Работа 3. Реакции катионов третьей аналитической группы

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

Задачи:провести реакции обнаружения катионов бария, кальция, стронция, отметить их особенности, оформить лабораторную работу, ответить на теоретические вопросы, сделать выводы.

Оборудование:штатив с пробирками, водяная баня, плитка, пипетки на 1 мл, спиртовка, держатели для пробирок, спички, предметные стекла, микроскоп, платиновая, нихромовая или алюминиевая проволока, стеклянная палочка, фильтровальная бумага.

Реактивы:

3.1. Реакции катиона бария Ba²⁺

ВНИМАНИЕ! Соединения бария токсичны! Работать осторожно!

Опыт 3.1.1. Реакция с серной кислотой (действие группового реагента)

Серная кислота и растворимые сульфаты с ионами бария Ва²⁺ образуют белый кристаллический осадок, нерастворимый в минеральных кислотах и щелочах:

BaCl₂ + H₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2 HCl

Ba²⁺ + SO₄^2- ® BaSO₄¯

За исключением - концентрированной серной кислоты, в которой он заметно растворяется с образованием гидросульфата бария Ba(HSO₄)₂:

BaSO₄¯ + H₂SO₄ → Ba(НSO₄)₂

При нагревании с растворами карбонатов (например, соды Na₂CO₃) сульфат бария превращается в малорастворимый в воде карбонат бария BaCO₃, который растворяется в кислотах.

Предел обнаружения катионов бария данной реакцией составляет 10 мкг. Мешают катионы Ca²⁺, Sr²⁺, Pb²⁺.

Выполнение опыта:

Поместить в пробирку 1-2 капли раствора соли бария и добавить к нему 2-3 капли 1 М раствора серной кислоты H₂SO₄.

Записать наблюдения и уравнение реакции в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

Опыт 3.1.2. Реакция с бихроматом калия K₂Cr₂O₇

Бихромат калия осаждает из растворов солей бария желтый кристаллический осадок хромата бария BaCrO₄, а не дихромат бария BaCr₂O₇, как можно было бы предположить. Объясняется это гидролизом дихромата калия, в результате которого в растворе присутствуют не только ионы Cr₂O₇^2-, но и ионы CrO₄^2-:

Cr₂O₇^2- + H₂OD2CrO₄^2- + 2H⁺

Таким образом, уравнение имеет следующий вид:

2BaCl₂ + K₂Cr₂O₇ + H₂O D 2BaCrO₄ + 2KCl + 2HCl

Однако, осаждение Ва²⁺ при этом не может быть полным: образующаяся одновременно кислота (HCl) растворяет хромат бария и реакция идет в обратном направлении.

Для полного осаждения бария, например, для отделения Ва²⁺ от ионов Ca²⁺ и Sr²⁺, не дающих осадков с бихроматом калия, к раствору прибавляют еще и ацетат натрия. Благодаря чему сильная кислота заменяется слабой, в которой хромат бария не растворим:

HCl + CH₃COONa = CH₃COOH + NaCl

Практически берут некоторый избыток ацетата натрия, чтобы с уксусной кислотой он образовал ацетатную буферную смесь, поддерживающую рН ≈ 4-5, при котором происходит полное осаждение хромата бария.

Выполнение опыта:

К 1-2 мл соли бария прилить 1-2 мл бихромата калия. Добавить избыток раствора ацетата натрия. Что наблюдается? Испытать растворимость образовавшегося осадка в растворах кислот сильной (HCl) и слабой (СН₃СООН). Записать молекулярное и молекулярно-ионное уравнения реакции образования осадка и растворения осадка в сильной кислоте.

Опыт 3.1.3. Реакция с оксалатом аммония (NH₄)₂C₂O₄.

Катионы Ba²⁺ образуют осадок при реакции с растворимыми оксалатами - белый BaC₂O₄:

Ba²⁺ + C₂O₄ ^2–→BaC₂O₄↓

BaC₂O₄ + 2 HCl →BaCl₂ + H₂C₂O₄

Осадок растворяется в соляной и азотной кислотах (HCl, HNO₃), а при нагревании - и в CH₃COOH.

Выполнение опыта:

К 1-2 мл соли бария прилить столько же раствора (NH₄)₂C₂O₄. Что наблюдается? Изучить отношение осадка к соляной и уксусной кислотам, в последнем случае пробирку нагреть.

Записать молекулярное и молекулярно-ионное уравнения реакции образования осадка.

Опыт 3.1.4. Реакция с карбонатами

Растворимые карбонаты, например, K₂CO₃, Na₂CO₃ или (NH₄)₂CO₃ образуют с катионами III группы, в том числе и с ионами бария, малорастворимые бесцветные карбонаты. Выделившиеся карбонаты хорошо растворимы в уксусной, соляной и азотной кислотах. Карбонат аммония с ионами бария образует аморфный белый осадок ВаСО₃, который при нагревании превращается в кристаллический:

ВаСl₂ + (NH₄)₂CO₃ = ВаСО₃ + 2NH₄Сl
Ba²⁺ + CO₃^2– → BaCO₃↓

BaCO₃ + 2 Н⁺→ Ba²⁺ + СО₂↑ + Н₂О

Карбонаты катионов III группы растворяются в воде при насыщении ее углекислым газом с образованием кислых солей:

BaCO₃ + СО₂ + Н₂О →Ba(НCO₃)₂

Выполнение опыта:

В пробирку поместить 3-5 капель соли бария, добавить 3-5 капель 2н раствора карбоната аммония (NH₄)₂CO₃. После выпадения осадка содержимое пробирки нагреть. Аморфный осадок превращается в кристаллический.

Затем слить жидкость с осадка, разделить осадок на две части. Одну часть испытать на действие 2н раствором соляной кислоты НСl, а другую – 2н раствором уксусной кислоты СН₃СООН.

Написать наблюдения и уравнения реакций растворения осадка в кислотах в молекулярной и ионной форме.

Опыт 3.1.5. Реакция с родизонатом натрия

Катионы Ba²⁺ реагируют с родизонатом натрия Na₂C₆O₆ в нейтральной среде с образованием красно-бурого осадка родизоната бария:

Ba²⁺ + Na₂C₆O₆ → BaC₆O₆↓ + 2Na⁺

При прибавлении раствора хлороводородной кислоты красно-бурый осадок родизоната бария превращается в ярко-красный гидроро-дизонат бария Ba(HC₆O₆)₂.

Мешают катионы Pb²⁺.

Выполнение опыта:

Реакцию проводят капельным методом на фильтровальной бумаге. На лист фильтровальной бумаги наносят каплю раствора соли бария и каплю свежеприготовленного 0,2 % раствора родизоната натрия. Наблюдается образование красно-бурого пятна.

На пятно наносят каплю раствора НСl. Окраска пятна переходит из бурой в ярко-красную.

Опыт 3.1.6. Окрашивание пламени

Летучие соли бария окрашивают пламя в желто-зеленый цвет.

Выполнение опыта:

Чистую нихромовую проволоку опустить в насыщенный раствор соли бария или в сухую соль и затем внести её в пламя спиртовки.

Записать наблюдения в тетрадь.

3.2. Реакции катиона кальция Ca²⁺

Опыт 3.2.1. Реакция с серной кислотой

Серная кислота и растворимые сульфаты в концентрированных растворах образуют с катионом кальция Са²⁺ кристаллы гипса CaSO₄×2Н₂О белого цвета, имеющие игольчатую форму:

Сa²⁺ + SO₄^2- + 2Н₂О ® ¯ СaSO₄ × 2Н₂О

Выполнение опыта:

Поместить на предметное стекло 1 каплю раствора соли кальция, прибавить к нему 1 каплю 1М раствора H₂SO₄ и 1 каплю С₂Н₅ОН для уменьшения растворимости. Осторожно нагреть предметное стекло на водяной бане или над плитой до появления белых кристаллов гипса. Рассмотреть их под микроскопом.

Записать наблюдения и уравнение реакции в молекулярном и ионно-молекулярном виде. Зарисовать кристаллы в тетрадь.

Опыт 3.2.2. Реакция с оксалатом аммония (NH₄)₂C₂O₄.

Оксалат аммония с ионами кальция Са²⁺ образует белый кристаллический осадок CаC₂O₄, нерастворимый в уксусной кислоте, но растворимый в сильных кислотах:

Сa²⁺ + C₂O₄^2- ® CаC₂O₄¯

Так как катионы Ва²⁺, Sr²⁺ и Mg²⁺ с (NH₄)₂C₂O₄ тоже образуют белые мелкокристаллические осадки, то они мешают обнаружению катиона Ca²⁺.

Реакцию проводят в слабокислой среде (рН « 6-6,5) в присутствии уксусной кислоты, в которой оксалат кальция не растворяется. В конце проведения реакции можно добавить аммиак. Осадок CaC₂O₄ нерастворим в растворе аммиака, но растворяется в разбавленных минеральных кислотах с образованием щавелевой кислоты H₂C₂O₄, например:

CаC₂O₄¯ + HCl ® CаCl₂ + Н₂C₂O₄

Реакция с оксалатом аммония фармакопейная.

Выполнение опыта:

К 1-2 мл соли кальция прилить 1-2 мл раствора (NH₄)₂C₂O₄, добавить столько же 2М раствора аммиака. Изучить растворимость образовавшегося мелкокристаллического осадка в растворах HCl и CH₃COOH.

Реакцию можно провести другим способом. В пробирку внести 3 капли раствора CaCl₂, прибавить каплю раствора уксусной кислоты и 3 капли раствора оксалата аммония. Выпадает белый кристаллический осадок оксалата кальция.

Записать молекулярное и молекулярно-ионное уравнения реакции образования осадка.

Опыт 3.2.3. Реакция с карбонатом аммония (NH₄)₂CO₃

Катионы кальция реагируют с карбонатом аммония так же как и катионы бария. Карбонат аммония с ионами кальция образует аморфный белый осадок СаСО₃, который при нагревании превращается в кристаллический:
СаСl₂ + (NH₄)₂CO₃ ® СаСО₃ + 2NH₄Сl

Са²⁺ + CO₃^{2 -} ® СаСО₃

Выполнение опыта:

В пробирку поместить 3-5 капель соли кальция, добавить 3-5 капель 2н раствора карбоната аммония (NH₄)₂CO₃ . После выпадения осадка содержимое пробирки нагреть. Аморфный осадок превращается в кристаллический.

Слить жидкость с образовавшегося осадка, разделить его на две части. Одну часть испытать на действие 2н раствором соляной кислоты НСl, а другую – 2н раствором уксусной кислоты СН₃СООН.

Записать уравнения реакций растворения осадка в кислотах в молекулярной и ионной форме.

Опыт 3.2.4. Реакция с гексацианоферратом(II) калия

Катионы Ca²⁺ образуют с гексацианоферратом (II) калия K₄[Fe(CN)₆] при нагревании раствора до кипения в присутствии катионов аммония белый кристаллический осадок смешанного гексацианоферрата (II) аммония и кальция (NH₄)₂Ca[Fe(CN)₆]:

2NH₄ + Ca²⁺ + [Fe(CN)₆]^4- ® (NH₄)₂Ca[Fe(CN)₆]↓

Осадок нерастворим в уксусной кислоте. Мешают катионы Ba²⁺ и другие катионы, образующие осадки ферроцианидов.

Выполнение опыта:

В пробирку внести 3-4 капли насыщенного водного раствора CaCl₂, 2-3 капли раствора аммиака. Нагреть раствор до кипения и прибавить 5-6 капель свежеприготовленного насыщенного раствора K₄[Fe(CN)₆]. Выпадает белый кристаллический осадок.

Записать уравнения реакций в молекулярной и ионной форме.

Опыт 3.2.5. Реакция с родизонатом натрия

Катионы Ca²⁺ образуют со свежеприготовленным раствором родизоната натрия Na₂C₆O₆ в щелочной среде осадок фиолетового комплекса, состав которого, по-видимому, можно описать формулой Ca₂C₆O₆(OH)₂:

Реакция довольно чувствительна. Катионы Sr²⁺ и Ba²⁺ не мешают, так как в щелочной среде не образуют осадки с родизонатом натрия.

Реакцию можно проводить капельным методом на фильтровальной бумаге.

Выполнение опыта:

В пробирку внести 3-4 капли раствора CaCl₂,столько же капель раствора NaOH и 2 капли свежеприготовленного 0,2 % раствора ро-дизоната натрия. Выпадает фиолетовый осадок.

При проведении реакции на фильтровальной бумаге поступают следующим образом. На лист фильтровальной бумаги нанести каплю щелочного раствора CaCl₂ и каплю свежеприготовленного 0,2 % раствора Na₂C₆O₆. Образуется пятно (или осадок) фиолетового цвета.

Записать наблюдения и уравнения реакций в молекулярной и ионной форме.

Опыт 3.2.6. Окрашивание пламени солями кальция (фармакопейный тест)

Летучие соли кальция окрашивают пламя газовой горелки (спиртовки) в оранжево-красный цвет.

Выполнение опыта:

Чистую нихромовую проволоку опустить в насыщенный раствор хлорида кальция или в сухую соль и затем внести её в пламя газовой горелки. Записать наблюдения в тетрадь.

3.3. Реакции катиона стронция Sr²⁺

Катион Sr²⁺не имеет специфических реакций.