Аналитическая химия

Работа 4. Анализ смеси катионов всех шести аналитических групп
по кислотно-основной классификации

В зависимости от того, что представляет собой анализируемый объект – водный раствор без осадка или водный раствор с осадком – выбирают ту или иную схему систематического хода анализа. При выборе качественной реакции на тот или иной катион можно пользоваться таблицами 2,5–2,11, в которых приведены реагенты и продукты некоторых аналитических реакций, катионов первой-шестой аналитических групп.

А. Анализ раствора без осадка. Если анализируемый объект представляет собой водный раствор без осадка, то применяемая схема анализа заключается в следующем (в конкретных случаях отдельные детали анализа могут быть различными).
Анализируемый раствор может быть окрашенным или бесцветным. По окраске раствора высказывают предположения о присутствии или отсутствии катионов, имеющих характерную окраску. Если, например, раствор прозрачный и бесцветный, то можно предположить, что он не содержит катионы Сr³⁺, Fe³⁺, Cu²⁺, Co²⁺, Ni²⁺.
Некоторые предварительные указания можно получить и на основании измерения значения рН раствора (например, с помощью универсальной индикаторной бумаги, которая при разных значениях рН водного раствора окрашивается в различные цвета). Если значение рН раствора находится в пределах рН = 2–4 (и раствор не содержит осадка), то в нем отсутствуют олово (II), олово (IV), сурьма (III), сурьма (V), висмут (III), ртуть (II), железо (III), так как в противном случае их продукты гидролиза выделялись бы в форме осадков при указанных значениях рН раствора.
Анализируемый раствор обычно делят на три части. Одну часть используют для предварительных испытаний, другую – для проведения систематического анализа, третью – оставляют для контроля.
1. Предварительные испытания. В отдельных небольших порциях анализируемого раствора (объемом примерно по 0,3–0,5 мл) определяют наличие катионов II–VI аналитических групп действием групповых реагентов — водного раствора хлороводородной кислоты НСl, водного раствора серной кислоты H₂SO₄, водного раствора гидроксида натрия NaOН в присутствии пероксида водорода Н₂О₂, водного 25%-го раствора ам­миака. Обычно в отдельных порциях анализируемого раствора предвари­тельно открывают также и некоторые индивидуальные катионы – железа Fe²⁺ и Fe³⁺, хрома (III) Сr³⁺, меди Сu²⁺, катионы первой группы и другие действием различных реагентов.
Определив наличие катионов различных групп, приступают к разделению их с помощью групповых реагентов.
2. Отделение и открытие катионов второй аналитической группы. Если в растворе присутствуют катионы второй аналитической группы (Ag⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺), то их отделяют действием водного раствора хлорово­дородной кислоты в виде смеси осадков хлоридов АgСl, Нg₂Cl₂ и РbСl₂ белого цвета, в которой затем открывают каждый из данных катионов.
3. Отделение и открытие катионов третьей аналитической группы. Маточник, оставшийся после отделения от анализируемого раствора осадков хлоридов катионов второй аналитической группы, медленно об­рабатывают водным раствором серной кислоты (с добавлением этанола, если в растворе присутствуют катионы кальция). Выделяются белые осадки сульфатов катионов третьей аналитической группы – кальция CaSO₄, стронция SrSO₄, бария BaSO₄, а также сульфат свинца PbSO₄ (катионы свинца Рb²⁺ были не полностью отделены на предыдущем этапе при обработке раствора хлороводородной кислотой, поскольку хлорид свинца заметно растворим в воде). Убеждаются в полноте осаждения катионов третьей группы (раствор не должен мутнеть при добавлении небольшого количества серной кислоты). Смесь центрифугируют, отделяют осадки сульфатов, а маточник оставляют для дальнейшего анализа.
К осадку сульфатов прибавляют небольшое количество водного 30%-го раствора ацетата аммония CH₃COONH₄ или натрия CH₃COONa при нагревании на водяной бане для удаления примесей сульфата свинца, который в этих условиях переходит в раствор. Операцию при необходимости повторяют до отрицательной реакции на катионы свинца (проба с дихроматом калия в отдельной порции раствора). В осадке остаются сульфаты кальция, стронция и бария, которые переводят в карбонаты (растворимые в кислотах) для того, чтобы затем растворить эти карбонаты в кислоте и получить раствор, в котором содержались бы катионы кальция, стронция и бария. В растворе открывают эти катионы.
Для перевода сульфатов в карбонаты к осадку сульфатов кальция, стронция и бария прибавляют небольшое количество насыщенного водного раствора карбоната натрия (соды) Na₂CO₃, смесь перемешивают и нагревают несколько минут на водяной бане. Сульфаты переходят в карбонаты. Однако однократной обработки обычно бывает недостаточно. Поэтому смесь после нагревания центрифугируют, отделяют центрифугат и осадок снова обрабатывают насыщенным водным раствором соды, как описано выше. Снова центрифугируют смесь и отделяют центрифу-
гат от осадка. Операцию обработки осадка раствором соды повторяют до отрицательной реакции на сульфат-ионы в центрифугате. Промывают осадок дистиллированной водой и к промывным водам прибавляют раствор хлорида бария. Если при этом не наблюдается образование мути (сульфата бария), то обработку осадка раствором соды прекращают, так как отсутствие сульфат-ионов свидетельствует о том, что сульфаты кальция, стронция и бария полностью перешли в карбонаты.
Оставшийся осадок карбонатов кальция, стронция и бария обрабатывают раствором уксусной кислоты (2 моль/л) при нагревании. Осадок растворяется. В полученном растворе затем открывают каждый катион третьей аналитической группы.
4. Предварительное открытие некоторых катионов четвертой, пятой и шестой аналитических групп. Раствор, оставшийся после отделения катионов второй и третьей аналитических групп, может содержать катионы первой, четвертой, пятой и шестой аналитических групп по кислотно-основной классификации. Перед продолжением проведения дальнейшего систематического анализа можно предварительно открыть (хотя это делается не всегда) некоторые катионы в отдельных небольших порциях этого или исходного раствора, например, катионы железа (II) Fe²⁺, железа (III) Fe³⁺, хрома (III) Сr³⁺, меди (II) Сu²⁺, мышьяка (V), сурьмы, марганца (II) Мn²⁺, кобальта (II) Со²⁺, никеля (II) Ni²⁺, ртути (II) Hg²⁺, висмута (III) а также катионы первой аналитической группы.