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.