5.2: Поділ та підтвердження, якщо окремі іони в групі III випадають в осад

Last updated
Save as PDF

Page ID: 25070

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

Розділення та підтвердження іона нікелю (II)

Кислотоподібно\(\ce{HCl}\) розчиняє опади катіонів III групи\(\ce{Cr(OH)3(s, gray-green)}\)\(\ce{Fe2Se3(s, yellow-green)}\), тобто,\(\ce{FeS(s, black)}\), і, шляхом наступного ряду реакцій:

\[\ce{Cr(OH)3(s, gray-green) <=> Cr^{3+}(aq) + 3OH^{-}(aq)}\nonumber\]

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

\[\ce{Fe2S3(s, yellow-green) <=> 2Fe^{3+}(aq) + 3S^{2-}(aq)}\nonumber\]

\[\ce{2Fe^{3+}(aq) + 2S^{2-}(aq) + 2H3O^{+} <=> 2Fe^{2+}(aq) + H2S(aq) + S(s) + 2H2O(l)}\nonumber\]

\[\ce{3OH^{-}(aq) + 3H3O^{+} <=> + 6H2O(l)}\nonumber\]

\[\ce{3S^{2-}(aq) + 6H3O^{+} <=> 3H2S(aq) + 6H2O(l)}\nonumber\]

\[\text{Overall reaction:}\ce{~Cr(OH)3(s, gray-green) + FeS(s, black) + Fe2S3(s, yellow-green) + 11H3O^{+} <=> Cr^{3+}(aq) + 3Fe^{2+}(aq) + 4H2S(aq) + S(s) + 14H2O(l)}\nonumber\]

Видалення основних\(\ce{OH^{-}}\) і\(\ce{S^{2-}}\) іонів з продуктів кислотно-лужною нейтралізацією призводить ці реакції в прямому напрямку. \(\ce{Fe^{3+}}\)зводиться до\(\ce{Fe^{2+}}\)\(\ce{S^{2-}}\) під кислим станом.

Розчинність\(\ce{NiS}\) дуже низька, і вона не розчиняється в неокислювальній кислоті, як\(\ce{HCl}\).

Тому супернатант, відокремлений на цій стадії, містить\(\ce{Cr^{3+}}\) ^{\(\ce{Fe^{2+}}\)}і осад, якщо він присутній\(\ce{NiS}\), як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\).

Сульфід нікелю (II) залишається у вигляді осаду, коли решта опадів III групи розчиняються в HCl — Рис.\(\PageIndex{1}\): Суміш III групи після нагрівання\(\ce{HCl}\) розчином (праворуч),\(\ce{NiS}\) осад (середній), і супернатант, що містить\(\ce{Cr^{3+}}\) і\(\ce{Fe^{2+}}\) (праворуч), відокремлений аспірацією методом бавовняної пробки після центрифугування.

Сульфідний осад нікелю (II), відокремлений центрифугуванням від супернатанта, що містить скидання катіонів III групи. — Рис.\(\PageIndex{1}\): Суміш III групи після нагрівання\(\ce{HCl}\) розчином (праворуч),\(\ce{NiS}\) осад (середній), і супернатант, що містить\(\ce{Cr^{3+}}\) і\(\ce{Fe^{2+}}\) (праворуч), відокремлений аспірацією методом бавовняної пробки після центрифугування.

Aqua regia, тобто суміш\(\ce{HCl}\) і\(\ce{HNO3}\), може розчиняти\(\ce{NiS}\) осад, видаляючи\(\ce{Ni^{2+}}\) як розчинний координаційний аніон\(\ce{[NiCl4]^{2-}}\) і, в той же час, видаляючи\(\ce{S^{2-}}\) шляхом його окислення, використовуючи в\(\ce{NO3^{-}}\) якості окислювача в кислому середовищі.

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

\[\ce{Ni^{2+}(aq) + 4Cl^{-}(aq) <=> [NiCl4]^{2-}(aq)}\nonumber\]

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

Оксид азоту (\(\ce{NO}\)) випаровується з рідкої суміші, далі рухаючи рівновагу в прямому напрямку. Велика частина\(\ce{NO}\) в окислюється до діоксиду азоту (\(\ce{NO2}\)), який утворює пари коричневого кольору над рідкою сумішшю, як показано на малюнку\(\PageIndex{2}\):

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

Сульфід нікелю (II) розчиняється в акварегіоні, і, в той же час сульфід перетворюється на жовті частинки сірки, а нітровані оксиди в оксид ніту, який перетворюється в коричневий колір газу діоксиду азоту. — Малюнок\(\PageIndex{2}\):\(\ce{NiS}\) розчиняється в акварегіоні як\(\ce{[NiCl4]^{2-}}\) координаційний аніон,\(\ce{S^{2-}}\) окислюється до жовтуватих\(\ce{S}\) частинок,\(\ce{NO3^{-}}\) відновлюється до\(\ce{NO}\) і потім окислюється до коричневого кольору газу\(\ce{NO2}\) в повітрі над сумішшю.

Осади S видаляються центрифугуванням і декантацією. \(\ce{[NiCl4]^{2-}}\)Координаційний аніон перетворюється на координаційний катіон [Ni (NH ₃)] ²⁺, роблячи розчин лужним шляхом додавання аміаку:

\[\ce{[NiCl4]^{2-}(aq) + 6NH3(aq) <=> [Ni(NH3)6]^{2+}(aq, blue) + 4Cl^{-}(aq)}\nonumber\]

Диметилгліоксим\(\ce{(CH3)2C2(NOH)2}\) - ліганд, який здатний утворювати дві координатні ковалентні зв'язку з іонами перехідних металів. Такі ліганди\(\ce{Cl^{-}}\), як, тощо\(\ce{NH3}\)\(\ce{H2O}\), які утворюють одну координатну ковалентну зв'язок з перехідними металами, називаються монодентатом, а хелати, такі як диметилгліоксим, утворюють дві координатні ковалентні зв'язки, називаються бідентатом. Ліганди, які можуть утворювати дві або більше координатних ковалентних зв'язків, називаються хелатами або хелатирующими агентами. Координаційні комплекси з хелатами зазвичай більш стійкі, тобто мають більш високі константи освіти, ніж з монозубчастими лігандами.

Додавання диметилгліоксима\(\ce{(CH3)2C2(NOH)2}\) до рідкої суміші, що міститься\(\ce{[Ni(NH3)6]^{2+}}\) в лужному середовищі, утворює нерозчинне координаційне з'єднання\(\ce{NiC8H14O4}\), яке відокремлюється у вигляді осаду червоного кольору, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\):

Нікель хлорид комплекс аніон — Рис.\(\PageIndex{3}\): Прозорий розчин, що містить\(\ce{[Ni(NH3)6]^{2+}}\) іони, отримані після розчинення\(\ce{NiS}\) в акварегіоні (зліва), [\(\ce{[NiCl4]^{2-}}\)перетворюється в\(\ce{[Ni(NH3)6]^{2+}}\) розчин лужним шляхом додавання аміаку (середнього), і червоний осад, що\(\ce{NiC8H14O4}\) утворюється при додаванні диметилгліоксима в розчин.

Нікель-аміачний комплекс катіон утворюється шляхом додавання аміаку до комплексу хлориду — Рис.\(\PageIndex{3}\): Прозорий розчин, що містить\(\ce{[Ni(NH3)6]^{2+}}\) іони, отримані після розчинення\(\ce{NiS}\) в акварегіоні (зліва), [\(\ce{[NiCl4]^{2-}}\)перетворюється в\(\ce{[Ni(NH3)6]^{2+}}\) розчин лужним шляхом додавання аміаку (середнього), і червоний осад, що\(\ce{NiC8H14O4}\) утворюється при додаванні диметилгліоксима в розчин.

Структура хелатного агента диметилгліоксиму та його координаційний комплекс з нікелем проілюстровано на малюнку\(\PageIndex{4}\) нижче.

Структура комплексу диметилгліоксиму та нікель-диметилгліоксиму — Рисунок\(\PageIndex{4}\): Реакція\(\ce{Ni^{2+}}\) з диметилгліоксимом, що утворює координаційну сполуку червоного кольору в тесті підтвердження іона нікелю. У виробі показані чотири координатні ковалентні зв'язки, утворені в комплексі між атомами нікелю та азоту шляхом пожертвування одиночної пари електронів на азот.

Освіта осаду червоного кольору при додаванні диметилгліоксиму на цій стадії підтверджує наявність іона нікелю в досліджуваному зразку.

Розділення і підтвердження іонів заліза

Супернатант, що містить\(\ce{Fe^{2+}}\) і\(\ce{Cr^{3+}}\) іони, відокремлюють від\(\ce{NiS}\) осаду після додавання\(\ce{HCl}\) в осад катіонів III групи. Супернатант роблять лужним до рН від 9 до 10 шляхом додавання розчину аміаку. Папір pH використовується для визначення рН. Перекис водню (\(\ce{H2O2}\)) додають як окислювач в лужний розчин. \(\ce{Fe^{2+}}\)окислюється\(\ce{Fe^{3+}}\) і випадає в осад як іржаво-коричнева тверда\(\ce{Fe(OH)3}\) речовина і\(\ce{Cr^{3+}}\) окислюється до розчинного хромат-іона (\(\ce{CrO4^{2-}}\)) за цієї умови:

\[\ce{2Fe^{2+}(aq) + H2O2(aq) <=> 2Fe^{3+}(aq) + 2OH^{-}(aq)}\nonumber\]

\[\ce{Fe^{3+}(aq) + 3OH^{-}(aq) <=> Fe(OH)3(s, rusty-brown)(v)}\nonumber\]

\[\ce{2Cr^{3+}(aq) + 3H2O2(aq) + 10OH^{-}(aq) <=> 2CrO4^{2-}(aq) + 8H2O(l)}\nonumber\]

Суміш центрифугують для відділення супернатант, що містить\(\ce{CrO4^{2-}}\) іони і осад, що містить іржаво-коричневий осад\(\ce{Fe(OH)3}\), як показано на малюнку\(\PageIndex{5}\).

Розчин, що містить Fe2+ і Cr3+, виготовляють лужним до рН від 9 до 10 — Рис.\(\PageIndex{5}\): Розчин, що містить\(\ce{Fe^{2+}}\) і\(\ce{Cr^{3+}}\) виготовляється лужним до рН 9 - 10 шляхом додавання аміаку (зліва),\(\ce{Fe^{2+}}\) окислюється і осаджується у вигляді іржаво-коричневого\(\ce{Fe(OH)3}\) (середнього) і відокремлюється від прозорого жовтого розчину, що містить\(\ce{CrO4^{2-}}\) (праворуч), отриманий окисленням \(\ce{Cr^{3+}}\)з перекисом водню. Перекис водню руйнується нагріванням до газу кисню, який можна побачити, як бульбашки з суміші на середньому зображенні.

Можна спостерігати виділення бульбашок кисню, що утворюються при знищенні надлишку перекису водню. — Рис.\(\PageIndex{5}\): Розчин, що містить\(\ce{Fe^{2+}}\) і\(\ce{Cr^{3+}}\) виготовляється лужним до рН 9 - 10 шляхом додавання аміаку (зліва),\(\ce{Fe^{2+}}\) окислюється і осаджується у вигляді іржаво-коричневого\(\ce{Fe(OH)3}\) (середнього) і відокремлюється від прозорого жовтого розчину, що містить\(\ce{CrO4^{2-}}\) (праворуч), отриманий окисленням \(\ce{Cr^{3+}}\)з перекисом водню. Перекис водню руйнується нагріванням до газу кисню, який можна побачити, як бульбашки з суміші на середньому зображенні.

\(\ce{Fe(OH)3}\)Осад розчиняють в\(\ce{HCl}\) розчині:

\[\ce{Fe(OH)3(s, rusty-brown) <=> Fe^{3+}(aq) + 3OH^{-}(aq)}\nonumber\]

\[\ce{3OH^{-}(aq) + 3H3O^{+}(aq) <=> 6H2O(l)}\nonumber\]

Тіоцианат (\(\ce{SCN^{-}}\)) - ліганд, який утворює глибоко-червоний координаційний комплексний іон,\(\ce{[FeSCN]^{2+}}\) вступаючи в реакцію з\(\ce{Fe^{3+}}\), як показано на малюнку\(\PageIndex{6}\).

\[\ce{Fe^{3+}(aq) + SCN^{-}(aq) <=> [FeSCN]^{2+}(aq, deep-red)}\nonumber\]

Повернення супернатантного кольору на темно-червоний при додаванні тіоціанату підтверджує наявність іонів заліза в досліджуваному зразку.

Гідроксид заліза (III), розчинений в HCl — Малюнок\(\PageIndex{6}\):\(\ce{Fe(OH)3}\) Осад розчиняється в\(\ce{HCl}\) (зліва) і утворює глибоко-червоний колір,\(\ce{[FeSCN]^{2+}}\) вступаючи в реакцію з\(\ce{SCN^{-}}\) (праворуч).

Глибоко-червоний колір комплексу тіоцианату заліза -підтверджуючий тест іонів заліза. — Малюнок\(\PageIndex{6}\):\(\ce{Fe(OH)3}\) Осад розчиняється в\(\ce{HCl}\) (зліва) і утворює глибоко-червоний колір,\(\ce{[FeSCN]^{2+}}\) вступаючи в реакцію з\(\ce{SCN^{-}}\) (праворуч).

Підтвердження іона хрому (III)

Отриманий після видалення\(\ce{Fe(OH)3}\) осаду супернатант містить\(\ce{CrO4^{2-}}\) іони в лужному середовищі. Розчин роблять кислим шляхом додавання азотної кислоти, де\(\ce{CrO4^{2-}}\) перетворюється в іон дихромат (\(\ce{Cr2O7^{2-}}\)):

\[\ce{2CrO4^{2-}(aq) + 2H3O^{+}(aq) <=> Cr2O7^{2-}(aq) + 3H2O(l)} \nonumber\]

\(\ce{H2O2}\)є відновником в кислому середовищі. \(\ce{H2O2}\)додається в кислу суміш для зменшення\(\ce{Cr2O7^{2-}}\) до\(\ce{Cr^{3+}}\) за допомогою наступних реакцій:

\[\ce{2Cr2O7^{2-}(aq) + 8H2O2(aq) + 4H3O^{+}(aq) <=> 4CrO5(aq, dark-blue) + 14H2O(l)} \nonumber\]

\[\ce{4CrO5(aq) + 12H3O^{+}(aq) <=> 4Cr^{3+}(aq, light-blue) + 7O2(g)(^) + 18H2O(l)} \nonumber\]

Кисень виділяється з суміші і може спостерігатися у вигляді бульбашок газу в розчині. \(\ce{CrO5}\)проміжний - це темно-синій колір, в якому один кисень знаходиться в -2 ступеня окислення, а інші чотири кисню знаходяться в -1 ступені окислення. \(\ce{CrO5}\)нестійкий в розчині і розкладається до\(\ce{Cr^{3+}}\) чого світло-блакитний колір. \(\ce{H2O2}\)Залишок руйнується при нагріванні суміші на киплячій водяній бані, що можна спостерігати через кисневий газ, що викидається назовні. Майте на увазі, що руйнування\(\ce{H2O2}\) відбувається значно повільніше в кислому середовищі, ніж в лужному середовищі. Для руйнування\(\ce{H2O2}\) в кислому середовищі може знадобитися більш тривалий час. Потім розчин змінюють з кислого на лужний шляхом додавання в суміш 6М NaOH. \(\ce{Cr^{3+}}\)випадає у вигляді сіро-зеленого\(\ce{Cr(OH)3}\) твердого тіла:

\[\ce{Cr^{3+}(aq) + 3OH^{-}(aq) <=> Cr(OH)3(s, gray-green)(v)} \nonumber\]

Освіта сіро-зеленого осаду на цій стадії підтверджує\(\ce{Cr^{3+}}\) присутність в досліджуваному зразку, як показано на малюнку\(\PageIndex{7}\).

Бульбашки кисню розвиваються в результаті руйнування надлишку перекису водню при нагріванні. — Малюнок\(\PageIndex{7}\): Після окислення\(\ce{CrO4^{2-}}\) до\(\ce{Cr^{3+}}\), перекис водню руйнується при нагріванні, що може спостерігатися як бульбашки газу кисню, що виходять з суміші (зліва), і\(\ce{Cr^{3+}}\) підтверджується утворенням сіро-зеленого\(\ce{Cr(OH)3}\) осаду (праворуч). Примітка:\(\ce{Cr(OH)3}\) зазвичай утворюється в дуже невеликій кількості на цьому етапі, що ускладнює його виявлення.

Сіро-зелений осад гідроксиду хрому (III) — Малюнок\(\PageIndex{7}\): Після окислення\(\ce{CrO4^{2-}}\) до\(\ce{Cr^{3+}}\), перекис водню руйнується при нагріванні, що може спостерігатися як бульбашки газу кисню, що виходять з суміші (зліва), і\(\ce{Cr^{3+}}\) підтверджується утворенням сіро-зеленого\(\ce{Cr(OH)3}\) осаду (праворуч). Примітка:\(\ce{Cr(OH)3}\) зазвичай утворюється в дуже невеликій кількості на цьому етапі, що ускладнює його виявлення.