1.6: Определение правил растворимости ионных соединений

1. Общие методы

1. Подготовка к качественному анализу
   1. Реакции обычно проводят в небольших пробирках объемом 5 мл или менее.
   2. Растворы должны быть полностью растворимыми и относительно разбавленными, обычно ~0,1 М.
   3. Реагенты следует медленно добавлять по каплям и внимательно наблюдать.
   4. Для установления правил растворимости или идентификации неизвестного иона требуется несколько общих «тестовых решений». Они содержат ионы, которые, как известно, специфически реагируют с определенными химическими веществами (катионами или анионами).
      1. К распространенным решениям относятся CaNO₃, BaCl₂, (NH₄)₂MoO₄, HCl, AgNO₃ и NaOH, а также другие решения по мере необходимости.
2. смешивание
   1. Смешивайте растворы, постукивая по пробирке или вращая ее в вертикальном направлении. Используйте пробку или пробку, чтобы предотвратить разбрызгивание раствора.
   2. Удалите пробку или пробку, затем осторожно нагрейте растворы на водяной бане или холодном пламени, чтобы вызвать реакцию. Направьте пробирку в сторону от любых людей в лаборатории.
3. Наблюдение и восстановление
   1. Отделите надосадочную жидкость (не реагирующий раствор) и высадите в осадок с помощью центрифугирования. Если при добавлении дополнительного исследуемого иона образуется больше осадка, реакция не завершена. Продолжайте добавлять тестовый ион, пока осадок не перестанет образовываться.
   2. Промойте осадок с помощью центрифугирования и выливания или сцеживания надосадочной жидкости. Добавьте еще воды и повторите процесс в общей сложности три стирки.
   3. Промойте большое количество осадка с помощью вакуумной фильтрации и восстановите высушенный осадок из фильтровальной бумаги.
   4. Обратите внимание на образование осадка, а также на свойства осадка, такие как цвет, толщина (студенистый, мутный, мелкий) и кристаллообразование.
4. Безопасность и отходы
   1. Всегда надевайте защитные очки во время проведения экспериментов по качественному анализу. Перчатки также могут быть необходимы в зависимости от используемых реагентов и образующихся изделий.
   2. Необходимо тщательно соблюдать надлежащие методы утилизации отходов. Вредные продукты могут образовываться при объединении нескольких реагентов в одной емкости.

2. Анионный анализ

1. Идентификация фосфатных, карбонатных, хлоридных и сульфидных ионов; PO₄^3-, CO₃^2-, Cl^-, S^2-
   1. фосфат
      1. Добавьте раствор, содержащий фосфат, PO₄^3-, в другой раствор, содержащий ионы кальция, Ca²⁺. Образование белого осадка указывает на образование фосфата кальция, Ca₃ (PO₄) ₂.
      2. Поскольку многие катионы образуют нерастворимые продукты с кальцием, возможна более специфическая реакция. Добавьте H⁺ (кислоту) к Ca₃(PO₄)₂ для растворения твердого вещества и получения HPO^{4 2-}. Затем соедините HPO₄^2- с молибдатом аммония, (NH₄)₂MoO₄. Положительный результат теста дает желтый осадок фосфомолибдата аммония, NH₄)₃PO₄(MoO₃)₁₂(s). Чистые ионные реакции следующие:
         3 Ca²⁺(aq) + 2 PO₄^3-(aq) → Ca₃PO₄(s)
         Ca₃PO₄(s) + 2 H⁺(aq) → 3 Ca²⁺ + 2 HPO₄^2-(aq)
         HPO₄^2-(aq) + 12 (NH₄)₂MoO₄(aq) + 23 H⁺(aq) → (NH₄)₃PO₄ (MoO₃)₁₂(s) + 21 NH₄⁺(aq) + 12 H₂O(l)
   2. карбонат
      1. Карбонатные соли, как правило, нерастворимы, за исключением присутствия катионов группы 1 и аммония. Добавьте в карбонатсодержащий раствор несколько капель хлорида кальция, CaCl₂. В растворах с высокими концентрациями карбонатов образуется осадок белого цвета, что свидетельствует о возможном образовании фосфата кальция, CaCO₃. Реакция имеет много интерференций, в том числе и других анионов, таких как фосфат.
         Ca²⁺(aq) + CO₃^2-(aq) → CaCO₃(s)
      2. Добавьте H⁺ (кислоту) в раствор, содержащий карбонат, CO₃^2-. Образование пузырьков указывает на присутствие CO₂, означающего CO₃^2- как реагент. Карбонат-ион ведет себя как основание в присутствии сильной кислоты с образованием углекислого газа и воды.
         CO₃^2-(aq) + H⁺(aq) → CO₂(g) + H₂O(l)
   3. хлорид
      1. Добавьте нитрат серебра в хлоридсодержащий раствор. Образование белого осадка указывает на образование AgCl(s):
         Ag⁺(aq) + Cl^-(aq) → AgCl(s)
   4. сульфид
      1. Добавьте раствор хлорида меди в раствор, содержащий сульфид. Образование черного осадка свидетельствует об образовании сульфида меди, CuS. В общем случае, растворы, содержащие сульфидные ионы, S^2-, реагируют с ионами металлов с образованием нерастворимого сульфида металла.
         S^2- + Cu²⁺ → CuS(s).
         Величина растворимости продукта, K_sp = 6,3 х ^10-36, указывает на высокую степень нерастворимости продукта.

3. Анализ катионов

1. Все щелочные металлы (группа 1) и некоторые щелочноземельные металлы (группа 2) растворимы, за исключением особых условий.
2. Почти все металлы группы 3–13 считаются нерастворимыми в присутствии сульфида, карбоната, фосфата и гидроксида. Цвет и тип осадков будет варьироваться.
   1. Поместите раствор хрома в раствор гидроксида. Будет наблюдаться зеленый осадок. Общая реакция металла +2 с гидроксидом показана ниже:
      М²⁺ + ОН^- → М(ОН)₂(с)
   2. Дифференцировать большинство ионов металлов только на основе растворимости невозможно, за некоторыми заметными исключениями:
      1. Добавление серебра, Ag⁺, ртути, Hg₂²⁺ или свинца Pb²⁺ к хлориду, бромиду или йодиду приводит к образованию осадка.
      2. Добавление стронция, Sr²⁺, бария, Ba²⁺, ртути, Hg₂²⁺ или свинца, Pb²⁺ приводит к образованию осадка в присутствии сульфата.
      3. Ba²⁺ образует желтое твердое вещество в присутствии CrO₄, ^2-, BaCrO₄(s). Это пигмент, используемый в краске на масляной основе, широко известной как «бариевый желтый».
3. Ограниченная нерастворимость ионов металлов позволяет проводить другие качественные тесты для положительной идентификации каждого металла. В то время как некоторые из них образуют осадок, другие претерпевают уникальные изменения цвета в присутствии хелатирующих ионов или молекул. Катионные идентификации включают никель, железо, алюминий и цинк; Ni²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, Zn²⁺.
   1. Добавьте никель (II) в присутствии диметилглиоксима (H₂dmg) с образованием розово-красного осадка Ni (H₂dmg):
      Ni²⁺(aq) + 2 H₂dmg(aq) → Ni(Hdmg)₂(s) + 2 H⁺(aq)
   2. Добавьте железо (III) к тиоцианат-иону, SCN^- для получения кроваво-красного комплекса [FeNCS]²⁺]:
      Fe³⁺(aq) + SCN^-(aq) → [FeNCS]²⁺(aq)
   3. Алюминий-ионный
      1. Смешайте алюминий (III) с пирокатехолом фиолетовым в буферном растворе ацетата аммония pH 6 до получения синего раствора.
      2. Алюминий (III) также осаждается в присутствии слабого основания с образованием студенисто-белого соединения Al(OH)₃(s). Добавление большего количества основания приводит к образованию соединения прозрачного и бесцветного растворимого комплекса [Al(OH)₄]^-(aq).
   4. Ионы цинка
      1. Добавьте цинк (II) в небольшое количество основания, чтобы образовался белый осадок. Затем добавьте еще основание, чтобы повторно растворить осадок и образовать растворимый комплекс [Zn(OH)₄]^2-.
      2. Добавьте цинк (II) к гексацианоферрату калия, K₄[Fe(CN)₆], чтобы получить светло-зеленый осадок K₂Zn₃[Fe(CN)₆]₂(s):
         3 Zn²⁺(aq) + 2 K₄[Fe(CN)₆](aq) → K₂Zn₃[Fe(CN)₆]₂(s) + 6 K⁺(aq)

Тенденции в свойствах растворимости ионных соединений могут быть использованы для качественного анализа ионных растворов. При добавлении соединения в смесь ионных растворов может образовываться множество продуктов, каждый из которых обладает различными свойствами растворимости. Если нерастворим только один продукт, то из раствора выйдет только он. Выполняя последовательные реакции, ионы в растворе могут быть систематически идентифицированы и изолированы.

Несмотря на то, что существует множество аналитических инструментов для элементного анализа, эти методы часто отнимают много времени или требуют транспортировки образцов между лабораториями. Качественные аналитические методы, такие как изучение свойств растворимости, являются быстрыми и доступными методами предварительного скрининга для анализа.

В этом видео будут представлены свойства растворимости ионных соединений, продемонстрированы процедуры селективного осаждения ионных соединений, а также представлены некоторые приложения качественного анализа с использованием трендов растворимости в промышленных условиях.

Ионные соединения состоят из катиона и аниона. Когда происходит реакция между двумя различными ионными соединениями, катион одного соединения электростатически притягивается к аниону другого, образуя новое соединение. Ионы, которые не участвуют в реакции, называются ионами-наблюдателями и не включаются в чистую ионную реакцию. Когда ионное соединение растворяется, они обратимо взаимодействуют с молекулами растворителя, и ионы диссоциируют. Если взаимодействие между ионом и новым противоионом сильнее, чем между ионом и молекулами растворителя, то для продукта будет более благоприятным находиться в твердой фазе. Образование твердого продукта из раствора известно как осаждение, а твердое вещество называется осадком.

Ионы могут быть селективно выделены из раствора путем индуцирования реакций с нерастворимыми осадками. Для проектирования этих реакций катионы и анионы распределяются по широким категориям на основе тенденций растворимости. Катионы группируются путем идентификации анионов, общих для их нерастворимых продуктов реакции, и анионы также группируются по общим катионам. Растворы этих распространенных ионов используются для тестирования на эти группы.

Когда требуется разделение ионов, принадлежащих к одной и той же группе, можно использовать специализированные реагенты или концентрированные растворы для индуцирования селективных реакций после выделения ионов в этой группе. Эти специализированные реагенты также могут быть использованы для подтверждения идентичности выделенного иона. Теперь, когда вы понимаете принципы, лежащие в основе качественного анализа ионов, давайте рассмотрим технику анализа раствора на фосфаты, за которой последует процедура разделения смеси катионов металлов.

Для анализа раствора на фосфат сначала готовят разбавленные тестовые растворы водного кальция, ортомолибдата аммония и концентрированной азотной кислоты. Затем поместите в пробирку 5 мл неизвестного раствора.

Добавьте раствор кальция по каплям в неизвестный раствор. Образование белого осадка может свидетельствовать о наличии фосфата кальция, или карбоната кальция. Чтобы убедиться в наличии фосфата, медленно добавляйте в пробирку азотную кислоту. Растворение осадка свидетельствует о том, что образовался фосфат водорода. Отсутствие пузырьков газа указывает на то, что карбонат отсутствует, так как карбонат вступил бы в реакцию с кислотой с образованием углекислого газа и воды.

Наконец, медленно добавьте ортомолибдат аммония в пробирку. Фосфомолибдат аммония образуется в виде желтого осадка, подтверждая наличие фосфата в растворе.

Во-первых, приготовьте разбавленные тестовые растворы, как указано в текстовом протоколе. Получите четыре пробирки и колпачки, пригодные для использования в центрифуге. Поместите смесь водных нитратов цинка, никеля, серебра и железа в одну пробирку. Чтобы начать сепарацию, сначала медленно добавьте в смесь разведенную соляную кислоту, аккуратно помешивая. Образующийся белый осадок представляет собой хлорид серебра. Продолжайте добавлять раствор хлорида до тех пор, пока не перестанет образовываться осадок.

Отделите жидкость, или надосадочную жидкость, и твердое вещество хлорида серебра путем центрифугирования. Сцедите надосадочную жидкость во вторую пробирку. Промойте хлорид серебра три раза водой и сцедите каждую промывку во вторую пробирку. Далее добавьте раствор гидроксида натрия по каплям во вторую пробирку. Образуются три осадка: белый гидроксид цинка, желтый гидроксид железа и зеленый гидроксид никеля. Продолжайте добавлять гидроксид натрия до тех пор, пока твердое белое соединение цинка не растворится, образуя растворимый ион цинката. Разделите раствор цинка и твердые соединения никеля и железа центрифугированием, а затем сцедите раствор в третью пробирку. Твердые частицы промыть водой три раза и сцедить каждое в раствор цинка.

Медленно добавляйте соляную кислоту в раствор цинка в третьей пробирке, пока гидроксид цинка не выпадет в осадок, а затем не растворится.

Затем добавьте гексацианоферрат калия по каплям в раствор цинка, чтобы получить гексацианоферрат калия и цинка в виде белого осадка. Теперь в пробирку, содержащую твердый гидроксид никеля и гидроксид железа, медленно добавьте аммиак с образованием растворимого сине-никелевого гексамина-иона. Отделите раствор никеля от твердого гидроксида железа центрифугированием и сцедите раствор никеля в четвертую пробирку. Трижды промойте гидроксид железа водой и сцедите промывки в раствор никеля. Затем медленно добавьте диметилглиоксим в раствор никеля, чтобы получить диметилглиоксим никеля в виде красного осадка. К твердому гидроксиду железа осторожно добавить концентрированную соляную кислоту до образования раствора хлорного железа. Чтобы подтвердить наличие железа, добавьте тиоцианат, чтобы получить темно-красный катион тиоцианатожелеза.

Простота и быстрота выполнения качественного анализа ионов в растворе делает этот метод широко используемым в химии окружающей среды и промышленности.

Когда вода содержит высокую концентрацию катионов металлов, таких как кальций или магний, ее называют жесткой водой. Эти катионы металлов могут вступать в реакцию с анионами в воде, такими как карбонат, образуя меловые отложения, которые засоряют трубы или водонагреватели. Жесткость воды можно оценить, добавив раствор карбоната в пробу воды. Белый осадок указывает на высокий уровень кальция.

Фосфат является важным питательным веществом для многих форм жизни и поэтому используется как в промышленных, так и в садовых удобрениях, но избыток фосфатов может быть вредным, особенно в пресноводной среде. Сточные воды в жилых и коммерческих помещениях могут быть проверены на фосфаты путем добавления азотной кислоты и ортомолибдата аммония. Желтый осадок указывает на высокий уровень фосфатов.

Вы только что посмотрели введение JoVE в правила растворимости ионов. Теперь вы должны быть знакомы с принципами ионных реакций, некоторыми процедурами качественного анализа растворов и некоторыми приложениями качественного анализа с использованием растворимости.

Спасибо за просмотр!