Качественный анализ и распознавание веществ
О модуле
Разрабатывать последовательность опытов, которая надёжно различает возможные составы и учитывает мешающие реакции.
Уроки 227–234: 8 уроков, 72 задания, около 11 ч работы.
Конспект модуля
menu_bookЛогика качественного анализа · урок 227expand_more
От наблюдения к выводу
Качественный анализ отвечает на вопрос «что есть в пробе?». Надёжный вывод складывается из шагов:
- Предварительные наблюдения: цвет раствора (голубой — Cu(II), жёлтый — хромат, Fe(III)), запах, pH, окраска пламени, растворимость в воде и кислотах. Они подсказывают, но ничего не доказывают.
- Групповые реагенты отделяют группы ионов (урок 206): HCl, \(\ce{H2SO4}\), NaOH, \(\ce{NH3}\), \(\ce{H2S}\).
- Избирательная реакция даёт эффект с немногими ионами, специфическая — только с одним в данных условиях (крахмал на иод, щёлочь при нагревании на \(\ce{NH4+}\)).
- Подтверждение — второй, независимой реакцией.
Холостой опыт — те же реагенты без пробы: не содержат ли они сами искомого иона? Контрольный опыт — реакция с заведомо содержащим ион раствором: работают ли реактивы и правильны ли условия?
history_eduКапельный анализ
В 1920-х годах Николай Тананаев в Киеве и Фриц Файгль в Вене разработали капельный анализ: реакции на фильтровальной бумаге или фарфоровой пластинке с одной каплей пробы. Тананаев предложил дробный метод — искать каждый ион в отдельной порции, маскируя мешающие, без полного разделения по группам.
boltТри вопроса к любой реакции
Что мешает? (другие ионы с похожим эффектом) Что маскирует? (лиганды, связывающие искомый ион) При каких условиях? (pH, температура, концентрация). Реакция без указания условий — не доказательство.
Чувствительность реакций
Чувствительность характеризуют:
- открываемый минимум \(m\) — наименьшая масса иона (мкг), обнаруживаемая в данных условиях;
- предельное разбавление 1 : G — 1 г иона в G мл раствора, при котором реакция ещё удаётся;
- предельная концентрация \(c_{\min} = 1/G\) г/мл.
Связь: \(m = \dfrac{V}{G}\cdot10^6\) мкг, где V — объём капли (мл).
| Реакция | Открываемый минимум |
|---|---|
| \(\ce{Fe^3+}\) + \(\ce{SCN-}\) | ≈ 0,25 мкг |
| \(\ce{Ni^2+}\) + диметилглиоксим | ≈ 0,16 мкг |
| \(\ce{I2}\) + крахмал | ≈ 0,02 мкг |
| \(\ce{NH4+}\) + реактив Несслера | ≈ 0,05 мкг |
boltЧувствительность ≠ надёжность
Очень чувствительная реакция ловит и следы примесей: реактив Несслера «находит» аммиак в воздухе лаборатории. Поэтому к чувствительным реакциям обязательно ставят холостой опыт.
Дробный и систематический анализ
Систематический анализ последовательно делит смесь на группы (хлоридная, сульфатная, амфотерная, аммиачная…) и внутри групп — на отдельные ионы. Надёжно, но долго.
Дробный анализ ищет каждый ион в отдельной порции пробы, устраняя мешающие маскированием или подбором условий: железо(III) маскируют фторидом при поиске кобальта тиоцианатом; медь — тиосульфатом; при открытии кальция оксалатом удаляют барий хроматом. Быстро, но требует знания всех помех.
Проверка отсутствия. Вывод «иона нет» требует уверенности, что реакция в этих условиях сработала бы: здесь особенно важен контрольный опыт — например, с добавкой искомого иона к пробе («метод добавки»). Если с добавкой эффект есть, а без неё нет — иона действительно меньше открываемого минимума.
scienceМаскирование в дробном анализе
- \(\ce{Fe^3+ + 6F- -> [FeF6]^3-}\) — железо не мешает открытию кобальта.
- \(\ce{2Cu^2+ + 6S2O3^2- -> 2[Cu(S2O3)2]^3- + S4O6^2-}\) — медь не мешает открытию кадмия.
- \(\ce{Co^2+ + 4SCN- -> [Co(SCN)4]^2-}\) — синий в ацетоне.
push_pinГлавное
Анализ идёт от предварительных наблюдений (цвет, запах, pH, окраска пламени, растворимость) к групповым реагентам, затем к избирательным и специфическим реакциям и подтверждающему опыту другой реакцией. Холостой опыт (реагенты без пробы) выявляет примеси реагентов; контрольный (заведомо содержащая ион проба) — проверяет, что реакция «работает». Чувствительность: открываемый минимум \(m = V/G\cdot10^6\) мкг, предельное разбавление 1 : G. Дробный метод (Тананаев) — обнаружение в отдельных порциях с маскированием; систематический — последовательное разделение по группам.
menu_bookКачественный анализ катионов · урок 228expand_more
Катионы s-элементов и аммоний
Ионы щелочных металлов почти не дают осадков, поэтому их узнают по пламени и по немногим малорастворимым солям.
| Ион | Реакция | Эффект | Условия и помехи |
|---|---|---|---|
| \(\ce{NH4+}\) | NaOH, нагрев | запах \(\ce{NH3}\), посинение влажной лакмусовой бумажки | специфично |
| \(\ce{NH4+}\) | реактив Несслера | бурый осадок | очень чувствительно |
| \(\ce{Na+}\) | пламя | жёлтое | следы натрия всюду — холостой опыт |
| \(\ce{Na+}\) | \(\ce{K[Sb(OH)6]}\) | белый кристаллический осадок | нейтральная среда |
| \(\ce{K+}\) | пламя через синее стекло | фиолетовое | натрий маскирует без стекла |
| \(\ce{K+}\) | \(\ce{Na3[Co(NO2)6]}\) | жёлтый осадок | мешает \(\ce{NH4+}\) |
| \(\ce{Mg^2+}\) | \(\ce{Na2HPO4}\) + \(\ce{NH3}\) + \(\ce{NH4Cl}\) | белый кристаллический \(\ce{MgNH4PO4*6H2O}\) | аммонийный буфер |
| \(\ce{Ca^2+}\) | \(\ce{(NH4)2C2O4}\) | белый осадок, растворимый в HCl | мешает \(\ce{Ba^2+}\), \(\ce{Sr^2+}\) |
| \(\ce{Ba^2+}\) | \(\ce{K2CrO4}\), ацетатный буфер | жёлтый \(\ce{BaCrO4}\) | \(\ce{Sr^2+}\), \(\ce{Ca^2+}\) не мешают |
scienceКатионы s-элементов
- \(\ce{NH4Cl + NaOH ->[t] NaCl + NH3 ^ + H2O}\).
- \(\ce{MgCl2 + Na2HPO4 + NH3 + 6H2O -> MgNH4PO4*6H2O v + 2NaCl}\).
- \(\ce{2MgNH4PO4*6H2O ->[t] Mg2P2O7 + 2NH3 ^ + 13H2O}\) — гравиметрическая форма.
boltАммоний мешает калию
\(\ce{NH4+}\) и \(\ce{K+}\) близки по размеру и дают одинаковые осадки (с кобальтинитритом, перхлоратом, тетрафенилборатом). Перед открытием калия аммоний удаляют прокаливанием сухого остатка.
Катионы d- и p-металлов
| Ион | Реагент | Эффект |
|---|---|---|
| \(\ce{Al^3+}\) | NaOH по каплям, затем избыток | белый осадок растворяется; с \(\ce{NH4Cl}\) снова выпадает |
| \(\ce{Zn^2+}\) | \(\ce{NH3}\) избыток | осадок растворяется; \(\ce{K4[Fe(CN)6]}\) — белый осадок |
| \(\ce{Cr^3+}\) | NaOH изб. + \(\ce{H2O2}\), нагрев | зелёный раствор желтеет (хромат) |
| \(\ce{Mn^2+}\) | \(\ce{NaBiO3}\), \(\ce{HNO3}\) | малиновый \(\ce{MnO4-}\) |
| \(\ce{Fe^2+}\) | \(\ce{K3[Fe(CN)6]}\) | синий осадок |
| \(\ce{Fe^3+}\) | KSCN | кроваво-красный раствор |
| \(\ce{Co^2+}\) | KSCN, ацетон | синий слой |
| \(\ce{Ni^2+}\) | диметилглиоксим, \(\ce{NH3}\) | алый осадок |
| \(\ce{Cu^2+}\) | \(\ce{NH3}\) изб. | тёмно-синий раствор; \(\ce{K4[Fe(CN)6]}\) — красно-бурый осадок |
| \(\ce{Ag+}\) | HCl | белый осадок, растворимый в \(\ce{NH3}\) |
| \(\ce{Pb^2+}\) | KI | жёлтый \(\ce{PbI2}\) («золотой дождь» при перекристаллизации) |
| \(\ce{Hg^2+}\) | KI | красный \(\ce{HgI2}\), растворимый в избытке KI |
| \(\ce{Sn^2+}\) | \(\ce{HgCl2}\) | белый \(\ce{Hg2Cl2}\), затем серый (Hg) |
scienceРеакции d- и p-катионов
- \(\ce{2CuSO4 + K4[Fe(CN)6] -> Cu2[Fe(CN)6] v + 2K2SO4}\).
- \(\ce{SnCl2 + 2HgCl2 -> SnCl4 + Hg2Cl2 v}\); \(\ce{SnCl2 + Hg2Cl2 -> SnCl4 + 2Hg v}\).
- \(\ce{Na[Al(OH)4] + NH4Cl -> Al(OH)3 v + NaCl + NH3 ^ + H2O}\) — подтверждение алюминия.
Окраска пламени и перлы
Окраска пламени — быстрый предварительный тест для s-элементов и некоторых других: Li — малиновое, Na — жёлтое, K — фиолетовое, Ca — кирпично-красное, Sr — карминово-красное, Ba — жёлто-зелёное, Cu — зелёное (с хлоридом — голубое), B (борная кислота с этанолом) — зелёное.
Перлы буры: на ушке платиновой проволоки плавят буру (урок 158); стекловидный «перл» растворяет оксиды металлов и окрашивается: кобальт — синий, хром — зелёный, марганец — фиолетовый (в окислительном пламени), медь — голубой (окислительное) или красно-бурый (восстановительное), железо — жёлто-бурый.
boltПламя — не доказательство
Окраска пламени — предварительный признак: натрий маскирует всё; кальций и стронций похожи; соли меди окрашивают пламя по-разному. Подтверждайте осадочной реакцией.
scienceПерлы
- \(\ce{Na2B4O7 ->[t] 2NaBO2 + B2O3}\).
- \(\ce{CoO + B2O3 ->[t] Co(BO2)2}\) — синий перл.
push_pinГлавное
\(\ce{NH4+}\): щёлочь + нагрев → \(\ce{NH3}\); Несслер. \(\ce{Na+}\): жёлтое пламя, \(\ce{Na[Sb(OH)6]}\). \(\ce{K+}\): фиолетовое пламя через кобальтовое стекло, \(\ce{K2Na[Co(NO2)6]}\). \(\ce{Mg^2+}\): \(\ce{MgNH4PO4*6H2O}\) (в аммиачном буфере). \(\ce{Ca^2+}\): оксалат, кирпичное пламя. \(\ce{Ba^2+}\): \(\ce{BaCrO4}\) (уксуснокислая среда), \(\ce{BaSO4}\). \(\ce{Al^3+}\): гидроксид растворим в щёлочи, не в аммиаке; ализарин. \(\ce{Zn^2+}\): растворим в обоих; белый ZnS. \(\ce{Fe^2+}\): \(\ce{K3[Fe(CN)6]}\); \(\ce{Fe^3+}\): \(\ce{SCN-}\), \(\ce{K4[Fe(CN)6]}\). \(\ce{Cu^2+}\): \(\ce{[Cu(NH3)4]^2+}\), \(\ce{Cu2[Fe(CN)6]}\). \(\ce{Ag+}\): AgCl. \(\ce{Pb^2+}\): \(\ce{PbI2}\), \(\ce{PbCrO4}\). \(\ce{Mn^2+}\): висмутат → \(\ce{MnO4-}\). \(\ce{Cr^3+}\): \(\ce{H2O2}\)/NaOH → хромат. \(\ce{Ni^2+}\): диметилглиоксим. \(\ce{Co^2+}\): \(\ce{[Co(SCN)4]^2-}\). \(\ce{Sn^2+}\): \(\ce{HgCl2}\) → белый, затем серый осадок.
menu_bookКачественный анализ анионов · урок 229expand_more
Групповые реакции анионов
Анионы классифицируют по отношению к двум реагентам:
| Группа | Реагент | Анионы | Поведение осадка |
|---|---|---|---|
| I | \(\ce{BaCl2}\) (нейтр.) | \(\ce{SO4^2-}\), \(\ce{SO3^2-}\), \(\ce{CO3^2-}\), \(\ce{PO4^3-}\), \(\ce{SiO3^2-}\) | только \(\ce{BaSO4}\) не растворяется в HCl |
| II | \(\ce{AgNO3}\) (\(\ce{HNO3}\)) | \(\ce{Cl-}\), \(\ce{Br-}\), \(\ce{I-}\), \(\ce{S^2-}\) | белый, светло-жёлтый, жёлтый, чёрный |
| III | — | \(\ce{NO3-}\), \(\ce{NO2-}\), \(\ce{CH3COO-}\) | осадков не дают |
Карбонат и сульфит с кислотой выделяют газы. \(\ce{CO2}\) мутит известковую воду, но и \(\ce{SO2}\) мутит её! Отличие: \(\ce{SO2}\) обесцвечивает перманганат и иодную воду, имеет резкий запах. Чтобы открыть карбонат при сульфите, газ сначала пропускают через подкисленный раствор \(\ce{KMnO4}\) или \(\ce{K2Cr2O7}\), поглощающий \(\ce{SO2}\).
scienceГазы из анионов
- \(\ce{Na2CO3 + 2HCl -> 2NaCl + CO2 ^ + H2O}\); \(\ce{CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3 v + H2O}\).
- \(\ce{Na2SO3 + 2HCl -> 2NaCl + SO2 ^ + H2O}\); \(\ce{5SO2 + 2KMnO4 + 2H2O -> K2SO4 + 2MnSO4 + 2H2SO4}\).
- \(\ce{Na2S + 2HCl -> 2NaCl + H2S ^}\); \(\ce{H2S + Pb(CH3COO)2 -> PbS v + 2CH3COOH}\).
- \(\ce{Na2S2O3 + 2HCl -> 2NaCl + S v + SO2 ^ + H2O}\) — тиосульфат: газ и муть серы.
Галогениды, фосфат, силикат
Галогениды с нитратом серебра дают AgCl (белый), AgBr (светло-жёлтый), AgI (жёлтый); различают их по растворимости в аммиаке (урок 202). Бромид и иодид открывают хлорной водой с органическим растворителем (гексан, \(\ce{CCl4}\)): сначала выделяется иод — слой фиолетовый; избыток хлора окисляет иод до бесцветного иодата — и появляется оранжевый бром.
Фосфат: молибдат аммония в азотной кислоте при нагревании — жёлтый осадок \(\ce{(NH4)3[PMo12O40]}\) (урок 185); \(\ce{Ag3PO4}\) — жёлтый, растворимый в азотной кислоте (в отличие от AgI). Мешают арсенат и силикат.
Силикат: кислота даёт студенистый осадок кремниевой кислоты; с хлоридом аммония — тоже.
scienceГалогениды и фосфат
- \(\ce{2KI + Cl2 -> 2KCl + I2}\); \(\ce{I2 + 5Cl2 + 6H2O -> 2HIO3 + 10HCl}\); \(\ce{2KBr + Cl2 -> 2KCl + Br2}\).
- \(\ce{Na3PO4 + 3AgNO3 -> Ag3PO4 v + 3NaNO3}\).
- \(\ce{Na2SiO3 + 2HCl -> H2SiO3 v + 2NaCl}\).
Нитрит, нитрат, ацетат
Нитрит — окислитель и восстановитель: в кислой среде выделяет иод из KI (крахмал синеет) и обесцвечивает перманганат. Самая чувствительная реакция — реактив Грисса (сульфаниловая кислота + α-нафтиламин): розово-красный азокраситель.
Нитрат открывают реакцией бурого кольца: к раствору с \(\ce{FeSO4}\) осторожно по стенке приливают концентрированную серную кислоту — на границе слоёв бурое кольцо \(\ce{[Fe(H2O)5NO]^2+}\). Нитрит мешает (даёт то же кольцо даже с разбавленной кислотой) — его сначала разрушают мочевиной или сульфаминовой кислотой. Другой способ — сплав Деварда (Cu–Al–Zn) в щёлочи восстанавливает нитрат до аммиака.
Ацетат: с серной кислотой — запах уксуса; с \(\ce{FeCl3}\) — красно-бурый раствор, при кипячении — осадок основного ацетата.
scienceАзотсодержащие анионы
- \(\ce{2NaNO2 + 2KI + 2H2SO4 -> 2NO ^ + I2 + K2SO4 + Na2SO4 + 2H2O}\).
- \(\ce{6FeSO4 + 2HNO3 + 3H2SO4 -> 3Fe2(SO4)3 + 2NO + 4H2O}\); затем \(\ce{FeSO4 + NO -> [Fe(NO)]SO4}\) — бурое кольцо.
- \(\ce{3NaNO3 + 8Al + 5NaOH + 18H2O -> 8Na[Al(OH)4] + 3NH3 ^}\) — сплав Деварда (алюминий).
- \(\ce{NaNO2 + NH4Cl ->[t] NaCl + N2 ^ + 2H2O}\); \(\ce{2HNO2 + (NH2)2CO -> 2N2 ^ + CO2 ^ + 3H2O}\) — удаление нитрита.
push_pinГлавное
Группы анионов: с \(\ce{BaCl2}\) в нейтральной среде осаждаются \(\ce{SO4^2-}\), \(\ce{SO3^2-}\), \(\ce{CO3^2-}\), \(\ce{PO4^3-}\), \(\ce{SiO3^2-}\) (кроме \(\ce{BaSO4}\) все растворимы в HCl); с \(\ce{AgNO3}\) в азотной кислоте — \(\ce{Cl-}\), \(\ce{Br-}\), \(\ce{I-}\), \(\ce{S^2-}\); не осаждаются — \(\ce{NO3-}\), \(\ce{NO2-}\), \(\ce{CH3COO-}\). Частные: карбонат — \(\ce{CO2}\) мутит известковую воду; сульфит — \(\ce{SO2}\) обесцвечивает \(\ce{KMnO4}\) и иод; сульфид — чернение ацетатсвинцовой бумаги; галогениды — хлорная вода и органический слой (иод фиолетовый, бром оранжевый); фосфат — жёлтый молибдат; нитрит — иод из KI, реактив Грисса; нитрат — бурое кольцо (после удаления нитрита), восстановление до \(\ce{NH3}\) сплавом Деварда.
menu_bookРаспознавание газов · урок 230expand_more
Признаки газов
| Газ | Цвет, запах | Характерная проба |
|---|---|---|
| \(\ce{H2}\) | — | лёгкий хлопок у пламени, на холодном стекле — капли воды |
| \(\ce{O2}\) | — | вспыхивает тлеющая лучина |
| \(\ce{N2O}\) | сладковатый | тоже вспыхивает лучина; с NO не буреет |
| \(\ce{CO2}\) | — | гасит пламя, мутит известковую воду |
| \(\ce{N2}\) | — | гасит пламя, не мутит известковую воду |
| CO | — | горит голубым пламенем; бумажка с \(\ce{PdCl2}\) чернеет |
| \(\ce{NH3}\) | резкий | синеет влажная красная лакмусовая бумажка; белый дым с HCl |
| HCl | резкий, дымит во влажном воздухе | белый дым с \(\ce{NH3}\); осадок с \(\ce{AgNO3}\) |
| \(\ce{Cl2}\) | жёлто-зелёный, удушливый | синеет иодкрахмальная бумажка, обесцвечивает влажную лакмусовую |
| \(\ce{SO2}\) | резкий | обесцвечивает \(\ce{KMnO4}\) и иодную воду; мутит известковую воду |
| \(\ce{H2S}\) | тухлых яиц | чернеет бумажка с ацетатом свинца |
| NO | — | на воздухе буреет (\(\ce{NO2}\)) |
| \(\ce{NO2}\) | бурый, резкий | синеет иодкрахмальная бумажка, окрашивает воду в кислую |
scienceПробы на газы
- \(\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}\) — белый дым.
- \(\ce{Cl2 + 2KI -> 2KCl + I2}\) — синяя окраска с крахмалом.
- \(\ce{2NO + O2 -> 2NO2}\) — побурение на воздухе.
- \(\ce{SO2 + I2 + 2H2O -> H2SO4 + 2HI}\) — обесцвечивание иодной воды.
Плотность и молярная масса
Молярную массу газа находят по плотности:
- при н. у.: \(M = \rho\cdot22{,}4\) л/моль;
- по относительной плотности: \(M = D_{\ce{H2}}\cdot2\) или \(M = D_\text{возд}\cdot29\).
Одинаковую молярную массу имеют \(\ce{CO2}\), \(\ce{N2O}\) и пропан (44), \(\ce{N2}\), CO и \(\ce{C2H4}\) (28) — поэтому плотность лишь сужает выбор, окончательно решает химическая проба.
Средняя молярная масса смеси \(\bar{M} = \sum\varphi_iM_i\) позволяет найти состав двойной смеси по её плотности.
edit_noteСмесь по плотности
Смесь \(\ce{H2}\) и \(\ce{O2}\) имеет плотность по водороду 7,0: \(\bar{M} = 14\). \(2x + 32(1 - x) = 14\) ⇒ \(x = 0{,}60\): 60 % водорода.
boltГазы тяжелее и легче воздуха
Тяжелее воздуха (M > 29): \(\ce{CO2}\), \(\ce{SO2}\), \(\ce{Cl2}\), \(\ce{H2S}\), HCl, \(\ce{NO2}\) — собирают, держа сосуд отверстием вверх. Легче: \(\ce{H2}\), \(\ce{NH3}\), \(\ce{CH4}\), He — отверстием вниз.
Анализ газовых смесей
Последовательное поглощение (газоанализатор Орса, 1874): смесь пропускают через поглотители, измеряя уменьшение объёма:
- раствор KOH поглощает \(\ce{CO2}\) (и другие кислотные газы);
- щелочной раствор пирогаллола — \(\ce{O2}\);
- аммиачный раствор CuCl — CO;
- остаток — обычно азот.
Порядок важен: щелочной пирогаллол поглотил бы и \(\ce{CO2}\).
Сжигание: смесь горючего газа с кислородом взрывают и измеряют сжатие (вода конденсируется) и затем поглощение \(\ce{CO2}\) щёлочью. Так определяют \(\ce{H2}\), CO, \(\ce{CH4}\) в горючих газах.
scienceПоглотители и сжигание
- \(\ce{CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O}\).
- \(\ce{CuCl + CO -> [CuCl(CO)]}\) — аммиачный раствор CuCl связывает CO в карбонильный комплекс меди(I).
- \(\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}\) — сжатие на 3 объёма из 3; \(\ce{2CO + O2 -> 2CO2}\) — сжатие на 1 объём из 3.
push_pinГлавное
\(\ce{H2}\) — хлопок у пламени; \(\ce{O2}\) и \(\ce{N2O}\) — вспыхивает тлеющая лучина (\(\ce{O2}\) с NO даёт бурый \(\ce{NO2}\)); \(\ce{CO2}\) — мутит известковую воду, гасит пламя; \(\ce{SO2}\) — тоже мутит, но обесцвечивает \(\ce{KMnO4}\) и иод; \(\ce{N2}\) — гасит пламя, не мутит; CO — голубое пламя, \(\ce{PdCl2}\) чернеет; \(\ce{NH3}\) — запах, синеет влажный лакмус, белый дым с HCl; HCl — дымит, белый дым с \(\ce{NH3}\); \(\ce{Cl2}\) — жёлто-зелёный, синеет иодкрахмальная бумага, обесцвечивает; \(\ce{H2S}\) — чернеет ацетатсвинцовая бумага; NO — буреет на воздухе; \(\ce{NO2}\) — бурый. Смеси: последовательное поглощение (KOH — \(\ce{CO2}\); пирогаллол — \(\ce{O2}\); \(\ce{CuCl}\)/\(\ce{NH3}\) — CO), плотность \(M = \rho\cdot22{,}4\), сжигание с измерением сжатия.
menu_bookРазделение смеси ионов · урок 231expand_more
Принципы разделения
Разделение — это последовательность развилок: на каждой стадии реагент делит смесь на осадок и раствор. Хорошая схема:
- каждый ион попадает ровно в одну фракцию;
- осаждение полное (остаток < 0,1 %);
- реагенты предыдущих стадий не мешают последующим (избыток аммиака удаляют кипячением, избыток сероводорода — нагреванием с кислотой);
- сложные случаи решают сменой степени окисления или комплексообразованием.
edit_noteСеребро, медь, железо
- HCl: AgCl в осадок; \(\ce{Cu^2+}\), \(\ce{Fe^3+}\) — в растворе.
- Избыток \(\ce{NH3}\): \(\ce{Fe(OH)3}\) в осадок; медь — в растворе как \(\ce{[Cu(NH3)4]^2+}\) (синий).
- Подкислить, \(\ce{H2S}\): чёрный CuS.
boltТаблица судьбы
Нарисуйте таблицу: строки — ионы, столбцы — стадии, в клетках — форма иона (осадок, раствор, комплекс, газ). Пустых клеток и «раздвоений» быть не должно. Это лучший способ проверить свою схему.
Амфотерность и аммиакаты
Два главных «разделителя» катионов переходных металлов:
| Реагент (избыток) | В осадке | В растворе |
|---|---|---|
| NaOH (+ \(\ce{H2O2}\)) | \(\ce{Fe(OH)3}\), \(\ce{MnO(OH)2}\), \(\ce{Ni(OH)2}\), \(\ce{Co(OH)3}\), \(\ce{Cu(OH)2}\), \(\ce{Mg(OH)2}\) | \(\ce{[Al(OH)4]-}\), \(\ce{[Zn(OH)4]^2-}\), \(\ce{CrO4^2-}\), \(\ce{[Pb(OH)4]^2-}\), \(\ce{[Sn(OH)6]^2-}\) |
| \(\ce{NH3}\) (с \(\ce{NH4Cl}\)) | \(\ce{Fe(OH)3}\), \(\ce{Al(OH)3}\), \(\ce{Cr(OH)3}\), \(\ce{MnO(OH)2}\) (на воздухе), \(\ce{Bi(OH)3}\) | \(\ce{[Cu(NH3)4]^2+}\), \(\ce{[Ni(NH3)6]^2+}\), \(\ce{[Co(NH3)6]^2+}\), \(\ce{[Zn(NH3)4]^2+}\), \(\ce{[Cd(NH3)4]^2+}\) |
Пероксид водорода в щелочной ступени окисляет хром до хромата (он уходит в раствор), марганец и кобальт — до высших гидроксидов (в осадок). Хлорид аммония в аммиачной ступени удерживает магний в растворе и понижает pH, чтобы не растворились амфотерные гидроксиды.
scienceРазделение щёлочью с пероксидом
- \(\ce{2Cr^3+ + 3H2O2 + 10OH- -> 2CrO4^2- + 8H2O}\).
- \(\ce{Mn^2+ + H2O2 + 2OH- -> MnO(OH)2 v + H2O}\).
- \(\ce{Zn^2+ + 4OH- -> [Zn(OH)4]^2-}\).
Смена степени окисления
Похожие ионы иногда проще разделить, изменив степень окисления одного из них:
- \(\ce{Fe^2+}\) и \(\ce{Mn^2+}\): окислить железо до \(\ce{Fe^3+}\) (перекисью или азотной кислотой) — оно осаждается уже при pH 3, а марганец остаётся;
- \(\ce{Cr^3+}\) и \(\ce{Al^3+}\): окислить хром до хромата — он не осаждается аммиаком, а \(\ce{Al(OH)3}\) выпадает;
- \(\ce{Co^2+}\) и \(\ce{Ni^2+}\): окислить кобальт до Co(III) в аммиачной среде (инертный \(\ce{[Co(NH3)6]^3+}\)) или осадить \(\ce{K3[Co(NO2)6]}\);
- \(\ce{As}\), \(\ce{Sb}\), \(\ce{Sn}\) в сульфидной группе: окисление полисульфидом переводит их в растворимые тиосоли.
scienceРазделения через ОВР
- \(\ce{2Fe^2+ + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^3+ + 2H2O}\), затем \(\ce{Fe^3+ + 3NH3 + 3H2O -> Fe(OH)3 v + 3NH4+}\).
- \(\ce{CoCl2 + 7KNO2 + 2CH3COOH -> K3[Co(NO2)6] v + NO ^ + 2KCl + 2CH3COOK + H2O}\) — кобальт в осадок, никель остаётся.
- \(\ce{SnS + (NH4)2S2 -> (NH4)2SnS3}\) — олово(II) окисляется и растворяется как тиостаннат.
push_pinГлавное
Принцип: на каждой стадии один реагент переводит часть ионов в осадок (или газ), остальные остаются в растворе; реагент не должен мешать следующим стадиям. Типичные ходы: HCl — \(\ce{Ag+}\), \(\ce{Pb^2+}\), \(\ce{Hg2^2+}\); \(\ce{H2SO4}\) — \(\ce{Ba^2+}\), \(\ce{Sr^2+}\), \(\ce{Pb^2+}\); избыток NaOH (+ \(\ce{H2O2}\)) — отделяет амфотерные (Al, Zn, Pb, Sn, Cr → хромат) от остальных; избыток \(\ce{NH3}\) — отделяет аммиакаты (Cu, Ni, Co, Zn, Cd, Ag) от гидроксидов (Fe, Al, Cr, Mn, Bi); \(\ce{H2S}\) при заданном pH — сульфиды. Изменение степени окисления (\(\ce{Fe^2+ -> Fe^3+}\), \(\ce{Cr^3+ -> CrO4^2-}\), \(\ce{Mn^2+ -> MnO2}\)) помогает разделить похожие ионы. Таблица «ион — стадия — форма» проверяет схему.
menu_bookВещества в пронумерованных пробирках · урок 232expand_more
Таблица взаимных реакций
Классическая олимпиадная задача: в пронумерованных пробирках — растворы известных веществ, но какое где — неизвестно. Сливая их попарно, нужно всё определить.
Шаг 1. Предсказать результат каждого сливания:
| \(\ce{Na2CO3}\) | \(\ce{BaCl2}\) | \(\ce{H2SO4}\) | \(\ce{AgNO3}\) | |
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{Na2CO3}\) | ↓ | ↑ (газ) | ↓ | |
| \(\ce{BaCl2}\) | ↓ | ↓ | ↓ | |
| \(\ce{H2SO4}\) | ↑ | ↓ | — | |
| \(\ce{AgNO3}\) | ↓ | ↓ | — |
Шаг 2. Составить «подпись» каждого вещества: \(\ce{Na2CO3}\) — ↓, ↑, ↓; \(\ce{BaCl2}\) — три осадка; \(\ce{H2SO4}\) — ↑, ↓, —; \(\ce{AgNO3}\) — ↓, ↓, —. Все подписи разные — задача решается однозначно.
scienceРеакции таблицы
- \(\ce{Na2CO3 + BaCl2 -> BaCO3 v + 2NaCl}\); \(\ce{Na2CO3 + H2SO4 -> Na2SO4 + CO2 ^ + H2O}\).
- \(\ce{Na2CO3 + 2AgNO3 -> Ag2CO3 v + 2NaNO3}\) — светло-жёлтый.
- \(\ce{BaCl2 + H2SO4 -> BaSO4 v + 2HCl}\); \(\ce{BaCl2 + 2AgNO3 -> 2AgCl v + Ba(NO3)2}\).
boltКогда подписи совпадают
Если у двух веществ одинаковые подписи, нужен дополнительный признак: цвет осадка, растворимость осадка в избытке реагента, запах газа, нагревание, порядок сливания (урок 233).
Дерево различения
Не всегда нужно проводить все сливания. Дерево различения: первый опыт делит набор на группы, каждый следующий — делит группу дальше. Хороший первый реагент — тот, что даёт разные эффекты с разными веществами.
edit_noteПять растворов
Даны растворы NaCl, \(\ce{Na2CO3}\), \(\ce{Na2SO4}\), \(\ce{NaNO3}\), NaOH. Разрешено взять только один реактив из «шкафа». Удачный выбор — \(\ce{BaCl2}\) и затем кислота… но есть решение с одним реагентом: \(\ce{AgNO3}\): NaCl — белый осадок AgCl; \(\ce{Na2CO3}\) — светло-жёлтый \(\ce{Ag2CO3}\), растворимый в кислоте с газом; NaOH — бурый \(\ce{Ag2O}\); \(\ce{Na2SO4}\) — в разбавленном растворе осадка нет (или мало); \(\ce{NaNO3}\) — ничего. Различить последние два поможет \(\ce{BaCl2}\).
boltМинимум опытов
Для \(n\) веществ по одному признаку «да/нет» нужно не меньше \(\log_2 n\) опытов; если опыт даёт три исхода (осадок, газ, ничего), хватает \(\log_3 n\). Реальные задачи обычно требуют больше — но стремиться стоит к ветвящимся реакциям с разными эффектами.
Задача с кислотами, основаниями и солями
Набор: HCl, NaOH, \(\ce{MgCl2}\), \(\ce{Na2CO3}\) (без индикаторов).
| HCl | NaOH | \(\ce{MgCl2}\) | \(\ce{Na2CO3}\) | |
|---|---|---|---|---|
| HCl | тепло | — | ↑ | |
| NaOH | тепло | ↓ белый | — | |
| \(\ce{MgCl2}\) | — | ↓ | ↓ белый | |
| \(\ce{Na2CO3}\) | ↑ | — | ↓ |
Подписи: HCl — тепло, —, ↑; NaOH — тепло, ↓, —; \(\ce{MgCl2}\) — —, ↓, ↓; \(\ce{Na2CO3}\) — ↑, —, ↓. Все различны; тепловой эффект нейтрализации — слабый признак (заметен в концентрированных растворах), но и без него задача решается: \(\ce{MgCl2}\) — два осадка; \(\ce{Na2CO3}\) — газ и осадок; HCl — газ; NaOH — осадок.
scienceРеакции набора
- \(\ce{MgCl2 + 2NaOH -> Mg(OH)2 v + 2NaCl}\).
- \(\ce{2MgCl2 + 2Na2CO3 + H2O -> Mg2(OH)2CO3 v + CO2 ^ + 4NaCl}\) — основной карбонат.
- \(\ce{Na2CO3 + 2HCl -> 2NaCl + CO2 ^ + H2O}\).
push_pinГлавное
Метод: (1) выписать все вещества и предсказать результат каждого попарного сливания (осадок, газ, окраска, тепло, «—»); (2) у каждого вещества — «подпись» — набор наблюдений со всеми остальными; (3) если подписи различны, достаточно всех \(n(n-1)/2\) сливаний; иногда меньше — строят дерево: первый опыт делит набор на группы. Дополнительные признаки: цвет, запах, pH по индикатору (если разрешён), нагревание, порядок сливания (избыток одного реагента). Вывод однозначен, только если никакая перестановка веществ не даёт тех же наблюдений.
menu_bookАнализ без дополнительных реагентов · урок 233expand_more
Порядок сливания
Если растворов всего два и они реагируют друг с другом, различить их помогает порядок сливания: результат зависит от того, чего в избытке.
\(\ce{AlCl3}\) и NaOH. Щёлочь по каплям к соли: сразу белый осадок, в избытке щёлочи он растворяется. Соль по каплям к щёлочи: сначала образуется алюминат (осадка нет), и лишь потом, при избытке соли, выпадает осадок.
\(\ce{Na2CO3}\) и HCl. Кислоту по каплям к карбонату: газа поначалу нет (образуется гидрокарбонат), он появляется позже. Карбонат к кислоте: газ выделяется сразу.
Так же ведут себя \(\ce{ZnSO4}\) и NaOH, \(\ce{AgNO3}\) и \(\ce{NH3}\), \(\ce{CuSO4}\) и \(\ce{NH3}\), \(\ce{Hg(NO3)2}\) и KI, \(\ce{Na[Al(OH)4]}\) и HCl.
scienceРеакции, зависящие от соотношения
- \(\ce{AlCl3 + 3NaOH -> Al(OH)3 v + 3NaCl}\); \(\ce{Al(OH)3 + NaOH -> Na[Al(OH)4]}\).
- \(\ce{Na2CO3 + HCl -> NaHCO3 + NaCl}\); \(\ce{NaHCO3 + HCl -> NaCl + CO2 ^ + H2O}\).
- \(\ce{AgNO3 + NH3 + H2O -> AgOH v + NH4NO3}\) (далее \(\ce{2AgOH -> Ag2O + H2O}\)); \(\ce{Ag2O + 4NH3 + H2O -> 2[Ag(NH3)2]OH}\).
- \(\ce{Hg(NO3)2 + 2KI -> HgI2 v + 2KNO3}\); \(\ce{HgI2 + 2KI -> K2[HgI4]}\).
Окрашенные растворы как реактивы
Если среди исследуемых растворов есть окрашенные, они становятся реактивами для остальных:
- \(\ce{CuSO4}\) (голубой): с NaOH — голубой осадок, с \(\ce{NH3}\) — синий раствор, с \(\ce{Na2S}\) — чёрный осадок, с KI — бурый раствор (иод) и осадок CuI;
- \(\ce{FeCl3}\) (жёлтый): с NaOH — бурый осадок, с KSCN — кроваво-красный, с KI — бурый иод, с \(\ce{Na2CO3}\) — осадок и газ;
- \(\ce{KMnO4}\) (малиновый): обесцвечивается восстановителями (\(\ce{Na2SO3}\), \(\ce{FeSO4}\), \(\ce{H2O2}\), KI в кислой среде);
- \(\ce{K2Cr2O7}\) (оранжевый): со щёлочью желтеет, с восстановителями в кислоте зеленеет.
Тепловые эффекты: смешение концентрированных кислоты и щёлочи заметно нагревает пробирку; растворение \(\ce{NH4NO3}\) — охлаждает.
edit_noteПять бесцветных и один голубой
Среди растворов \(\ce{CuSO4}\) (голубой), NaOH, \(\ce{NH3}\), \(\ce{Na2S}\), KI, HCl сначала находят \(\ce{CuSO4}\) по цвету. Приливая его к остальным: NaOH — голубой осадок; \(\ce{NH3}\) — осадок, растворяющийся в избытке с синей окраской; \(\ce{Na2S}\) — чёрный осадок; KI — бурый раствор с осадком; HCl — изменений почти нет (слегка зеленеет в концентрированной).
Различение одинаковых признаков
Белый осадок, бесцветный газ, помутнение — признаки неоднозначные. Уточняйте их:
- осадок: цвет, растворимость в избытке реагента, в кислоте, в аммиаке, потемнение на свету (галогениды серебра) или на воздухе (\(\ce{Fe(OH)2}\), \(\ce{Mn(OH)2}\));
- газ: запах (\(\ce{SO2}\), \(\ce{H2S}\), \(\ce{NH3}\)), действие на известковую воду, горение;
- окраска: исчезает ли при разбавлении, при нагревании.
edit_noteДва белых осадка
\(\ce{BaSO4}\) и \(\ce{BaCO3}\) оба белые. В соляной кислоте карбонат растворяется с газом, сульфат — нет. AgCl и \(\ce{Ag2SO4}\): сульфат серебра растворим в разбавленных растворах и в горячей воде, AgCl — нет.
boltПроверяйте «обратным» опытом
Предположили, что в пробирке 3 — карбонат? Прилейте пробирку 3 к кислоте: газ должен пойти сразу. Каждая гипотеза проверяется независимым опытом.
push_pinГлавное
Порядок сливания важен, когда продукт зависит от соотношения: \(\ce{AlCl3}\) + NaOH (щёлочь в соль — осадок, затем растворение; соль в щёлочь — сначала прозрачно, потом осадок), \(\ce{Na2CO3}\) + HCl (кислота в карбонат — сначала без газа, \(\ce{HCO3-}\); карбонат в кислоту — сразу газ), \(\ce{AgNO3}\) + \(\ce{NH3}\), \(\ce{ZnSO4}\) + NaOH, \(\ce{CuSO4}\) + \(\ce{NH3}\), \(\ce{Hg^2+}\) + KI. Дополнительные признаки: тепло нейтрализации, окрашенные растворы (\(\ce{CuSO4}\), \(\ce{KMnO4}\), \(\ce{K2Cr2O7}\), \(\ce{FeCl3}\)) как «индикаторы», запах. Так можно различить даже два бесцветных раствора, реагирующих только друг с другом.
menu_bookКонтрольная работа по распознаванию · урок 234expand_more
Соль: катион и анион
Распознавание соли складывается из двух независимых задач: найти катион и найти анион. Для каждого — предварительный признак и подтверждающая реакция.
edit_noteСульфат аммония
Катион: при нагревании со щёлочью — запах аммиака, синеет влажный красный лакмус. Анион: с \(\ce{BaCl2}\) — белый осадок, нерастворимый в HCl. Подтверждение: реактив Несслера (бурый осадок) и отсутствие газа с кислотой (нет карбоната и сульфита).
scienceУравнения к ответу
- \(\ce{(NH4)2SO4 + 2NaOH ->[t] Na2SO4 + 2NH3 ^ + 2H2O}\).
- \(\ce{(NH4)2SO4 + BaCl2 -> BaSO4 v + 2NH4Cl}\).
boltКак оформить ответ
Для каждого опыта: что прилили, при каких условиях, что увидели, уравнение, вывод. В конце — окончательная формула и подтверждающий опыт. Наблюдения записывайте до интерпретации: «выпал белый осадок», а не «выпал сульфат».
Смеси и выбор реактива
Для смесей план сложнее: сначала — групповое разделение, затем — открытие каждого компонента.
edit_noteСмесь хлоридов бария и цинка
- \(\ce{H2SO4}\) — белый осадок \(\ce{BaSO4}\) (барий).
- Фильтрат + избыток NaOH — сначала осадок, затем растворение (цинк как цинкат); подтверждение — белый ZnS с \(\ce{Na2S}\) и растворение гидроксида в аммиаке.
- Анион — AgCl с нитратом серебра.
boltВыбирайте реактив по различию
Вещества, которые надо различить, выпишите рядом и ищите свойство, в котором они отличаются: катион с осадком против катиона без осадка, анион-восстановитель против неокисляемого, кислоту против соли. Реактив, отвечающий этому отличию, — правильный.
Газы и порядок сливания
Итоговые вопросы объединяют распознавание газов (урок 230) и приёмы анализа без дополнительных реагентов (урок 233).
edit_noteТри газа
В трёх цилиндрах — \(\ce{CO2}\), \(\ce{NH3}\), \(\ce{O2}\). Тлеющая лучина вспыхивает только в кислороде. Влажная красная лакмусовая бумажка синеет только в аммиаке. Остаток — \(\ce{CO2}\) (подтверждение — известковая вода).
boltПроверка себя
Прочитайте свой ответ «глазами проверяющего»: указан ли реактив и его избыток? условия (нагревание, среда)? наблюдение? уравнение? почему не подходит альтернатива? Каждый пропуск — потерянные баллы на олимпиаде.
push_pinГлавное
Контрольная работа: распознавание соли по катиону и аниону, разделение смеси, выбор реактива для различения, газы, порядок сливания. В ответе: реактив и условия → наблюдение → уравнение → вывод → подтверждение другим опытом; для количественной части — расчёт по уравнениям.
Уроки модуля
- Урок 227. Логика качественного анализаРазличать предварительный признак и подтверждающую реакцию; выбирать контрольный опыт, холостую пробу и условия обнаружения.
- Урок 228. Качественный анализ катионовСистематизировать реакции осаждения, комплексообразования, окрашивания и ОВР; учитывать растворимость и влияние кислотности.
- Урок 229. Качественный анализ анионовСравнить реакции карбонатов, сульфитов, сульфатов, галогенидов, фосфатов, нитритов и нитратов; устранять взаимные помехи.
- Урок 230. Распознавание газовВыбирать химическое подтверждение состава по наблюдениям и данным; учитывать растворимость, реакции с воздухом и смеси газов.
- Урок 231. Разделение смеси ионовСоставлять последовательность осаждения, растворения и изменения степени окисления; объяснять судьбу каждого компонента на каждой стадии.
- Урок 232. Вещества в пронумерованных пробиркахСтроить таблицу взаимных реакций и дерево различения; минимизировать число опытов без потери однозначности вывода.
- Урок 233. Анализ без дополнительных реагентовИспользовать исходные растворы как реагенты друг для друга; находить информативный порядок смешения и различать одинаковые внешние признаки.
- Урок 234. Контрольная работа по распознаваниюПредложить и обосновать схему анализа неизвестной смеси; указать условия, наблюдения, уравнения и подтверждающий опыт.
- Проверка модуля9 заданий по всем урокам · зачёт от 70 %