Химический анализ природной воды

Цель работы: Проведение качественного анализа неизвестного раствора, содержащего ионы, которые могут содержаться в природной воде разной степени загрязненности: Cl^-, CO₃^2-, SO₄^2-, S^2-, NH₄⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺

Необходимое оборудование: пробирки емкостью 8-10 мл, применяющиеся в макроанализе, штатив для пробирок.

Необходимые реактивы: хлороводородная кислота НCl, хлорид бария BaCl₂, нитраты свинца Pb(NO₃)₂ или кадмия Cd(NO₃)₂, нитрат серебра AgNO₃, реактив Несслера (сильно щелочной раствор комплексной соли К₂[НgI₄]), желтая кровяная соль K₄[Fe(CN)₆] или тиоцианат калия КNCS, красная кровяная соль K₃[Fe(CN)₆], оксалат аммония, гидроксид аммония NH₄ОН, хлорид аммония NH₄Cl, оксалат аммония (NH₄)₂C₂О₄, гидроортофосфат натрия Na₂HРО₄.

 

Методика выполнения работы.

Анализ исследуемого раствора проводится сначала в определенной последовательности проведения реакций открытия ионов, соответствующей систематическому анализу. Методом дробного анализа, т.е. в произвольной последовательности проведения реакций, могут быть открыты ионы двух- и трехвалентного железа, кальция, магния и аммония. Перед тем, как приступать к анализу раствора, выданного преподавателем, необходимо провести пробные качественные реакции на все ионы, которые могут содержаться в исследуемом растворе, чтобы пронаблюдать визуально те аналитические сигналы (осадки, газообразные продукты, изменение цвета раствора и пр.), которые соответствуют открываемым ионам. Следует обратить внимание на цвет и структуру образующихся осадков. Например, при открытии иона магния образуется мелкокристаллический, незначительный по массе осадок двойной соли - ортофосфата магния- аммония MgNH₄PO₄, образующейся в процессе кристаллизации двух солей Mg₃(PO₄)₂ и (NH₄)₃PO₄. Если в ходе проведения качественной реакции на магний, образуется достаточно объемный белый осадок, в котором не просматривается кристаллическая структура, это свидетельствует об отсутствии иона магния. Техника выполнения лабораторной работы «Химический анализ природной» воды представлена в методическом описании, которое выдается каждому студенту на время выполнения лабораторной работы. Ниже приводятся примеры химических реакций открытия ионов (краткое ионное уравнение) в той последовательности, которой надо следовать при проведении анализа. Все уравнения реакций следует записать в отчете лабораторной работы в виде молекулярных и ионных уравнений реакций (полных и кратких).

 

Анализ раствора, содержащего ионы Cl^-, CO₃^2-, SO₄^2-, S^2-, NH₄⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺

Студент получает раствор, содержащий любые ионы из перечисленных выше. Каждый ион следует открывать в отдельной пробе раствора, отбирая небольшое количество (0,5-1,0 мл) полученного от преподавателя раствора в тщательно вымытую пробирку. Открытие ионов следует проводить в следующей последовательности.

Действие на исследуемый раствор разбавленной хлороводородной кислоты. Выделение пузырьков газа, не обладающего запахом, может свидетельствовать о наличии карбонат-иона. Выделение сероводорода, имеющего запах тухлых яиц, и возможное помутнение раствора указывает на присутствие сульфид-иона:

CO₃^2- + 2Н⁺ = H₂O +CO₂­

S^2- + 2Н⁺ = H₂S

В отдельной пробе проводим качественную реакцию на ион S^{2 -}, используя нитрат кадмия (выпадение желтого осадка сульфида кадмия) или нитрат свинца (II) (выпадение черного осадка сульфида свинца):

S^2- + Cd²⁺ = CdS↓

S^2- + Pb²⁺ = PbS↓

Подтверждаем или опровергаем присутствие в растворе CO₃^2- действием раствора хлорида бария. Выпадение белого осадка карбоната бария, растворимого в НСl с выделением диоксида углерода свидетельствует о наличии в исследуемом растворе карбонат-иона:

CO₃^2- + Ba²⁺ = BaCO₃↓, растворимый в НCl

Раствор хлорида бария является также реактивом для открытия иона SO₄^2-. Образующийся белый осадок сульфата бария, нерастворим в НCl.

SO₄^2- + Ba²⁺ = BaSO₄↓, нерастворимый в НCl

Открытие хлорид-иона проводим действием на исследуемый раствор нитрата серебра. Следует убедиться, что образующийся белый осадок нерастворим в разбавленной азотной кислоте:

Аg⁺ + Cl^- = AgCl↓, нерастворим в разбавленной HNO₃

Растворение осадка может свидетельствовать о наличии сульфат- или карбонат-иона. Следует также учесть, что при наличии в растворе сульфид-иона, нитрат серебра дает черный осадок сульфида серебра. Для разделения осадков добавляют раствор гидроксида аммония. Осадок хлорида серебра растворяется с образованием комплексной соли [Аg(NH₃]₂)Cl. Затем дают жидкости отстояться от черного осадка сульфида серебра, сливают в другую пробирку и приливают разбавленный раствор азотной кислоты для разрушения комплекса и выпадения белого осадка хлорида серебра по реакции:

[Аg(NH₃)₂]Cl + 2HNO₃ = AgCl↓ + 2NH₄NO₃

Определение в исследуемом растворе иона NH₄⁺ проводится с помощью реактива Несслера. Реактив Несслера представляет собой сильно щелочной раствор комплексной соли К₂[НgI₄]. Испытуемый раствор следует приливать к реактиву Несслера! Иначе образующийся продукт реакции будет растворяться в избытке раствора, содержащего ион аммония. На присутствие иона аммония указывает образование кирпично-красного осадка комплексной соли сложного состава по реакции:

NH₄⁺ + 2[HgI₄]^2- + 4OH^- = [NH₂Hg₂O]I +7I^- + 3H₂O

 

Далее в отдельных порциях в любом порядке (метод дробного анализа) определяют присутствие Fe²⁺, Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺.

Для открытия Fe²⁺используют раствор красной кровяной соли K₃[Fe(CN)₆] - гегсацианоферрат(III) калия. Синяя окраска раствора («берлинская лазурь») указывает на присутствие иона двухвалентного железа:

Fe²⁺ + [Fe(CN)₆]^3- = Fe₃[Fe(CN)₆]₂

Для открытия Fe³⁺ используют раствор желтой кровяной соли K₄[Fe(CN)₆] - гегсацианоферрат(II) калия. Синяя окраска раствора («турнбулева синь») указывает на присутствие иона трехвалентного железа:

Fe³⁺ + [Fe(CN)₆]^4- = Fe₄[Fe(CN)₆]₃

Можно использовать также раствор тиоцианата (роданида) калия КNCS. Кроваво-красная окраска соединения тиоцианата железа(III) подтверждает обнаружение в исследуемом растворе Fe³⁺:

Fe³⁺ + 3СNS^- = Fe(СNS)₃

Открытие ионакальция проводим действием на исследуемый раствор оксалата аммония (NH₄)₂C₂О₄. Выпадает белый осадок оксалата кальция:

Са²⁺ + C₂О₄^2- = СаC₂О₄¯

10.Открытие иона магния проводим с помощью раствора Na₂HРО₄ в присутствии растворов хлорида аммония и гидроксида аммония (разбавленный раствор). Образование белого мелкокристаллического слабо проявляющегося осадка двойной соли ортофосфата магния-аммония MgNH₄PO₄ (так называемая «шелковистая муть») указывает на присутствие иона магния, например по реакции:

MgCl₂ + Na₂HРО₄ + NH₄ОН ® MgNH₄PO₄¯ + Н₂О + 2NаCl

В раствор добавляют хлорид аммония для более полного сдвига равновесия в сторону конечных продуктов.

 

 

Лабораторная работа №2

Анализ металлов и сплавов

Цель работы: Установление химического состава металлического сплава, содержащего от одного до трех компонентов методом качественного анализа.

Необходимое оборудование: пробирки емкостью 8-10мл, применяемые для макроанализа, штатив для пробирок, керамические тигель для прокаливания, штатив с кольцом и треугольная подставка под тигель, которая устанавливается на кольцо, газовая горелка, фарфоровые чашки и щипцы тигельные, фильтровальная бумага.

Необходимые реактивы: растворы кислот HCl, H₂SO₄, HNO₃ – разбавленные (1н. или 2н.) и концентрированные (находятся в вытяжном шкафу), NaОН (разб. и конц.), Na₂HРО₄, NH₄ОН (разб. и конц.), NH₄Cl (разб. и конц.), Na₂SO₄, Na₂S, Cо(NO₃)₂, спиртовой раствор ализарина, металлы (в виде стружки, мелких кусочков или гранул): алюминий, цинк, свинец, олово, магний, кадмий, медь и два сплава меди.

При анализе сплавов важно отношение сплава к действию растворителя, которое определяется свойствами основного компонента сплава. В аналитической химии сплавы подразделяются на 4 группы.

Первая группа – сплавы железа. Значение электродного потенциала Е⁰(Fe²⁺/Fe⁰) = -0, 44В, поэтому сплавы железа растворяются в разбавленной и концентрированной HCl, а также в разбавленных H₂SO₄ и HNO₃. Некоторые сплавы на основе железа, содержащие хром, вольфрам, ванадий, молибден и некоторые другие металлы, требуют кипячения в «царской водке» (1объем HNO₃ + 3объема HCl) или смесях кислот, а иногда даже сплавления с пероксидом натрия Na₂O₂ или щелочами.

Вторая группа - сплавы меди. Значение электродного потенциала Е⁰(Cu²⁺/Cu⁰) = +0,34В, поэтому сплавы на основе меди не взаимодействуют с хлороводородной и разбавленной серной кислотах. Растворяют такие сплавы в разбавленной и концентрированной азотной кислоте.

Третья группа –сплавы алюминия и магния, которые хорошо растворимы в любых кислотах. Амфотерные металлы (Al, Sn, Zn и др.), входящие в состав сплава, а также кремний, растворяют в щелочах:

2Al + 2NaОН + 6Н₂О = 2Na[Al(ОН)₄] + 3Н₂↑

Zn + 2NaОН + 2Н₂О = Na₂[Zn(ОН)₄] + Н₂↑

Другие компоненты сплава остаются в осадке в виде свободных металлов или, частично, в виде гидроксидов (их можно растворить в азотной кислоте и проводить анализ раствора).

Четвертая группа - сплавы свинца и олова, нерастворимые в разбавленных HCl и H₂SO₄, так как в этих кислотах образуются плохо растворимые соединения сульфатов и хлоридов свинца и олова. Для растворения этих сплавов применяют азотную кислоту, например:

Pb + (конц.)4HNO₃ = Pb(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2Н₂О

Sn + (конц.)4HNO₃ = H₂SnO₃↓ + 4NO₂↑ + Н₂О

осадок -β-оловянной кислоты

При анализе сплавов необходимо обращать внимание на интенсивность окраски и количество осадков, выпадающих в реакциях. Все зависит от того, какого компонента в сплаве больше: например, есть сплавы меди, содержащие свинец, а есть сплавы на основе свинца, содержащие медь.

Методика выполнения работы.

Суть работы сводиться к тому, что металл под действием растворителя - растворов NH₄Cl(конц.), NaОН (конц.), HCl (разб. и конц.), HNO₃(разб. и конц.) окисляют, и с помощью характерных реакций открытия ионов доказывают наличие тех или иных катионов. Растворение металлов во всех случаях ведут при слабом нагревании в течение 3-5 минут в 1-2 мл растворителя. С концентрированными кислотами работать только в вытяжном шкафу, соблюдая особую осторожность!

Для открытия катиона магниякусочек металла растворяют в концентрированном растворе хлорида аммония. Взаимодействие магния с раствором NH₄Cl объясняется частичным гидролизом с образованием слабокислой среды и последующим взаимодействием магния с хлороводородной кислотой. Интенсивное выделение выделение водорода дает основание предположить, что это магний (алюминий очень медленно взаимодействует с раствором хлорида аммония). Часть полученного раствора (1-2 мл) разбавляют примерно 1 мл воды, добавляют 1 мл разбавленной НСl и проводят реакцию открытия ионов магния по реакции с помощью раствора Na₂HРО₄ в присутствии разбавленных растворов хлорида аммония и гидроксида аммония. Образованием белого мелкокристаллического осадка двойной соли MgNH₄PO₄ подтверждает наличие катионов магния.

Если магний не обнаружен, к следующему кусочку металла приливают концентрированный раствор NaОН и осторожно нагревают до начала реакции. Обильное выделение водорода возможно в случае алюминия. Цинк менее активно взаимодействует со щелочью, а олово и свинец растворяются чрезвычайно медленно. В случае растворения металла в щелочи проводят качественные реакции на алюминий и цинк.

Для открытия катиона алюминиякусочек металла растворяют в разбавленной НСl, и обнаруживают алюминий, нанося на фильтровальную бумагу каплю полученного раствора и каплю раствора ализарина в парах концентрированного раствора аммиака. Если подсушить бумагу над пламенем горелки, то аммиак улетучивается, и фиолетовая окраска ализарина заменяется бледно-желтой, на фоне которой видно розовато-красное пятно, что свидетельствует о наличие катиона алюминия, т. к. ализарин образует с гидроксидом алюминия труднорастворимое соединение красного цвета.

Для открытия катиона цинка два кусочка металла растворяют в разбавленной азотной кислоте. Смачивают фильтровальную бумагу полученным раствором нитрата цинка, наносят 2-3 капли разбавленного раствора нитрат кобальта (II) и прокаливают бумагу в тигле, используя треугольную подставку под тигель, которая устанавливается на кольцо штатива. (Прокаливание проводить в вытяжном шкафу; тигель придерживать тигельными щипцами!). При наличии катиона цинка пепел окрашивается в зеленый цвет за счет образования цинката кобальта (II) – СoZnO₂, так называемая «Зелень Римана», по реакции:

Zn(NO₃)₂ + Cо(NO₃)₂ = СoZnO₂ + 4NO₂ + O₂

Если магний, алюминий и цинк не обнаружены, растворяют следующие кусочки металла в разбавленной HNO₃ - для обнаружения свинца и меди; и в концентрированной HNO₃ – для обнаружения олова. Для растворения кадмия используют концентрированную НСl.

Для открытия катиона свинца часть полученного после взаимодействия свинца с азотной кислотой раствора Рb(NO₃)₂ отливают в другую пробирку и добавляют сульфат натрия. Выпавший белый осадок PbSO₄ свидетельствует о том, что растворенный металл – свинец.

Для открытия катиона меди используют реакцию взаимодействия полученного после растворения в азотной кислоте голубого раствора Cu(NO₃)₂ с разбавленным раствором гидроксида аммония. Образовавшийся осадок гидроксида меди (II) затем образует темно-синий раствор комплексного аммиаката меди – гидроксида тетраамминомеди (II):

Cu(OН)₂¯ + 4NН₄ОН = [Cu(NH₃)₄](OН)₂ + 4Н₂O

Для открытия катиона олова 1-2 кусочка металла осторожно растворяют в концентрированной азотной кислоте. Растворение проводят в вытяжном шкафу. После протекания реакции в пробирку сразу же налить воды, чтобы предотвратить попадание в атмосферу ядовитого бурого газа – диоксида азота. При наличии олова образуется желтовато-белый осадок b-оловянной кислоты, не растворяющейся после разбавления раствора. Если исследуемый кусочек металла – сплав меди с оловом (бронза), то при растворении в соответствии с пунктами 6 и 7 обнаруживаются катионы меди и олова.

Для открытия катиона кадмия в растворе 1-2 кусочка металла (осторожно, в вытяжном шкафу!) растворяют в концентрированной HCl. Часть полученного раствора отливают в другую пробирку и добавляют по каплям при постоянном встряхивании пробирки разбавленный раствор NaOH до появления легкого помутнения, а затем приливают раствор сульфида натрия. Щелочь добавляется для нейтрализации избытка соляной кислоты. В щелочной среде в присутствии ионов Сd²⁺, в зависимости от количества добавленной щелочи, образуется желтый или желто-оранжевый осадок сульфида кадмия СdS.

После выполнения работы необходимо составить отчет. Для каждого металла написать реакцию с растворителем, под действием которого металл окисляется и переводится в раствор в виде катиона металла. Затем привести реакцию, доказывающую наличие катиона металла в данном растворе и указать идет она или не идет.

Методика проведения анализа неизвестного сплава изложена в методическом описании «Анализ металлов», которое выдается студенту на время проведения лабораторной работы. Перед написанием отчета по лабораторной работе студенту следует повторить темы: «Окислительно-восстановительные реакции» и «Взаимодействие металлов с водой, кислотами и водными растворами щелочей и солей». В окислительно-восстановительных реакциях необходимо расставить коэффициенты в соответствии с предварительно составленными уравнениями электронного или ионно-электронного баланса (по требованию преподавателя).

 

 

КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ

 

Задачей количественного анализа является определение концентраций или количества химических веществ, входящих в состав анализируемых объектов. Химические методы количественного анализа, также как и качественного, основаны на проведении химических реакций между изучаемым образцом и реактивом. По количеству затраченных реактивов или по количеству полученных продуктов реакции рассчитывают состав анализируемого образца. Обычно в химических методах аналитический сигнал, возникающий в результате реакции, наблюдают визуально. Различают гравиметрический и титриметрический методы количественного анализа. В гравиметрическом методе определяемую составную часть анализируемого вещества изолируют либо в чистом виде, либо в виде соединения определенного состава, которое затем взвешивают. Гравиметрия является простым и точным, но очень трудоемким и продолжительным методом анализа. Более широко используется метод объемного (титриметрического) анализа. В титриметрическом анализе количественное определение химических веществ осуществляется путем точного измерения объемов растворов двух веществ, вступающих между собой в определенную химическую реакцию. В курсе химии студенты знакомятся с методикой наиболее часто применяемого титриметрического анализа.