Katioonide kvalitatiivne keemiline analüüs (1)

LABORATOORNE TÖÖ 6
Katioonide kvalitatiivne keemiline analüüs
PRAKTILINE OSA
Laboratoorse töö protokollis:
° kirjeldada kõiki analüüsi käigus toimuvaid muutusi, märkida ära lähteainete ja tekkivate ühendite värvused,
° kirjutada kõikide toimuvate reaktsioonide võrrandid
° vastata katsete juures toodud küsimustele.
Abimaterjalina kasutamiseks:
Kvalitatiivse poolmikroanalüüsi praktikumi juhend, koost . H. Arro , R. Ott, H. Vilbok, Tln.1982
Katse 1
I rühma katioonide segu (Pb2+, Ag+, Hg22+) süstemaatiline analüüs
Eelkatsed ja vaatlus
Lahuse pH ja värvus: läbipaistev
pH määrata universaalindikaatorpaberiga.
I rühma katioonide sadestamine
Tsentrifuugiklaasi võetakse 1-1,5 mL analüüsitavat lahust, lisatakse tilkhaaval 2M HCl lahust ja segatakse ettevaatlikult klaaspulgaga. Tekkinud PbCl2, AgCl ja Hg2Cl2 sade tsentrifuugitakse ja tsentrifugaadist (sademe kohal olevast lahusest) kontrollitakse sadestumise täielikkust mõne tilga 2M HCl lisamisega. Kui seejuures tekib hägu , pole sadenemine olnud täielik ja lisatakse veel mõned tilgad HCl, segatakse, tsentrifuugitakse. Kui ollakse kindel sadestumise täielikkuses, siis eraldatakse tsentrifugaat sademest teise tsentrifuugiklaasi ja jäetakse alles edasiseks analüüsiks! Käesolevas töös tsentrifugaadi analüüsi ei teostata ja see visatakse ära.
Kloriidide sadet pestakse külma soolhappelise veega (pesuvee valmistamiseks lisatakse 10 mL destilleeritud veele 3-4 tilka konts. HCl). Pesemiseks lisatakse sademele 1-2 mL pesuvett, segatakse ja tsentrifuugitakse. Pestakse mitu korda. Pesemine on vajalik lahusesse jäänud järgnevate rühmade katioonide (juhul kui need esinevad) väljapesemiseks.
Kirjeldada kõiki analüüsi käigus toimuvaid muutusi, märkida ära lähteainete ja tekkivate ühendite värvused.
HCl lisamisega tekkis valge sade, pärast tsentrifugeerimist kontrollisin sadestumise täielikkust, tekkis hägu; seega lisasin veel HCl ja tsentrifugeerisin; pärast teist sadestumise täielikkuse kontrolli tsentrifugaat jäi läbipaistvaks, tähendab sade sadestus täielikult. Pärast pesin sadet paar korda.
Kirjutada kõikide toimuvate sadestusreaktsioonide võrrandid.
Miks on üldjuhul vajalik järgnevate rühmade katioonide väljapesemine sademest?
Järgnevate rühmade katioonide väljapesemine sademest on oluline selleks, et need ei hakkaks segama I rühma katioonide tõestamist.
Miks tuleb üldjuhul pesta külma soolhappelise veega?
Kui peste sooja veega, hakkab PbCl2 sade lahustuma, seega on vajalik pesemine külma veega.
PbCl2 eraldamine AgCl ja Hg2Cl2 sademest
Pb2+-ioonide tõestamine
Pestud sademele lisatakse 1-2 mL dest vett, segatakse ja soojendatakse 5 minuti jooksul segades keevas vesivannis. Tsentrifuugitakse kuumalt . Selleks lülitada tsentrifuug ainult korraks sisse (1 min). Tsentrifugaat kanda pipetiga koheselt teise katseklaasi ja lahuse üksikosades tõestada Pb2+- ioonid eelpool juhendis kirjeldatud 3 tõestusreaktsiooniga. Kui tõestusid Pb2+- ioonid , siis tuleb järelejäänud kloriidide sadet pesta kuuma veega PbCl2 jälgede eemaldamiseks senikaua , kuni pesuvees ei tõestu enam Pb2+-ioone.
Kirjeldada kõiki analüüsi käigus toimuvaid muutusi, märkida ära lähteainete ja tekkivate ühendite värvused
KI tsentrifugaatile lisamisel tekkis kollakas sade, K2CrO4 lisamisel tekkis kollakasorandž sade, Cl- ioonide lisamisel tekkis valge peene sade. Pärast pesin järelejäänud kloriidide sadet kuuma veega senikaua, kuni pesuvees ei tõestu enam Pb2+-ioone.
Kirjutada kõikide tõestusreaktsioonide võrrandid.
Pb 2+ + 2I– → PbI 2↓
kollakas sade
Pb2+ + CrO42– → PbCrO4↓
kollakas sade
Pb 2+ + 2Cl– → PbCl2↓
valge sade
Miks tuleb tsentrifuugida kuumalt?
Tsentrifuugida tuleb kuumalt sellepärast, et muidu hakkab PbCl2 uuesti sadenema ning seega ei oleks võimalik Pb2+-ioone sademest välja pesta.
AgCl eraldamine Hg2Cl2 sademest
Ag+-ioonide tõestamine
Järelejäänud pestud sademele lisatakse umbes 10 tilka 2M ammoniaakhüdraadi lahust, segatakse hoolikalt. Tsentrifuugitakse. Tsentrifugaadi üksikosades tõestatakse Ag+-ioonide olemasolu lahuses eelpool juhendis kirjeldatud 3 tõestusreaktsiooniga.
Kirjeldada kõiki analüüsi käigus toimuvaid muutusi, märkida ära lähteainete ja tekkivate ühendite värvused
Ammoniaakhüdraadi lisamisel läks valge sade mustaks, Cl– - ioone sisaldava lahuse lisamisel tekkis valge sade, I- - ioone lisamisel tekkis kollane piimjas sade
Kas kõik nimetatud tõestusreaktsioonid andsid tulemusi?
Ei, CrO42– - ioonidega tõestusreaktsioon ei andnud tulemust, sadet ei tekkinud.
Kirjutada kõikide tõestusreaktsioonide võrrandid.
Ag+ + Cl– → AgCl↓
valge sade
Ag + I- → AgI↓
kollane sade
2 Ag+ + CrO42– → Ag2CrO4↓
punane sade
Hg22+-ioonide tõestamine
Musta sademe teke ammoniaakhüdraadi lahuse lisamisel AgCl ja Hg2Cl2 sademele tõestab Hg22+-ioonide olemasolu analüüsitavas lahuses.
Kirjeldada kõiki analüüsi käigus toimuvaid muutusi, märkida ära lähteainete ja tekkivate ühendite värvused
Ammoniaakhüdraadi lisamisel läks AgCl ja Hg2Cl2 valge sade mustaks
Kirjutada tõestusreaktsiooni võrrand.
Hg 2+ + 2Cl– → HgCl ↓
valge sade
Hg22+ + 2 I– →Hg2I2↓
rohekas sade
Hg22+ + CrO42– → Hg2CrO4↓
punane sade
Miks värvub sade mustaks?
Valge elavhõbe(I)kloriidi sade ammoniaagi vesilahuse toimel muutub mustjashallikaks valge elavhõbeamiidkloriidi ja musta metalse elavhõbeda eraldumise tõttu:
Hg2Cl2 + 2 NH3· H2O → NH2HgCl↓ + Hg↓ + NH4Cl + 2 H2O
mustjashallikas must
Katse 2
Cd2+-, Ni2+-, Co2+-, Fe3+- ja NH4+-ioone sisaldava lahuse analüüs
NH4+ määramine alglahusest
Kuna analüüsi käigus lisatakse analüüsitavale lahusele sageli ammooniumi ühendeid juurde, toimub NH4+-ioonide tõestamine alati alglahusest või tahkest ainest. Leeliselisest lahusest eraldub soojendamisel NH3, mida saab teha kindlaks järgmistel meetoditel:
1) lõhna järgi,
2) indikaatorpaberiga – märga punast lakmuspaberit hoitakse eralduvates aurudes, NH3 toimel värvub lakmuspaber siniseks ,
3) Nessleri reaktiiviga K2[ HgI4 ] + KOH – eralduva NH3 reageerimisel Nessleri reaktiiviga tekib pruun [NH2Hg2O]I sade.
Analüüs: võtta katseklaasi 5-10 tilka analüüsitavat lahust, lisada konts. NaOH lahust kuni leeliselise reaktsioonini (kontrollida indikaatorpaberiga) ning soojendada . Nessleri reaktiiviga märjastatud klaaspulka (tilgutada reaktiivi pipetiga klaaspulgale) hoitakse eralduvates aurudes. NH4+-ioonide olemasolul lahuses tekib klaaspulgale pruun sade.
Kirjeldada kõiki analüüsi käigus toimuvaid muutusi, märkida ära lähteainete ja tekkivate ühendite värvused
NaOH lisamisega tekkis rohekassinine sade, Nessleri reaktiiviga märjastatud, hoitud eralduvates aurudes klaaspulkale tekkis pruun sade.
Kirjutada reaktsiooni võrrand.
NH4++OH – →NH3 + H2O
NH3 + 2K2[HgI4] + 3KOH → [NH2Hg2O]I↓ + 2H2O + 7KI
Cd2+-ioonide eraldamine ja tõestamine
Cd2+ kui II rühma katioon eraldatakse lahusest happelises keskkonnas sulfiidina sadestamisel. Kuna Cd2+ lahustuvuskorrutise väärtus on suhteliselt suur, tuleb jälgida, et lahus ei oleks liiga happeline.
1-2 mL analüüsitavale lahusele lisatakse 1-2 tilka konts. HCl lahust, 1-2 mL tioatseetamiidi (TAA) CH3CSNH2 lahust ning soojendatakse vesivannil . Juhul, kui kollast CdS sadet ei teki (lahus liiga happeline), lisatakse destilleeritud vett, veel 1 mL TAA ning soojendatakse. Sade eraldatakse tsentrifuugimisel (kontrollida sadenemise täielikkust).
NB! TAA-d sisaldavad katseklaaasid tühjendada tõmbkapi all olevasse valamusse. Kui TAA-d sisaldav katseklaas võetakse tõmbkapi alt välja, tuleb see sulgeda korgiga. Tähelepanu- katseklaasi kuumutamisel veevannil võetakse kork ära.
Kirjeldada kõiki analüüsi käigus toimuvaid muutusi, märkida ära lähteainete ja tekkivate ühendite värvused
Konts. HCl lahuse lisamisel läks lahus kollasemaks, lisa 1 mL TAA lisamisel ning soojendamisel tekkis piimjasvalge sade.
Kirjutada CdS tekkereaktsiooni võrrand.
Cd2+ + S2– → CdS↓
CdCl2 + CH3CSNH2 + CdS↓ + CH3CNH2Cl2
Arvutada CdS sadestamiseks vajalik pH küllastatud H2S lahuses.
CdS lahustuvuskorrutis : .
Katiooni sadestumist loetakse täielikuks, kui tema kontsentratsioon lahuses on vähenenud väärtuseni
mol/L. Seega peab maksimaalne sulfiidide kontsentratsioon lahuses olema:
Sellisele sulfiidide kontsentratsioonile vastava lahuse pH on:
Fe2+/3+-ioonide eraldamine ja tõestamine
Fe3+-ioone võib tõestada alglahusest, juhul kui see ei sisalda suures kontsentratsioonis fluoriid- ja fosfaatioone, millega raud(III)ioonid moodustavad püsivad kompleksid [FeF6]3– ja [FeHPO4]+. Fe3+-ioonide tõestamiseks kasutatakse kaaliumheksatsüanoferraati(II) K4[Fe(CN)6] või ammooniumtiotsüanaati NH4SCN. Viimase kasutamist antud ioonide lahuses segavad Co2+-ioonid, mis annavad samuti punase värvusega kompleksühendi.
Fe2+-ioonide tõestamiseks kasutatakse kaaliumheksatsüanoferraati(III) K3[Fe(CN)6].
CdS eraldamisel saadud tsentrifugaat leelistatakse 6M NH3⋅H2O lahuse lisamisega (NH3 lõhnani või kontrollida indikaatorpaberiga), vajadusel lisatakse TAA ning kuumutatakse vesivannil.
Sulfiidioonide toimel redutseeruvad Fe3+-ioonid Fe2+-ioonideks.
Sadenevad mustad CoS, NiS, FeS. Sade eraldatakse tsentrifuugimisel (kontrollida sadenemise täielikkust) ning pestakse NH4Cl sisaldava veega (pesuvesi: ligikaudu 5 ml dest. veele lisada 1 tilk 6M NH3⋅H2O lahust, 2-3 tilka NH4Cl lahust, 1-2 tilka TAA ja soojendada).
Pestud sadet töödeldakse 2M HCl lahusega külmalt, FeS lahustub, NiS ja CoS jäävad sademesse. Sade ja lahus eraldatakse tsentrifuugimisel. Lahusest tõestatakse Fe2+-ioonid kaaliumheksatsüanoferraat(III) lahusega.
Kirjeldada kõiki analüüsi käigus toimuvaid muutusi, märkida ära lähteainete ja tekkivate ühendite värvused
6M NH3⋅H2O lahuse lisamisega tekkib must sade
Kirjutada kõikide toimuvate reaktsioonide (FeS tekke-, lahustumis- ja tõestusreaktsiooni) võrrandid.
Fe3+ + NH3⋅H2O → Fe(OH)3↓ + 3NH4+
2Fe3+ + 3CH3CSNH2→ Fe2S3 ↓ + 3CH3CNH22+  2Fe3+ + 3H2S→ Fe2S3↓ + 6H+
Fe2S3 + 2e–→ 2FeS↓ + S2–
Co2+ + CH3CSNH2 → CoS↓ + CH3CNH22+
Ni2+ + CH3CSNH2 → NiS↓ + CH3CNH22+
FeS + 2HCl → FeCl2 + H2S
3FeCl2 + 2K3[Fe(CN)6] → Fe3[Fe(CN)6]2 + 6KCl
3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3– → Fe3[Fe(CN)6]2
CoS ja NiS sademe lahusesse viimine
Sademele lisatakse 1-2 tilka konts. HCl ja 1-2 tilka konts. HNO3 , hapete liia eemaldamiseks kuumutatakse vesivannil kuni pruuni lämmastikdioksiidi enam ei eraldu ja lahjendatakse veega 1-1,5 mL-ni. Saadud lahusest tõestatakse Ni2+- ja Co2+-ioonid.
Ni2+-ioonide tõestamine
4-5 tilgale lahusele lisatakse 6M NH3⋅H2O lahust kuni leeliselise reaktsioonini ning seejärel 2-3 tilka dimetüülglüoksiimi lahust. Ni2+-ioonide olemasolu korral lahuses tekib roosakaspunane kelaatne kompleksühend- nikkeldimetüülglüoksimaadi sade.
Reaktsiooni võib läbi viia ka tilkreaktsioonina: filterpaberile kantakse tilk analüüsitavat lahust, lisatakse sellele tilk dimetüülglüoksiimi lahust ning hoitakse avatud konts. NH3⋅H2O pudeli kohal. Roosakaspunase laigu tekkimine tõestab Ni2+-ioonide esinemist.
Kirjeldada kõiki analüüsi käigus toimuvaid muutusi, märkida ära lähteainete ja tekkivate ühendite värvused.
6M NH3⋅H2O lahuse lisamist lmuutus lahus siniseks, pärast dimetüülglüoksiimi lahuse lisamist tekkis lillakaspunane sade.
Kirjutada toimuva reaktsiooni võrrand.
Ni2+ + 2NH3⋅H2O → Ni(OH)2 + 2NH4+
Ni2+ + [N2(OH)2C2(CH3)2]2– →Ni[N2(OH)2C2(CH3)2]
nikkel (II)dimetüülglüoksimaadi sade
Co2+-ioonide tõestamine
4-5 tilgale lahusele lisatakse ligikaudu 4 tilka ammooniumtiotsüanaadi küllastatud vesilahust ja 5-6 tilka pentanooli. Tekib tetratiotsüanatokobaltaat(II)- ioon , mis vesilahusele annab roosakaspunase, alkoholi kihile aga rohekassinise värvuse.
Juhul, kui ka lahuse pealmine, pentanooli kiht on punase värvusega, sisaldab lahus Fe3+-ioonide jälgi, mis segavad Co2+-ioonide tõestamist, kattes rohekassinise värvuse. Sel juhul tuleb Fe3+-ioonid nende segava toime kõrvaldamiseks siduda kas F–- või PO43 –-ioonidega kompleksi. Selleks lisatakse lahusele NaF, NH4F, Na2HPO4 või H3PO4 lahust ning loksutatakse kuni pentanooli kihist kaob punane värvus. Co2+-ioonide olemasolul lahuses jääb pentanooli kiht rohekassiniseks, nende puudumisel muutub aga värvusetuks.
Kirjeldada kõiki analüüsi käigus toimuvaid muutusi, märkida ära lähteainete ja tekkivate ühendite värvused
NH4SCN lisamisel muutus lahus lillaks, pentanooli lisamisel tekkis lahuse pinnale pruunikaspunane kiht, mis segamisel ei kadunud. Na2HPO4 lisamisega punane värvus pentanooli kihis kadus .
Kirjutada kõikide toimuvate reaktsioonide võrrandid (k.a. maskeerimisreaktsioon).
4NH4SCN + CoS → (NH4)2[Co(SCN)4] + (NH4)2S
2Fe3+ + 3HPO42- → Fe2(HPO4)3
Katse 3
Tilkanalüüs
Katse 3.1. Fe3+, Ni2+ ja Cu2+ioonide tõestamine nende koosesinemisel
Filterpaberile kantakse tilk 6M NH3·H2O lahust. Tekkinud laigu keskele kanda tilk Fe3+-, Ni2+- ja Cu2+-ioone sisaldavat lahust, seejuures moodustub laigu keskele Fe(OH)3 pruunikas laik. Laigu äärtesse difundeeruvad [Cu(NH3)4]2+- ja [Ni(NH3)6]2+ - kompleksioonid sinise rõngana. Nüüd kanda laigu äärtesse üles ja alla dimetüülglüoksiimi lahust. Moodustub roosa nikkeldimetüülglüoksimaat. Laigu vasakule ja paremale äärele kanda tilk kaaliumheksatsüanoferraat(II)-lahust. Moodustuvad pruunid vaskheksatsüanoferraadi (II) laigud. Sinise värvuse teke tõestab Fe3+-ioonide osalist difundeerumist laigu äärtesse.
Kirjutada kõikide toimuvate reaktsioonide võrrandid.
3NH3·H2O + Fe3+ → Fe(OH)3 + 3NH4+
4NH3·H2O + Cu2+→ [Cu(NH3)4]2++ 4H2O
6NH3·H2O + Ni2+→ [Ni(NH3)6]2+ + 6H2O
Ni2+ + [N2(OH)2C2(CH3)2]2– →Ni[N2(OH)2C2(CH3)2]
2Cu2+ + K4[Fe(CN)6] → Cu2[Fe(CN)6] + 4K+
Katse 3.2. Al3+-iooni tõestus Cu2+-, Cd2+-, Fe3+- ja Zn2+-ioonide juuresolekul
Filterpaberile kantakse üks tilk K4[Fe(CN)6] - lahust ja tilga keskele üks tilk analüüsitavat lahust. Tilga keskel seotakse kõik teised Al3+-iooni tõestamist segavad ioonid rasklahustuvate heksatsüanoferraatidena. Al3+-ioonid difundeeruvad laigu äärtesse. Nüüd hoida laiku avatud konts. NH3·H2O pudeli kohal - laigu äärtesse tekib Al(OH)3. Alisariini (1,2, dihüdroksüantrakinoon C14H8O4) lahuse tilgutamisel ümber laigu äärte reageerib tekkinud Al(OH)3 alisariiniga ja moodustub roosakaspunane rõngas.
Kirjutada heksatsüanoferraatidega toimuvate reaktsioonide võrrandid.
K4[Fe(CN)6] + 2Cu2+ → Cu2[Fe(CN)6] + 4K+
K4[Fe(CN)6] + 2Cd2+ → Cd2[Fe(CN)6] + 4K+
3K4[Fe(CN)6] + 4Fe3+ → Fe4[Fe(CN)6]3 + 12K+
K4[Fe(CN)6] + 2Zn2+ → Zn2[Fe(CN)6] + 4K+
Katse 4
IV rühma katioonide (Ba2+, Sr2+ ja Ca2+) tõestamine leekreaktsioonidena
Katse teostamist demonstreerib esmalt õppejõud ja seejärel teostatakse üliõpilaste poolt Mõnede metallide kloriidid annavad gaasipõleti leeki viiduna iseloomulikke värvusreaktsioone:
Na- soolad värvivad leegi kollaseks
K- soolad lillaks
Ca- soolad telliskivipunaseks
Ba- soolad roheliseks
Sr- soolad karmiinpunaseks
Uuritav aine viiakse leeki kroomnikkel- või plaatinatraadist leeknõelal. Eelnevalt tuleb kontrollida leeknõela puhtust. Selleks kastetakse nõel konts. soolhappesse ja viiakse gaasipõleti leeki. Kui nõel on puhas, siis leek ei värvu . Kui leek värvub, siis puhastatakse seda korduva soolhappesse kastmise ja kuumutamisega seni, kuni leek enam ei värvu. Puhta nõela otsa külge võetakse veidi tahket ainet ja viiakse leeki. Leegi värvumise järgi saab otsustada nende ioonide sisalduse üle uuritavas aines.
NB! K leeki on raske näha ja seepärast vaadatakse seda läbi sinise pudeli.
Peale katset puhastatakse leeknõel happega .