ANALIZA JAKOŚCIOWA KATIONÓW

Zakres materiału: znajomość podziału kationów na grupy analityczne wg Treadwella, reakcji charakterystycznych odczynników grupowych, reakcje charakterystyczne kationów
(z odczynnikami specyficznymi i selektywnymi)

Cel ćwiczeń: poznanie sposobu wykrywania podstawowych kationów, ich reakcji
z odczynnikami grupowymi i specyficznymi (reakcje charakterystyczne)

Wykonanie ćwiczenia:

1. Należy przeprowadzić reakcje charakterystyczne z odczynnikami grupowymi dla kationów zestawionych w Tabeli 1, w tym celu:

1. wybrać po jednym, dowolnym kationie z każdej grupy analitycznej i dodawać do niego odczynniki kolejnych grup (w oddzielnych probówkach), pamiętając
   o zachowaniu środowiska reakcji

2. wyniki reakcji (obserwacje z przeprowadzonych doświadczeń) odnotować w Tabeli 2 (wytrącony osad znak „+”, brak osadu znak „−„)

3. w zeszycie laboratoryjnym napisać równania reakcji charakterystycznych (cząsteczkowo i jonowo) poszczególnych kationów z odczynnikami grupowymi

UWAGA! Do wykrywania jonów używa się możliwie małych ilości ( ok. 1ml) badanego roztworu kationu oraz niewielkich ilości odczynników (2-3 krople)

Tabela 1. Podział kationów na grupy analityczne wg Treadwella

Grupa	Odczynnik grupowy	Kationy	Skład osadu	Uwagi
I	HCl(rozc.)	Ag^+ Pb^2+	AgCl PbCl2	chlorki nierozp. w H2O i w HCl(rozc.)
II	H2S lub CH3CSNH2 (AKT) w środowisku kwaśnym (0,3 M HCl)	Cu^2+ Sn^4^+	CuS SnS2	siarczki nierozp. w rozc. kwasach
III	(NH4)2S lub CH3CSNH2 (AKT) w środowisku buforu amonowego (NH4Cl +NH4OH)	Fe^3+ Cr^3+ Co^2+ Mn^2+ Al^3+ Zn^2+	Fe2S3 Cr(OH)3 CoS MnS Al(OH)3 ZnS	siarczki lub wodortlenki nierozp. w H2O rozp. w rozc. kwasach
IV	(NH4)2CO3 w środowisku buforu amonowego (NH4Cl +NH4OH)	Ba^2+ Sr^2+ Ca^2+	BaCO3 SrCO3 CaCO3	węglany nierozp. w H2O rozp. w rozc. kwasach
V	Brak	NH4^+ Mg^2+	Brak	sole rozp. w H2O

2. Sprawdzanie działania odczynników grupowych cd.:

1. zmieszać po jednym, dowolnie wybranym, kationie z każdej grupy

2. do przygotowanej mieszaniny kationów dodawać kolejno odczynniki grupowe według schematu przedstawionego na rysunku 1 (każdy wytrącony osad należy odsączyć, sprawdzić całkowitość wytrącenia osadu i dodać kolejny odczynnik grupowy do przesączu)

Tabela 2. Wyniki reakcji charakterystycznych odczynników grupowych z kationami

Grupa analityczna		Odczynnik grupowy
				HCl(rozc.)	H2S lub AKT (śr. kwaśne)	(NH4)2S lub AKT (śr. buforu)	(NH4)2CO3 (śr. buforu)
I	Ag^+
		Pb^2+
	II	Cu^2+
		Sn^4^+
	III	Fe^3+
		Cr^3+
		Co^2+
		Mn^2+
		Al^3+
		Zn^2+
	IV	Ba^2+
		Sr^2+
		Ca^2+
	V	NH4^+
		Mg^2+

Rysunek 1. Schemat rozdziału mieszaniny kationów na grupy

Uwagi do schematu:

(1) Obserwacje i testy wstępne, które mogą zasugerować obecność lub brak pewnych kationów (wnioski należy potwierdzić w toku dalszej analizy):

• kolor i odczyn roztworu, występowanie ewentualnego zmętnienia lub osadu, test barwienia płomienia

• test obecności kationów Fe³⁺ i NH₄⁺ (bardzo ważny, ponieważ podczas rozdzielania kationów na grupy wprowadzamy do roztworu sole amonowe, a kation Fe³⁺ może ulegać redukcji)

• Do analizy pobierać ok. 3ml roztworu

• Podczas pracy dodawać jak najmniejsze objętości roztworów, aby nie rozcieńczać nadmiernie zadania, konieczne jest jednakże (przy rozdzielaniu kolejnych grup) sprawdzenie, czy kationy danej grupy zostały całkowicie wytrącone

• Nie należy stosować dużego nadmiaru HCl, gdyż może powstawać anion PbCl₄²⁻

• Wytrącenie siarczków II grupy za pomocą wody siarkowodorowej lub AKT należy prowadzić w roztworze słabo kwaśnym: 0,2-0,3-molowym (zazwyczaj po oddzieleniu I grupy przesącz ma taki odczyn, ale należy sprawdzić) - zapobiega to wytrąceniu siarczków grupy II (wraz ze wzrostem stężenia H⁺ w roztworze znacznie zmniejsza się stężenie jonów S²⁻, tak że nie przekroczony jest iloczyn rozpuszczalności siarczków III grupy)

• Probówkę z roztworem umieszczamy (ok. 15 min) w łaźni wodnej w temperaturze ok. 60-70°C - przyspiesza to hydrolizę AKT i zmniejsza możliwość tworzenia roztworów koloidalnych, następnie oziębiamy

• Duża wartość iloczynu rozpuszczalności PbCl₂ powoduje, że pozostałe w roztworze kationy Pb²⁺ wytrącają się w postaci PbS razem z siarczkami II grupy

• Wytrącanie siarczków lub wodorotlenków III grupy należy prowadzić w roztworze słabo alkalicznym, gdyż są one rozpuszczalne w rozcieńczonych kwasach (przesącz po rozdzieleniu osadu II grupy ma odczyn kwaśny, dlatego dodajemy roztworów NH₄OH i NH₄Cl - buforu amonowego - aby uzyskać pH = 8,5-9,0); przy wyższych wartościach pH może wytrącać się Mg(OH)₂ - kation z V grupy

• Dodatek NH₄Cl nie tylko obniża stężenie jonów OH⁻, co zapobiega wytrącaniu Mg(OH)₂ i rozpuszczeniu amfoterycznych Al(OH)₃ i Cr(OH)₃, ale także zapobiega powstawaniu roztworów koloidalnych

• Wytrącanie węglanów IV grupy należy prowadzić w roztworze słabo alkalicznym, gdyż są one rozpuszczalne w rozcieńczonych kwasach - dodajemy roztworów NH₄OH i NH₄Cl - buforu amonowego - aby uzyskać pH = 8,5-9,0; przy wyższych wartościach pH może wytrącać się Mg(OH)₂ - kation z V grupy

• Dodatek NH₄OH cofa hydrolizę odczynnika grupy IV, co zwiększa stężenie jonów CO₃²⁻, a obniża stężenie jonów HCO₃⁻

• Jeżeli uzyskane w trakcie analizy roztwory są zbyt rozcieńczone, należy je zatężyć (odparować wodę)

3. Reakcje charakterystyczne pozwalające na identyfikację wskazanych w Tabeli 1 kationów:

• z roztworem NaOH i jego nadmiarem

• z roztworem NH₃ H₂O i jego nadmiarem

• z dwoma wybranymi odczynnikami pozwalającymi na jak najlepsze odróżnienie danego kationu od innych (książka)

Zadania:

1. Identyfikacja 4 pojedynczych kationów

2. Identyfikacja kationów (od 2 do 4) w mieszaninie

Literatura:

1. Z. Szmal, T. Lipiec, „Chemia analityczna z elemenatmi analizy instrumentalnej”

2. B. Jankiewicz, I. Ludomisrka, A. Korczyński, „Analiza jakościowa”

3. J. Minczewski, Z. Marczenko, „Analiza chemiczna”, tom 1

4. Materiały dostarczone przez prowadzącego zajęcia

5. Własne sprawozdania z wcześniejszych zajęć laboratoryjnych

---