджує присутність в досліджуваному зразку, як показано на рис\(\PageIndex{7}\). Наявність залишкового\(\ce{Cd^{2+}}\) не заважає, оскільки він утворює безбарвний\(\ce{[Cu(NH3)4]^{2+}}\) іон.

 

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Підтвердження випробування міді, тобто розчин став темно-синім завдяки\(\ce{[Cu(NH3)4]^{2+}}\) іонам при перетворенні лужної з аміаком. Розчин мутний через\(\ce{Bi(OH)3}\) осад (зліва), і стає прозорим після видалення\(\ce{Bi(OH)3}\) методом центрифугування (праворуч).

 

Суміш центрифугують і зціджують, щоб відокремити білий осад\(\ce{Bi(OH)3}\), але, якщо додавання аміаку було недостатньо, з будь-яких залишкових\(\ce{Cd^{2+}}\) іонів також\(\ce{Cd(OH)2}\) може утворитися білий колір:

\[\ce{Cd^{2+}(aq) + 2NH3(aq) + 2H2O(l)<=> Cd(OH)2(s, white)(v) + 2NH4^{+}}\nonumber\]

Осад повторно суспендують в 6M\(\ce{NH3}\) для повторного розчинення\(\ce{Cd(OH)2}\), якщо є такий присутній. \(\ce{Bi(OH)3}\)осад не розчиняється в 6М\(\ce{NH3}\). Якщо білий осад зберігається після промивання з 6М\(\ce{NH3}\)\(\ce{Bi^{3+}}\) це підтверджує присутність в тестовому розчині, як показано на рис\(\PageIndex{8}\).

 

Малюнок\(\PageIndex{8}\):\(\ce{Bi(OH)3}\) осад після промивання з 6М\(\ce{NH3}\), що підтверджує наявність\(\ce{Bi^{3+}}\) в досліджуваному зразку.