16.14: 定性分析

異なる陽イオンの混合物を含む溶液の場合、各陽イオンの識別は定性分析によって行うことができます。この方法では、異なる化学試薬を用いて一連の選択的な沈殿を行い、各反応で特定のグループの陽イオンに特徴的な沈殿物を生成させます。グループ内の金属イオンは、pHを変化させたり、混合物を加熱して沈殿物を再溶解させたり、他の試薬を加えて複合イオンを形成させたりすることで、さらに分離されます。

例えば、Ba²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺などの不溶性の炭酸塩やリン酸塩からなるII族陽イオンは、塩基性溶液中のリン酸水素二アンモニウム（(NH₄)₂HPO₄）の存在下で、いずれも白色の沈殿物を生成します。沈殿物は希薄な酢酸に溶解します。各陽イオンを同定するために、確認試験を行う。

3つの陽イオンはすべて、クロム酸カリウム(K₂CrO₄)を加えると明るい黄色のクロム酸塩を形成しますが、クロム酸バリウム(BaCrO₄)だけは酢酸に不溶です。この溶液をろ過すると、ろ液にはCa²⁺とMg²⁺が含まれます。

このろ液を2つに分けて、残りの陽イオンを調べることができます。シュウ酸アンモニウム((NH₄)₂C₂O₄)溶液の存在下で、溶液が白い沈殿物を形成すれば、Ca²⁺イオンの存在を確認できます。白い沈殿物はシュウ酸カルシウムであり、水にも酢酸にも不溶です。

Mg²⁺は、木炭空洞試験によって識別できます。この試験では、金属炭酸塩が木炭の空洞の中で対応する金属酸化物に分解されます。残留物の色が、可能性のある陽イオンを示します。酸化マグネシウム（MgO）は、木炭の空洞に白い残留物を残します。この残留物を数滴の硝酸コバルト（Co(NO₃)₂）水溶液で処理します。熱を加えると硝酸コバルトは酸化コバルト（II）に分解され、ピンク色のアマルガム（CoO-MgO）を形成し、Mg²⁺の存在を確認できます。

未知の溶液にいくつかの異なる金属イオンの混合物が含まれている場合、定性分析と呼ばれる一連の選択的沈殿物によって陽イオンを同定できます。

分析の各ステップで、異なる沈殿試薬が添加されます。これらの試薬は、一部の陽イオンを不溶性塩として選択的に沈殿させ、除去することができますが、他の陽イオンは溶液中に残り続けます。

水溶液には、不溶性塩の溶解度生成物に基づいて5つのグループに分類できる22の一般的に発生する陽イオンがあります。

グループ1カチオンは、不溶性の塩化物を形成する金属イオンです。

ほとんどの塩化物塩は水に溶けます。したがって、金属イオンの水溶液を6 M塩酸で処理すると、沈殿物は銀、鉛、水銀などのグループ1金属イオンを示します。

沈殿物が形成されない場合は、溶液中にグループ1の陽イオンが存在しないことを示しています。次に、この混合物を遠心分離またはろ過して、固体沈殿物と水性上清を分離します。

次に、酸性の上清を通じて硫化水素ガスを泡立てます。金属イオンと硫化水素との反応により、金属硫化物とプロトンが生成されます。

前のステップで塩酸が添加されているため、高濃度のプロトンは平衡を反応物にシフトします。

したがって、酸性条件下では、非常に不溶性硫化物塩を形成するグループ2の金属イオンのみが沈殿し、わずかに溶解性の高い他の金属硫化物は溶液中に残ります。

次に、塩基不溶性硫化物と水酸化物からなるグループ3の陽イオンを沈殿させます。

水酸化ナトリウムは、基本的な条件を確立するために、前のステップから上清に追加されます。この付加により、金属硫化物沈殿反応からプロトンが枯渇し、平衡が生成物に向かって移動します。

その結果、酸性条件で可溶だった多くの金属硫化物が不溶性になり、沈殿物を形成するようになりました。

さらに、鉄、アルミニウム、クロムなどの不溶性水酸化物を形成する金属イオンが溶液から沈殿します。

この混合物を分離すると、アルカリ金属イオンとアルカリ土類金属イオンのみが溶液中に残ります。

第4族カチオンを構成するアルカリ土類金属は、不溶性リン酸塩を形成します。

塩基性上清にリン酸水素ジアンモニウムが添加されると、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、バリウムイオン、ストロンチウムイオンが沈殿します。

このステップでデカントされた液体には、5族カチオンが含まれています。これらの陽イオンは不溶性塩を形成しないため、個別に同定する必要があります。

前のステップで水酸化ナトリウムを溶液に添加すると、アンモニアの特徴的な臭いがするガスが放出された場合、アンモニウムイオンが混合物に存在していました。

ナトリウムイオンとカリウムイオンは、火炎試験で同定できます。ナトリウムイオンは明るい黄色の炎を発し、紫色の炎はカリウムイオンを示します。