Государственное образовательное учреждение физико-математический лицей 1568
Реферат по теме
«Микрокристаллоскопия»
Реферат подготовил
ученик 9 класса
Снигиров Антон
Москва, 28 марта 2010 года
План реферата:
Микрокристаллоскопия – раздел аналитической химии.
Реакции обнаружения катионов:
· Классификация катионов;
· Обнаружение катионов:
1. I группы;
2. II группы;
3. III группы;
4. IV группы;
5. V группы;
6. VI группы.
Реакции обнаружения анионов:
· Классификация анионов;
· Обнаружение анионов:
1. I группы;
2. II группы;
3. III группы.
Вывод.
Список использованной литературы.
Аналитическая химия
А
налитическая химия
— раздел химии, изучающий химический состав и структуру веществ. Она занимается разработкой и совершенствованием аналитических методов. Аналитическая химия разделяется на качественный и количественный анализы.
Качественный анализ
направлен на обнаружение в образце какого-то определённого вещества.
Основоположником качественного анализа считается Р. Бойль, который ввёл представление о химических элементах как о неразлагаемых основных частях сложных веществ и систематизировал все известные в его время качественные реакции.
Большое влияние на развитие аналитической химии оказало открытие периодического закона Д. И. Менделеева. Это дало возможность использовать аналогию в свойствах элементов для разработки новых реакций и методов определения новых элементов.
Большой вклад в развитие аналитической химии внесла гидратная теория растворов Д. И. Менделеева и теория электролитической диссоциации С. Аррениуса.
На протяжении всего XIX века методы качественного анализа непрерывно развивались. В 1860 году Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом был разработан метод спектрального анализа, благодаря которому были открыты такие элементы, как индий и таллий. М. С. Цвет предложил хроматографический метод анализа, а М. А. Ильинский и Л. А. Чугаев – использование в анализе органических реагентов
Микрокристаллоскопия
Микрокристаллоскопия
— метод качественного обнаружения неорганических и органических веществ по образованию характерных кристаллических осадков при действии аналитических реактивов. Образовавшиеся кристаллы исследуют под микроскопом (увеличение в 60 и более раз); о составе осадка судят главным образом по форме кристаллов, а также по их цвету и размеру. Образующиеся кристаллы приобретают характерную форму только при медленном выделении, то есть в разбавленных растворах. При высоких концентрациях осаждаемых веществ, а также при наличии посторонних соединений возможно искажение формы кристаллов. В таких случаях для идентификации осадка определяют под поляризационным микроскопом кристаллографические и кристаллооптические характеристики кристаллов (например, углы между гранями), зависящие не от их формы, а от химического состава.
Т. Е. Ловиц изучил формы кристаллов около ста различных «соляных налётов», свёл их в таблицу и тем самым сделал микрокристаллоскопию практически важным методом качественного анализа.
Обнаружение катионов
Впервые принципы разделения катионов металлов на аналитические группы был разработан Т. О. Бергманом в конце XVIII века. Тем самым он заложил фундамент систематического качественного анализа.
Катионы разделяют на шесть основных групп по способам их обнаружения:
| Группа |
Катионы |
| I |
Li(I)[*]
|
| II |
Ca(II) Sr(II) Ba(II) |
| III |
Ag(I) Hg(I) Pb(II) W(VI) |
| IV |
Zn(II) Al(III) Sn(II, IV) V(V) Cr(III) Mo(VI) |
| V |
Ti(IV) Zr(IV) Sb(II, V) Bi(III) Mn(II) Fe(II, III) |
| VI |
Co(II) Ni(II) Cd(II) Hg(II) Cu(II) Mg(II) |
Аналитическая классификация ионов в принципе отличаются от распределения химических элементов по группам в периодической системе элементов, но её никак нельзя назвать искусственной, так как в основе её лежат определённые закономерности, связанные с растворимостью определённых гироксидов элементов. Поскольку Химические свойства ионов обусловлены зарядом ядра и электронной конфигурацией иона, то естественно, что в аналитические группы часто входят ионы, образованныеэлементами разных групп периодической системы.
Обнаружение катионов
I
группы
Соли катионов первой аналитической группы представляют собой бесцветные кристаллические вещества. В окрашенных солях цвет определяется анионом, например, кристаллы KMnO4 имеют фиолетовую окраску, а K2Cr2O7 – оранжевую.
Большинство солей, содержащих катионы первой группы, хорошо растворимы в воде. Однако, известны несколько солей, обладающих низкой растворимостью. Они-то и используются для осаждения катионов первой группы. Например, для осаждения ионов натрия используют антимонат калия (при этом выпадают белые кристаллы нерастворимого антимоната натрия Na[Sb(OH)6]).
К первой аналитической группе также относят катион аммония, который по ионному радиусу занимает промежуточное положение между катионами K+
и Rb+
и вступает в реакции на катион калия.
При анализе полного состава катионы первой группы подразделяют на две подгруппы. Первая подгруппа – это катионы NH4+
, K+
, Rb+
и Сs+
. Данные катионы осаждаются общими реагентами (Na3[Co(No2)6] или NaHC4H4O6), а катионы второй группы – Li+
и Na+
общего реагента не имеют.
Обнаружение катионов
Na
+
.
На предметное стекло помещается капля исследуемого образца и выпаривается досуха. Осадок обрабатывается каплей раствора уранилацетата UO2(CH3COO)2, рассматриваемые под микроскопом кристаллы натрийуранилацетата имеют такую форму:
Обнаружение катионов
K
+
.
На предметное стекло помещается капля исследуемого раствора, а рядом с ним помещают каплю Na2PbCu(NO2)6. Две капли соединяют стеклянной палочкой. Образующиеся кристаллы K2PbCu(NO2)6 имеют такую форму:
Обнаружение катионов
Mg
2+
.
Гидрофосфат магния образуется при действии на растворы солей магния в присутствие аммиака при Рh=9:
Mg2+
+ HPO42-
+ NH3 => MgNH4PO4
При анализе кислого раствора рекомендуется прибавлять аммиак до Ph=9.
При медленной кристаллизации образуются кристаллы, изображенные на верхнем рисунке, а при более быстрой кристаллизации – изображённые на нижнем рисунке.
Обнаружение катионов
II
группы
Ко второй группе относят ионы щёлочно-земельных металлов, составляющих подгруппу А периодической системы элементов. Химические и физические свойства данных катионов изменяются по мере увеличения атомной массы и ионного радиуса. Например, растворимость сульфатов и хроматов последовательно уменьшается в ряду Ca2+
>Sr2+
>Ba2+
>Ra2+
, и лишь растворимость фторидов изменяется в обратном направлении: Ba2+
>Sr2+
>Ca2+
.
Групповой реагент этой группы – разбавленная серная кислота. Растворимости сульфатов радия, бария и стронция низкие и эти соли выпадают осадок при действии на раствор, содержащий данные катионы серной кислотой. Но произведение растворимости CaSO4 – 9,1*10^-6, и из-за этого осаждение ионов Ca2+ Серной кислотой неполное. Поэтому, чтобы не «потерять» ионы Ca2+ при анализе, необходимо провести проверочную реакцию на катионы Ca2+ после осаждения катионов второй группы.
Но ионы Be2+
и Mg2+
вследствие малых радиусов их атомов и относительно большого заряда их ядер обладают иными свойствами по сравнению с катионами второй группы. Ни ион Be2+
, ни Mg2+
не осаждаются разбавленной серной кислотой.
Гидроксид магния – слабое основание, малорастворимое в воде. Осаждается из растворов солей магния щелочами. Поэтому его относят к шестой аналитической группе.
Гидроксид бериллия же амфотерен и по своим свойствам близок к гидроксиду алюминия. Поэтому его относят к четвёртой аналитической группе.
Обнаружение катионов
Ca2
+
.
Одну каплю исследуемого раствора помещают на предметное стекло, добавляют разбавленную серную кислоту и осторожно нагревают на маленьком пламени газовой горелки до появления белой каймы.
По краям капли образуются игольчатые кристаллы в виде звёздочек:
Обнаружение катионов
III
группы
Ко второй аналитической группе относятся катионы металлов, входящих в В подгруппу первой группы периодической системы элементов: Сu+
, Ag+
и Au+
, а также близкие к ним по химическим свойствам катионы [Hg2]2+
, Tl+
и Pb2+
.
Хотя медь, серебро и золото имеют по одному S-электрону на внешнем подуровне и после отдачи его переходят в однозарядные катионы, тем не менее свойства их резко отличаются от свойств катионов первой аналитической группы. Это объясняется тем, что после отдачи внешнего S-электрона они принимают 3d10
-, 4d10
- и 5d10
-электронную конфигурацию, которая и обуславливает их свойства, способность образовывать ионы разной степени окисления и проявлять свойства комплексообразователей.
К этим катионам близки по своим электронным конфигурациям катионы двухатомной однозаряднй ртути, однозарядного таллия и двухзарядного свинца.
Низкозарядные катионы с законченными 18-электронными оболочками или с 18+2 электронами являются сильными поляризаторами и сами способны к значительной поляризации. Поляризация приводит к уменьшению расстояния между ионами, увеличению энергии связи между ними, к переходу ионных связей в полярные. Взаимодействуя с поляризующимися ионами (Cl-
, Br-
, I-
, CN-
, CO3-
, SO42-
, Po43-
), они образуют малополярные ковалентные соединения, труднорастворимые в воде.
Таким образом, большинство солей катионов второй аналитической группы нерастворимы в воде. Они также могут образовывать многочисленные комплексные соединения, которые используются в анализе для разделения и открытия катионов.
Групповой реагент третьей аналитической группы – разбавленная хлороводородная кислота, которая осаждает катионы этой руппы в виде хлоридов, представляющих собой ковалентные малорастворимые соединения.
Обнаружение катионов
Ag
+
.
При медленной кристаллизации из растворов Ag(NH3)2Cl выпадает в виде мелких характерных кристаллов – треугольников, шестиугольников и звёздочек:
К 2-3 каплям исследуемого на ионы серебра раствора, подкисленного азотной кислотой и добавляют 2-3 капли 2 М соляной кислоты. Образующийся аморфный белый осадок центрифугируют, промывают и обрабатывают 2-3 каплями концентрированного раствора аммиака. Каплю полученного раствора помещают на предметное стекло и после испарения растворителя образовавшиеся кристаллы рассматривают под микроскопом.
Обнаружение катионов
Pb
2+
.
Ионы свинца осаждаются иодид-ионами в виде жёлтого осадка PbJ2,легкорастворимого при нагревании и вновь выпадающего при охлаждении раствора.
К 2-3 каплям исследуемого раствора добавляют 2-3 капли 2М раствора Ch3CooH и 2-3 капли KJ. Образующийся жёлтый осадок нагревают до кипения и охлаждают. Выпадает золотисто-жёлтый осадок в виде красивых блестящих лепестков:
Обнаружение катионов
IV
группы
Четвёртую группу образуют катионы гидроксидов, растворимых в щелочах. К ней относят катионы, гидроксиды которых обладают амфотерностью. В периодической системе амфотерные элементы занимают средние места в периодах по диагонали из верхнего левого к правому нижнему углу. Типичные элементы, образующие амфотерные гидроксиды: бериллий, алюминий, хром, цинк, германий, мышьяк, олово, сурьма, свинец. P-орбитали у атомов этих элементов не достроены, за исключением хрома, у которого во внешнем слое находятся пять электронов на D-орбитали и один – на S-орбитали. Хром – переходный металл с хорошо выраженной способностью к комплексообразованию.
Катионы сурьмы и висмута хотя и обладают амфотерностью, но при систематическом ходе анализа они оказываются в осадке вместе с катионами пятой группы. Так, например, щёлочи и аммиак осаждают из солей висмута (III) белый осадок гидроксида висмута, превращающегося в гидроксид висмутила BiO(OH), который не растворяется в избытке реагента. Поэтому эти катионы относят к пятой аналитической
Групповой реагент катионов четвёртой группы – раствор едкого натра или едкого кали. Действуя на смесь катионов четвёртой группы избытком щёлочи, получают соли, которые хорошо растворяются и центрифугированием или фильтрованием отделяются от катионов пятой и шестой групп и анализируются дробным или систематическим путём.
Обнаружение катионов
Zn
2+
.
С тетрароданомеркуратом аммония в слабокислой среде ионы цинка образуют характерные кристаллы – кресты, дендриты; в подкисленных минеральной кислотой или разбавленных растворах кристаллы имеют вид неравносторонних треугольников и клиньев.
На предметное стекло помещают каплю исследуемого раствора, рядом помещают каплю реагента. Капли соединяют стеклянной палочкой и рассматривают образовавшиеся кристаллы под микроскопом.
Обнаружение катионов
V
группы
К пятой аналитической группе относят ионы переходных элементов семейства железа: Ti4+
, Mn2+
, Fe2+
, Fe3+
, а также Sb3+
, Sb5+
и Bi3+
, осаждаемые концентрированным раствором аммиака.
Переходные элементы характеризуются рядом общих свойств: все они являются типичными металлами; почти все проявляют переменную степень окисления, благодаря чему способны участвовать в окислительно-востановительных реакциях; их ионы и соединения, как правило, окрашены. Переходные элементы обладают ярко выраженной тенденцией к комплексообразованию. Все эти особенности переходных элементов используются в качественном анализе.
Пятая аналитическая группа катионов характеризуется тем, что их гидроксиды не обладают амфотерностью и не образуют растворимых комплексных аммиакатов.
Реакции обнаружения катионов пятой группы основаны либо на реакциях окисления-восстановления, либо на реакциях комплексообразования, либо на реакциях гидролиза.
Обнаружение катионов
Bi3
+.
Комплексные ионы BiI52+ c ионами Cs+ и Rb+ образуют оранжево-красные кристаллы состава Cs2BiI5*2,5H2O.
На предметном стекле к капле исследуемого раствора добавляют каплю 2М HCl, каплю раствора KJ и кристаллик CsCl или RbCl, образовавшиеся кристаллы рассматривают под микроскопом.
Обнаружение катионов
VI
группы
Шестую аналитическую группу составляют катионы, гидроксиды которых образуют с раствором аммиака комплексные аммиакаты.
Все катионы шестой группы относятся к переходным элементам, в которых идёт достройка D-уровней. При взаимодействии переходных элементов с веществами, являющимися донорами электронных пар, происходит образование ковалентных связей по донорно-акцепторному механизму, в результате чего и образуются комплексы. Так, при действии группового реагента – раствора аммиака все катионы шестой группы переходят в раствор в виде комплексных аммиакатов следущего состава: [Cu(NH3)4]2+
, [Hg(NH3)4]2+
, [Cd(NH3)6]2+
, [Ni(NH3)6]2+
.
Из катионов других аналитических групп этим свойством обладают лишь катионы Ag+ и Zn2+, которые также можно отнести к шестой группе, но исходя из последовательности химического анализа и, следовательно, из практической целесообразности, катион Ag+ отнесён к III группе, а катион Zn2+ - к четвёртой аналитической группе.
Обнаружение катионов
Cu
2+
.
При действии (NH4)2Hg(SCN)4 в уксуснокислой среде Cu2+ в присутствии Zn2+ образует изоморфные кристаллы фиолетового цвета СuHg(SCN)4 (на верхней картинке) и ZnHg(SCN)4 (на нижней картинке). Но чтобы эта реакция удалась, необходимо брать очень разбавленный раствор меди, иначе вместо фиолетового выделяется жёлто-зелёный осадок CuHg(SCN)4.
К капле исследуемого раствора добавляют каплю 30% раствора CH3COOH и каплю раствора реагента. Образуются характерные кристаллы желтовато-зелёного цвета CuHg(SCN)4 в виде звёздочек. Они рассматриваются под микроскопом.
Обнаружение анионов
Анионы делятся на три аналитические группы, в зависимости от растворимости их бариевых и серебряных солей:
| Группа |
Анионы |
| I |
SO42-
|
| II |
Cl-
|
| III |
NO3-
|
Обнаружение анионов
I
группы
К первой аналитической группе анионов относят сульфат-ион, сульфит-ион, карбонат-ион, фосфат-ион и силикат-ион. Эти анионы образуют с катионами Ba2+ соли, малорастворимые в воде, но, за исключением сульфата бария, хорошо растворимые в минеральных кислотах. Поэтому выделить анионы этой группы в виде осадка групповым реагентом – хлоридом бария можно только в нейтральной или слабощелочной среде. Анионы первой группы образуют с катионами серебра соли, растворимые в разбавленной азотной кислоте, а сульфат серебра растворим даже в воде.
При анализе на анионы первой группы сначала исследуют раствор на эти ионы групповым реагентом, и в случае выпадения осадка (нерастворимой соли бария) исследуют раствор на каждый из анионов.
Обнаружение анионов
SO
42-
.
Существует множество способов обнаружения этого аниона, в частности:
-хлорид бария образует с ним белый нерастворимый в кислотах осадок BaSO4:
BaCl2 + SO42-
=> BaSO4
-нитрат серебра при взаимодействии с этим анионом образует белый осадок сульфата серебра, растворимый в азотной кислоте:
2Ag+
+ 2NO3-
+ SO42-
=> Ag2SO4+ 2NO3-
Однако при выполнении последней реакций следует учесть, что осадок сульфата серебра будет выпадать только из концентрированных растворов.
Возможна и микрокристаллоскопическая реакция на сульфат-ион: одну каплю исследуемого раствора помещают на предметное стекло, добавляют раствор нитрата кальция и осторожно нагревают на маленьком пламени газовой горелки до появления белой каймы.
По краям капли образуются игольчатые кристаллы в виде звёздочек:
Обнаружение анионов
SO
32-
.
Выбор реакций на этот анион не менее богат, например: окисление йодом или бромом серы от +4 до +6 (при этом йодная или бромная вода обесцвечивается); образование при взаимодействии с хлоридом бария растворимого в кислотах осадка сульфита бария; образование при взаимодействии с нитратом серебра растворимого в азотной кислоте осадка сульфита серебра.
Так же возможно восстановление сульфит-иона до сероводорода. К исследуемому раствору добавляют разбавленную хлороводородную кислоту и кусочек цинка при этом протекают слудующие реакции:
SO32-
+ 2HCl => 2CL- + H2O + SO2
3Zn + 6HCL + SO2 => 3 ZnCL2+ 2H2O + H2S
Выделяющийся при этом сероводород можно узнать по запаху или по чернению бумаги, смоченной ацетатом свинца. Реакция протекает при Ph=4 и если испытуемый раствор не содержит восстановителей.
Обнаружение анионов С
O
32-
.
Хлорид бария осаждает анион CO32-
, образуя белый осадок карбоната бария, растворимый в кислотах:
Ba2+
+ CO32-
=> BaCO3 + 2Cl-
Нитрат серебра также образует с этим анионом белый осадок, растворимый в кислотах.
Кислоты разлагают соли угольной кислоты с выделением углекислого газа, который можно обнаружить известковой водой.
Обнаружение анионов
PO
43-
.
Хлорид бария образует с анионом PO43-
белый осадок гидрофосфата бария, растворимый в кислотах, а нитрат серебра даёт жёлтый осадок фосфата серебра, растворимый в азотной кислоте.
Магнезиальная смесь (MgCl2, NH3*H2O, NH4CL) с анионами PO43-
образует белый кристаллический осадок:
HPO42-
+ NH3*H2O + Mg2+
=> MgNH4PO4 + H2O
Обнаружение анионов
II
группы
Ко второй аналитической группе относятся хлорид-ион, бромид-ион, йодид-ион и сульфид-ион. Эти анионы образуют с катионом Ag+ соли, нерастворимые в воде и разбавленной азотной кислоте. Групповой реагент второй группы – нитрат серебра в присутствии азотной кислоты. Хлорид бария с анионами второй группы осадков не образует.
При анализе на анионы второй группы следует сначала доказать наличие в растворе на этих ионов групповым реагентом, и в случае выпадения осадка (нерастворимой соли серебра) приступить к исследованию раствора на каждый из анионов.
При анализе на катионы второй группы удобно использовать нитрат серебра,
так как галогениды серебра (кроме фтористого серебра) нерастворимы в воде и легко различимы по цвету: хлорид серебра – белый творожистый осадок; бромид серебра – слабо-жёлтый, йодид серебра – ярко жёлтый, а сульфид серебра – чёрный.
Хлорид серебра растворяется в астворе аммиака, образуя комплексную соль серебра [Ag(NH3)2]Cl, которая под действием азотной кислоты вновь разлагается на хлорид серебра и аммиак. Однако, обнаружение хлорид-иона в присутствии бромид-иона не предоставляется возможным. Йодид серебра имеет значительно меньшее произведение растворимости и практически нерастворим в растворе аммиака, тогда как бромид серебра растворяется в аммиачной воде и в дальнейшем мешает открытию хлорид-иона. Для понижения растворимости бромида серебра осадки AgCl, AgBr и AgJ обрабатывают 12-процентным раствором карбоната аммония. Хлорид серебра перейдёт в раствор в виде комплексной соли – диаминоаргентахлорида. После отеления осадка в центрифугате открывают хлорид-ион действием раствора бромида калия.
Существуют и другие способы обнаружения ионов второй группы:
-Окислеие хлорид-иона до свободного хлора (йодид- и бромид-ионы мешают протеканию этой реакции);
-Окисление хлором брома -1 до молекулярного брома, а йода -1 до молекулярного йода (однако, избыток хлорной воды может вызвать образование хлорида брома или хлорида йода).
-Реакция ионного обмена сульфидов с кислотами, при этом выделяется сероводород.
Также возможна микрокристаллическая реакция по обнаружению йодид-иона: катионы Pb2+
образуют с йодид-ионом золотистые кристаллы PbJ2.
К 2-3 каплям исследуемого раствора добавляют 2-3 капли 2М раствора Ch3CooH и 2-3 капли Pb(NO3)2. Образующийся жёлтый осадок нагревают до кипения и охлаждают. Выпадает золотисто-жёлтый осадок в виде красивых блестящих лепестков:
Обнаружение анионов
III
группы
К последней, третьей аналитической группе анионов относятся нитрат-ион, нитрит-ион и ацетат-ион. Ни один из этих анионов не образует осадка с катионами серебра или бария. Третья группа не имеет группового реагента.
Обнаружение анионов
NO
3-
.
Нитрат-ион возможно обнаружить в растворе несколькими способами:
-Появление интенсивно-синей окраски при окислении дифениламина нитрат-ионом.
-Восстановление нитрат-иона до моноксида углерода металлической медью в присутствии серной кислоты:
2NO3-
+ 8H+
+ 3Cu => 3Cu2+
+ 4H2O +2NO
(монооксид азота, в свою очередь, доокисляется кислородом воздуха до бурого газа)
-Образование комплексной соли [Fe(NO)]SO4 бурого цвета при реакции с сульфатом железа (II) в присутствии серной кислоты:
6FeSO4 + 2NO3-
+ 4H2SO4 => 3 Fe2(SO4)3 + SO42-
+ 4H2O + 2NO
2NO + 2FeSO4 => 2[Fe(NO)]SO4
-Восстановление нитратов до аммиака металлическим алюминием в сильнощелочной среде.
Существует также и микрокристаллическая реакция на нитрат-ион:
На каплю раствора, содержащего нитрат-ион, действуют каплей 10-процентного раствора нитрона в 5-процентной уксусной кислоте. Выпадают характерные пучки игл нитратнитрона.
Обнаружение анионов
NO
2-
.
Нитрит-ион может быть разложен кислотой, при этом выделяются окислы азота:
2NO22-
+ H2SO4 => 2HNO2 + SO42-
2HNO2 => NO + NO2 + H2O
Иодид калия в присутствии разбавленной серной кислоты окисляется нитритами до молекулярного йода:
2I-
+ 2NO2-
+ 4H+
=> I2 + 2H2O + 2NO
Обнаружение
анионов
CH3COO-
.
При взаимодействии спиртов с растворам ацетатов образуются эфиры, которые узнаются по запаху.
Вывод.
Микрокристаллоскопия – довольно молодой, но быстро развивающийся раздел аналитической химии. На практике микрокристаллоскопия удобна тем, что позволяет обнаружить очень небольшие количества данных ионов в растворе. Однако, микрокристаллоскопия требует наличия специального оборудования (микроскопа) и большой точности и аккуратности в операциях. Список использованной литературы:
Ю. А. Золотов «Основы аналитической химии» (Москва, «Высшая школа», 2001);
Н. Я. Логинов «Аналитическая химия» (Москва, «Просвещение», 1979);
Интернет:
Wikipedia.org .
[*]
В книге Ю.А.Золотова (стр.16; см. список литературы) вместо зарядов катионов в скобках отмечен модуль заряда, причём римской цифрой. Например, вместо Ca2+
- Ca(II).