Работа 4. Реакции катионов четвертой аналитической группы

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

Задачи:провести реакции обнаружения катионов алюминия, цинка, хрома, олова и др., 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, стаканы, колбы, воронка для фильтрования, фарфоровые тигли, лакмусовая бумажка, цветная (черная) бумага, ножницы.

Реактивы:

4.1. Реакции катиона алюминия Al³⁺

Опыт 4.1.1. Действие щелочей (группового реагента)

Катионы Al³⁺ при реакциях с щелочами в растворах дают белый осадок гидроксида алюминия Al(OH)₃, который растворяется в избытке щелочи с образованием гидроксокомплекса [Al(OH)₆]^3- (иногда гидроксокомплексам алюминия в растворе приписывают состав [Al(OH)₄]^-):

Al³⁺ + 3OН^- → Al(OH)₃↓

Al(OH)₃↓+ 3OН^- → [Al(OH)₆] ^3-

Наиболее полное осаждение гидроксида алюминия происходит при pH = 5-6. Осадок Al(OH)₃ растворяется в кислотах, но не растворяется в аммиаке.

Выполнение опыта:

К раствору соли алюминия прилить 1-2 капли щелочи. Наблюдать образование осадка. Полученный осадок разлить в две пробирки. В одну пробирку добавить соляную кислоту, в другую - избыток щелочи.

Что наблюдается? На какие свойства гидроксида алюминия указывает это явления? Написать уравнения реакций получения осадка и растворения его в кислоте и в избытке щелочи.

Внимание! Последнюю пробирку (с алюминатом – растворенным осадком в избытке щелочи) оставить для следующего опыта.

Опыт 4.1.2. Действие хлорида аммония на растворы алюминатов

При добавлении солей аммония к щелочному раствору (особенно при нагревании), полученному после растворения гидроксида алюминия, гидроксокомплексы алюминия разрушаются, и снова выпадает осадок гидроксида алюминия:

[Al(OH)₆] ^3- + 3NH₄⁺ →Al(OH)₃↓ + 3NH₃ + 3H₂O

NaAlO₂ + NH₄Cl ® NH₄AlO₂ + NaСl

NH₄AlO₂ + 2HOH ® Al(OH)₃↓+ NH₄OH

Выполнение опыта:

К полученному в предыдущем опыте раствору алюмината прилить насыщенный раствор хлорида аммония или добавить несколько кристалликов этой соли. Раствор нагреть. Что наблюдается?

Записать в тетрадь молекулярные и составить молекулярно-ионные уравнения реакций.

Опыт 4.1.3. Реакция с аммиаком

Катионы Al³⁺ образуют с аммиаком, как и с щелочами, белый аморфный осадок гидроксида алюминия:

Al³⁺ + 3NH₃ + 3H₂O ®Al(OH)₃¯ + 3NH₄⁺

В избытке раствора аммиака осадок не растворяется, в отличие от действия щелочей.

Выполнение опыта:

Поместить в пробирку 4-5 капель раствора соли алюминия и прибавить к нему 5-6 капель 2М раствора NH₃. Проверить растворимость гидроксида алюминия в избытке раствора аммиака.

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

Опыт 4.1.4. Реакция с нитратом кобальта

Катионы алюминя с нитратом кобальтаобразуют так называемую «тенаровую синь». При прокаливании соли алюминия, смоченной разбавленным раствором нитрата кобальта Co(NO₃)₂, образуется смешанный оксид алюминия и кобальта (алюминат кобальта) Co(AlO₂)₂ синего цвета - «тенаровая синь»:

Мешают реакции катионы: Zn²⁺, Cr³⁺, Cu²⁺, Ni²⁺ и др. Реакция является фармакопейной.

Выполнение опыта:

Полоску фильтровальной бумаги смочить вначале 1-2 каплями раствора сульфата алюминия Al₂(SO₄)₃, а затем 1-2 каплями разбавленного раствора нитрата кобальта. Бумагу высушить, поместить в фарфоровый тигель и озолить на плите. Получить золу синего цвета - «тенаровую синь».

Записать наблюдения и уравнения реакций.

Опыт 4.1.5. Реакция с ализарином

Ализарин S (натриевая соль 1,2-диокси антрахинон-3-сульфокислоты), а также некоторые его производные при реакциях с катионами Al³⁺ в аммиачной слабощелочной среде образуют малорастворимые комплексные соединения, имеющие сложное и не до конца установленное строение, ярко-красного цвета, называемые «алюминиевыми лаками»:

Al³⁺ + 3NH₄ОН + C₁₄H₆O₂(OH)₂ ® Al(OH)₂ C₁₄H₆O₂(OH) ¯ + 3NH₄⁺+ H₂O

Комплекс устойчив в уксуснокислой среде. Реакция высокочувствительна. Мешают катионы, также образующие комплексы с ализарином: Zn²⁺, Sn²⁺, Cr³⁺, Mn²⁺, Fe³⁺ и др.

Реакцию можно выполнять капельным методом на фильтровальной бумаге.

Выполнение опыта:

На лист фильтровальной бумаги нанести 1-2 капли раствора соли алюминия. Бумагу подержать 1-2 мин в парах аммиака над склянкой с концентрированным раствором аммиака (под тягой!). Пары аммиака, соприкасаясь с влажным пятном, образуют на бумаге гидроксид алюминия.

На пятно нанести каплю раствора ализарина и снова подержать бумагу в парах аммиака. Пятно вначале окрашивается в фиолетовый цвет (цвет фона ализарина). Бумагу подсушить, нанести на нее 1-2 капли раствора уксусной кислоты и снова высушить. Пятно становится розово-красным.

Если в растворе одновременно с катионами алюминия присутствуют другие катионы, также дающие с ализарином комплексы, то капельную реакцию с ализарином проводят на фильтровальной бумаге, пропитанной раствором ферроцианида калия K₄[Fe(CN)₆]. При нанесении капли раствора на такую бумагу образуются малорастворимые ферроцианиды мешающих катионов, дающие темное пятно. А катионы Al³⁺, не дающие осадка ферроцианида, при прибавлении капли воды переносятся растворителем на периферию пятна, где после обработки парами аммиака и раствором ализарина образуют ализариновый комплекс алюминия. При высушивании бумаги фиолетовый фон ализарина исчезает, а красная окраска ализарин-алюминиевого лака - остается.

Записать уравнения реакции и наблюдения в тетрадь.

Опыт 4.1.6. Реакция с алюминоном

Катион Al³⁺ при взаимодействии с алюминоном - аммонийной солью ауринтрикарбоновой ислоты (обозначим ее для краткости NH₄L) образует в уксуснокислой или аммиачной среде комплекс красного цвета (по-видимому, состава Al(OH)₂L).

Реакция высокочувствительна. Мешают реакции катионы Ca²⁺,Cr³⁺,Fe³⁺, также образующие окрашенные комплексы с алюминоном.

Выполнение опыта:

В пробирку внести 3-4 капли раствора соли алюминия, 2-3 капли раствора уксусной кислоты и 3-5 капель 0,01 % раствора алюминона. Смесь нагреть на водяной бане, прибавить несколько капель раствора аммиака до щелочной реакции (проверить лакмусовой бумажкой) и 2-3 капли раствора карбоната аммония. Выпадает красный хлопьевидный осадок.

Записать наблюдения и уравнения реакции в тетрадь.