Задание: Пишем конспект, записываем реакции в молекулярном и ионном полном и сокращенном виде. Выполняем тестовую работу

Тема урока «Реакции катионов третьей и четвертой аналитической группы»

Третья аналитическая группа катионов: Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺

Общая характеристика

Катионы кальция, стронция и бария являются простыми катионами s-элементов главной подгруппы II группы периодической таблицы Д. И. Менделеева. Катионы III аналитической группы бесцветны, окрашенные соединения образуют лишь с окрашенными анионами. Нитраты, хлориды, бромиды и гидрокарбонаты катионов третьей группы хорошо растворимы в воде. Растворимые соли сильных кислот (хлориды, нитраты) не гидролизованы. Их гидроксиды являются сильными основаниями. Катионы этой группы устойчивы к действию восстановителей, комплексообразующие свойства для них мало характерны.

Действие группового реагента

Для открытия катионов III аналитической группы применяется групповой реактив - разбавленная серная кислота. При взаимодействии катионов III аналитической группы с сульфат - ионом в растворах образуются белые кристаллические осадки:

Cа ²⁺ + SО₄ ^2- → CaSO₄↓

Ba²⁺ + SО₄ ^2- → BaSO₄↓

Sr²⁺ + SО₄ ^2- → SrSO₄↓

Наименьшую растворимость имеет сульфат бария. Благодаря высокой растворимости в воде сульфат кальция образует насыщенный раствор (гипсовая вода), который может служить реактивом на катионы стронция и бария.

CaSO₄ + BaCl₂ → BaSO₄ ↓ + CaCl₂

CaSO₄ + SrCl₂ → SrSO₄ ↓ + CaCl₂

Насыщенный раствор сульфата стронция соответственно является реактивом на катионы бария. SrSO₄ + BaCl₂ → BaSO₄ ↓ + SrCl₂

Частные реакции катионов третьей аналитической группы

Реакции обнаружения катиона бария Ba²⁺

1.Хромат калия K₂CrO₄ с катионами бария образует желтые осадки хромата BaCrO₄ в нейтральных или уксуснокислых растворах:

BaCl₂ + K₂CrO₄ → BaCrO₄↓ + 2KCl

Ba²⁺ + CrO₄ ^2- → BaCrO₄↓

Осадок BaCrO₄ растворяется в сильных кислотах:

При действии серной кислоты желтый осадок BaCrO₄ переходит в белый осадок BaSO₄.

2. Дихромат калия K₂Cr₂O₇ образует с ионами бария Ba²⁺ также желтый осадок BaCrO₄.

2Ba²⁺ + Cr₂O₇ ^2- + H₂O ↔ 2BaCrO₄↓ + 2H⁺

 В результате образуется сильная кислота и реакция не доходит до конца. Во избежание этого к раствору добавляют ацетат натрия, который реагирует с кислотой, и сильная кислота заменяется слабой.

3.Оксалат аммония (NH₄)₂С₂O₄ образует с солями бария белый осадок, растворимый в азотной и хлороводородной кислотах. При кипячении осадок растворяется также в уксусной кислоте:

BaCl₂ + (NH₄)₂С₂O₄ → ВаС₂O₄↓ + 2NH₄Cl

Ba²⁺ + С₂O₄ ^2- → ВаС₂O₄↓

4.Окрашивание пламени: летучие соли бария окрашивают бесцветное пламя горелки в желто-зеленый цвет.

Реакции обнаружения катиона кальция Ca²⁺

1.Оксалат аммония (NH₄)₂С₂O₄ образует с растворами солей кальция белый мелкокристаллический осадок оксалата кальция (фармакопейная реакция): СaCl₂ + (NH₄)₂С₂O₄ → СаС₂O₄↓ + 2NH₄Cl

Сa²⁺ +С₂O₄ ^2- → СаС₂O₄↓

Осадок растворяется в минеральных кислотах, но не растворим в уксусной кислоте даже при кипячении, мешающие ионы: Ba²⁺, Sr^2+, сильные окислители

2.Гексацианоферрат (II) калия K₄[Fe(CN)₆] (желтая кровяная соль) с солями кальция в присутствии солей аммония и гидроксида аммония образует белый кристаллический осадок гексацианоферрата (II) кальция - аммония:

CaCl₂ + 2NH₄Cl + K₄[Fe(CN)₆] → Ca(NH₄)₂[Fe(CN)₆]↓ + 4KCl

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

Осадок не растворяется в уксусной кислоте. мешающие ионы: Ba²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺

3.Окрашивание пламени (фармакопейная): Соли кальция окрашивают бесцветное пламя горелки в кирпично-красный цвет.

Реакция обнаружения катиона стронция Sr²⁺

1.Насыщенный раствор гипса СаSО₄∙2Н₂O (гипсовая вода) образует с ионами стронция белый осадок сульфата стронция:

SrCl₂ + CaSO₄ → SrSO₄↓ + CaCl₂

Реакция служит для обнаружения Sr²⁺ только в отсутствие Ba²⁺, который с гипсовой водой вызывает помутнение, мешающие ионы: Ba^2+, катионы p- и d-элементов

2.С карбонат – ионом катионы стронция при нагревании образуют белый кристаллический осадок, растворимый в кислотах:

SrCl₂ + (NH₄)₂CO₃ → SrCO₃↓ +2NH₄Cl

Sr ²⁺ + CO₃ ^2- → SrCO₃↓

3. Окрашивание пламени. Бесцветное пламя горелки в присутствии солей стронция окрашивается в карминово-красный цвет.

Четвертая аналитическая группа катионов: Al³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺, Sn²⁺

Общая характеристика

В состав четвертой аналитической группы входят катионы р-элементов главной подгруппы III и IV групп (Al³⁺, олово) и d – элементов побочных подгрупп II и VI групп (Zn²⁺, Cr³⁺) периодической таблицы Д. И. Менделеева. Хорошо растворимы в воде сульфаты, нитраты, хлориды, бромиды и йодиды алюминия, цинка и хрома (III).

Ионы Al³⁺, Zn²⁺ бесцветны, соединения хрома Cr(III) окрашены в зеленый или фиолетовый цвет. Ионы Al³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺ обладают способностью к комплексообразованию. Для соединений хрома и мышьяка характерна склонность к окислительно – восстановительным реакциям, что используется при анализе. Гидроксиды катионов четвертой группы труднорастворимы и являются слабыми электролитами, обладают амфотерными свойствами. Это свойство гидроксидов используется в систематическом ходе анализа.

Действие группового реагента

Катионы четвертой группы осаждаются из растворов едкими щелочами. Едкие щелочи являются групповыми реагентами на катионы IV аналитической группы.

AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl

CrCl₃ + 3NaOH → Cr(OH)₃↓ + 3NaCl

ZnCl₂ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + 2NaCl

SnCl₂ + 2NaOH → Sn(OH)₂↓ + 2NaCl

SnCl₄ + 4NaOH + 2H₂O → H₂[Sn(OH)₆]↓ + 4NaCl

Oсадки гидроксидов проявляют амфотерные свойства и растворяются в кислотах и избытке щелочи.

Реакции обнаружения катиона цинка Zn²⁺

1.Гидроксид аммония NH₄OH образует с ионами цинка белый осадок Zn(OH)₂, который растворяется в избытке реактива и в солях аммония:

ZnSO₄ + 2NH₄OH → Zn(OH)₂↓ + (NH₄)₂SO₄

Zn²⁺ + 2NH₄OH → Zn(OH)₂↓ + 2NH₄ ⁺

2. Сульфид натрия (или сульфид аммония) осаждает из водных растворов солей цинка белый осадок ZnS, нерастворимый в уксусной кислоте, но растворимый в разведенной хлороводородной кислоте (фармакопейная реакция):

ZnCl₂+ Na₂S → ZnS↓ + 2NaCl

Zn²⁺ + S^2- → ZnS↓ мешающие ионы: катионы p- и d-элементов

3. Гексацианоферрат (II) калия  K₄[Fe(CN)₆] при взаимодействии с солями цинка образует белый осадок калий-цинк гексацианоферрата (II), нерастворимый в разбавленной хлороводородной кислоте:

3ZnCl₂ + 2 K₄[Fe(CN)₆] → Zn₃K₂[Fe(CN)₆]₂↓ + 6KCl

3Zn²⁺ + 2K⁺ + 2[Fe(CN)6] ^4- → Zn3K2[Fe(CN)6]2↓ мешающие ионы: Ba²⁺, Сa ^2+, катионы p- и d-элементов

4. Реакция с нитратом кобальта:

После сжигания кусочка фильтровальной бумаги, смоченной раствором соли цинка и нитрата кобальта получается зола, окрашенная в зеленый цвет цинкатом кобальта («зелень Ринмана»):

 Zn(NO₃)₂ + Co(NO₃)₂ → CoZnO₂ + 4NO₂↑ + O₂↑ мешающие ионы: Al³⁺

 Реакции обнаружения катиона Cr 3+

1.Пероксид водорода H₂O₂ в присутствии щелочи окисляет ион хрома Cr³⁺ сине-зеленого цвета в хромат – ионы CrO4 2- желтого цвета:

2CrCl₃ + 3 H₂O₂ + 10NaOH → 2Na₂CrO₄ + 6NaCl + 8H₂O

2Cr³⁺ + 3 H₂O₂ + 10OH- → 2CrO₄ ^2- + 8H₂O

2. Сульфид аммония (NH₄)₂S (или натрия Na₂S) осаждает из растворов солей Cr³⁺ гидроскид хрома Cr(OH)₃ серо-зеленого цвета:

2CrCl₃ + 3(NH₄)₂S + 6H₂O → 2Cr(OH)₃↓ + 3H₂S↑ + 6NH₄Cl

2Cr³⁺ + 3S^2- + 6H₂O → 2Cr(OH)₃↓ + 3H₂S↑ мешающие ионы: катионы p- и d-элементов

Реакции обнаружения катиона алюминия Al3+

Кристаллический хлорид аммония NH₄Cl или насыщенный раствор этой соли, взятый в избытке, осаждает Al(OH)₃ из щелочного раствора, содержащего гидроксокомплекс (гидроксокомплекс получается при прибавлении раствора щелочи к раствору соли Al3+ до полного растворения выпадающего осадка):

AlCl₃ + 6NaOH → Na₃[Al(OH)₆] + 3NaCl

Al³⁺ + 6OH^- → [Al(OH)6] ^3-

 Na₃[Al(OH)₆] + 3NH₄Cl → Al(OH)3↓ + 3NaCl + 3H₂O +3NH₃↑

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

2. Гидроксид аммония NH₄OH осаждает из растворов солей алюминия гидроксид алюминия, который не растворим в избытке реактива:

AlCl3 + 3NH₄OH → Al(OH)3↓ + 3NH₄Cl

Al³⁺ + 3NH₄OH → Al(OH)₃↓ + 3NH₄ ⁺

Образуется белый осадок гидроксида алюминия, не растворимый в избытке реактива, но растворимый в щелочах и кислотах

 3. Сульфид аммония (NH₄)₂S из водных растворов осаждает катион алюминия Al³⁺ в виде гидроксида Al(OH)₃ за счет гидролиза:

2AlCl₃ + 3(NH₄)₂S + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 6NH₄Cl + 3H₂S↑

2Al³⁺ + 3S^2- + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3H₂S↑ мешающие ионы: катионы p- и d-элементов

4. Действие нитрата кобальта (II) (фармакопейная реакция): На полоску фильтровальной бумаги наносят раствор соли алюминия, разведенной HNO₃, подсушивают бумагу, добавляют раствор нитрата кобальта и сжигают в тигле. Полученный пепел окрашивается в синий цвет «Тенарова синь»: 2Al₂(SO₄)₃ + 2Co(NO₃)₂ → 2Co(AlO₂)₂ + 4NO₂↑ + O₂↑ + 6SO₃↑ мешающие ионы: Zn²⁺

Реакции обнаружения катиона олова (II) Sn²⁺

1.С солями висмута (III) в основной среде с образованием черного осадка металлического висмута:

SnCl₂ + 4KOH → K₂SnO2 + 2KCl + 2H₂O

3K₂SnO₂ + 2Bi(NO₃)₂ + 6KOH → 2Bi↓ + 3K₂SnO₃ + 6KNO₃ + 3H₂O мешающие ионы: Pb^2+, Fe²⁺

2. Реакция с сероводородной водой:

SnCl₂ + H₂S → SnS↓ + 2HCl

Образуется темно – коричневый осадок сульфида олова. мешающие ионы: катионы p- и d-элементов

Задание: Пишем конспект, записываем реакции в молекулярном и ионном полном и сокращенном виде. Выполняем тестовую работу.

Тестовая работа

1. Ионы Ag+ можно обнаружить реакцией с:

1) хлоридом серебра

2) гидроксидом свинца

3) нитратом натрия

4) хлороводородной кислотой

2. Какой групповой реагент можно использовать для отделения катионов I аналитической группы:

1) хлористоводородную кислоту

2) серную кислоту

3) групповой реагент отсутствует

4) гидроксид натрия

3. Раствор сульфата цинка имеет pН = …

1) =7

2) <7

3) >7

4. Летучие соли натрия окрашивают пламя в:

1) желто-зеленый цвет

2) кирпично-красный цвет

3) желтый цвет

4) фиолетовый цвет

5. Цвет осадка, образующегося при реакции нитрата свинца с хроматом калия:

1) желтый

2) красный

3) белый

4) черный

6. Для катионов IV аналитической группы характерно:

1) амфотерность

2) этерификация

3) комплексообразование

4) гидролиз

7. Для обнаружения ионов Pb²⁺ необходимо добавить раствор:

1) BaSO₄

2) HCl

3) Mg(NO₃)₂

4) NH₄NO₃

8. Аналитический сигнал реакции Pb(NO₃)₂+2KI→PbI₂↓+2KNO₃:  

1) золотисто-желтые кристаллы

2) белые кристаллы

3) черный осадок

4) красно-бурый осадок

9. Выделяется при смешивании растворов NH4Cl + NaOH → … + NaCl

1) вода (пар)

2) кислород

3) газообразный аммиак

4) водород

10. Групповым реактивом на IV аналитическую группу катионов является:

1) серная кислота

2) хлороводородная кислота

3) гидроксид аммония

4) щелочь

11. Аналитическим сигналом реакции 2AgNO₃+K₂CrO₄ → 2KNO₃ + Ag₂CrO₄↓ является осадок: 

1) кирпично-красного цвета

2) грязно-зеленого цвета

3) желтого цвета

4) оранжевого цвета

 12. Ко второй аналитической группе катионов относятся:

1) Al³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺

 2) Ag+, Hg₂^2+, Pb²⁺

3) Na+, K+, NH₄ +

4) Ca^2+, Ba²⁺, Pb²⁺

13.Укажите соединение синего цвета:

1) Al(OH)₃

2) Co(AlO₂)₂

3) Cl(OH)₃

4) CoZnO₂

14. Групповым реагентом на катионы второй аналитической группы является:

1) разбавленная серная кислота

2) разбавленная соляная кислота

3) концентрированная серная кислота

4) разбавленная азотная кислота

 15. В какой цвет окрашивается пламя в присутствии солей кальция:

1) в малиновый

2) в желтый

3) в кирпично-красный

4) в ярко оранжевый

16. Цвет осадка серо - зеленый:

1) Al(OH)₃     

2) Cr(OH)₃     

3) Zn(OH)₂     

4) NH₄OН

17. Какие ионы мешают проведению реакции катиона кальция с оксалатом аммония:

1) ионы алюминия 

2) ионы бария 

3) ионы бора 

4) ионы брома