Работа 2. Реакции катионов второй аналитической группы

Цель: изучить характерные качественные реакции наиболее распространенных катионов II аналитической группы, схему анализа катионов II группы.

Задачи:провести реакции обнаружения катионов серебра, свинца и ртути (I), отметить их особенности, оформить лабораторную работу, ответить на теоретические вопросы, сделать выводы.

Оборудование:штатив с пробирками, водяная баня или стакан с горячей водой, пипетки на 1 мл, спиртовка, держатели для пробирок, спички, стеклянная палочка, фильтровальная бумага, медная пластина или монета, наждачная бумага.

Реактивы:

2.1. Реакции катиона серебра Ag⁺

ВНИМАНИЕ! Соли серебра ядовиты! Работать осторожно!

Опыт 2.1.1. Действие щелочей

При действии щёлочи на раствор соли серебра образуется гидроокись серебра, которая тут же распадается на Ag₂O, выпадающую в виде бурого осадка, и воду:

AgNO₃ + NaOH → AgOH↓ + NaNO₃

2AgOH → H₂O + Ag₂O

2AgNO₃ + 2NaOH →Ag₂O↓ + H₂O + 2NaNO₃

Оксид серебра растворяется в растворе аммиака c образованием комплексного соединения:

Ag₂O + 4NH₄OH → 2[Ag(NH₃)₂]OH + 3H₂O

Растворимость оксида серебра Ag₂O в аммиаке используют для отделения иона Ag⁺ от иона [Hg₂]²⁺. Для проведения отделения необходимо осадок хлорида серебра и ртути (I) обработать NH₄OH на фильтре. При этом образующийся осадок Ag₂O растворяется, а Hg₂Cl₂ взаимодействует с NH₄OH с образованием чёрного осадка металлической ртути и амидосоединения, нерастворимого в избытке реактива.

Осадок не растворим в азотной кислоте.

Выполнение опыта:

В две пробирки внести по несколько капель раствора соли серебра. В одну пробирку добавить такой же объём щёлочи, а в другую – по каплям прилить 2н раствор NH₄OH.

Затем в обеих пробирках испытать растворимость образовавшихся осадков в NH₄OH, добавив избыток раствора гидроксида аммония к осадкам.

Записать наблюдаемые явления и уравнения происходящих реакций в молекулярном и молекулярно-ионном виде. Назвать образовавшееся комплексное соединение.

Опыт 2.1.2. Действие соляной кислоты (группового реагента)

При взаимодействии нитрата серебра и соляной кислоты образуется осадок хлорида серебра:

AgNO₃ + HCl = AgCl↓+ HNO₃

Осадок растворяется в избытке NH₄OH и не растворим в азотной кислоте:

AgCl ↓+ 2NH₃ = [Ag(NH₃)₂]Cl

При подкислении раствора этого комплекса снова выпадает осадок хлорида серебра:

[Ag(NH₃)₂]Cl + 2HNO₃ = AgCl↓ + 2NH₄NO₃

Реакция с растворимыми хлоридами является фармакопейной.

Выполнение опыта:

В 2 пробирки поместить по 3-4 капли раствора AgNO₃ и столько же 2н раствора HCl. Наблюдать выпадение рыхлого белого («творожистого») осадка AgCl.

Одну пробирку с осадком оставить и наблюдать разложение осадка на свету. Во второй пробирке проверить растворимость образовавшегося осадка в NH₄OH. Для этого слить надосадочную жидкость и прибавлять гидроксид аммония NH₄OH по каплям. Затем в пробирку с растворенным в аммиаке осадком AgCl, добавить несколько капель концентрированного раствора HNO₃ до появления осадка.

Записать наблюдаемые явления и уравнения происходящих реакций в молекулярном и молекулярно-ионном виде.

Опыт 2.1.3. Действие формальдегида

При действии альдегидной группы ионы серебра восстанавливаются до металлического серебра. Реакция идет по уравнению:

AgNO₃ + 2NH₄OH = [Ag(NH₃)₂]NO₃ + 2H₂O

2[Ag(NH₃)₂]NO₃ + H₂O + HCOH = 2Ag↓ + HCOOH + 2NH₄NO₃ + 2NH₃

Реакции мешают ионы ртути и сильные окислители.

Образующийся при реакции гидроксид серебра - вещество непрочное и легко распадается на оксид серебра и воду:

AgNO₃ + NH₄OH = AgOH + NH₄NO₃

2AgOH = Ag₂O + H₂O

Оксид серебра обладает свойством растворяться в аммиаке, как уже было рассмотрено выше:

Ag₂O + 4NH₄OH = 2[Ag(NH₃)₂]OH + Н₂O

Окислительное действие оксида серебра объясняется тем, что это вещество является оксидом благородного металла, поэтому оксид неустойчив и при наличии восстановителя, т.е. вещества, легко окисляющегося, он легко отдает кислород, вследствие чего происходит выделение (восстановление) металлического серебра:

HCOH + Ag₂O = HCOOH + 2Ag

HC-OH + 2[Ag(NH₃)₂]OH = HCOOH + 2Ag + 4NH₃ + H₂O

Серебряное зеркало образуется в том случае, если восстанавливающееся серебро осаждается на гладких стенках сосуда из не слишком концентрированных растворов. Малейшие загрязнения мешают восстанавливающемуся серебру "уцепиться" за стекло и заставляют его выделяться в виде рыхлого осадка. Значительно меньшее влияние на успех опыта оказывает характер нагревания. Если сосуд недостаточно чист, то даже самое осторожное нагревание не дает зеркала, и наоборот, если сосуд подготовлен тщательно, то даже нагревание смеси на открытом огне может дать желаемый результат.

Выполнение опыта:

В чистую пробирку поместить 3-4 капли раствора нитрата серебра AgNO₃, добавить раствор аммиака NH₄OH до растворения осадка и 1-2 капли разбавленного раствора формальдегида (формалина). Смесь подогреть на водяной бане. Наблюдать образование металлического серебра на стенках пробирки (реакция «серебряного зеркала»).

Реакцию можно проводить и на листе фильтровальной бумаги, в этом случае появляется черное пятно.

Реакция является фармакопейной.

Опыт 2.1.4. Реакция с бромид- и йодид-ионами

Йодистоводородная кислота и ее соли образуют с ионами серебра желтоватый осадок йодида серебра, практически нерастворимый в растворе аммиака. При действии йодида калия KI на раствор соли серебра образуется жёлтый осадок AgI, который растворяется в избытке насыщенного раствора KI:

AgI + 2KI → K₂[AgI₃]

Если раствор разбавить водой, то AgI снова выпадает в осадок.

Осадок также растворим в растворе тиосульфата натрия с образованием комплексного иона:

Ag⁺ + I^–→AgI↓

AgI + 2Na₂S₂O₃ →Na₃[Ag(S₂O₃)₂] + NaI

Выполнение опыта:

К нескольким каплям раствора соли серебра прибавить по каплям раствор KI до растворения образующегося осадка, затем раствор разбавить водой и вновь наблюдать выпадение осадка.

Записать уравнения наблюдаемых процессов в тетрадь. Назвать образовавшееся комплексное соединение.

Тот же опыт провести с бромидом калия.

Записать наблюдения и уравнения реакций.

Опыт 2.1.5. Реакция с хроматом или дихроматом калия

Выполнение опыта:

Поместить в пробирку 2-3 капли раствора нитрата серебра и добавить 3-4 капли дистиллированной воды и 1-2 капли хромата калия К₂CrO₄. Наблюдать образование осадка.

Изучить отношение осадка к раствору аммиака.

Записать наблюдения и уравнения протекающих реакций.

2.2. Реакции катиона свинца (II ) Pb²⁺

ВНИМАНИЕ! Соединения свинца токсичны! Работать осторожно!

Опыт 2.2.1. Действие соляной кислоты (группового реагента)

При взаимодействии нитрата свинца и соляной кислоты образуется осадок хлорида свинца:

Pb(NO₃)₂ + 2HCl = PbCl₂↓+ 2HNO₃

Осадок легко растворяется при нагревании на водяной бане, а при охлаждении выпадает вновь.

Выполнение опыта:

К небольшому количеству (1-2 мл) раствора соли свинца прилить столько же соляной кислоты, наблюдать образование белого осадка.

Разлить раствор с осадком в две пробирки. В одну из них добавить дистиллированной воды и встряхнуть, другую нагреть на водяной бане. Затем остудить пробирку. Что наблюдается? Сделать вывод о растворимости хлорида свинца. Составить молекулярное и молекулярно-ионные уравнения реакции образования хлорида свинца.

Опыт 2.2.2. Действие йодида калия

Йодид калия образует с ионами Pb²⁺ при рН = 3 желтый осадок йодида свинца:

Pb²⁺ + 2I^–→ PbI₂↓

KI нельзя брать в избытке во избежание растворения осадка PbI₂ вследствие комплексообразования иона свинца с йодид-ионом. Образуются тетрайодоплюмбат (II)-ионы [PbI₄]^2-:

PbI₂↓ + 2I^- → [PbI₄]^2-

Осадок йодида свинца растворим в горячей воде, в растворе уксусной кислоты. После медленного охлаждения раствора из него снова выпадают красивые золотисто-желтые кристаллы йодида свинца (реакция «золотого дождя»).

Этой реакции мешает присутствие катионов Ag⁺, Hg₂²⁺ и Hg²⁺.

Реакция с йодид-ионами является фармакопейной.

Выполнение опыта:

К 1-2 мл раствора соли свинца добавить 1-2 мл йодида калия или натрия (KJ или NaJ). Наблюдать появление ярко-желтого осадка йодида свинца.

К полученному осадку прилить 1-2 мл воды и 1 мл уксусной кислоты, затем нагреть, можно на водяной бане, до полного растворения осадка. Дать остыть, или поместить слегка остывшую пробирку в стакан с холодной водой, до появления красивых кристалликов золотого цвета («алхимическое золото»).

Записать наблюдение, составить молекулярное и молекулярно-ионные уравнения реакции.

Опыт 2.2.3. Реакция с серной кислотой (сульфатами)

Катионы Pb²⁺ при взаимодействии в растворе с сульфат-ионами SO^2- образуют белый осадок сульфата свинца PbSO₄:

Pb²⁺ + SO₄^2- ® PbSO₄¯

Осадок растворяется при нагревании в щелочах (в отличие от осадков сульфатов кальция, стронция и бария):

PbSO₄¯ + 4NaOH ® Na₂ [Pb(OH)₄] + Na₂SO₄^2-

PbSO₄ ¯ + 4OH^- ® [Pb(OH)₄]^- + SO₄^2-

Растворяется также в концентрированной серной кислоте:

PbSO₄¯ + H₂SO_{4 (конц.)} ® Pb(HSO₄)₂

PbSO₄¯ + 2H⁺ ® Pb²⁺ + 2HSO₄^-

Растворяется в 30 % растворе ацетата аммония:

2PbSO₄¯ + 2СH₃COONH₄ ® [Pb₂(СH₃COO)₂]SO₄ + (NH₄)₂SO₄

Открытию катионов свинца в виде сульфата свинца мешают катионы, образующие малорастворимые сульфаты (Ca²⁺,Sr²⁺,Ba²⁺, Hg²⁺ и др.).

Выполнение опыта:

В пробирку внести 5 капель раствора Pb(NO₃)₂, прибавить столько же капель раствора серной кислоты (или сульфата натрия или калия). Наблюдать выпадение белого осадка сульфата свинца.

Осадок разделить на две части, поместив их в две разные пробирки. К одной части прибавить раствор щелочи, к другой - 30 % раствор ацетата аммония. Наблюдать растворение осадка в обоих случаях.

Записать наблюдение, молекулярное и молекулярно-ионные уравнения реакции.

Опыт 2.2.4. Реакция с хроматом калия K₂CrO₄

Хромат калия с катионами свинца Pb²⁺ образует осадок хромата свинца PbCrO₄ желтого цвета, растворимый в сильных кислотах и щелочах, но нерастворимый в уксусной кислоте:

Pb²⁺ + CrO₄^2- ® PbCrO₄¯

2PbCrO₄¯ + 2H⁺ ® 2Pb²⁺ + Cr₂O₇^2- + H₂O

PbCrO₄¯ + 3OH^- ® [Pb(OH)₃]^- + CrO₄^2-

Выполнение опыта:

В пробирку внести 2-3 капли раствора соли свинца, добавить к нему 2-3 капли раствора хромата калия. Полученный осадок разделить на две части. В первую пробирку с осадком добавить 4-5 капель 2М раствора NaOH или КОН. Во вторую пробирку с осадком добавить 4-5 капель 2М раствора уксусной кислоты СН₃СООН.

Записать наблюдения и составить уравнения реакций в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

Опыт 2.2.5. Реакция с дитизоном (дифенилтиокарбазолом)

Дитизоновый метод наиболее чувствителен и прост для определения содержания свинца в воде. При реакции дитизона с ионами свинца образуется дитизон свинца – внутрикомплексное соединение, раствор которого в органических растворителях окрашен в ярко-красный цвет.

Определению свинца мешают все катионы (Mn²⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu⁺, Cu²⁺, Sn²⁺, Ag⁺ , Zn²⁺, Cd²⁺, Hg₂²⁺, Hg²⁺), образующие дитизонаты, но их можно отделить, создавая определенное значение рН раствора. В этом же интервале находится оптимальная кислотность для экстрагирования дитизоната цинка, поэтому цинк предварительно связывают добавлением гексацианоферрата (II) калия. Среда реакции нейтральная или слабощелочная.

2 + Pb2+ =

Выполнение опыта:

В пробирку внести 4-5 капель раствора соли свинца, добавить 2-3 капли раствора дитизона в хлороформе, взболтать и наблюдать окрашивание хлороформного слоя в красный цвет. Записать наблюдение и уравнение реакции в тетрадь.

Опыт 2.2.6. Реакция с сульфид-ионами

Катионы свинца при реакции с сульфид-ионами S^2- образуют черный осадок сульфида свинца PbS:

Pb²⁺ + S^2- ® PbS¯

Осадок растворяется в азотной кислоте.

Реакция фармакопейная.

Выполнение опыта:

В пробирку внести 2-3 капли раствора соли свинца (II) и прибавить 2-3 капли раствора сульфида натрия Na₂S. Выпадает черный осадок сульфида свинца PbS.

Изучить отношение осадка к азотной кислоте, добавив последнюю в пробирку с осадком.

Записать наблюдение и уравнение реакции в молекулярном и молекулярно-ионном виде в тетрадь.

Опыт 2.2.7. Реакция с родизонатом натрия Na₂C₆O₆

Катионы свинца образуют с органическим реагентом - родизонатом натрия окрашенный комплекс синего цвета, по-видимому, состава Pb₃(C₆O₆)₂(OH)₂, который в слабокислой среде рН = 2,8 (тартратный буферный раствор, 1 мл раствора которого содержит 0,019 г гидротартрата натрия и 0,015 г винной кислоты) изменяет окраску на красную.

Реакция высокочувствительна. Позволяет открывать катионы свинца даже при очень низких концентрациях.

Реакцию обычно проводят капельным методом на фильтровальной бумаге. Мешают катионы Ag⁺,Cd²⁺,Sr²⁺,Ba²⁺,Tl⁺, Sn²⁺.

Выполнение опыта:

На лист фильтровальной бумаги нанести каплю раствора Pb(NO₃)₂ и каплю свежеприготовленного 0,2 % раствора родизоната натрия. Образуется синее пятно или кольцо. На пятно нанести каплю тартратного буферного раствора. Цвет пятна изменяется на красный.

Записать наблюдения в тетрадь.

2.3. Реакции катиона ртути (I) Hg₂ ²⁺

ВНИМАНИЕ! Соединения ртути очень токсичны! Работать осторожно!

Опыт 2.3.1. Действие соляной кислоты (группового реагента)

Соляная кислота и растворимые в воде хлориды с катионом ртути (I) образуют белый осадок хлорида ртути (I) - Hg₂Cl₂ (каломель):

Hg₂²⁺ + 2Cl^- ® Hg₂Cl₂¯

Осадок хлорида ртути (I)Hg₂Cl₂ растворяется только в концентрированной азотной кислоте и "царской водке", окисляясь при этом в нитрат ртути (II) Hg(NO₃)₂ или в хлорид ртути (II) HgCl₂.

Выполнение опыта:

Поместить в пробирку 2-3 капли раствора соли ртути (I) Hg₂(NO₃)₂ и добавить к нему 3-4 капли 2М раствора HCl. Оставить пробирку с осадком для выполнения следующего опыта.

Записать наблюдения и уравнения реакций в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

Опыт 2.3.2. Реакция хлорида ртути (I) с аммиаком

Наиболее характерной, достаточно чувствительной и специфической реакцией на катионы одновалент­ной ртути является взаимодействие хлорида ртути (I) с раствором аммиака. Этой реакцией, как правило, и пользуются в аналитических лабораториях для открытия катионов одновалентной ртути Hg₂²⁺.

C раствором аммиака хлорид ртути (I) взаимодействует с обра­зованием хлорида димеркураммония, который вследствие чрезвычай­ной неустойчивости немедленно разлагается на трудно растворимый белый осадок меркураммоний или амидохлорид ртути (II) и металлическую ртуть, последняя при этом выделяется в мелко раздробленном (тонкодисперсном) состоянии, придавая осадку черную окрас­ку:

Hg₂Cl₂ + 2NH₄OH = [Hg₂NH₂]Cl + NH₄C1 + 2Н₂O

[NH₂Hg₂]Cl = [HgNH₂]Cl + Hg⁰

Суммарное уравнение:

Hg₂Cl₂¯ + 2NH₃ ® [Hg₂NH₂]Cl¯ + Hg⁰¯ + NH₄Cl

Следовательно, если обработать осадок, полученный в предыдущем опыте Hg₂Cl₂ (белого цвета) раствором аммиака, то, вследствие указанной реакции, белый осадок приобретает черную окраску.

Выполнение опыта:

К образовавшемуся в предыдущем опыте осадку добавить 5-10 капель концентрированного раствора аммиака. Наблюдать появление черного осадка металлической ртути. Записать наблюдения и уравнения реакций в тетрадь.

Опыт 2.3.3. Действие щелочей

Щелочи (NaOH, KOH) выделяют из растворов, содержащих катионы Hg₂²⁺, черный осадок оксида ртути (I) Hg₂O:

Hg₂(NO₃)₂ + 2KOH = 2HgOH¯ + 2KNO₃

2HgOH → Hg₂O¯ + Н₂O

Hg₂²⁺ + 2ОН^- ® Hg₂O¯ + Н₂O

Осадок растворяется в азотной и концентрированной уксусной кислотах.

Выполнение опыта:

В пробирку внести 3-4 капли раствора Hg₂(NO₃)₂ и прибавить 2-3 капли раствора NaOH или KOH. Выделяется черный осадок оксида ртути (I). Изучить отношение осадка к азотной и концентрированной уксусной кислотам.

Записать наблюдения и уравнения реакций в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

Опыт 2.3.4. Восстановление ртути (I) металлической медью

Металлическая медь восстанавливает Hg₂²⁺ до металла с образованием амальгамы:

Hg₂²⁺ + 2Cu⁰ ® 2Hg + Cu²⁺

Cu⁰ + Hg₂(NO₃)₂ = 2Нg⁰ + Сu(NО₃)₂

При очень малых концентрациях Hg₂²⁺ пятно получается свет­ло-серого цвета, так как на поверхности медной пластинки образу­ется амальгама меди. Если полученное при этом пятно протереть тканью или бумагой, то оно обретает вид зеркала.

Открытию ртути этой реакцией мешают только катионы двухва­лентной ртути, дающие аналогичный эффект, и в значительных кон­центрациях ионы серебра, которые медью также восстанавливаются, образуя под каплей серое пятно металлического серебра. В отсутс­твии же Hg²⁺ и больших концентрациях Ag⁺ эта реакция является специфической на катионы одновалентной ртути.

Выполнение опыта:

На очищенную наждачной бумагой медную монету или медную пластинку поместить 2-3 капли раствора соли ртути (I). Через 2-3 минуты на пластинке появится серое пятно металлической ртути. Затем необходимо смыть раствор водой и протереть поверхность кусочком фильтровальной бумаги. При этом пятно обретает вид зеркала.

Записать наблюдения и уравнение реакции в тетрадь. Рассмотреть окислительно-восстановительную реакцию с помощью метода электронного баланса.

Опыт 2.3.5. Восстановление ртути (I) хлоридом олова (II)

Ион одновалентной ртути может быть восстановлен до металлической ртути с помощью хлорида олова (II). При этом вначале образуется белый осадок хлорида одновалентной ртути, который при стоянии темнеет вследствие восстановления ионов ртути Hg₂²⁺ до металлической ртути Hg⁰:

Hg₂(NO₃)₂ + SnCl₂ = Hg₂Cl₂¯ + Sn(NO₃)₂

Hg₂²⁺ + 2Cl^- ® Hg₂Cl₂¯

Hg₂Cl₂¯ + Sn²⁺ ® 2Hg⁰¯ + Sn⁴⁺ + 2Cl^-

Хлорид двухвалентного олова SnCl₂ должен быть свежеприготовленным, т.к. SnCl₂ может окисляться на воздухе до четырехвалентного олова SnCl₄.

Выполнение опыта:

К капле раствора соли одновалентной ртути добавить 2-3 капли раствора хлорида олова (II). Наблюдать образование белого осадка. Оставить осадок на некоторое время – осадок темнеет. Записать наблюдение и уравнения окислительно-восстановительной реакции, рассмотреть с помощью метода электронного баланса.