З А Н Я Т И Е N ... s-элементы и их соединения УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА N 12

1
З А Н Я Т И Е N 12
ТЕМА: Основы качественного анализа.
s-элементы и их соединения
УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА N 12
Химико-аналитические свойства ионов s-элементов
I аналитической группы
Катионы Na+, K+ относятся к первой аналитической группе катионов. Эта
группа характеризуется отсутствием группового, реактива, т.е. реактива,
способного осаждать все катионы этой группы из их растворов.
РЕАКЦИИ КАТИОНА КАЛИЯ (К+)
1. Натрия гексанитрокобальтат (III) Na3[Co(NO2)6] образует с ионами калия
желтый кристаллический осадок калия-натрия гексанитрокобальтата(III):
2 KCl + Na3[Co(NO2)6] → K2Na[Co(NO2)6] ↓ + 2 NaCl
2K+ + Na+ + [Co(NO2)6]3ˉ → K2Na[Co(NO2)6] ↓
Обнаружение иона К+ с помощью натрия гексанитрокобальтата (III) проводят
в нейтральном или слабо кислом растворе, т.к. в щелочных и сильно кислотных
средах реагент разлагается:
[Со(NO2)6]3ˉ + 3 OHˉ → Co(OH)3 ↓ + 6 NO2ˉ
[Co(NO2)6]3ˉ + 10 H+ → 2 Co2+ + 5 NO + 7 NO2 + 5 H2O
ОПЫТ. В пробирку внести 2 капли раствора соли калия, прибавить одну
каплю разбавленного раствора уксусной кислоты и 2 капли раствора натрия
гексанитрокобальтата (III). Что наблюдается?
2. Натрия гидротартрат NaHC4H4O6 или винная кислота H2C4H4O6 образуют с
ионами калия белый мелко-кристаллический осадок:
KCl + NaHC4H4O6 → KHC4H4O6 ↓ + NaCl
K+ + HC4H4O6ˉ → KHC4H4O6 ↓
Если реагентом является винная кислота, то реакцию необходимо проводить в
присутствии натрия ацетата CH3COONa:
2
KCl + H2C4H4O6 + CH3COONa → KHC4H4O6 ↓ + NaCl + CH3COOH
Обнаружение иона К+ с помощью натрия гидротартрата и винной кислоты
проводят в нейтральных или слабокислых средах, т.к. в присутствии щелочей и
сильных кислот происходит растворение калия гидротартрата:
KHC4H4O6 ↓ + HCl → H2C4H4O6 + KCl
KHC4H4O6 ↓ + KOH → K2C4H4O6 + H2O
Кроме того, реакцию ведут на холоде, т.к. повышение температуры
способствует растворению осадка калия гидротартрата.
ОПЫТ. В пробирку внести 2 капли раствора соли калия и 2 капли раствора
натрия гидротартрата. Для лучшей кристаллизации осадка необходимо потереть
стеклянной палочкой о стенки пробирки. Что наблюдается?
РЕАКЦИИ КАТИОНА НАТРИЯ (Na+)
1.
Калия гексагидроксостибиат (Y) К[Sb(OH)6] образует с ионом натрия
белый кристаллический осадок натрия гексагидроксостибиата (Y):
NaCl + K[Sb(OH)6] → Na[Sb(OH)6] ↓ + KCl
Na+ + [Sb(OH)6] ˉ → Na[Sb(OH)6] ↓
ОПЫТ. Поместить в пробирку 3 капли нейтрального или слабо щелочного
раствора соли натрия. Прилить 3 капли раствора калия гексагидростибиата (Y).
Если осадок не выпадает, охладить пробирку в струе водопроводной воды и
потереть внутренние стенки пробирки стеклянной палочкой.
Во вторую пробирку поместить 3 капли раствора соли натрия, подкислить 2
каплями раствора соляной кислоты (проба на лакмус) и к полученной смеси
добавить 3 капли раствора калия гексагидроксостибиата (Y). Что выпадает в
осадок?
Затем в обе пробирки с осадками добавить по несколько капель раствора
щелочи до сильно щелочной реакции (проба на лакмус). Почему исчезают осадки?
Ионы S-элементов II аналитической группы
Катионы магния, кальция, бария и стронция относятся ко II аналитической
группе катионов, которая характеризуется наличием группового реактива
(NH4)2CO3, осаждающего любой из приведенных катионов из его раствора.
РЕАКЦИИ КАТИОНА МАГНИЯ (Mg2+)
3
1. Аммония карбонат (NH4)2CO3 с раствором соли магния образует белый
аморфный осадок основной соли (MgOH)2CO3:
2 MgCl2 + 2 (NH4)2CO3 + H2O → (MgOH)2CO3 ↓ + CO2 ↑ + 4 NH4Cl
2 Mg2+ + 2 CO32ˉ + H2O → (MgOH)2CO3 ↓ + CO2 ↑
ОПЫТ. В две пробирки поместите по 2 капли раствора соли магния, в первую
прибавьте 2 капли раствора NH4Cl, а затем в обе пробирки добавьте по 2 капли
раствора (NH4)2CO3. Объясните, почему в первой пробирке (в присутствии NH 4+)
осадок не выпадает?
2. Едкие щелочи и аммония гидроксид с растворами солей магния образуют
аморфный осадок Mg(OH)2, хорошо растворимый в кислотах и растворах
аммонийных солей:
Mg2+ + 2 OHˉ → Mg(OH)2 ↓
Растворение в кислотах:
Mg(OH)2 + 2 H+ → Mg2+ + 2 H2O
Растворение в растворах аммонийных солей:
Mg(OH)2 + 2 NH4+ → Mg2+ + 2 NH4OH
ОПЫТ. Поместить в пробирку 2 капли раствора соли магния и прилить
равный объем раствора едкого натра. Испытать образовавшийся осадок на
растворимость в NH4Cl и HCl. Что наблюдается?
3. Натрия гидрофосфат Na2HPO4 в присутствии растворов NH4Cl и NH4OH
образует с растворами солей магния белый кристаллический осадок двойной соли:
Mg2+ + HPO42ˉ + NH4OH → MgNH4PO4 ↓ + H2O
Раствор NH4Cl препятствует образованию осадка Mg(OH)2 при добавлении
NH4OH. Добавление же NH4OH препятствует образованию кислой соли MgHPO4.
ОПЫТ. К 3 каплям исследуемого раствора прибавить 3 капли 2 н. раствора
NH4Cl и 2 или более капель раствора NH4OH. Раствор хорошо перемешать.
Прибавить 3 капли 2 н. раствора Na2HPO4 и перемешать. Испытать осадок на
растворимость в соляной кислоте. Что наблюдается?
РЕАКЦИИ КАТИОНА БАРИЯ (Ва2+)
4
1. Аммония карбонат (NH4)2CO3 осаждает катион Ва2+ из растворов его солей в
виде белого аморфного, постепенно кристаллизующегося осадка BaCO3:
BaCl2 + (NH4)2CO3 → BaCO3 ↓ + 2 NH4Cl
Ba2+ + CO32ˉ → BaCO3 ↓
Осадок хорошо растворим в кислотах, в том числе слабых:
BaCO3 + 2 H+ → Ba2+ + CO2 ↑ + H2O
ОПЫТ. В пробирку внести 2 капли раствора BaCl2 и прибавить 3 капли
раствора (NH4)2CO3. Испытать осадок на растворимость в соляной и уксусной
кислотах. Что наблюдается?
2. Серная кислота H2SO4 и ее растворимые соли образуют с растворами солей
бария белый кристаллический осадок бария сульфата:
BaCl2 + H2SO4 → BaSO4 ↓ + 2 HCl
Ba2+ + SO42ˉ → BaSO4 ↓
Осадок BaSO4, как и SrSO4, и CaSO4 не растворяется в кислотах.
ОПЫТ. В пробирку внести 3 капли раствора соли бария и столько же раствора
разбавленной H2SO4. Испытать осадок на растворимость в растворах кислот. Что
наблюдается?
3. Калия дихромат K2Cr2O7 образует с растворами соли бария желтый осадок
BaCrO4, нерастворимый в уксусной кислоте, в отличие от стронция хромата
(стронция хромат хорошо растворяется в воде):
2 Ba2+ + Cr2O72- + H2O → 2 BaCrO4↓ + 2 H+
Реакцию проводят в присутствии избытка CH3COONa, который реагирует с
образующимися ионами Н+, смещая равновесие вправо, вследствие образования
мало диссоциированной уксусной кислоты:
CH3COOˉ + H+ → CH3COOH
ОПЫТ. В пробирку поместить 2 капли раствора BaCl2, прилить 3 капли
раствора CH3COONa и 2 капли раствора K2Cr2O7. Что наблюдается?
РЕАКЦИИ КАТИОНА КАЛЬЦИЯ (Са2+)
1. Аммония карбонат (NH4)2CO3 осаждает из растворов солей кальция белый
осадок CaCO3, который при нагревании переходит в кристаллический:
CaCl2 + (NH4)2CO3 → CaCO3 ↓ + 2 NH4Cl
5
Ca2+ + CO32ˉ → CaCO3 ↓
Осадок легко растворяется в минеральных и уксусной кислотах.
ОПЫТ. В пробирку влить 2 капли раствора CaCl2 и прибавить 3 капли
раствора (NH4)2CO3. Испытать осадок на растворимость в соляной и уксусной
кислотах. Что наблюдается?
2. Аммония оксалат (NH4)2C2O4 образует с раствором соли кальция белый
кристаллический осадок, растворимый в соляной, но нерастворимый в уксусной
кислотах:
CaCl2 + (NH4)2C2O4 → CaC2O4 ↓ + 2 NH4Cl
Ca2+ + C2O42ˉ → CaC2O4 ↓
Аналогичный осадок дают ионы Ba2+ и Sr2+. Поэтому этой реакцией можно
обнаружить Ca2+ только в отсутствии ионов бария и стронция.
ОПЫТ. К 2 каплям раствора CaCl2 прибавить 2 капли раствора (NH4)2C2O4.
Образовавшийся белый осадок разделить на две части и испытать на
растворимость в соляной и уксусной кислотах. Какой вывод следует из опыта?
3. Калия гексацианоферрат (II) K4[Fe(CN)6] в присутствии солей аммония
образует с солями кальция белый кристаллический осадок кальция и аммония
гексацианоферрат (II) Ca(NH4)2[Fe(CN)6]:
CaCl2 + 2 NH4Cl + K4[Fe(CN)6] → Ca(NH4)2[Fe(CN)6] ↓ + 4 KCl
Ca2+ + 2 NH4+ + [Fe(CN)6]4ˉ → Ca(NH4)2[Fe(CN)6] ↓
ОПЫТ. В пробирку поместить 3 капли раствора CaCL2, прибавить по 3-4
капли растворов NH4Cl и NH4OH и 4-5 капель раствора калия гексацианоферрата
(II). Что наблюдается?
РЕАКЦИИ КАТИОНОВ СТРОНЦИЯ (Sr2+)
1. Аммония карбонат (NH4)2CO3 при взаимодействии с растворами солей
стронция осаждает стронция карбонат:
Sr2+ + (NH4)2CO3 → SrCO3 ↓ + 2 NH4+
белого цвета, растворимый в уксусной, соляной и азотной кислотах с выделением
диоксида углерода:
SrCO3 + 2 H+ → Sr2+ + CO2 ↑ + H2O
6
ОПЫТ. 2 капли раствора соли стронция поместить в пробирку и прибавить 2
капли раствора (NH4)2CO3. Испытать растворимость образовавшегося осадка в
соляной и уксусной кислотах. Что наблюдается?
2. Насыщенный раствор гипса CaSO4.2H2O (гипсовая вода) образует с ионами
Sr2+ белый осадок стронция сульфата:
Sr2+ + SO42ˉ → SrSO4 ↓
Однако при действии гипсовой воды ион стронция дает не обильный осадок, а
только небольшую муть, появляющуюся не сразу из-за образования
перенасыщенного раствора. Появление ускоряют нагреванием.
Реакция служит для обнаружения Sr2+ только в присутствии Ва2+, который с
гипсовой водой дает муть бария сульфата, появляющуюся сразу, т.к.
растворимость BaSO4 меньше растворимости SrSO4 (ПР (SrSO4) = 2,8·10ˉ7; ПР
(BaSO4) = 1,1·10ˉ7).
Гипсовая вода не образует осадков с растворами солей кальция ни на холоду,
ни при нагревании. Этим ион Ca2+ отличается от ионов Ва2+ и Sr2+.
ОПЫТ. Внести в первую пробирку 2 капли раствора соли Sr 2+, во вторую – 2
капли раствора соли Ва2+. Прибавить в каждую по 2 капли раствора гипсовой
воды. Содержимое первой пробирки подогреть на водяной бане. Что наблюдается?
КОНТРОЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА N 12
Определение содержания катионов 1 и 3 аналитических групп в
растворах
По результатам качественного анализа определите, какой катион s-элемента
содержится в каждом из предложенных растворов. При обработке результатов
анализа выясните, какую цель преследуют аналитические пробы и какой вывод
следует сделать на основании внешнего эффекта каждой пробы.
Пример выполнения контрольно-аналитической задачи N 12
Вам предложены 5 пронумерованных пробирок с растворами. Все растворы
бесцветны, т.к. s-элементы не имеют окрашенных катионов. Чтобы выяснить
принадлежность катионов к 1 или 3 аналитическим группам, добавляем к
отдельным пробам, взятым из соответствующих пробирок, раствор аммония
карбоната (или аммония оксалата). Те пробирки, в которых произошло выпадение
осадка, содержат катионы 3 группы. В остальных пробирках – катионы 1
аналитической группы.
7
Затем растворы, содержащие катионы 1 аналитической группы, исследуют,
приливая к ним растворы специфических реагентов на катионы данной группы.
Аналогично выполняются анализы растворов катионов 3 аналитической
группы (см. таблицу).
ФОРМА ОТЧЕТА:
1. Представить описание качественных реакций катионов металлов sэлементов, которое должно включать:
а) уравнение реакции в молекулярной и молекулярно-ионной формах;
б) условия проведения реакций;
в) результаты наблюдения (цвет осадка, окраска раствора и т.д.)
2. Оформить контрольно-аналитическую задачу N 12.
Вспомогательные материалы:
(оснащение занятия)
а) химическая посуда: пробирки, предметные стекла, глазные пипетки;
б) реактивы;
в) таблицы 1, 2, 3, 4.
Материалы для контроля усвоения темы:
– ситуационные задачи;
–тексты контрольных работ.
8
Определение катионов, входящих в состав
1 и 3 аналитических групп
Операция
Определение
принадлежности
катионов к 1 и 3
аналитическим
группам
Реактив
(NH4)2CO3
Определение
катионов 1 анал.
группы:
а) К+
Na3[Co(NO2)6]
б) Na+
KH2SbO4
Наблюдения
Уравнение реакции
Выпадение бе- Ме2+ + CO3 2-→ МеСО3↓
лого осадка в
пробирках 1 и 3
t
Образование
2К + Na + [Co(NO2)6] ˉ →
желтого осадка К2Na[Co(NO2)6] ↓
в пробирке 2
+
Образование
белого осадка
в пробирке 4
+
3
Na+ + H2SbO4ˉ → NaH2SbO4 ↓
Заключение
В проб. 1 и
3 катионы
3 ан.
группы.
В проб. 2,
4,
5
катионы
1 ан.
группы
В проб. 2 и
5 катион
К+
В проб. 4
катион Na+
9
Определение
катионов 3 анал.
группы:
а) Ва2+
К2Cr2O7
б) Са2+
К4[Fe(CN)6]
Образование
желтого осадка в пробирке
1
Образование
белого осадка
в пробирке
2Ва2+ + Cr2O72ˉ + Н2О → 2ВаCrO4↓ + 2 Н+
Н+ + СН3СООˉ → CН3СООН
t
Са + [Fe(CN)6] ˉ + 2 NH4 →
→ Ca(NH4)2[Fe(CN)6] ↓
2+
4
+
В проб. 1
катион
Ва2+
В проб. 3
катион
Са2+
10
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ:
А. S-элементы I группы периодической системы
1. Какой из s-элементов I группы периодической системы в виде простого
вещества является газом? В чем проявляется его сходство и различие с остальными
элементами этой группы?
2. Сравните щелочные металлы с другими элементами по значению таких
параметров,
как
радиусы
атомов,
ионизационные
потенциалы
и
I
электроотрицательность. Как изменяются эти величины для s -элементов в
пределах группы?
3. Приведите примеры реакций, иллюстрирующих большую химическую
активность щелочных металлов. В каком направлении она усиливается и по каким
причинам?
4. При помощи каких реакций можно осуществить следующие превращения:
а) NaCl → NaOH → Na2CO3 → NaNO3 → NaNO2;
б) NaCl → Na → Na2O2 → NaO2 → Na2SO4?
В. S-элементы II группы периодической системы
1. Напишите электронные формулы и назовите все s-элементы II группы
периодической системы. Какой из них радиоактивен и какие составляют триаду
щелочно-земельных элементов? Объясните причину различия в химических
свойствах бериллия и бария.
2. Закончите уравнения реакций:
а) Be + HCl + H2O →
б) Ca3(PO4)2 + H2SO4 →
в) BaO2 + H2SO4 →
г) MgCl2 + Na2CO3 + H2O →
3. При качественном анализе образца раствора получены следующие результаты аналитических проб: исследуемый раствор
1)
с раствором аммония карбоната (NH4)2CO3, образует белый осадок, нерастворимый в NH4Cl;
2)
с растворами серной кислоты, калия дихромата и гипсовой водой
CaSO4 осадков не образует;
3) с раствором калия гексацианоферрата (II) в присутствии буферного раствора (NH4OH + NH4Cl) выпадает белый осадок, скорость образования которого увеличивается при нагревании.
Определите, какой катион содержится в исследуемом растворе? Приведите
уравнения выше названных реакций в молекулярной и молекулярно-ионной формах.
11
МАТЕРИАЛЫ УИРС: Качественное определение катионов s-элементов в
исследуемых растворах.
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ:
1. Конспект лекций.
2. Ю.А. Ершов и др. "Общая химия", М., "Высшая школа", 1993; с. 223-254;
3. Введение в химию биогенных элементов и химический анализ. Учебное
пособие для мед. вузов. Под ред. Е.В. Барковского – Минск, "Вышэйшая школа",
1997 г., с. 7-11, 23-27, 56-63;
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ:
1. Н.Л. Глинка. "Общая химия", Л., "Химия", 1988, с. 543-550, 587-599;
2. А.В. Суворов, А.Б. Никольский. "Общая химия", Санкт-Петербург,
"Химия", 1994, с. 451-465;
3.
К.Н. Зеленин "Химия", Санкт-Петербург, "Спец. литература" 1997, с.
292-319
12
ИНФОРМАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ S-ЭЛЕМЕНТОВ
И ПРИМЕНЕНИЕ ИХ СОЕДИНЕНИЙ В МЕДИЦИНЕ
Биологическая роль катионов s-элементов
I.
НАТРИЙ И КАЛИЙ
1. Содержание натрия в среднем составляет 0,26%, калия 0,22% от общей
массы организма. Катионы К+ содержатся преимущественно в клетках, Na+ – вне
клеток.
2. Ионы Na+ и К+ являются активаторами ферментов (Na-K-зависимая
аденозинтрифосфатаза).
3. Оказывают влияние на процессы торможения и возбуждения центральной
нервной системы: Na+ – вызывает торможение, К+ – возбуждение.
4. Велика роль Na+ в водном обмене организма и его регуляции.
5. Натрия и калия фосфаты (кислые соли) в крови и тканевых жидкостях
входят в буферные системы, поддерживающие постоянство рН. Ионы Na +, входя в
гидрокарбонатную буферную систему, создают щелочной резерв крови.
МАГНИЙ
1. Содержание магния в организме в среднем составляет около 0,04% по
массе. Это второй по содержанию внутриклеточный катион после К+. В мышечной
ткани магния в 10 раз больше, чем в крови.
2. Ионы Mg2+ – активаторы ферментов (например, некоторые гидролазы,
АТФ-азы).
3. Ионы Mg2+ участвуют в процессах минерализации костной ткани.
4. Ионы Mg2+ входят в состав хлорофилла, без которого невозможен процесс
фотосинтеза.
КАЛЬЦИЙ
1. Общее содержание кальция в организме составляет около 1,39% по массе.
Ионы Са2+ участвуют в структурообразовании костного скелета: в составе
Ca5(PO4)3F входят в состав костной ткани, эмали зубов.
2. Ионы кальция стабилизируют структуру белков, являются активаторами
ферментов, участвуют в мышечном сокращении, процессах свертывания крови,
деления клеток. Ионы Са2+ регулируют проницаемость клеточных мембран.
БЕРИЛЛИЙ. СТРОНЦИЙ. БАРИЙ
Соединения Ва , Ве2+ – яды!
2+
13
Изотоп Sr90 – радиоактивен, вызывает лучевую болезнь. Из-за близости
ионных характеристик ионов Ca2+, Sr2+, Ba2+ при хронических отравлениях
последние включаются в минеральный обмен вместе с Са2+, нарушая нормальную
кальцификацию скелета.
II. Лекарственные препараты на основе соединений s-элементов
1. NaCl (0,85%-ный раствор) – физиологический раствор, изотоничный плазме
крови. Плазмозамещающая жидкость при больших потерях крови. NaCl (10%-ный
раствор) – обезвоживающие повязки.
2. NaHCO3 – "медицинская сода", питьевая сода. Нейтрализует повышенную
кислотность желудочного сока:
NaHCO3 + HCl = NaCl + CO2 + H2O
3. Na2SO4.10H2O – "глауберова соль", оказывает слабительное действие.
4. KMnO4 – калия перманганат – антисептик.
5. KI – применяется при заболевании щитовидной железы.
6. KCl – органические соли калия – регуляторы сердечной деятельности.
7. NaBr, KBr – успокаивающие средства.
8. MgSO4·7H2O – "горькая соль", противогипертоническое, наркотическое,
спазмолитическое средство.
9. MgO – "жженая магнезия" понижает кислотность желудочного сока.
10. CaCl2 – повышает свертываемость крови.
11. 2CaSO4· H2O – хирургический гипс.
12. BaSO4 – рентгеноконтрастное средство из-за нерастворимости в воде,
кислотах, щелочах.