Аналитическая химия Лекция 5 Катионы 1 2

Аналитическая химия. Лекция № 5 «Катионы 1, 2 аналитических групп» .

Цель занятия: Сформировать знания студентов о качественных реакциях катионов 1 и 2 аналитических групп. Задачи: • проверить знания студентов по качественному анализу. • закрепить знания студентов о методах качественного анализа. • сформировать знания студентов о качественных реакциях катионов 1 и 2 аналитических групп.

Студент должен знать: групповые и частные реакции катионов 1 и 2 аналитических групп. Студент должен уметь: определять качественными реакциями катионы 1 и 2 аналитических групп.

Фронтальный опрос. 1. Дать определение качественному анализу. 2. Сформулировать цель качественного анализа. 3. Сформулировать задачи качественного анализа. 4. Дать характеристику методам качественного анализа. 5. Перечислить группы катионов согласно кислотно основной классификации. 6. Перечислить группы анионов по отношению к хлориду бария и нитрату серебра.

План: 1. Катионы 1 аналитической группы. 2. Катионы 2 аналитической группы. 3. Применение катионов 1 и 2 аналитических групп в медицине.

Общая характеристика группы. К первой аналитической группе относятся катионы К+, Na+, NH 4+. Калий и натрий входят в первую группу периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева и обладают ярко выраженными металлическими свойствами. Их ионы имеют законченные восьми электронные оболочки.

Большинство солей калия, натрия, аммония и их гидроксиды хорошо растворимы в воде. Гидроксиды калия и натрия сильные щелочи, которые в водных растворах полностью ионизированы. Соли калия и натрия, образованные слабыми кислотами, подвергаются гидролизу, и растворы их имеют р. Н>7. Их соли, образованные сильными кислотами, не подвергаются гидролизу, их растворы имеют нейтральную реакцию.

Раствор аммиака в воде слабое основание. Соли, образованные им и сильными кислотами, подвергаются гидролизу, и растворы их имеют р. Н< 7. Соли аммония разлагаются при нагревании, поэтому могут быть удалены прокаливанием. Большинство солей катионов первой аналитической группы хорошо растворимы в воде. Группового реагента, осаждающего все катионы группы, не имеется.

ЧАСТНЫЕ РЕАКЦИИ КАТИОНА К+ 1. Гидротартрат натрия или винная кислота дает с растворами солей калия белый кристаллический осадок: KCl+ Na. HC 4 H 4 O 6= KHC 4 H 4 O 6+ Na. Cl Осадок растворяется при добавлении растворов сильных кислот и щелочей, разбавлении дистиллированной водой и при нагревании.

2. Гексанитро- (111) кобальтат натрия дает с катионами К+ желтый осадок комплексной соли гексанитро – (111) кобальтата калия – натрия 2 KCl + Na 3[Co(NO 2)6]→ 2 Na. Cl + K 2 Na[Co(NO 2 )6]↓ Осадок растворим в сильных кислотах. Присутствие щелочей мешает реакции, так как щелочи, разлагая реактив, образуют темно бурый осадок гидроксида кобальта Со(ОН)3.

3. Микрокристаллоскопическая реакция. Гексанитро–(11) купрат натрия свинца с катионами калия образует кубические кристаллы черного или коричневого цвета: Na 2 Pb[Cu(NO 2 )6 ]+2 KCl = K 2 Pb[Cu(NO 2 )6 ] ↓ + 2 Na. Cl Реакцию проводят при р. Н 6 7. Этой реакции мешают ионы аммония, т. к. они образуют с реактивом черные кристаллы, как и катионы К+.

4. Окрашивание пламени. В присутствии катионов К+ бесцветная часть пламени окрасится в бледно фиолетовый цвет. Все реакции фармакопейны.

ЧАСТНЫЕ РЕАКЦИИ КАТИОНА Na+ 1. Дигидроантимонат калия образует с катионами натрия белый кристаллический осадок дигидроантимоната натрия: Na. Cl+KH 2 Sb. O 2=Na. H 2 Sb. O 4+KCl Концентрация раствора натрия должна быть достаточной, поэтому разбавленные растворы упаривают. Среда раствора должна быть слабощелочной или нейтральной. Кислоты разлагают дигидроантимонат калия с образованием белого аморфного осадка метосурьмяной кислоты: KH 2 Sb. O 4+ HCl= H 2 Sb. O 4+KCl HSb. O=HSb. O 3+ H 2 O Реакцию надо вести на холоде.

2. Гексагидроксостибиат калия K[Sb(OH)6] образует с ионом Na белый кристаллический осадок гексагидроксостибиата (V) натрия: Na. Cl + K[Sb(OH)6] = Na[Sb(OH)6]↓ + KCl Обнаружение иона Na+ проводят в нейтральном или слабощелочном растворе, т. е. кислоты разлагают реагент. Реакцию проводят на холоде, потирают стенки пробирки стеклянной палочкой.

3. Микрокристаллоскопическая реакция. Раствор уранилацетата UO 2(CHCOO)2 с катионами натрия дает правильной тетраэдрической или октаэдрической формы кристаллы натрийуранилацетата Na. CH 3 COO∙UO 2(CH 3 COO)2.

4. Окрашивание пламени. Na. Cl + UO 2(CH 3 COO)2 + CH 3 COOH = Na[(UO 2)(CH 3 COO)3] + HCl В присутствии катионов натрия бесцветная часть пламени окрашивается в желтый цвет. Все реакции фармакопейны.

ЧАСТНЫЕ РЕАКЦИИ КАТИОНА NH. 1. Щелочи разлагают соли аммония с выделением газообразного аммиака: NH 4 Cl+ Na. OH= NH 3+ H 2 O+Na. Cl Наблюдается выделение газа, который обнаруживается по запаху. Выделение аммиака можно обнаружить влажной лакмусовой бумажкой, которую держат над пробиркой. Она окрашивается в синий цвет. Опыт проводят при р. Н>9, в нагретом растворе.

2. Реактив Несслера образует с катионами аммония красно бурый осадок: NH 4 Cl+ 2 К 2 [Hg. I 4 ] + 4 КОН → [OHg 2 NH 2 ]I + KCI + 7 KI + 3 H 2 O NH + 2 [Hg. I 4 ]2+ + 4 OH- → [OHg 2 NH 2 ]I↓ + 7 I- + 3 H 2 O Реакция очень чувствительна.

Условия проведения опыта При выполнении опыта необходимо брать избыток реактива Несслера, так как осадок растворим в солях аммония. Открытию катиона NH мешают катионы Fe 3+ , Cr 3+ , Co 2+ , Ni 2+ и др. В присутствии этих катионов реакцию ведут, добавляя 50% раствор тартрата калия натрия KNa. C 4 H 4 O 6, который с большинством указанных катионов дает комплексные соединения.

2. Катионы второй аналитической группы (группа хлороводородной кислоты). Общая характеристика группы. Ко второй группе относятся катионы Ag+, Pb 2+ и [Hg 2]2+. Эти элемента находятся в разных группах периодической системы Д. И. Менделеева. Они имеют либо законченные 18 электронные внешние слои, либо оболочки, содержащие 18+2 электронов в двух наружных слоях, что обусловливает одинаковое отношение их к галогенид ионам.

Групповой реагент – 2 н. хлороводородная кислота. Катионы Ag+, Pb 2+, [Hg 2]2+ при взаимодействии с ней образуют трудно растворимые в воде и в разбавленных кислотах осадки: Ag. NO 3 + HCl → Ag. Hl↓ + HNO 3 Ag + + Cl - Ag. Cl↓ Pb(NO 3)2 + 2 HCl → Pb. Cl 2↓ + 2 HNO 3 Pb 2+ + 2 Cl - → Pb. Cl 2↓ Hg 2(NO 3)2 + 2 HCl → Hg 2 Cl 2↓ + 2 HNO 3 + 2 Cl - → Hg 2 Cl 2↓ следует избегать избытка и использования концентрированной хлороводородной кислоты, так как могут образоваться растворимые комплексные соединения: Ag. Cl + 2 HCl → H 2[Ag. Cl 3], Pb. Cl 2 + HCl → H[Pb. Cl 3] Растворимость хлоридов различна

Хлориды Растворимость (в г/л) Хлорид свинца Хлорид серебра Хлорид ртути 11, 0 1, 8∙ 10 -3 2, 0∙ 10 -4

При температуре воды 100 о. С растворимость хлорида свинца увеличивается в три раза, в то время как растворимость хлорида серебра и хлорида ртути практически остаётся прежней. Это свойство используется для отделения катиона Pb 2+ от катионов 2+ и Ag+. [Hg 2]

Хлорид ртути при взаимодействии с раствором аммиака образует хлорид димеркураммония, который неустойчив и разлагается на малорастворимый меркурамммоний и металлическую ртуть, которая придаёт осадку чёрный цвет: Hg 2 Cl 2 + 2 NH 4 OH → [Hg 2 NH 2]Cl↓ + NH 4 Cl + 2 H 2 o Hg 2 Cl 2 + 2 NH 4 OH → [Hg 2 NH 2]Cl↓ + + Cl - + 2 H 2 O [Hg 2 NH 2]Cl → [NH 2 Hg]Cl↓ + Hg↓ Это позволяет отделить катион [Hg 2]2+ от катиона Ag+. Хлорид серебра хорошо растворим по действие аммиака с образованием комплексной соли: Ag. Cl + 2 NH 4 OH → [Ag(NH 3)2]Cl + 2 H 2 O Ag. Cl + 2 NH 4 OH → [Ag(NH 3)2]+ + Cl- + 2 H 2 O

1. Частные реакции катионов Ag+. Гидроксиды калия и натрия КОН и Na. OH образуют с катионом Ag+ бурый осадок оксида серебра Ag 2 O: Ag. NO 3 + KOH → Ag. OH↓ + KNO 3 Ag+ + OH- → Ag. OH 2 Ag OH → Ag 2 O↓ + H 2 O Оксид серебра (I) растворяется в растворе аммиака NH 3: Ag 2 O + 4 NH 4 OH → 2[Ag(NH 3)2]OH + H 2 O

2. Хромат калия K 2 Cr. O 4 даёт с катионом Ag+ осадок хромата серебра Ag 2 Cr. O 4 кирпично красного цвета: K 2 Cr. O 4+2 Ag. NO 3→ Ag 2 Cr. O 4↓ + 2 KNO 3 → Ag 2 Cr. O 4↓ Осадок хромата серебра растворяется в азотной кислоте и растворе аммиака, но не растворяется в уксусной кислоте. Условия проведения опыта. Реакцию следует проводить при р. Н 6, 5 7, 5. В аммиачной и сильнокислой среде осадок не образуется. Ионы Pb 2+, Ba 2+ и др. , образующие с Cr осадки, мешают проведению реакции. Реакция ГФ.

3. Бромид и йодид калия KBr и KI образуют с катионом Ag+ бледно жёлтый осадок бромида серебра Ag. Br и жёлтый осадок йодида Ag. I: KBr + Ag. NO 3 → Ag. Br↓+KNO 3 Ag+ + Br - → Ag. Br↓ KI + Ag. NO 3 → Ag. I↓ + KNO 3 Ag+ + I- → Ag. I↓ Реакция ГФ.

4. Тиосульфат натрия Na 2 S 2 O 3 при взаимодействии с раствором солей серебра образует белый осадок, который быстро желтеет, затем буреет и переходит в черный осадок сульфида серебра: 2 Ag. NO 3 + Na 2 S 2 O 3 = Ag 2 S 2 O 3↓ + 2 Na. NO 3; Ag 2 S 2 O 3 + H 2 O = Ag 2 S↓ + H 2 SO 4 Реакция ГФ.

5. Реакция «серебрянного зеркала» . Фармальдегид с аммиачным раствором нитрата серебра образует осадок металлического серебра. Реакция ГФ.

1. Частные реакции катиона Pb 2+. Гидроксиды KOH и Na. OH образуют с катионом Pb 2+ белый осадок Pb(OH)2, растворимый как в кислотах, так и в концентрированных растворах гидроксидов: Pb(NO 3)2 + 2 Na. OH → Pb(OH)2↓ + 2 Na. NO 3 Pb 2+ + 2 OH- → Pb(OH)2 При действии избытка гидроксида образуется плюмбит натрия: Pb(OH)2 + 2 Na. OH → Na 2 Pb. O 2 + 2 H 2 O

2. Серная кислота и сульфаты осаждают катионы Pb 2+ выпадает белый осадок Pb. SO 4. Pb(NO 3)2 +Н 2 SO 4= Pb. SO 4+НNO 3 При нагревании сульфатов свинца с растворами гидроксидов образуются плюмбиты: Pb. SO 4 + 4 KOH → K 2 Pb. O 2 + K 2 SO 4 + 2 H 2 O Pb. SO 4 + 4 OH- → + 2 H 2 O Сульфат свинца растворяется также в 30% растворе ацетата аммония: 2 Pb. SO 4 + 2 CH 3 COO- → [Pb(CH 3 COO)2 Pb. SO 4] + SO Кислоты азотная и хлороводородная повышают растворимость сульфата свинца, так как ионы H+ связываются с ионами SO с образованием аниоа HSO Pb. SO 4 ⇆ Pb 2+ + SO HNO 3 ⇆ NO H+, H+ + SO ⇆ HSO

3. Хромат калия K 2 Cr. O 4 и дихромат калия K 2 Cr 2 O 7 образуют с катионами Pb 2+ малорастворимый хромат свинца жёлтого цвета: Pb 2+ + Cr. O → Pb. Cr. O 4 Хромат свинца растворим в гидроксидах, н нерастворим в уксусной кислоте. Реакция ГФ

4. Ион I- образует с катионом Pb 2+ жёлтый осадок: Pb(NO 3)2 + 2 KI → Pb. I 2 + 2 KNO 3 Pb 2+ + 2 I- → Pb. I 2+ ↓ Осадок растворяется при нагревании, но при охлаждении вновь образуется в виде блестящих золотистых кристалликов. реакция ГФ

Условия проведения опыта. Реакцию проводят при р. Н 3 5. В избытке KI осадок Pb. I 2 растворяется, образуя комплексное соединение K 2[Pb. I 4]. Эта реакция катионов Pb 2+ позволяет открыть их в присутствии катионов всех аналитических групп.

Частные реакции катиона [Hg 2]2+ Растворы солей ртути (I) содержат группировку – Hg , при диссоциации образуют сложные катионы [Hg 2]2+, в которых ртуть имеет степень окисления Hg+1, так как два положительных заряда приходятся в этом ионе на два атома ртути. Все соли ртути ядовиты.

1. Гидроксиды образуют с катионом [Hg 2]2+ чёрный осадок оксида ртути (I): Hg 2(NO 3)2 + 2 Na. OH → Hg 2 O↓ + 2 Na. NO 3 + H 2 O [Hg 2]2+ + 2 OH- → Hg 2 O + H 2 O Раствор аммиака с катионом [Hg 2]2+ образует хлорид димеркуоаммония [Hg 2 NH 2]Cl.

2. Хромат калия K 2 Cr. O 4 даёт с катионами [Hg 2]2+ красный осадок Hg 2 Cr. O 4, нерастворимый в гидроксидах и в разбавленной уксусной кислоте, но растворяется в азотной кислоте. Hg 2(NO 3)2 + K 2 Cr. O 4= Hg 2 Cr. O 4+ KNO 3

3. Иодид калия KI образует с растворами солей ртути (I) осадок Hg 2 I 2 грязно зеленого цвета. Hg 22+ + 2 I- → Hg 2 I 2↓ Осадок растворяется в избытке реактива с образованием черного осадка металлической ртути. Реакция ГФ.

Применение катионов 1 и 2 аналитических групп в медицине. Натрий и калий. Ионы Nа+ и К+ распределены по всему организму, причем первые входят преимущественно в со став межклеточных жидкостей, а вторые находятся глав ным образом внутри клеток.

Внутриклеточная концент рация ионов натрия составляет менее 10 % его содержа ния во внеклеточной жидкости, тогда как концентрация ионов калия внутри почти в 30 раз выше, чем вне их. Если оценивать абсолютные величины, то примерно 95 % ионов натрия, участвующих в обмене веществ, находятся вне клеток и примерно такая же доля ионов калия внутри клеток.

С ионами Nа+ связано осмотическое давление жидкостей, удержание воды тканями (15 г Nа. С 1 задержи вает в организме человека до двух литров жидкости), под держание кислотно щелочного равновесия в организме (Nа. НС 03 щелочной резерв крови компонент гидрокар бонатной буферной системы), перенос аминокислот и cа харов через клеточную мембрану.

Ионы Nа+ и К+ активируют аденозинтрифосфатазу клеточных мембран, которая «включает» ионы Nа+ из клетки и обеспечивает сопряженное накопление ионов К+ в ней. Различные концентрации двух данных ио нов по разные стороны от мембраны обусловливают возникновение трансмембранной разности потенциалов (до 100 м. В), что обеспечивает существование легкодоступного источника энергии для многих связанных с функциониро ванием мембран процессов.

Ионы Nа+ и К+ оказывают существенное влияние на дея тельность центральной нервной системы (ЦНС). Так, избы ток ионов а+ в клетках коры N головного мозга вызывает де прессию, т. е. угнетение деятельности ЦНС. + Наоборот, избы ток ионов К в клетках коры головного мозга вызывает ма ниакальное состояние, т. е. возбуждение деятельности ЦНС.

В медицине применяются: Хлорид натрия Nа. С 1. В зависимости от его концентра ции различают изотонический (физиологический) и гипер тонический растворы. Изотоническим является 0, 9 % ный раствор Nа. С 1, так как его осмотическое давление соответст вует осмотическому давлению плазмы крови (780, 2 к. Па).

Изотонический раствор применяют в качестве плазмо замещающего раствора при обезвоживании организма, для растворения лекарственных веществ и т. д. Гиперто нические астворы (с массовой р долей Nа. С 1 3, 5 и 10 %) применяют наружно в виде компрессов и примочек для лечения гнойных ран.

2. Гидрокарбонат натрия Nа. НС 03 (питьевая сода). Вве дение гидрокарбоната натрия в желудок приводит к быст рой нейтрализации соляной кислоты желудочного сока и поэтому рассматривается как антацидное средство. При меняют в порошках, таблетках и растворах при повы шенной кислотности желудочного сока, язвенной болез ни желудка и двенадцатиперстной кишки: Nа. НС 03 + НС 1 = Nа. С 1 + Н 20 + С 02.

3. Декагидрат сульфата натрия Nа 2 S 04 • 10 Н 2 О (глау берова соль). Назначают внутрь в качестве слабитель ного средства.

4. Декагидрат тетрабората натрия Nа 2 В 407 • 10 Н 2 О (бура). Применяют наружно как антисептическое сред ство для спринцеваний, полосканий, смазываний, В вод ных растворах бура легко подвергается гидролизу: Nа 2 В 407 + 7 Н 20 = 4 Н 3 В 03 + 2 Nа. ОН. Образующаяся при гидролизе борная кислота обладает антисептическим действием.

5. Йодид натрия Nа. I. Используют как препарат йода при эндемическом зобе. 6. Хлорид калия КС 1. Применяют при состояниях, со провождающихся нарушением электролитного обмена в организме (неукротимая рвота, профузные поносы), а также для купирования сердечных аритмий.

7. Йодид калия К 1. Применяют как препарат йода при заболеваниях щитовидной железы. 8. Перманганат калия КМn 04 Используют как анти септическое средство для промывания ран, полоскания рта и горла, для спринцеваний и промываний.

9. Водный раствор аммиака, гидроксид аммония (наша тырный спирт)NH 4 ОН. Используют для возбуждения дыха ния и выведения больных из обморочного состояния, для чего небольшой кусок ваты или марли, смоченной в нашатырном спирте, осторожно подносят к носовым отверстиям. 10. Хлорид аммония (нашатырь) NH 4 С 1. Оказывает отхаркивающее действие, усиливает мочеотделение.

Свинец. Биологическая роль свинца не установлена. Его соединения токсичны. У рабочих различных произ водств, связанных с получением и применением свинца, могут встречаться явления острого и хронического отрав ления (сатурнизм ). При сатурнизме наблюдается ряд симптомов поражения ЦНС (головная боль, бессонница, судороги, галлюцинации, атрофия зрительного нерва), а также нарушения функции почек (альбуминурия) и желу дочно кишечного тракта ( «свинцовые колики» ).

В медицине соединения свинца применяются только наружно как антисептические и вяжущие средства. Ок сид винца РЬО входит в состав с свинцового пластыря, ис пользуемого при воспалительных заболеваниях кожи, фу рункулезе. Добавки свинца используют при изготовлении одежды для медперсонала рентгеновских кабинетов (фар туки, рукавицы, шлемы), так как свинец поглощает рент геновские лучи.

Серебро. Физиологическая роль серебра в живом орга низме изучена недостаточно. Серебро относится к ультра микроэлементам. Это означает, что оно находится в орга низме в концентрации менее 10 12 %.

В медицине применяются: 1. Нитрат серебра Аg. NO 3 (ляпис) вяжущее и прижи гающее средство, используется наружно. Применяется в стоматологии для серебрения корневых каналов и кариоз ных полостей зубов перед их пломбированием. Сначала из нитрата серебра получают аммиачный раствор оксида се ребра, затем добавляют водный раствор формальдегида с его массовой долей 10 %. Образующаяся серебряная пленка посылает в окружа ющее пространство ионы серебра, которые обладают бак терицидным действием. 2. Нитрат и хлорид серебра применяются для пропит ки перевязочного материала бумаги, ваты, марли.

Ртуть. Ртутное заражение почвы, природных вод, рас тений и животных в настоящее время характерно для многих регионов планеты. Оно связано с поступлением в биосферу большого количества ртути в виде продуктов промышленного производства, выхлопов транспорта, ядо химикатов.

Ртуть накапливается главным образом в пече ни и почках. При хроническом отравлении ртутью и ее со единениями ( «меркуризм» ) появляются металлический привкус во рту, сильное слюнотечение, слуховые и обоня тельные галлюцинации, головные боли, наблюдается ослабление памяти.

Применя ются в медицине: 1. Желтая ртутная мазь оксид ртути (II). Использу ется для лечения кожных заболеваний. 2. Хлорид ртути (II) Нg. С 12 (сулема). Обладает высокой токсичностью, при работе с ней необходимо соблюдать большую осторожность; растворы в разведении 1: 1000 применяются для дезинфекции белья, предметов ухода за больными, помещений, медицинского инструментария.

В медицине используют не только соединения, но и са му ртуть и ее пары (ртутные термометры, ртутные ма нометры в аппаратах для измерения кровяного давле ния). Ультрафиолетовые лучи, полученные от ртутно кварцевых ламп, глубоко прогревают ткани, губительно действуют на многие микроорганизмы.

IV. Закрепление. 1. Какие катионы 1 группы дают пирохимическую реакцию? 2. Назовите высокочувствительную реакцию на катион аммония. 3. Чем вторая группа катионов отличается от первой? 4. Предложите методы разделения осадков хлоридов катионов второй аналитической группы. 5. Перечислите фармакопейные методы качественного анализа катиона серебра 6. Перечислите фармакопейные методы качественного анализа катиона свинца 7. Перечислите фармакопейные методы качественного анализа катиона ртути 8. Для каких катионов 2 аналитической группы характерна реакция с иодидом калия? В чем отличия образовавшихся продуктов?

V. Задание на дом. Тема: Катиона 1 и 2 аналитических групп Вопросы для самоподготовки: 1. Частные реакции катиона калия 2. Частные реакции катиона натрия 3. Частные реакции катиона аммония 4. Частные реакции катиона серебра 5. Частные реакции катиона свинца 6. Частные реакции катиона ртути 7. Действие группового реактива второй аналитической группы

Литература: Барковский Е. В. Аналитическая химия: Учеб. Пособ. Мн. : Высш. шк. , 2004. Харитонов Ю. Я. Аналитическая химия (аналитика) В 2 кн. – М. : Высшая школа. , 2010