Аналитическая химия – это наука о методах определения качественного и количественного химического состава соединений и их химической структуры. Один из разделов аналитической химии - качественный анализ, целью которого является обнаружение составных частей неизвестного индивидуального вещества или их смеси. Для решения этой задачи пользуются так называемыми аналитическими реакциями, которые сопровождаются характерными внешними эффектами: выделение газа, образование осадка, образование комплексного иона. Реакции, сопровождающиеся внешним эффектом, характерным только для одного иона или соединения, называются специфическими. Таких реакций мало. Очень часто реакции дают внешний эффект, характерный для нескольких ионов. Так же в качественном анализе применяются реакции, основанные на индивидуальных свойствах образовавшихся продуктов, например, на способности осадков растворяться в кислотах, щелочах и других реагентах.
Для обнаружения ионов при их совместном присутствии в растворе, каком-либо природном или промышленном объекте применяют дробный или систематический методы анализа. Дробный метод анализа заключается в обнаружении иона посредством специфической реакции. Применение этого метода ограничено, поскольку таких реакций немного. В процессе систематического анализа проводится предварительное разделение всех ионов на так называемые аналитические группы и обнаружение того или иного иона осуществляется в присутствии ограниченного числа других ионов. Систематический ход анализа обычно проводят «мокрым» путем, так как реакции между ионами обычно протекают в водных растворах. Существуют разные схемы систематического анализа, основанные на различном отношении групп ионов к действию определенных реагентов. Наиболее распространены кислотно-щелочная и сероводородная схемы анализа катионов. Сероводородный метод анализа катионов является классическим. Он основан на различной растворимости сульфидов, гидроксидов, карбонатов и хлоридов. В этом методе катионы делят на пять аналитических групп. У каждой из них есть свой групповой реагент, за исключением первой группы катионов. В качестве группового реагента используется такой реактив, который реагирует со всеми катионами данной группы в одних и тех же условиях и дает возможность отделить катионы данной группы. Групповыми реагентами являются хлороводородная кислота, сероводород, сульфид аммония, карбонат аммония. Кислотно-щелочной метод анализа катионов основан на различной растворимости в воде хлоридов и сульфатов и на различной растворимости гидроксидов в воде, избытке щелочи и водном растворе аммиака. Групповыми реактивами являются хлороводородная и серная кислота, щелочь и водный раствор аммиака. В кислотно-щелочном методе катионы делят на шесть аналитических групп.
В соответствии с кислотно-щелочной схемой анализа принята следующая классификация катионов:
№ группы |
Катионы |
Групповой реагент |
Продукты реакции (краткая характеристика) |
I |
Ag+, Hg22+, Pb2+ |
HCl |
Белые аморфные хлориды нерастворимы в воде и разбавленных растворах кислот. |
II |
Ca2+, Ba2+ |
H2SO4 |
Белые кристаллические сульфаты нерастворимы в воде. Сульфат бария нерастворим в минеральных кислотах даже при нагревании. |
III |
Al3+, Zn2+, Cr3+, Sn(II), Sn(IV), As(III), As(V) |
NaOH(изб.)+H2O2 |
Раствор, содержащий CrO42–, желтого цвета. В остальных случаях образуются бесцветные растворы. Гидроксиды растворяются в избытке щелочей. |
IV |
Mg2+, Mn2+, Fe2+, Fe3+ |
NaOH+H2O2 |
H2MnO3, Fe(OH)3 – осадки бурого цвета. В остальных случаях осадки белого цвета. Гидроксиды нерастворимы в избытке щелочи. |
V |
Cu2+, Cd2+, Co2+, Ni2+, Hg2+ |
Водный раствор аммиака в избытке. |
Комплексные соединения аммиакаты. |
VI |
NH4+, Na+, K+ |
Отсутствует |
– |
В качестве примера рассмотрим ход анализа смеси катионов первой аналитической группы.
1. К небольшому объему исследуемого раствора по каплям добавляют раствор группового реагента – HCl (1:3) до прекращения выделения осадка и 2 капли избытка. В процессе прибавления кислоты раствор перемешивают; дают осадку отстояться и проверяют раствор на полноту осаждения. Осадок отделяют центрифугированием. Он представляет собой смесь хлоридов серебра, свинца, ртути (I).
2. Исследование осадка.
а) Испытание на присутствие ионов свинца: к осадку добавляют 1 мл. кипящей воды, смесь растирают и дают отстояться на кипящей бане. При этом хлорид свинца (II) переходит в раствор. Отбирают по несколько капель этого раствора в чистые пробирки. В одну из них добавляют раствор KI, в другую – раствор K2CrO4. Образование осадков в пробирках доказывает присутствие ионов свинца. Если катион свинца обнаружен, его удаляют из осадка. С этой целью к осадку добавляют горячую воду (1-2 мл.), перемешивают и нагревают на кипящей водяной бане. Горячий раствор отбирают. Эту операцию повторяют до тех пор, пока горячий раствор не перестанет давать положительную реакцию на катион свинца.
б) Испытание на присутствие ионов ртути (I): к осадку добавляют 1 мл. концентрированного раствора аммиака. При этом происходит растворение осадка хлорида серебра с образованием комплексной соли хлорида диамминсеребра. Появление черной окраски у осадка при обработке его раствором аммиака указывает на присутствие катионов ртути (I). Осадок отделяют центрифугированием.
в) Испытание на присутствие ионов серебра: в пробирку помещают несколько капель центрифугата после отделения катионов ртути, добавляют несколько капель концентрированной азотной кислоты, перемешивают. Образование белого аморфного осадка доказывает присутствие катионов серебра.
Схема анализа смеси катионов первой аналитической группы.
Катионы первой аналитической группы бесцветны. Почти все соли этих катионов плохо растворяются в воде. Исключением являются нитраты, а также ацетаты серебра и свинца. Гидроксиды серебра и ртути (I) являются неустойчивыми и разлагаются с образованием соответствующего оксида и воды. Гидроксид свинца (II) проявляет амфотерные свойства. Соли этих катионов подвергаются гидролизу. Ионы Pb2+, Ag+, Hg2+ склонны к образованию комплексных ионов. Соединения свинца и ртути ядовиты. Ионы серебра в очень низкой концентрации подавляют развитие бактерий и стерилизуют воду. Соединения катионов первой аналитической группы применяются в медицине и фармации.