Аналитическая классификация катионов и анионов по группам кратко

Обновлено: 07.07.2024

Аналитическая химия – наука об определении химического состава вещества.

Аналитическая химия и ее методы широко применяются на предприятиях общественного питания и пищевой промышленности для осуществления контроля качества сырья, полуфабрикатов, готовой продукции; определения сроков реализации и условий хранения продукции.

В аналитической химии различают количественный и качественный анализ. Задача количественного анализа - определение относительного количества элементов в соединениях или химических соединений в смесях; задача качественного анализа - обнаружить присутствие элементов в соединениях или химических соединений в смесях.

История развития аналитической химии.

Изначально с помощью качественного анализа определяли свойства некоторых минералов. Количественный анализ применялся в пробирном деле (определение благородных металлов) - Древняя Греция, Египет. В 9-10веке методы пробирного дела применялись для определения благородных металлов в Киевской Руси.

Аналитическая химия как наука начинает развиваться с середины 17 века.

Законы количественного анализа изложил Ломоносов в середине 17 века. Ломоносов впервые начал применять взвешивание исходных веществ и продуктов реакции.

К середине ХIХ века оформились титриметрические и гравиметрические методы анализа, методы газового анализа.

Первый учебник по аналитической химии появился в России в 1871 г. Автор этого учебника – русский химик Н.А. Меншуткин.

Во второй половине ХХ века появилось много новых методов анализа: рентгеновские, масс-спектральные и т.д.

Классификация методов анализа, применяемых в аналитической химии.

Аналитическая химия включает два основных раздела: количественный анализ и качественный анализ.

Методы качественного анализа:

Пример: окрашивание пламени катионами металлов (натрий – желтый, калий – розово-фиолетовый, кальций – оранжево-красный, медь – зеленый и т.д.), которые образуются при электролитической диссоциации солей:

Также в качественном анализе в зависимости от количества исследуемого вещества, объема раствора, техники выполнения различают:

1) макрометод: сравнительно большие навески (0,1 г и более) или большие объемы растворов (10 мл и более) исследуемого вещества. Этот метод наиболее удобен в определении.

2) микрометод: навески от 10 до 50 мг и объемы раствора до нескольких мл.

3) полумикрометод: навески 1-10 мг и объемы раствора около 0,1 – 1 мл.

Микрометод и полумикрометод обладают двумя несомненными достоинствами:

1. Большая скорость выполнения анализа

2. Небольшое требуемое количество анализируемого вещества.

Физико-химические методы анализа:

Ø колориметрические (сравнение окраски двух растворов)

Ø нефелометрические (помутнение исследуемого раствора от действия каких-то реагентов)

Ø электрохимические (момент окончания реакции определяют по изменению электропроводности раствора, потенциала электродов в исследуемом растворе)

Ø рефрактометрические (определяют показатель преломления)

Физические методы анализа:

Ø спектральный анализ (изучение спектров излучения или поглощения)

Ø люминесцентный (изучение характера свечения вещества под действием УФ)

Для обнаружения ионов в растворах в аналитической химии используют аналитические реакции.

Аналитическая реакция – химическое превращение, при котором исследуемое вещество переводят в новое соединение с характерным признаком.

Признаки аналитической реакции:

Ø Выпадение осадка

Ø Растворение осадка

Ø Изменение цвета

Ø Выделение газообразного вещества

Условия аналитической реакции:

Ø Быстрое протекание

Чувствительная реакция – реакция, при помощи которой можно обнаружить наименьшее количество вещества из наименьшего количества раствора.

Чувствительная реакция характеризуется :

1. Открываемым минимумом (наименьшее количество вещества, которое может быть обнаружено данной реакцией)

2. Минимальной концентрацией (отношение массы определяемого вещества к массе или объему растворителя).

Специфичной называется реакция, при помощи которой можно открыть ион в присутствии других ионов по специфичному изменению цвета, образованию характерного осадка, выделению газа и т.д.

Пример: ион бария обнаруживают хроматом калия К₂СгО₄ (выпадает ярко-желтый осадок).

На специфичных реакциях основан анализ, называемый дробным. С помощью дробного анализа можно открывать ионы в любой последовательности, используя специфичные реакции.

Однако специфичных реакций известно мало, чаще реактивы взаимодействуют с несколькими ионами. Такие реакции и реактивы называются общими. В этом случае применяют систематический анализ. Систематический анализ - определенная последовательность обнаружения ионов, находящихся в смеси. Ионы, составляющие смесь, разделяют на отдельные группы, из этих групп каждый ион выделяют в строго определенной последовательности, а затем открывают этот ион наиболее характерной реакцией. Реакции, характерные для одного иона, называются частными.

Классификация катионов и анионов.

В основу классификации ионов в аналитической химии положено различие в растворимости образуемых ими солей и гидроксидов.

Аналитическая группа – группа катионов или анионов, которая с каким-то одним реактивом дает сходные аналитические реакции.

Ø сульфидная, или сероводородная,– является классической, разработал Меншуткин Н.А.;

Ø кислотно-основная и т.д.

Сульфидная классификации катионов основана на отношении катионов к сульфид-иону:

1) Катионы, осаждаемые сульфид-ионом

2) Катионы, не осаждаемые сульфид-ионом.

Каждая группа имеет свойгрупповой реактив– реактив, используемый для открытия одной группы ионов и образующий осадок с ионами данной группы (Ва 2+ + SО₄ 2- → ВаSО₄↓)

Определение катионов проводят систематическим анализом.

В качественном анализе, в основном, исследуют растворы солей, кислот и оснований, которые в водных растворах находятся в диссоциированном состоянии. Химический анализ водных растворов электролитов сводится к открытию отдельных ионов, а не элементов или их соединений.

Аналитическая классификация катионов

NH₄ + , K + , Rb + , Cs + , Fr +

Не имеют общего реактива

Ca 2+ , Ba 2+ , Sr 2+ , Ra 2+

Осаждаются в виде KtCO₃. Не осаждаются реактивами (NH₄)₂S и H₂S в виде сульфидов

Be 2+ , Al 3+ , Ti 4+ , Cr 3+ , Zr 4+ , UO₂ 2+ , Sc 3+ , Y 3+ , La 3+ , Hf 4+ , Ac 3+ , Th 4+

Осаждаются из нейтральных или щелочных растворов в виде гидроокисей

Mn 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Co 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ , Ga 3+ , In 3+

Осаждаются из нейтральных или щелочных растворов в виде сульфидов

Hg 2+ , Cu 2+ , Bi 3+ , Cd 2+ , Pd 2+ , Tl 3+

Осаждаются из кислых растворов в виде сульфидов, которые нерастворимы в полисульфиде аммония (NH₄)₂S_n

Sn 2+ , Sn 4+ , As 3+ , As 5+ , Sb 3+ , Sb 5+ , Ge 4+ , Au 3+ , Re 4+ , Ir 4+ , Pt 4+ , V 5+ , W 6+ , Mo 6+

Осаждаются из кислых растворов в виде сернистых соединений, которые растворимы в полисульфиде аммония (NH₄)₂S_n

Ag + , Pb 2+ , [Hg₂] 2+ , Cu + , Au + , Tl + , Pt 2+

Осаждаются в виде хлоридов

Наиболее употребляемая классификация катионов на пять аналитических групп (автор – профессор Н.А.

Меншуткин) основана на применении следующих групповых реактивов: соляной кислоты HCl, сероводорода H₂S, сульфида аммония (NH₄)₂S, карбоната аммония (NH₄)₂CO₃, прибавляемых к анализируемой смеси катионов в представленной последовательности (табл. 6.1).

Справочные таблицы, в которых даны сероводородная, кислотно-основная и аммиачно-фосфатная аналитическая классификация катионов 1-5 групп, качественные реакциии и групповые реагенты, а также аналитические сигналы на катионы.

Сероводородная аналитическая классификация катионов таблица

Классическая сероводородная аналитическая классификация катионов включает 5 групп катионов.

Катионы, относящиеся к данной группе

K + , Na + , NH₄ + ,Mg +2

Хлориды, карбонаты и сульфиды растворимы в воде, MgCO₃ растворима в солях амония

Карбонаты в воде нерастворимы

Карбонаты аммония в аммиачном буфере (NH₄)₂CO₃

Fe +3 , Fe +2 , Co +2 , Mn +2 , Zn +2 , Al +3 , Cr +3 , Ni +2

Карбонаты сульфиды и гидроксиды нерастворимы в воде, но растворимы в разбавленных кислотах

1 подгруппа: Hg + , Hg +2 , Ag + , Pb +2 , Cu +2

2 подгруппа: As(III, V), Sb(III, V), Sn(II, IV)

1 подгруппа: сульфиды нерастворимы в воде

2 подгруппа: сульфиды растворимы в полисульфиде амония с образованием тиоанионов

Сероводород в кислой среде H₂S

Sn +2 , Sn +4 , As +3 , As +5 , Sb +3 , Sb +5

Сульфиды нерастворимы в разбавленных кислотах, но растворимы в сульфиде аммония

Сероводород в кислой среде HCl

Таблица аналитические сигналы на катионы первой группы

Аналитические сигналы на катионы

гексанитрокобальтат - II натрия Na ₃[ Co ( NO ₂)₆]

Желтый кристаллический осадок K ₂ Na [ Co ( NO ₂)₆]

гексагидроксостибиат- V калия - K [ Sb ( OH )₆]

Белый кристалличосадок Na [ Sb ( OH )₆]

Белый аморфн. осадок

Белый кристаллич осадок Mg [ Sb ( OH )₆]

Щелочи N а OH или КОН

выделение аммиака, запах

Таблица аналитические сигналы на катионы второй группы

Аналитические сигналы на катионы

щелочь( N а OH , КОН)

Кислотно-основная аналитическая классификация катионов таблица

Кислотно-основная аналитическая классификация включает 6 групп катионов: растворимая, сульфатная, хлоридная, амфотерная, гидроксидная и аммиакатная.

Групповой реактив (реагент)

К + , Na + , NH4 + , Li +

Почти все соединения растворимы в воде

Ca 2+ , Ва 2+ , Sr 2+

Сульфаты нерастворимы в воде и разбавленных растворах кислот и щелочей

Хлориды нерастворимы в воде и разбавленных растворах кислот и щелочен

Al 3+ , Cr 3+ , Zn 2+ , Sn 4+ , As +3

Гидроксиды растворимы в избытке щелочи

Mg 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Bi 3+ , Sb 5+ , Ti +4

Гидроксиды нерастворимы в избытке щелочи и аммиаке, растворимы в рабавленных кислотах

Cu 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Hg 2+ , Cd 2+

Гидроксиды нерастворимы в щелочи, но растворимы в избытке водного раствора аммиака

Аммиачно-фосфатная аналитическая классификация катионов таблица

Аммиачно-фосфатная аналитическая классификация включает в себя 5 групп катионов

Фосфаты pастворимы в воде

1 подгруппа: Li + , Mg 2+ , Ca 2+ , Ba 2+ , Sr 2 , Mn 2 , Fe 2+

2 подгруппа: Al 3+ , Cr 3+ , Fe 3+ , Bi 3+

Фосфаты нерастворимы в воде и NH₄OH.

Фосфаты 1 подгруппы pастворимы в СН₃СООН.

Фосфаты 2 подгруппы нерастворимы в СН₃СООН, pастворимы в НСl

Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Cd 2+ , Hg 2+

Фосфаты pастворимы в NH₄OH

As(III, V), Sb(III, V), Sn(II, IV)

Метаоловянная и метасурьмяная кислоты нерастворимы и адсорбируют мышьяковую кислоту H₃AsO₄

Ag + , Hg 2 , Pb 2+

Хлориды нерастворимы в воде и разбавленных кислотах

Схема анализа смеси катионов аммиачно-фосфатным методом

Ос. 1: Хлориды V группы

Р-р 1: Катионы IV—I групп, (РЬ 2+ )

Ос. 1 анализируют, как в сероводородной схеме

Р-р 2: Катионы I—III групп, (РЬ 2+ )

Р-р 1 выпарив, с HNO₃ досуха на водяной бане. При отсутствии олова добавляют SnCl₄ и 0,5 н. Na₂HPO₄. Сухой остаток р-ют в 2 н. HNO₃

В растворе проверяют присутствие AsO 3 . Ос. 3 после р-ния в 2 М НСl анализируют, как в сероводородной схеме

Обнаружение ионов проводят дробным и систематическим методом. Анализ, основанный на применении качественных специфических реакций называется дробным. В отдельных порциях раствора в произвольной последовательности проводят открытие отдельных катионов. Так на практическом занятии проводим анализ смеси катионов 4, 5 и 6 групп.

Однако, специфических реакций известно немного. Поэтому в качественном анализе применяют систематический ход анализа, при котором открытие ионов ведется в строгой последовательности, путем выделения групп катионов и анионов с помощью групповых реагентов. После чего внутри каждой группы с помощью тех или иных реакций разделяют и открывают индивидуальные катионы и анионы.

Систематический анализ используют в основном для обнаружения ионов в сложных многокомпонентных смесях. Он очень трудоемок и в настоящее время часто применяют дробно-систематический метод. При таком подходе используется минимальное число групповых реактивов, что позволяет наметить ход анализа в общих чертах, который затем осуществляется дробным методом.

Аналитическая классификация ионов.

Аналитическая классификация ионов связана с их разделением на аналитические группы при последовательном действии групповыми реагентами. Существует различные аналитические классификации катионов и анионов: сероводородная, кислотно-основная, тиоциамидная. Наиболее часто применяют сероводородную и кислотно-основную классификации катионов.

Сероводородная (сульфидная) классификация катионов основана на использовании в качестве групповых реагентов растворов хлороводородной кислоты, сероводорода, сульфида аммония и карбоната аммония. Катионы по этой классификации подразделяют на пять аналитических групп, в зависимости от растворимости их хлоридов, сульфидов и карбонатов (табл. 1):

Группа	Катионы	Групповой реагент
I	Li + , Na + , K + , NH₄ + , Mg 2+	Отсутствует
II	Сa 2+ , Ba 2+ , Sr 2+	Раствор(NH₄)₂CO₃ в аммиачном буфере (рН ≈ 9,2)
III	AI 3+ , Cr 3+ , Zn 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Co 2+ , Ni 2+	Раствор (NH₄)₂S (рН = 7 – 9)
IV	Cu 2+ , Cd 2+ , Hg 2+ , Bi 3+ , Sn 2+ , Sn 4+ , Sb 3+ , Sb 5+ , As 3+ , As 5+	Раствор H₂S при рН = 0,5 (HCI)
V	Ag + , Pb 2+ , Hg₂ 2+	Раствор HCI

Кислотно-основная классификация катионов.

Классификация основана на различной растворимости гидроксидов, хлоридов, сульфатов в воде, растворимости гидроксидов в избытке раствора гидроксида натрия или водном растворе аммиака.

Групповыми реактивами являются растворы кислот и оснований. классификация менее совершенна, чем сероводородная, и разработана менее детально, однако при ее использовании не требуется получение и применение токсичного сероводорода. Согласно кислотно-основной классификации катионы подразделяются на шесть аналитических групп (табл. 2).

группа	катионы	групповой реактив	характеристика осадков
I	К + , Na + , NH₄ +	-	Хлориды, сульфаты и гидроксиды растворимы в воде
II	Ag + , Pb 2+ , Hg₂ 2+	HCl	Хлориды нерастворимы в воде и разбавленных кислотах
III	Ba 2+ , Ca 2+ , Sr 2+	H₂SO₄	Сульфаты нерастворимы в воде и кислотах
IV	Al 3+ , Cr 3+ , Zn 2+ , Sn 2+ , Sn 4+	NaOH (избыток)	Гидроксиды растворимы в избытке щелочи (амфотерны)
V	Fe 2+ , Fe 3+ , Mn 2+ , Mg 2+ , Sb 3+ , Sb 5+ ,Bi 3+	NaOH	Гидроксиды нерастворимы в избытке щелочи и аммиаке
VI	Cu 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Hg 2+ , Cd 2+	NH₄OH (избыток)	Гидроксиды не растворимы в щелочи, но растворимы в избытке аммиака

Аналитическая классификация анионов

Анионы образуют только p- и реже d-элементы периодической системы, которые, проявляя положительную степень окисления, обладают более сильными поляризующими свойствами, чем s-элементы. В связи с этим большое число анионов – это комплексы соответствующих элементов с кислородом (CrO₄ 2- , SO₄ 2- и другие).

Наряду с анионами кислородсодержащих кислот, имеют место анионы бескислородных кислот: CI - , Br - , S 2- .

Общепринятой классификации анионов не существует. Чаще всего принимают во внимание растворимость солей бария и серебра тех или иных анионов и их окислительно-восстановительные свойства в водных растворах. В любом случае удается логически разделить на группы только часть известных анионов, так что всякая классификация анионов ограничена и не охватывает все анионы, представляющие аналитический интерес.

По окислительно-восстановительным свойствам анионы делят на

· анионы окислители, в которых элемент проявляет высшую степень окисления (CrO4 2- , MnO₄ - , NO₃ - );

· анионы – восстановители (CI - , Br - , S 2- ), в них p-элемент проявляет низшую степень окисления

· индифферентные анионы, не проявляющие в разбавленных растворах ни окислительных, ни восстановительных свойств (CO₃ 2- , PO₄ 3- , SO₄ 2- , SiO₃ 2- ).

Окислительно-восстановительные свойства некоторых анионов с промежуточной степенью окисления элемента (SO₃ 2- , NO₂ - ) зависят от условий проведения реакций.

По растворимости солей бария и серебра анионы делят на три группы (табл. 3).

Группа	Анионы	Групповой реагент
I	SO₄ 2- , SO₃ 2- , S₂O₃ 2- , C₂O₄ 2- , CO₃ 2- , B₄O₇ 2- , BO₂ - , PO₄ 3- , AsO₄ 3- , AsO₃ 3- , F - SiO₃ 2-	Раствор BaCl₂ в нейтральной или слабощелочной среде
II	Cl - , Br - , I - , IO₃ - , CN - , SCN - , S 2-	Раствор AgNO₃ в азотнокислой среде
III	NO₃ - , NO₂ - , CH3COO -	Отсутствует