Разделение смеси ионов
Принципы разделения
Чтобы разделить смесь ионов, к раствору последовательно добавляют реагенты и отделяют образующиеся осадки. На каждой стадии часть ионов переходит в осадок, а остальные остаются в растворе. Осадок и раствор называют фракциями. Если вещество выделяется в виде газа, его также учитывают как отдельную фракцию.
При составлении схемы разделения нужно проверить несколько условий:
- На каждой стадии должно быть ясно, в какой фракции находится каждый ион. Один и тот же компонент нельзя одновременно считать полностью осаждённым и оставшимся в растворе.
- Осаждение должно быть полным: в растворе остаётся менее 0,1 % исходного количества осаждаемого иона.
- Реагенты предыдущих стадий не должны мешать последующим. Например, избыток аммиака удаляют кипячением, а избыток сероводорода — нагреванием с кислотой.
- Если ионы трудно разделить осаждением, используют комплексообразование — образование растворимого комплексного иона — или изменяют степень окисления одного из компонентов.
edit_noteРазделение ионов серебра, меди и железа
- При добавлении HCl серебро осаждается в виде AgCl. Ионы \(\ce{Cu^2+}\) и \(\ce{Fe^3+}\) остаются в растворе. Осадок отделяют.
- К оставшемуся раствору добавляют избыток \(\ce{NH3}\). Железо осаждается в виде \(\ce{Fe(OH)3}\), а медь остаётся в растворе в составе синего комплекса \(\ce{[Cu(NH3)4]^2+}\). Осадок снова отделяют.
- Раствор подкисляют, затем пропускают \(\ce{H2S}\). Медь осаждается в виде чёрного CuS.
boltТаблица распределения ионов
Для проверки схемы составьте таблицу: в строках укажите ионы, в столбцах — стадии разделения. В каждой ячейке запишите, в какой форме находится ион: в осадке, растворе, комплексе или газе. Пустые ячейки и неоднозначное распределение показывают, что судьба какого-либо компонента не прослежена.
Амфотерность и аммиакаты
Избыток щёлочи и раствор аммиака по-разному распределяют катионы между осадком и раствором. Амфотерные гидроксиды могут растворяться в избытке щёлочи с образованием растворимых гидроксокомплексов. Некоторые катионы в растворе аммиака образуют аммиакаты — комплексы с молекулами аммиака.
| Реагент (избыток) | В осадке | В растворе |
|---|---|---|
| NaOH (+ \(\ce{H2O2}\)) | Осаждаются \(\ce{Fe(OH)3}\), \(\ce{MnO(OH)2}\), \(\ce{Ni(OH)2}\), \(\ce{Co(OH)3}\), \(\ce{Cu(OH)2}\), \(\ce{Mg(OH)2}\). | Остаются \(\ce{[Al(OH)4]-}\), \(\ce{[Zn(OH)4]^2-}\), \(\ce{CrO4^2-}\), \(\ce{[Pb(OH)4]^2-}\), \(\ce{[Sn(OH)6]^2-}\). |
| \(\ce{NH3}\) (с \(\ce{NH4Cl}\)) | Осаждаются \(\ce{Fe(OH)3}\), \(\ce{Al(OH)3}\), \(\ce{Cr(OH)3}\), \(\ce{MnO(OH)2}\) (на воздухе), \(\ce{Bi(OH)3}\). | Остаются \(\ce{[Cu(NH3)4]^2+}\), \(\ce{[Ni(NH3)6]^2+}\), \(\ce{[Co(NH3)6]^2+}\), \(\ce{[Zn(NH3)4]^2+}\), \(\ce{[Cd(NH3)4]^2+}\). |
При обработке щёлочью пероксид водорода окисляет хром до хромата, который остаётся в растворе. Марганец и кобальт при этом переходят соответственно в осадки \(\ce{MnO(OH)2}\) и \(\ce{Co(OH)3}\). В аммиачной среде хлорид аммония снижает pH и удерживает магний в растворе. При этом гидроксиды алюминия и хрома остаются в осадке: в аммиачном буфере концентрация гидроксид-ионов слишком мала, чтобы растворить амфотерные гидроксиды.
scienceРазделение щёлочью с пероксидом
- \(\ce{2Cr^3+ + 3H2O2 + 10OH- -> 2CrO4^2- + 8H2O}\) — при окислении хром переходит в раствор в виде хромата.
- \(\ce{Mn^2+ + H2O2 + 2OH- -> MnO(OH)2 v + H2O}\) — при окислении марганца образуется осадок.
- \(\ce{Zn^2+ + 4OH- -> [Zn(OH)4]^2-}\) — в избытке щёлочи цинк образует растворимый гидроксокомплекс.
Смена степени окисления
Если ионы ведут себя сходным образом, один из них иногда переводят в другую степень окисления. После этого компоненты можно разделить по различию в растворимости осадков или способности образовывать комплексы.
- Ионы \(\ce{Fe^2+}\) и \(\ce{Mn^2+}\) разделяют, окислив железо до \(\ce{Fe^3+}\) перекисью или азотной кислотой. Железо затем осаждают уже при pH 3, тогда как марганец остаётся в растворе.
- В смеси \(\ce{Cr^3+}\) и \(\ce{Al^3+}\) хром окисляют до хромата. При добавлении аммиака хромат остаётся в растворе, а \(\ce{Al(OH)3}\) выпадает в осадок.
- При разделении \(\ce{Co^2+}\) и \(\ce{Ni^2+}\) кобальт можно окислить до Co(III) в аммиачной среде и получить инертный комплекс \(\ce{[Co(NH3)6]^3+}\). Другой способ состоит в осаждении кобальта в виде \(\ce{K3[Co(NO2)6]}\).
- При разделении \(\ce{As}\), \(\ce{Sb}\) и \(\ce{Sn}\) в сульфидной группе используют полисульфид. Окисление переводит их в растворимые тиосоли.
scienceРазделения через ОВР
- \(\ce{2Fe^2+ + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^3+ + 2H2O}\), затем \(\ce{Fe^3+ + 3NH3 + 3H2O -> Fe(OH)3 v + 3NH4+}\) — сначала железо окисляется, после чего осаждается его гидроксид.
- \(\ce{CoCl2 + 7KNO2 + 2CH3COOH -> K3[Co(NO2)6] v + NO ^ + 2KCl + 2CH3COOK + H2O}\) — кобальт переходит в осадок, а никель остаётся в растворе.
- \(\ce{SnS + (NH4)2S2 -> (NH4)2SnS3}\) — олово(II) окисляется и переходит в раствор в виде тиостанната.
push_pinГлавное
Разделение смеси строят как последовательность стадий: после добавления реагента выясняют, какие ионы переходят в осадок или газ, а какие остаются в растворе, и отделяют образовавшиеся фракции. При выборе следующего реагента учитывают вещества, оставшиеся от предыдущей стадии. HCl применяют для осаждения хлоридов \(\ce{Ag+}\), \(\ce{Pb^2+}\) и \(\ce{Hg2^2+}\), а \(\ce{H2SO4}\) — сульфатов \(\ce{Ba^2+}\), \(\ce{Sr^2+}\) и \(\ce{Pb^2+}\). Избыток NaOH (+ \(\ce{H2O2}\)) позволяет отделить Al, Zn, Pb, Sn и Cr, переходящий в хромат, от катионов, остающихся в осадке. С помощью избытка \(\ce{NH3}\) разделяют катионы, образующие аммиакаты (Cu, Ni, Co, Zn, Cd, Ag), и катионы, осаждающиеся в виде гидроксидов (Fe, Al, Cr, Mn, Bi). Для осаждения сульфидов используют \(\ce{H2S}\) при заданном pH. Изменение степени окисления, например \(\ce{Fe^2+ -> Fe^3+}\), \(\ce{Cr^3+ -> CrO4^2-}\) или \(\ce{Mn^2+ -> MnO2}\), помогает разделить сходные ионы. Таблица с указанием иона, стадии и его формы позволяет проверить всю схему.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.