16.14: 정성적 분석

다양한 양이온의 혼합물을 함유한 용액의 경우, 각 양이온의 정체는 정성 분석을 통해 확인할 수 있습니다. 이 기술은 다양한 화학 시약을 사용한 일련의 선택적 침전을 포함하며, 각 반응은 특정 양이온 그룹에 대한 특징적인 침전물을 생성합니다. 한 그룹 내의 금속 이온은 pH를 변화시키거나 혼합물을 가열하여 침전물을 재용해시키거나 다른 시약을 첨가하여 착이온을 형성함으로써 추가로 분리됩니다.

예를 들어, Ba^2+, Ca^2+ 및 Mg^2+와 같은 불용성 탄산염과 인산염 분해효소로 구성된 IV족 양이온은 모두 염기성 용액에서 인산수소이암모늄((NH_4)_2HPO_4)이 있는 경우 흰색 침전물을 형성합니다. 침전물을 묽은 아세트산에 용해시킵니다. 각 양이온을 식별하기 위해 확인 실험이 수행됩니다.

세 가지 양이온 모두 크롬산칼륨(K_2CrO_4)을 첨가하면 밝은 노란색 크롬산염을 형성합니다. 그러나 크롬산바륨(BaCrO_4)만이 아세트산에 용해되지 않습니다. 용액을 여과할 수 있으며, 여액에는 Ca^2+ 및 Mg^2+가 포함되어 있습니다.

이제 여과액을 두 부분으로 나누어 나머지 양이온을 실험할 수 있습니다. 옥살산암모늄((NH_4)_2C_2O_4) 용액이 있을 때 용액이 흰색 침전을 형성하면 Ca^2+ 이온을 확인할 수 있습니다. 흰색 침전물은 물과 아세트산에 모두 녹지 않는 옥살산칼슘의 침전물입니다.

Mg^2+는 숯 공동 실험으로 확인됩니다. 이 실험에서는 금속 탄산염이 숯 공동 내에서 상응하는 금속 산화물로 분해됩니다. 잔류물의 색상은 가능한 양이온을 나타냅니다. 산화마그네슘(MgO)은 숯 구멍에 흰색 잔류물을 남깁니다. 이 잔류물을 질산코발트(Co(NO_3)_2) 용액 몇 방울로 처리합니다. 열에 의해 질산코발트는 산화코발트(II)로 분해되어 분홍색 아말감(CoO-MgO)을 형성하여 Mg^2+의 존재를 확인합니다.

미지의 용액에 여러 가지 금속 이온의 혼합물이 포함되어 있으면 정성 분석이라고 하는 체계적인 선택적 침전을 통해 이온들을 식별할 수 있습니다. 분석의 각 단계에서 서로 다른 침전 시약을 첨가합니다. 이런 시약들은 일부 양이온을 불용성 염으로 선택적으로 침전시켜 제거할 수 있지만 다른 양이온들은 계속 용액에 남아 있습니다.

수용액에는 일반적으로 생기는 22가지의 양이온이 있으며 이 양이온들은 불용성 염의 용해성 생성물을 기준으로 5개 그룹으로 나눌 수 있습니다. 그룹 1 양이온은 불용성 염화물을 형성하는 금속 이온입니다. 대부분의 염화염은 물에 용해됩니다.

따라서 금속 이온의 수용액을 6몰의 염산으로 처리하여 생기는 침전물은 은, 납, 또는 수은과 같은 그룹 1의 금속 이온을 나타낼 것입니다. 침전물이 없으면 용액에 그룹 1 양이온이 재하지 않음을 나타냅니다. 그런 다음 이 혼합물을 원심분리하거나 여과하여 고체 침전물과 수용성 상등액을 분리합니다.

다음으로 산성 상등액을 통해 황화수소 기체 거품이 납니다. 금속 이온과 황화수소가 반응하여 금속 황화물과 양성자를 생성합니다. 이전 단계에서 염산이 첨가되었기 때문에 농도가 높은 양성자는 평형을 반응물 쪽으로 이동시킵니다.

따라서 산성 조건에서는 불용성 황화물 염을 성하는 그룹 2의 금속 이온만 침전하는 반면 용해성이 약간 더 높은 다른 금속 황화물은 용액에 남아 있습니다. 다음으로 염기 불용해성 황화물과 수산화물로 구성된 그룹 3의 양이온이 침전됩니다. 이전 단계에서 수산화나트륨이 상등액에 첨가되어 염기성 조건이 설정됩니다.

이로부터 금속 황화물 침전 반응에서 양성자를 소모하면서 평형은 생성물 방향으로 이동합니다. 그 결과 산성 조건에서 용해되었던 많은 금속 황화물은 더는 용해되지 않고 침전물을 형성합니다. 또한 철, 알루미늄, 크롬과 같이 불용성 수산화물을 형성하는 금속 이온은 용액 밖으로 침전합니다.

이 혼합물이 분리될 때 알칼리 및 알칼리 토금속 이온만 용액에 남아 있습니다. 그룹 4의 양이온을 구성하는 알칼리 토금속은 불용성 인산염을 형성합니다. 염기성 상등물질에 인산수소이암모늄을 첨가하면 마그네슘, 칼슘, 바륨, 스트론튬 이온이 침전됩니다.

이 단계에서 가만히 따른 액체에는 그룹 5 양이온이 포함됩니다. 이러한 양이온들은 불용성 염을 형성하지 않으며 따라서 개별적으로 식별해야 합니다. 이전 단계의 용액에 수산화나트륨을 첨가할 때 암모니아 특유의 냄새가 나는 기체가 방출된 경우 혼합물에 암모늄 이온이 존재했음을 뜻합니다.

나트륨 및 칼륨 이온은 불꽃 반응으로 식별할 수 있습니다. 나트륨 이온은 밝은 노란색 불꽃을 내지만 칼륨 이온은 보라색 불꽃을 냅니다.