NH4NO3 + 2K2[HgI4] +2KOH =
+ 5KI + KNO3 +
+ 2H2O
До першої аналітичної групи катіонів належать NH4+, K+, Na+ та Mg2+. Сюди також відносять іони Li+, Rb+, та Cs+. Особливість першої групи катіонів полягає в тому, що вона не має групового реагенту, здатного осаджувати всі катіони цієї групи.
З катіонів першої групи лише NH4+ та Mg2+ взаємодіють з розчином лугу. Реакція NH4+ з лугом при нагріванні супроводжується виділенням аміаку:
NH4Cl + NaOH = NH3 ↑ + NaCl + H2O.
Аміак можна виявити або за запахом, або з допомогою деяких реакцій (наприклад, змочений водою рожевий лакмусовий папірець синіє, а фільтрувальний папір, змочений Hg2(NO3)2, чорніє). Ця реакція є специфічною для NH4+ і дає змогу виявити його в присутності всіх катіонів.
При додаванні лугу до розчину солі магнію утворюється білий осад Mg(OH)2, який добре розчиняється в кислотах, а також в надмірі солей амонію, які, гідролізуючи, утворюють доcтатню кількість іонів водню. Mg2+ - єдиний з катіонів першої та другої аналітичних груп, який при дії лугу утворює малорозчинну сполуку.
З катіонів першої аналітичної групи лише Mg2+ взаємодіє з аміаком, утворюючи малорозчинний Mg(OH)2 білого кольору. Проте осадження магнію не є повним, оскільки NH4OH – слабка основа, і тому концентрація ОН− в розчині недостатня. Якщо ж розчин містить надлишок солей амонію, осад Mg(OH)2 взагалі не утворюється, тому що рівновага
Mg2+ + 2 NH4OH ↔ Mg(OH)2 + 2 NH4+.
порушується вліво. Крім того, суміш NH4OH + NH4Cl має буферні властивості і створює в розчині таку концентрацію іонів водню, за якої осад Mg(OH)2 не утворюється (рН біля 9).
Реакція NH4+ з реактивом Несслера дуже чутлива і придатна для виявлення навіть надзвичайно малих концентрацій аміаку в розчині. Тому вона виконується краплинним способом на скляній плативці.
При додаванні реактиву Несслера до розчину солі амонію утворюється червоно-бурий осад йодиду дийодиддимеркурамонію:
|
NH4NO3 + 2K2[HgI4] +2KOH = |
|
+ 5KI + KNO3 + |
Виявленню NH4+ за цією реакцією не заважають катіони першої та другої аналітичних груп. Заважають катіони Fe3+, Cr3+, Co2+, Ni2+ і інші, що утворюють із лугом забарвлені нерозчинні гідроксиди. Щоб позбутись впливу перелічених вище іонів, до досліджуваного розчину спочатку додають 50%-ний розчин сегнетової солі KNaC4H4O6, а вже потім – реактив Несслера. Тартрат-іони маскують ці іони, зв’язуючи їх в стійкі розчинні комплексні сполуки. Виявленню іонів амонію заважають також іоні Bi3+, Hg2+, Sb(III), Sn(II) та інших металів, які утворюють забарвлені йодиди та (або) руйнують реагент.
Винна кислота (H2C4H4O6) є двохосновною кислотою і здатна утворювати середні (K2C4H4O6, Na2C4H4O6) та кислі (KHC4H4O6, NaHC4H4O6) солі. Серед солей винної кислоти першої аналітичної групи важкорозчинні лише KHC4H4O6, NH4HC4H4O6 та Mg(HC4H4O6)2. NaHC4H4O6 є реагентом на іони K+ за відсутності іонів NH4+ та Mg2+. Реакція відбувається при кімнатній температурі, оскільки розчинність осаду KHC4H4O6 при нагріванні значно зростає.
K+ + HC4H4O6− = KHC4H4O6.
Мінеральні кислоти та луги розчиняють осад KHC4H4O6 , при цьому відбуваються такі реакції:
KHC4H4O6 + HCl = H2C4H4O6 + KCl;
KHC4H4O6 + KOH = K2C4H4O6 + H2O.
В оцтовій кислоті осад KHC4H4O6 нерозчинний.
Na3[Co(NO2)6] – це характерний реагент для K+. В нейтральному або оцтовокислому середовищі він утворює з солями калію жовтий осад K2Na[Co(NO2)6].
2 K+ + Na3[Co(NO2)6] = K2Na[Co(NO2)6] + 2 Na+
Реакцію виконують краплинним способом. Луги заважають виявленню калію, оскільки реагент розкладається з утворенням темно-бурого осаду Co(OH)3 згідно з реакцією:
[Co(NO2)3]3− + 3 OH− =Co(OH)3 + 6 NO2−.
Кислоти теж руйнують реагент:
[Co(NO2)3]3− + 6 H+ = Co3+ + 6 HNO2,
причому з часом темно-буре забарвлення розчину змінюється на рожеве:
[Co(NO2)3]3− + 5H+ = Co2+ + NO2 + 5 HNO2.
(або: Co3+ + NO2− = Co2+ + NO2 ).
Виявленню калію реакцією з гексанітрокобальтатом (ІІІ) натрію заважають іони NH4+, тому що осад, що вони утворюють з реагентом, подібний як за складом, так і за зовнішніми характеристиками. Перешкоджають виявленню калію іони IV та V аналітичних груп - Hg22+, Pb2+, Sn2+, Sb3+, AsO33−. Іони Hg2+, Bi3+, Sn(IV), та AsO43− з гексанітрокобальтатом (ІІІ) натрію також утворюють осади жовтого кольору, проте ці осади розчинні в оцтовій кислоті. Заважають також I− та інші відновники. Для виявлення K+ в присутності I− досліджуваний розчин випаровують з HNO3 , сухий залишок розчиняють у воді, додавши оцтової кислоти, і в одержаному розчині проводять реакцію виявлення K+ з Na3[Co(NO2)6].
K[Sb(OH)6] є характерним реагентом для іонів натрію, з якими в нейтральних або слабколужних розчинах утворює білий кристалічний осад:
Na+ + [Sb(OH)6]− = Na[Sb(OH)6].
H+ + [Sb(OH)6]− = HSbO3 + 3 H2O.
Виявленню натрію за допомогою гексагідроксостибіату (V) калію заважають з різних причин майже всі іони, в тому числі і катіони першої та другої груп. Іони NH4+ зазнають гідролізу з утворенням іонів водню, що призводить до руйнування реагенту за наведеною вище реакцією. Mg2+ та катіони другої групи утворюють з реагентом осади солей білого кольору.
Реагент є специфічним для іонів натрію. В нейтральних або оцтовокислих розчинах він утворює з солями натрію кристалічний осад зеленкувато-жовтого кольору. Ця реакція виконується краплинним способом. Рівняння реакції можна записати так:
Na+ + Zn(UO2)3Ac8 + HAc = NaZn(UO2)3Ac9 + H+.
Виявленню іонів натрію цією реакцією не заважають іони K+, NH4+, Mg2+, Ba2+, Sr2+, Ca2+ (у 20-кратному надлишку), а також деякі катіони третьої – п’ятої груп. Заважають іони Hg22+, Sb3+, PO43−, AsO33−, AsO43−, які утворюють з реактивом білі осади. При додаванні реагенту до розчину Fe3+ утворюється ацетатний комплекс заліза, тому розчин набуває червоного кольору, але осад не випадає, і тому Fe3+ практично не заважає виявленню натрію.
Якщо при дії реагенту на досліджуваний розчин випадають білі голчасті кристали (це може статися при високій концентрації іонів K+), до одержаного осаду додають декілька краплин дистильованої води; цей осад розчиняється, а осад NaZn(UO2)3Ac9 залишається.
З катіонів першої групи лише сполуки калію та натрію забарвлюють полум’я в характерні кольори. Дослід виконують таким чином: вушко платинової дротинки, впаяної в скляну паличку, змочують концентрованою соляною кислотою і прожарюють у безбарвному полум’ї газового пальника. Операцію обробки дротинки соляною кислотою повторюють, поки полум’я пальника не стане безбарвним. Очищену дротинку вміщують у досліджуваний розчин (або суху досліджувану речовину), а потім у полум’я. За наявності натрію полум’я забарвлюється в жовтий колір, а за наявності калію – в блідо-фіолетовий. Дослід буде успішним, коли провести попереднє концентрування K+ на платиновій дротинці, застосувавши багаторазове змочування її досліджуваним розчином з наступним обережним висушуванням.
Якщо у розчині є обидва катіони, іон натрію заважає виявленню калію, тому що забарвлення його полум’я більш яскраве і воно забиває забарвлення солі калію.
1.9. Дія карбонату амонію ((NH4)2CO3).
Карбонат амонію в розчині реагує при нагріванні з солями магнію, утворюючи білий аморфний осад змінного складу (наприклад, Mg(OH)2∙3MgCO3 чи (MgOH)2CO3 та ін.) Проте, якщо розчин містить амонійні солі в достатній концентрації, іони Mg2+ карбонатом амонію не осаджуються. Це можна пояснити тим, що за наявності надлишку іонів NH4+ концентрація аніонів CO32− в розчині (NH4)2CO3 значно зменшується в результаті реакції
NH4+ + CO32− + H2O = NH4OH + HCO3−
і стає недостатньою, щоб досягти добутку розчинності MgCO3 . Завдяки такому відношенню Mg2+ до карбонату амонію в розчинах солей амонію стало можливим віднесення Mg2+ до першої аналітичної групи катіонів, які, як і Mg2+, не осаджуються карбонатом амонію.
1.10. Дія гідрофосфату натрію (Na2HPO4).
Якщо розчин містить NH4OH та NH4Cl, гідрофосфат натрію утворює з Mg2+ білий кристалічний осад фосфату магнію й амонію:
MgCl2 + Na2HPO4 + NH4OH = MgNH4PO4 + 2 NaCl + H2O.
Введення хлориду амонію необхідне для того, щоб, по-перше, запобігти утворенню осаду Mg(OH)2 при додаванні аміаку, і, по-друге, щоб збільшити концентрацію іонів NH4+, необхідних для утворення осаду MgNH4PO4. Цей осад набагато менш розчинний, ніж середня (Mg3(PO4)2) чи кисла (MgHPO4) солі магнію.
Дана реакція є найбільш важливою для виявлення магнію в розчині. Виконують її таким чином: у пробірку наливають 0,5 – 1,0 мл розчину солі магнію і додають краплинами розчин аміаку весь час струшуючи пробірку для перемішування суміші. Після того як в пробірці з’явиться слабка каламуть, додають декілька краплин розчину (або суху сіль) NH4Cl, поки каламуть не зникне. До прозорого розчину додають дві-три краплини розчину Na2HPO4. Утворюється білий кристалічний осад.
Цю реакцію можна виконати й іншим способом: у пробірку наливають ~0,5 мл розчину солі магнію, додають близько 1 мл розведеної соляної кислоти, дві-три краплини розчину Na2HPO4, розбавляють до ~5 мл водою, нагрівають до кипіння і обережно, по краплині, струшуючи пробірку для перемішування суміші, додають розчин гідроксиду амонію до слабколужного середовища. Спостерігають утворення білого кристалічного осаду. Необхідний для виконання реакції хлорид амонію утворюється при нейтралізації соляної кислоти гідроксидом амонію.
Катіони першої аналітичної групи не заважають виявленню магнію реакцією з гідрофосфатом натрію. Заважають катіони другої, а також інших груп, які утворюють малорозчинні фосфати.
1.11. Дія оксихіноліну (C9H6NOH).
Солі магнію взаємодіють з оксихіноліном в аміачному середовищі (рН 10-13), утворюючи зеленкувато-жовтий кристалічний осад.
Mg2+ + 2 C9H6NOH = Mg(C9H6NO)2 + 2 H+.
Осад розчиняється в оцтовій та мінеральних кислотах. Виявленню Mg2+ цією реакцією не заважають лише катіони першої групи.
Деякі органічні барвники, адсорбуються на поверхні гідроксидів металів і при цьому змінюють своє забарвлення. Саме до таких барвників належить титановий жовтий. В лужному середовищі цей барвник жовто-бурого кольору. При осадженні гідроксиду магнію в присутності титанового жовтого утворюється твердий розчин барвника в осаді гідроксиду червоного кольору. Реакцію виконують так: до невеликого об’єму розчину солі магнію додають вдвічі більший об’єм лугу (добре перемішують) та три-чотири краплини титанового жовтого, знову добре перемішують. Утворюється осад червоного кольору.
Катіони першої та другої аналітичних груп не заважають виявленню Mg2+ цією реакцією. Заважають всі катіони, які за таких же умов утворюють малорозчинні гідроксиди.
До розчину йоду в йодистому калії додають краплинами розчин лугу, струшуючи пробірку після кожної доданої краплини, поки забарвлення розчину не стане солом’яно-жовтим і після цього ще одну-дві краплини лугу. Буре забарвлення йоду зникає в результаті реакції:
I2 + 2 KOH = KI + KIO + H2O
До одержаного безбарвного розчину додають розчин, що містить Mg2+. Буре забарвлення йоду виникає знову. Це пояснюється тим, що в присутності Mg2+ рівновага зсувається вліво внаслідок зв’язування гідроксильних іонів у гідроксид магнію.
Виявленню Mg2+ цією реакцією заважають всі катіони, які утворюють за таких само умов малорозчинні гідроксиди.