Виявлення йонів у розчинах

Учитель хімії Ракова Оксана Леонідівна

Якісні реакції

У 9 класі ви вже ознайомилися з елементами аналітичної хімії, а саме з якісними реакціями на деякі йони. У 10 класі ви навчилися застосовувати якісні реакції для визначення органічних речовин (багатоатомних спиртів, альдегідів тощо). У цьому параграфі ми продовжимо вивчати якісні реакції для виявлення певних йонів у розчинах.

Пригадаймо, що якісними є лише такі реакції, які відбуваються швидко і під час яких добре помітні певні зміни.

Зазвичай такі реакції відбуваються з певною зміною забарвлення розчину, утворенням осаду певного кольору або з виділенням газу, який також може мати (чи не мати) забарвлення або запах.

Виявлення катіонів у розчині

Коли йдеться про катіони, то насамперед мають на увазі йони металічних елементів. Такі катіони виявляють переважно реакціями, які супроводжуються утворенням осаду, хоча існують і інші специфічні реакції. Зокрема, йони Н⁺ та OH^- виявляють індикаторами, а деякі катіони — за зміною забарвлення полум'я.

1. Виявлення катіонів Феруму(ІІ) Fe²⁺. Розчини солей Феруму(ІІ) зазвичай мають слабке блідо-зелене (салатове) забарвлення. Під час додавання до такого розчину лугу утворюється нерозчинний гідроксид такого самого кольору, який із часом стає більш рудим унаслідок окиснення киснем повітря:

Більш чутливою реакцією (тобто яка виявляє певні йони в меншій концентрації) на йони Fe²⁺ є реакція з червоною кров'яною сіллю. Як відбувається ця реакція подано в демонстраційному досліді.

2. Виявлення катіонів Феруму(ІІІ) Fe³⁺. Розчини солей Феруму(ІІІ) зазвичай мають інтенсивне жовте або навіть коричневе забарвлення. Під час додавання до такого розчину лугу утворюється нерозчинний гідроксид жовтого (або рудого, іржавого чи бурого) кольору:

Більш чутливою реакцією на йони Fe³⁺ є реакція із жовтою кров'яною сіллю чи калій тіоціанатом. Як відбувається ця реакція подано в демонстраційному досліді.

Демонстраційний дослід: виявлення у розчині йонів Fe²⁺ та Fe³⁺

У першу пробірку наливаємо розчини ферум(ІІ) сульфату, а в другу — ферум(ІІІ) хлориду. До обох пробірок додаємо по декілька крапель розчину червоної кров'яної солі (калій гексаціаноферату(ІІІ) K₃Fe(CN)₆). У першій пробірці утворюється темно-синій осад турнбулевої сині, що свідчить про наявність йонів Феруму(ІІ) в розчині. У другій пробірці жодних змін не відбувається (мал. а).

Повторюємо дослід, але до обох пробірок додаємо по декілька крапель розчину жовтої кров'яної солі (калій гексаціаноферату(ІІ) K₄Fe(CN)₆). У першій пробірці жодних змін не відбувається, а в другій утворюється синій осад берлінської лазурі, що свідчить про наявність йонів Феруму(ІІІ) (мал. б). Повторюємо дослід, але до обох пробірок додаємо по декілька крапель розчину калій тіоціанату KSCN. У першій пробірці жодних змін не відбувається, а в другій забарвлення змінюється на криваво-червоне внаслідок утворення ферум(ІІІ) тіоціанату Fe(SCN)₃ (мал. в).

3. Виявлення катіонів Барію Ва²⁺. Барій утворює нерозчинний сульфат, на цьому ґрунтується спосіб виявлення його в розчинах. До розчину, що випробують на вміст йонів Барію, додають розчин будь-якого розчинного сульфату (зазвичай натрій сульфату) або розбавлену сульфатну кислоту. За умови наявності йонів Ва²⁺утворюється білий кристалічний осад барій сульфату:

BaCl₂ + Na₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2NaCl

Демонстраційний дослід: виявлення йонів Барію Ва²⁺

У дві пробірки наливаємо розчин барій хлориду (або нітрату). У першу пробірку додаємо декілька крапель натрій сульфату, а в другу — розбавленої сульфатної кислоти. В обох пробірках утворюється білий кристалічний осад барій сульфату, що свідчить про наявність йонів Барію в розчині.

4. Виявлення катіонів амонію NH₄⁺

Виявлення катіонів амонію ґрунтується на леткості амоніаку. Хоча амоніак дуже добре розчиняється у воді, але (хоча й у невеликій кількості) він завжди виділяється з розчину в повітря без утворення бульбашок газу. Для проведення якісної реакції до розчину солі амонію додамо розчин лугу:

NH₄Cl + KOH = NH₃↑ + KCl + H₂O

Амоніак — безбарвний газ, але він має специфічний запах. Утім, якщо концентрація йонів амонію в розчині була невелика, то запаху амоніаку можна не відчути. Тому для доведення його наявності використовують властивість розчину амоніаку змінювати забарвлення індикаторів.

Після додавання лугу в пробірку обережно (не торкаючись стінок пробірки та розчину на дні) поміщають зволожений індикаторний папір. Зміна кольору індикатора на такий, що відповідає лужному середовищу, свідчить про наявність амоніаку в повітрі всередині пробірки.

Демонстраційний дослід: виявлення йонів амонію

У пробірку наливаємо розчин амоній хлориду 2-3 мл. До розчину доливаємо розчин лугу об'ємом 1-2 мл. У середину пробірки обережно, не торкаючись стінок і рідини, вносимо зволожений папірець універсального індикатора. Посиніння індикаторного папірця свідчить про наявність йонів амонію в розчині.

Виявлення аніонів

У більшості випадків аніони, які виявляють у розчинах, — це аніони кислотних залишків. Найчастіше їх виявляють за утворенням нерозчинних солей певного кольору. Деякі з них ви вивчали в 9 класі.

1. Виявлення силікат-іонів. Майже всі солі силікатної кислоти нерозчинні у воді. Але, на відміну від інших кислот, силікатна кислота має ще одну особливість: сама вона нерозчинна. Цю її властивість використовують для виявлення силікат-іонів. Для проведення якісної реакції до досліджуваного розчину додають розчин будь-якої сильної кислоти:

Na₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃↓ + 2NaCl

Залежно від концентрації солі в розчині силікатна кислота утворює білий аморфний пластівчастий осад або безбарвний гель, що не витікає з пробірки.

2. Виявлення ортофосфат-іонів. Багато солей ортофосфатної кислоти нерозчинні у воді. Але одна з них — аргентум(І) ортофосфат — має характерний яскраво-жовтий колір. Тому для виявлення ортофосфат-іонів використовують аргентум(І) нітрат:

K₃PO₄ + 3AgNO₃ = Ag₃PO₄↓ + 3KNO₃

Як ви вже вивчали в 9 класі, аргентум(І) нітрат використовують для виявлення інших аніонів, але осад аргентум(І) ортофосфату від інших осадів відрізняється кольором.

Контрольні запитання

1. Як ви розумієте поняття «якісні реакції»?

2. Які хімічні реакції можна використовувати як якісні?

Завдання для засвоєння матеріалу

3. Чи є однозначним доказом наявності амоніаку посиніння індикаторного папірця? Чому не можна торкатися папірцем стінок пробірки? Чому папірець має бути зволожений?

4. Чому можливо виявляти силікат-іони реакцією з кислотами? Чи можна в такий спосіб виявляти аніони інших кислотних залишків?

5. Запропонуйте реактив, що дозволить розрізнити пробірки з речовинами в кожній із наведених пар: а) FeCl₂ і FeSO₄; б) FeCl₂ і FeCl₃. Складіть відповідні молекулярні та йонно-молекулярні рівняння реакцій.

6. Напишіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна розрізнити натрій сульфат та алюміній сульфат.

Завдання з розвитку критичного мислення

7. Ґрунтуючись на амфотерності алюміній гідроксиду, запропонуйте якісну реакцію для визначення алюміній(ІІІ) хлориду. Чи можна відрізнити алюміній та цинк?

8. Пригадайте якісну реакцію на певну органічну речовину, яку ви вивчали в 10 класі, за участі ферум(ІІІ) хлориду. Чи можна її використовувати для виявлення йонів Fe³⁺?

9. Наявні чотири зразки твердих речовин: натрій карбонат, кальцій карбонат, натрій сульфат і кальцій сульфат. Чи можна розпізнати ці речовини, використовуючи лише воду та нітратну кислоту? Відповідь обґрунтуйте.

10. Як ви вважаєте, чи можна виявляти йони певних металічних елементів, поміщаючи зразки в полум'я? Якщо так, наведіть приклади.

Розгадай ребуси