АНАЛИЗ НЕИЗВЕСТНОГО ВЕЩЕСТВА
АНАЛИЗ НЕИЗВЕСТНОГО ВЕЩЕСТВА
По сравнению с анализом смеси ионов аналитическая зада¬ча усложняется, когда необходимо провести анализ неизвест¬ного вещества. Такой анализ может иметь следующие за¬дачи: 1) установить ориентировочно природу вещества (соль, оксид, металл, сплав и т. д.); 2) обнаружить в известном веществе примеси других веществ; 3) установить состав не¬известного вещества.
Рассмотрим последнюю задачу качественного анализа более подробно. В качестве неизвестного вещества при установлении его состава могут быть кислоты, оксиды, соли (средние, кислые, двойные, смешанные, основные), металлы, сплавы, неметаллы, руды, горные породы и др. При установ¬лении качественного состава перечисленных веществ суще¬ствует общий подход к проведению качественного химиче¬ского анализа. Анализ неизвестного вещества проводят в Две стадии: 1) предварительные испытания; 2) системати-ческий или дробный анализ катионов и анионов.
Предварительные испытания позволяют: 1) получать не¬которые ориентировочные указания, полезные при выборе наиболее рационального способа переведения образца в раствор или облегчающие выполнение анализа; 2) устано¬вить присутствие некоторых элементов, обнаружение которых затруднено при систематическом ходе анализа или которые изменяются в ходе анализа (например, за счет изменения степени окисления).
Предварительные испытания состоят из следующих опе¬раций.
1. Оценка внешнего вида неизвестного вещества, агре¬гатного состояния, цвета, запаха.
2. Окрашивание несветящегося пламени газовой горелки различными элементами: натрий — желтая, барий — зелено-желтая, калий — фиолетовая, медь, висмут — зеленая, каль¬ций — кирпично-красная, свинец, олово, сурьма, мышьяк — бледно-синяя, стронций — карминово-красная.
3. Нагревание в трубке или фарфоровой чашке (600 °С): а) появление воды, что указывает на присутствие в иссле¬дуемом веществе соединений, содержащих кристаллизацион¬ную воду, гидроксидов, органических веществ, основных или кислых солей; б) появление белого или цветного налета (возгонка); в) изменение окраски, что характерно для не¬которых веществ, у которых с повышением температуры изменяется способность поглощать свет, например оксид 134 -цинка ZnO при нагревании переходит из белой формы в жел¬тую; г) выделение летучих продуктов разложения, что указы¬вает на присутствие некоторых анионов в составе неизвест-ного вещества: СОг — карбонатов, SO2 — сульфитов и тио-сульфатов тяжелых металлов, NO2 — нитратов и нитритов, Вгг — бромидов в присутствии окислителей, Ь—иодидов в присутствии окислителей.
4. Получение окрашенных перлов. При нагревании ве¬щества с тетраборатом натрия (ЫагВ407) или с натрий-аммонийгидрофосфатом (NaNH4HP04) в ушке платиновой или нихромовой проволоки образуется характерно окрашен¬ный перл (стеклообразная бусинка):
Катион Cr3+ Со2+ Си2+
Перл в пламени:
окислительном . . . Изумрудно- Синий Зеленый
зеленый
восстановительном . . То же » *
Катион Мп2+ Fe2+, Fe3+
Перл в пламени:
окислительном . . . Фиолетовый Желтый
восстановительном . Бесцветный Зеленый
5. Воздействие серной кислотой. При кислотном разло¬жении серной кислотой выделяются газообразные продукты, которые определяются по цвету или по другой характерной реакции. Таким образом, кислотное разложение •используют для определения анионов.
При действии 1 М H2SO4 выделяются следующие газы, соответствующие: СО2 — карбонатам, SO2 — сульфитам и тиосульфатам, H2S — сульфидам, HCN — цианидам, N02 — нитритам.
При действии концентрированной H2SO4 выделяются следующие газы, соответствующие: СЬ, НС1 — хлоридам, NO2—нитратам, СгОг, СЬ — бихроматам, хроматам + хло¬ридам, СОг, СО — оксалатам, Ог — пероксидам, оксидам, гидроксидам.
6. Воздействие растворителями. Для перевода твердого вещества в раствор применяют строго последовательное растворение отдельных его частей при комнатной темпера¬туре и нагревании в следующих растворах: 1) в НгО; 2) в СНзСООН; 3) в разбавленной НС1 (2 М); 4) в концентри¬рованной НС1; 5) в разбавленной HCI + H2O2; 6) в разбав¬ленной HNO3, если остаток от 4 окрашен в темный цвет; 7) в НЫОз + ЗНС1 (в царской водке), если остаток от 6 чер¬ного или красного цвета; 8) в 30%-ом NaOH; 9) в 25%-ом ЫНз-НгО; 10) в насыщенном растворе соды при нагревании (содовая вытяжка); 11) сплавление с кислыми плавнями (K2S207 или KHSO4):
K2S207 K2S04 + S03, A1203 + 3S03 >- A12(S04)3;
135
12) сплавление с щелочными плавнями (Na2C03 NaHC03 + + NaN03, Na2C03 + H202).
Если для анализа дан раствор, определяют рН раствора и по его значению делают соответствующий вывод. Напри¬мер, в сильнокислой среде не могут содержаться карбонаты, тиосульфаты, сульфиты, нитриты, средние соли фосфорной и мышьяковистой кислот. Если в растворе содержится только один катион, то по значению рН можно почти однозначно судить об отсутствии следующих катионов: рН 3 — Sb3+ Sbv, SnIV, Sn2+, Bi3+; рН 3—5 —Fe3+, Hg2+ Cr3+ MnIV-' pH 5-7-Cu2+, Al3+, Zn2+, Fe2+, Ni2+, Co2+; pH 7-9-Pb2+, Ag+, Cd2+, Mn2+; pH 9 - Mg2+.
7. Обнаружение окислителей и восстановителей. Окисли¬тели обнаруживают действием на анализируемое вещество смеси KI + H2S04, восстановители обнаруживают действием смесей KMn04 + H2S04, I2 + H2S04, Fe3+ + К3 [Fe(CN)6].
Систематический анализ включает следующие этапы.
1. Обнаружение катионов. После предварительных испы¬таний и растворения вещества приступают к его анализу, начиная с обнаружения катионов. Это целесообразно, так как наличие некоторых катионов свидетельствует об отсутствии ряда анионов.
Независимо от того, какой метод анализа выбран, сна¬чала открывают ионы NH4+, Fe2+, Fe3+. Затем проводят систематический анализ катионов. Следует помнить, что если дана двойная соль типа NaKC03, MgNH4P04-6H20, KMgF3, необходимо обнаружить два катиона.
2. Обнаружение анионов. Присутствие или отсутствие не¬которых анионов устанавливают попутно с открытием катио¬нов. Например, ион Р03~ открывают перед осаждением ка¬тионов III группы сульфидом аммония. Если в растворе от¬сутствует мышьяк, анионы AsOf- и AsO3" присутствовать не могут. Анионы S2", SOf~, S2023~, СО|Г, N0^ обычно устанавливают попутно с открытием катионов по выделению газов при подкислении и в предварительных испытаниях.
Об отсутствии или присутствии тех или иных анионов в исследуемом веществе можно судить по растворимости солей открытых уже катионов. Если в растворе присутствуют катионы тяжелых металлов, их необходимо удалить, чтобы' они не мешали открытию анионов. Это достигается кипяче¬нием исследуемого вещества с раствором Na2C03. При этом анионы, входящие в состав неизвестного вещества, перехо¬дят в раствор в виде соответствующих солей натрия, катионы же остаются в осадке:
BaS03 + Na2C03—* jBaC03 + Na2S03,
2А1С13 + 3Na2C03 + 3H20 IА1 (ОН) 3 + 6NaCl + ЗС02.
136
Полученный раствор, называемый «содовой вытяжкой», служит для открытия анионов. Сначала действуют на одну порцию исследуемого раствора Ba(N03)2 при рН 7, а на дру¬гую— AgN03-|-HN03> определяя таким образом, к какой аналитической группе принадлежат анионы, и затем проводят соответствующее обнаружение анионов.
В качестве примера разберем анализ индивидуального вещества (соли) неизвестного состава. Требуется установить его химический состав. Дано белое кристаллическое ве¬щество, допустим AI2(S04)3-18Н20.
1. По внешнему виду можно сразу предположить, что в его состав не входят интенсивно окрашенные ионы (Сг3+, Со2+, Ni2+, Cr042~, МпОГ и др.).
2. Окрашивание пламени. Пламя не окрашивается в ха¬рактерные цвета, следовательно, отсутствуют ионы, указан¬ные иа с. 226.
3. При нагревании в калильной трубке (тугоплавкой про¬бирке) выделяются пары воды, конденсирующиеся в капли на холодных стенках трубки. Следовательно, в состав веще¬ства, по-видимому, входит кристаллизационная вода или оно представляет собой основную или кислую соль, кислоту или основание.
4. Анализируемое вещество не образует окрашенных перлов.
5. Воздействие серной кислотой. При действии разбавлен¬ной серной кислоты вещество растворяется, при этом не на¬блюдается каких-либо изменений (выделение газа и т. д.). Следовательно, анализируемое вещество не является карбо¬натом, гидрокарбонатом, сульфидом.
6. Растворение вещества. Исследуемое соединение раство¬ряется в воде.
7. Определение рН раствора. Водный раствор исследуе¬мого вещества имеет рН<7, следовательно, вещество мо¬жет быть кислотой или солью, образованной катионом сла¬бого основания и анионом сильной кислоты.
8. Обнаружение окислителей и восстановителей. В двух пробирках с KI+H2S04 и KMn04 + H2S04 соответственно при добавлении анализируемого вещества изменений не про¬исходит. Следовательно, окислители и восстановители отсут¬ствуют.
9. Обнаружение катионов. В отдельных пробах раствора проводят реакции обнаружения ионов NH^, Fe2+, Fe3+, реко-мендованными ранее реакциями. Указанные ионы не обнару¬жены.
К части водного раствора исследуемого вещества по кап¬лям добавляют раствор NaOH. Выпадает белый осадок, ко¬торый растворяется при дальнейшем добавлении NaOH.
137
Можно предположить присутствие Zn2+ или А13+.
К новой порции водного раствора вещества по каплям добавляют разбавленный раствор NH3. Выпадает белый оса¬док, нерастворимый в избытке NH3-H20. Можно предполо¬жить наличие А13+. Подтверждают наличие ионов А13+ реак¬цией с ализарином из новой порции раствора.
10. Обнаружение анионов. К водному раствору соли алю¬миния добавляют раствор AgN03. Осадка не образуется, следовательно, отсутствуют анионы I группы. При добавлении к новой порции раствора нитрата бария выпадает белый осадок, нерастворяющийся при добавлении к нему НС1. Сле¬довательно, в растворе присутствуют §04~-ионы.
Из приведенных исследований делают вывод, что дана соль Al2(S04)3-nH20, что согласуется с предварительными испытаниями и с обнаружением катионов и анионов.
ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1. Что такое аналитическая реакция?
2. Перечислите признаки аналитических реакций.
3. Что такое предел обнаружения?
4. Какие аналитические реакции называют общими, группо¬выми, селективными и специфическими?
5. Почему нужно соблюдать определенные условия проведе¬ния аналитических реакций? Приведите примеры.
6. Что такое дробный и систематический методы анализа?
7. Перечислите систематические методы анализа.