Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №15/2009
РЕФОРМА ОБРАЗОВАЯ
Школа: время реформ

 

Химический практикум:
Качественный анализ

Выступление на Восьмом
московском педагогическом марафоне
учебных предметов 7 апреля 2009 года

Профессор Е.В.Савинкина рассказывает
о практических занятиях по качественному анализу

Фото В. Строковского

Наличие химического практикума в школе открывает дополнительные возможности для обучения химии в классах естественно-научного профиля. В гимназии № 1543 для этой цели был выбран курс качественного химического анализа. При этом ставились следующие цели:

• знакомство с методами аналитической химии;

• овладение навыками практической работы с химическими веществами;

• углубление знаний по курсу неорганической химии;

• рассмотрение некоторых вопросов из теоретических основ химии;

• приобретение новых знаний;

• обучение умению систематизировать и обобщать полученные знания.

Занятия проводятся в 9-х классах физико-химического и биолого-химического профилей (рис. 1). Классы делят на две подгруппы, которые поочередно посещают химический и физический или биологический практикум. Программа практикума рассчитана на 34 ч учебного времени (два сдвоенных урока один раз в две недели).

Рис. 1. Химический практикум в классах
естественно-научного профиля гимназии № 1543

Курс основан на кислотно-основном методе разделения и определения ионов. Групповыми реагентами в этом случае являются соляная и серная кислоты, растворы гидроксида натрия и аммиака. В основе метода лежит различная растворимость в воде хлоридов, сульфатов и гидроксидов, амфотерные свойства гидроксидов некоторых элементов и способность к образованию растворимых комплексных соединений с аммиаком.

Классификация катионов в рамках этого метода у разных авторов существенно различается [1–3]. Так, в практическом руководстве [1] предлагаются следующие группы катионов (указаны лишь те катионы, определение которых можно проводить в школьной лаборатории):

I г р у п п а: K+, Na+, NH4+;

II г р у п п а: Ca2+, Sr2+, Ba2+;

III г р у п п а: Ag+, Pb2+;

IV г р у п п а: Zn2+, Al3+, Cr3+;

V г р у п п а: Mn2+, Fe2+, Fe3+, Mg2+;

VI г р у п п а: Co2+, Ni2+, Cu2+, Cd2+.

В условиях школы более удобной является классификация, соответствующая последовательности разделения катионов:

I (Ag+, Pb2+) – осаждаются соляной кислотой;

II (Ca2+, Sr2+, Ba2+) – осаждаются серной кислотой;

III (Zn2+, Al3+, Cr3+) – образуют малорастворимые гидроксиды, растворимые в избытке щелочи;

IV (Co2+, Ni2+, Cu2+, Cd2+) – образуют малорастворимые гидроксиды, растворимые в избытке раствора аммиака;

V (Mn2+, Fe2+, Fe3+, Mg2+) – образуют малорастворимые гидроксиды, не растворимые под действием щелочи или аммиака;

VI (K+, Na+, NH4+) – не осаждаются под действием кислот и щелочей.

Классификация анионов практически во всех учебниках по аналитической химии одинакова:

I г р у п п а: , , F, ,  – осаждаются хлоридом бария в нейтральном или слабощелочном растворе;

II г р у п п а: Cl, Br, I, S2–, SCN – осаждаются нитратом серебра в присутствии 2 М азотной кислоты;

III г р у п п а: NO-3, NO-2, CH3COO – не осаждаются солями бария и серебра.

Содержание курса

Теоретические вопросы (рассматриваются по мере возникновения).

Введение в химический анализ.

Состав и приготовление растворов.

Комплексные соединения.

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР).

Произведение растворимости.

Систематический анализ катионов.

Систематический анализ анионов.

Практические занятия.

Способы определения катионов (по группам).

Контрольное задание – определение катионов в смеси.

Способы определения анионов.

Контрольное задание – определение анионов в смеси.

Контрольное задание – определение соли.

Решение задач.

Приготовление растворов.

Составление уравнений ОВР.

Равновесия в насыщенных растворах.

Анализ смеси ионов.

Практические занятия начинаются с приготовления растворов, которые в дальнейшем используются в практикуме. Каждый школьник получает индивидуальное задание. Обычно готовят 0,1 М растворы веществ в мерных колбах объемом 500 или 1000 мл. Ученик рассчитывает массу растворяемого вещества, взвешивает его, растворяет, проверяет концентрацию полученного раствора, измеряя его плотность с помощью ареометра, и рассчитывает ошибку. Все результаты заносятся в таблицу.

Таблица

Раство-
ряемое вещество
Заданная концен-
трация с0, моль/л
Объем, мл Молярная масса,
г/моль
Масса, г Плот-
ность, г/л
Массовая доля Полученная концен-
трация сэ, моль/л
Отно-
сительная ошибка
                 

Дальнейшие уроки посвящены изучению свойств катионов различных групп. По мере необходимости проводятся теоретические занятия, на которых рассматривается учебный материал, и решаются задачи. Обычно практическое занятие посвящено проведению реакций, характерных для катионов одной группы. Помимо групповых реагентов используются реагенты, помогающие отделить катионы данной группы от катионов других групп и определить отдельные катионы в смеси. Далее приводятся некоторые характерные реакции для всех групп катионов (по классификации [1]).

Некоторые реакции катионов I группы

Во многих учебниках по аналитической химии предлагают определять катион натрия с помощью гексагидроксостибат-иона. Однако все наши попытки использовать этот реагент для эффективного определения натрия оказались неудачными. Самый надежный и простой метод обнаружения натрия – использование пламени горелки. Даже в присутствии других катионов ярко-желтая окраска пламени солей натрия хорошо заметна.

Взаимодействие с NaOH. Выделение газообразного аммиака при добавлении щелочи позволяет определять катион аммония в присутствии любых других катионов:

NH4+ + OH NH3 + H2O.

Обнаружить выделившийся аммиак можно:

• по запаху;

• по изменению окраски индикаторной бумаги;

• по образованию дыма хлорида аммония:

NH3 (г.) + HCl (г.) = NH4Cl (тв.).

Взаимодействие с Na3[Co(NO2)6]. Для определения катионов калия можно использовать заранее синтезированный Na3[Co(NO2)6] или получить его непосредственно перед выполнением опыта:

CoCl2 + 7NaNO2 + 2CH3COOH = Na3[Co(NO2)6] + NO + H2O + 2NaCl + 2CH3COONa.

В присутствии K+ образуется характерный желтый осадок:

2K+ + Na+ + [Co(NO2)6]3– = K2Na[Co(NO2)6].

Некоторые реакции катионов II группы

Взаимодействие с K2CrO4 (разделение Ca2+, Sr2+, Ba2+). При добавлении концентрированного раствора хромата калия к растворам, содержащим катионы кальция, стронция и бария, осаждаются ярко-желтые хроматы стронция и бария, а катион кальция остается в растворе:

M2+ + = MCrO4 + 2H+ (M = Sr, Ba).

Поскольку хромат стронция более растворим, чем хромат бария, для его перевода в дихромат достаточно такой слабой кислоты, как уксусная (хромат бария в этих условиях в раствор не переходит):

2SrCrO4 + 2CH3COOH (изб.) = 2Sr2+ + Cr2O72– + H2O + 2CH3COO.

Чтобы перевести в раствор хромат бария, необходимо использовать сильную кислоту, например соляную:

2BaCrO4 + 2H+ (изб.) = 2Ba2+ + Cr2O72– + H2O.

Поскольку в растворе образуются дихромат-ионы, он приобретает оранжевую окраску.

Некоторые реакции катионов III группы

Взаимодействие с HCl. Хлорид-ион является групповым реагентом для катионов серебра и свинца:

Ag+ + Cl = AgCl (белый осадок),

Pb2+ + 2Cl = PbCl2 (белый осадок).

Взаимодействие с NH3 и NaOH. Хлорид серебра растворяется под действием избытка раствора аммиака, но не переходит в раствор при добавлении раствора щелочи, хлорид свинца, напротив, реагирует со щелочью, но не реагирует с аммиаком:

AgCl + 2NH3?H2O = [Ag(NH3)2]+ + Cl + 2H2O,

PbCl2 + 4OH = [Pb(OH)4]2– + 2Cl.

Некоторые реакции катионов IV группы

Взаимодействие с NH3 в водном растворе. Эту реакцию можно использовать для отделения Zn2+. При добавлении раствора аммиака к растворам, содержащим катионы алюминия, хрома(III) и цинка, происходит осаждение гидроксидов:

Al3+ + 3NH3 • H2O = 3NH4+ + Al(OH)3 (белый осадок),

Cr3+ + 3NH3 • H2O = 3NH4+ + Cr(OH)3 (серо-зеленый осадок),

Zn2+ + 2NH3 • H2O = 2NH4+ + Zn(OH)2 (белый осадок).

Дальнейшее добавление раствора аммиака приводит к растворению гидроксида цинка:

Zn(OH)2 + 4NH3 • H2O = [Zn(NH3)4]2+ + 2OH + 4H2O.

Взаимодействие с K3[Fe(CN)6] и K4[Fe(CN)6]. При добавлении растворов K3[Fe(CN)6] и K4[Fe(CN)6] к растворам, содержащим цинк(II), образуются малорастворимые соединения различной окраски:

3Zn2+ + 2[Fe(CN)6]3– = Zn3[Fe(CN)6]2 (желто-коричневый осадок),

3Zn2+ + 2K+ + 2[Fe(CN)6]4– = K2Zn3[Fe(CN)6]2 (белый осадок).

Катионы алюминия в подобные реакции не вступают, что позволяет различить катионы цинка и алюминия.

Некоторые реакции катионов V группы

Взаимодействие с KSCN. Реакция с тиоцианат-ионами – одна из наиболее чувствительных качественных реакций на катионы железа(III). Упрощенно уравнение реакции можно записать следующим образом:

Fe3+ + 3SCN = Fe(SCN)3.

В действительности образуются различные комплексы: от [Fe(H2O)5(SCN)]2+ до [Fe(SCN)6]3–; все они окрашивают раствор в ярко-красный («кровавый») цвет.

Взаимодействие с K4[Fe(CN)6]. При добавлении раствора K4[Fe(CN)6] к растворам, содержащим соли марганца(II), железа(II) и железа(III), образуются малорастворимые соединения:

Mn2+ + 2K+ + [Fe(CN)6]4– = K2Mn[Fe(CN)6] (бело-розовый осадок),

Fe3+ + [Fe(CN)6]4– + K+ = KFeIIFeIII(CN)6 (темно-синий осадок – «берлинская лазурь»),

Fe2+ + [Fe(CN)6]4– + 2K+ = K2FeII2(CN)6.

В последнем случае должен выпадать белый осадок. Однако в реальности он в той или иной степени окрашен в синий цвет, поскольку соединения железа(II) очень легко окисляются кислородом воздуха.

Взаимодействие с K3[Fe(CN)6]. При добавлении раствора K3[Fe(CN)6] к растворам, содержащим соли марганца(II), железа(II) и железа(III), образуются окрашенные малорастворимые соединения:

Mn2+ + [Fe(CN)6]3– + K+ = KMnIIFeIII(CN)6 (бурый осадок),

Fe2+ + [Fe(CN)6]3– + K+ = KFeIIFeIII(CN)6 (темно-синий осадок – «турнбулева синь»),

Fe3+ + [Fe(CN)6]3– = FeIIIFeIII(CN)6 (коллоидный раствор зеленого цвета).

Химический состав «берлинской лазури» и «турнбулевой сини», несмотря на некоторое непостоянство, практически одинаков. Долгое время считали, что они различаются степенями окисления железа во внешней и внутренней сфере образующихся комплексных соединений. Однако впоследствии было выяснено, что это – одно и то же вещество KFeIIFeIII(CN)6 (рис. 2, см. с. 10), в котором не удается однозначно выделить внешнюю и внутреннюю сферу.

Рис. 2. Строение KFeIIFeIII(CN)6

В этом соединении катионы железа(II) окружены шестью атомами углерода, а катионы железа(III) – шестью атомами азота. Цианидные лиганды являются мостиковыми. В полостях этой структуры находятся катионы калия и молекулы воды. Интенсивная окраска обусловлена переносом заряда от FeII к FeIII. Соединения K2FeII2(CN)6, FeIIIFeIII(CN)6, KMnIIFeIII(CN)6 и другие имеют аналогичное строение.

Некоторые реакции катионов VI группы

Взаимодействие с NH3 в водном растворе. При добавлении раствора аммиака к раствору соли кобальта(II) сначала выпадает ярко-синий осадок основной соли:

Co2+ + NH3 • H2O + Cl = Co(Cl)(OH) + NH4+.

При дальнейшем добавлении раствора аммиака образуется растворимый комплекс желто-коричневого цвета:

Co(Cl)(OH) + 6NH3 • H2O = [Co(NH3)6]2+ + Cl + OH + 6H2O.

Со временем происходит окисление кобальта(II) до кобальта(III). Аммиачный комплекс кобальта(III) имеет желтую окраску:

4[Co(NH3)6]2+ + O2 + 2H2O = 4[Co(NH3)6]3+ + 4OH (медленно).

Аналогично протекает образование аммиачных комплексов меди(II) (рис. 3). Сначала образуется голубой осадок основной соли, а затем – ярко-синее комплексное соединение:

2Cu2+ + 2NH3 • H2O + = Cu2(SO4)(OH)2 + 2NH4+,

Cu2(SO4)(OH)2 + 6NH3 • H2O + 2NH4+ = 2[Cu(NH3)4]2+ + 8H2O + .

Рис. 3. Образование аммиачных комплексов меди(II):
а – голубой осадок основной соли,
б – комплексное соединение ярко-синего цвета

В случае кадмия первоначально выпадает белый осадок гидроксида, который переходит в раствор при действии избытка аммиака:

Cd2+ + 2NH3 • H2O = Cd(OH)2 + 2NH4+,

Cd(OH)2 + 6NH3?H2O = [Cd(NH3)6]2+ + 2OH + 6H2O.

В случае катиона никеля сразу образуется комплекс характерного синего цвета:

Ni2+ + 6NH3 • H2O = [Ni(NH3)6]2+ + 6H2O.

Взаимодействие с K4[Fe(CN)6]. При добавлении раствора K4[Fe(CN)6] к растворам, содержащим соли кобальта(II), никеля(II), меди(II) и кадмия образуются малорастворимые соединения различной окраски (темно-зеленой для кобальта, светло-зеленой для никеля, красной для меди, белой для кадмия):

2M2+ + [Fe(CN)6]4– = M2[Fe(CN)6].

С помощью этой реакции невозможно обнаружить катионы в смеси, однако ее можно использовать для подтверждения присутствия в растворе индивидуальных катионов.

Взаимодействие с KSCN. Катионы кобальта(II) с тиоцианат-ионами дают ярко-синий комплекс:

Co2+ + 4SCN = [Co(SCN)4]2–.

Он является неустойчивым и в водном растворе легко разрушается. Чтобы увидеть окраску образовавшегося комплексного соединения, добавляют немного изоамилового спирта (или другого полярного растворителя, не смешивающегося с водой), который его экстрагирует. Органический слой окрашивается в ярко-синий цвет.

При взаимодействии тиоцианат-ионов c катионами меди(II) образуется черный осадок:

Cu2+ + 2SCN = Cu(SCN)2.

В присутствии избытка тиоцианат-ионов осадок растворяется:

Cu(SCN)2 + 2SCN = [Cu(SCN)4]2–.

Раствор окрашивается в красный цвет.

Взаимодействие с диметилглиоксимом (CH3CNOH)2 (условно H2L). Реакция катионов никеля с диметилглиоксимом является очень чувствительной. В аммиачной среде образуется ярко-красный осадок комплексного соединения:

Ni2+ + 2NH3 + 2H2L = Ni(HL)2 + 2NH4+.

В образующемся соединении атом никеля имеет плоско-квадратное окружение из четырех атомов азота. Комплекс содержит два пятичленных хелатных кольца и стабилизирован еще двумя шестичленными кольцами с участием водородных связей между двумя координированными диметилглиоксимат-ионами:

После ознакомления с реакциями катионов различных групп учащиеся выполняют контрольное задание – определение одного или нескольких катионов в растворе.

Поскольку при изучении свойств катионов уже проводились реакции с некоторыми анионами, специальных уроков для практического проведения характерных реакций на отдельные анионы не предусмотрено. Анионы в большинстве случаев не мешают обнаружению друг друга. Поэтому обычно обнаружение анионов ведут дробным методом, т.е. в отдельных порциях исследуемого раствора. Групповые реагенты применяют не для разделения групп, а для того, чтобы установить их наличие или отсутствие. После повторения характерных свойств анионов можно провести определение одного или нескольких анионов в контрольном растворе.

Завершается химический практикум определением неизвестной соли, т.е. учащиеся должны правильно определить как неизвестный катион, так и неизвестный анион.

Л и т е р а т у р а

1. Основы аналитической химии. Практическое руководство. Под ред. Ю.А.Золотова. М.: Высшая школа, 2003.

2. Крешков А.П. Основы аналитической химии. Теоретические основы. Качественный анализ. М.: Химия, 1970.

3. Алексеев В.Н. Курс качественного химического полумикроанализа. М.: Химия, 1979.

Е.В.САВИНКИНА,
доктор хим. наук,
профессор кафедры неорганической химии
МИТХТ им. М.В.Ломоносова,
учитель химии гимназии № 1543 (Москва)