1、实验十 常见无机阳离子的分离与鉴别,一、实验目的 1、运用所学元素及化合物的基本知识，进行常见物质的分离和鉴别 2、进一步培养观察实验和分析现象中所遇到的问题的能力,二、实验原理,1、物质的检验方法与技巧（1）、物质的检验的类型 物质的检验包括鉴定、鉴别和推断等类型。鉴定：鉴定是根据一种物质的特性，用化学方法检验它是不是这种物质。若是离子化合物，必须检验它的阳离子和阴离子；鉴别：鉴别是根据几种物质的不同特性，区别它们各是什么物质；推断：推断是根据已知实验步骤和实验现象，运用物质特性进行分析，通过推理，判断被检验的样品是什么物质。或样品中含有什么物质，不含什么物质等。,2、物质检验的方法物质的检
2、验一般包括取样、操作、现象、结论四个部分：“先取样，后操作”。如果样品是固体，一般先用水溶解，配成溶液后再检验；要“各取少量溶液分别加入几支试管中”进行检验，不得在原试剂瓶中进行检验；要“先现象，后结论”，如向Na2CO3溶液中滴加盐酸，所观察到的现象应记录为“有气泡产生”或“有无色气体放出”，不能说成“碳酸钠和盐酸反应，放出二氧化碳”，或“有无色二氧化碳气体放出”。,1、已知阳离子混合溶液的分析根据阳离子化合物的溶解性、溶液的酸碱性的不同以及相应的配合物的生成，选取合适的试剂作消去实验。结合观察试液的颜色，PH值，消去不可能存在的离子，初步确定试样的组成，并对可能存在的离子进行确证实验。,2
3、、未知阳离子混合溶液的分析消去不可能存在的离子，具体如下：（1）观察颜色（2）测PH值（3）依次用HCl，H2SO4、NaOH、氨水、H2S等组试剂进 行消去实验（4）对未消去的离子选择合适的方法加以确证。,阳离子分析一、常见阳离子的分组 常见的阳离子有二十几种，我们讨论的是下列24种：Ag+、Hg22+、Hg2+、Pb2+、Bi3+、Cu2+、Cd2+、As(,)、Sb(,)、Sn(,)、Al3+、Cr3+、Fe3+、Fe2+、Mn2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Ba2+、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+。,在阳离子的鉴定反应中，相互干扰的情况较多，实验室常用的混合阳离子分组法
4、有硫化氢系统法和两酸两碱系统法。,阳离子的种类较多，个别检出时，容易发生相互干扰，所以一般阳离子分析都是利用阳离子某些共同特性，先分成几组，然后再根据阳离子的个别特性加以检出。凡能使一组阳离子在适当的反应条件下生成沉淀而与其它组阳离子分离的试剂称为组试剂，利用不同的组试剂把阳离子逐组分离再进行检出的方法叫做阳离子的系统分析。在阳离子系统分离中利用不同的组试剂，有很多不同的分组方案。,实验室常用的混合阳离子分组法有硫化氢系统法和两酸两碱系统法。,硫化氢系统分析简介,硫化氢系统分析法，依据的主要是各阳离子硫化物以及它们的氯化物、碳酸盐和氢氧化物的溶解度不同，按照一定顺序加入组试剂，把阳离子分成五个
5、组。然后在各组内根据各个阳离子的特性进一步分离和鉴定。硫化氢系统的优点是系统严谨，分离比较完全，能较好地与离子特性及溶液中离子平衡等理论相结合，但其缺点是硫化氢气体有毒，会污染空气，污染环境。,表1 简化的硫化氢系统分组方案组别 组试剂 组内离子 组的其他名称 稀HCl Ag+、Hg22+、Pb2+盐酸组，银组 H2S(TAA)A（硫化物不溶于Na2S）(0.3mol/LHCl)Pb2+、Bi3+、Cu2+、Cd2+硫化氢组，铜锡组 B（硫化物溶于Na2S）Hg2+、As,、Sb,、Sn,(NH4)2S Al3+、Cr3+、Fe3+、Fe2+(NH3+NH4Cl)Mn2+、Zn2+、Co2+、
6、Ni2+硫化铵组，铁组(NH4)2CO3 Ba2+、Ca2+、Sr2+碳酸铵组(NH3+NH4Cl)V-Mg2+、K+、Na+、NH4+可溶组，钙钠组,二、第一组阳离子分析（一）本组离子的分析特性 本组包括Ag+、Hg22+、Pb2+等3种离子，称为银组。由于它们能与HCl生成氯化物沉淀。最先从试液中分离出来，所以按顺序称为第一组，按组试剂称为盐酸组。1.离子的存在形式 本组三种离子均无色。银和铅主要以Ag+、Pb2+形式存在，亚汞离子是以共价键结合的双聚离子+Hg:Hg+，故记为Hg22+。但两个汞离子间的键并不牢固，在水溶液中有如下的平衡：Hg22+=Hg2+Hg,2.难溶化合物 本组离子
7、具有18或18+2的电子外壳，所以都有很强的极化作用和变形性，能同易变形的阴离子如C1-、Br-、I-、CN-、CO32-、SO42-、PO43-等生成共价化合物，难溶于水，这些难化合物的溶解度随着阴离子变形性的增大而降低。3.络合物 本组离子生成络合物的能力有很大差异。Ag+的络合能力很强，能同多种试剂生成络合物，其中在定性分析中用得较多的有Ag(NH3)2+、Ag(CN)2-、Ag(S2O3)23-等；Pb2+的络合能力较差，在定性分析中较有意义的除一些螯合物外，Pb(Ac)42-的生成常用于难溶铅盐(PbSO4、BaSO4)的溶解；Hg22+基本上没有很重要的无机络合物。,（二）组试剂与
8、分离条件 本组离子与组试剂HCl的反应为：Ag+Cl-AgCl(白色凝乳状，遇光变紫、变黑)Hg22+2Cl-Hg2Cl2(白色粉末状)Pb2+2C1-PbCl2(白色针状或片状结晶)为了创造适宜的沉淀条件。我们需要注意以下三个问题。1.沉淀的溶解度 AgC1和Hg2C12的溶解度很小，可以在本组沉淀完全，PbCl2的溶解度较大，25时，在其饱和溶液中每毫升可溶解11mg之多，而且随着温度升高，其溶解度显著增大。,2.防止Bi3+、Sb3+的水解 第二组离子中，Bi3+、Sb3+有较强的水解倾向，当溶液的酸度不够高时，它们生成碱式盐沉淀：Bi3+C1-+H2O=BiOCl+2H+Sb3+Cl-
9、+H2OSbOCl+2H+此种情况在溶液的酸度低于1.21.5mol/L时发生。为防止它们水解，应使上述平衡向左移。为此，要保证溶液有足够的H+浓度。本组组试剂所以采用HCl，就是考虑到它既含有C1-，又含有防止水解所需要的H+。,3.防止生成胶性沉淀 本组氯化银沉淀很容易生成难以分离的胶性沉淀。为防止此种现象发生，加入适当过量的沉淀剂，以便提供使胶体凝聚的电解质。综上所述，本组氯化物沉淀的条件是：在室温下的酸性溶液中加入适当过量的HCl。作为沉淀剂使用的一般为6mol/LHCl。（三）本组离子的系统分析 本组离子以组试剂沉淀为氯化物后，首先，PbCl2溶于热水，而AgCl、Hg2Cl2不溶，
10、据此可将铅与银和亚汞分开。其次，AgC1溶于氨水，而Hg2Cl2不溶。它们与氨水各自发生以下的反应：AgCl+2NH3Ag(NH3)2+C1+Hg2C12+2NH3Hg(NH2)C1+Hg+NH4Cl借此可将银跟亚汞分开。,1.本组的沉淀 取分析试液，首先检查其酸碱性，若为碱性，应以HNO3中和至微酸性，然后加入适当过量的盐酸。适宜的C1-浓度应为0.5mol/L，而H+浓度应大于2.0mol/L。此时如有白色沉淀产生，表示本组存在。离心沉降，沉淀经1mol/lHCl洗涤作本组分析。2.铅的分离和鉴定 PbC12的溶解度随温度升高而显著增大，AgCl和Hg2Cl2的溶解度很小，虽然温度升高时也
11、成倍增加，但其绝对重量仍然微不足道。因此在三种氯化物沉淀上加水并加热，则PbCl2溶解，可趁热将它分离。在此Pb2+量很大时，则离心液冷却后，即可析出PbCl2的白色针状结晶；但Pb2+量不大时，白色结晶可能不会析出。此时以HAc酸化溶液，加K2CrO4鉴定，如析出黄色PbCrO4沉淀，示有铅。,3.银与亚汞的分离及亚汞的鉴定 分出PbCl2后的沉淀应以热水洗涤干净，然后加入氨水，此时AgCl溶解，生成Ag(NH3)2+,分出后另行鉴定。Hg2Cl2与氨水作用，生成HgNH2Cl+Hg，残渣变黑，表示汞的存在。4.银的鉴定 在分出的Ag(NH3)2+溶液中加入HNO3酸化，可以重新得到AgCl
12、白色沉淀：Ag(NH3)2+C1-+2H+AgCl+2NH4+此现象说明有银的存在。,（一）本组离子的分析特性 本组包括Pb2+、Bi3+、Cu2+、Cd2+、Hg2+、As,、Sb,、Sn,等离子，称为铜锡组。它们的共同特点是不被HCl沉淀，但在0.3mol/LHCl酸性溶液中，可与H2S生成硫化物沉淀。按本组分出的顺序，称为第二组。按照所用的组试剂，称为硫化氢组。1.离子的存在形式 除Cu2+为蓝色外，其余均无色。铅、铋、铜、镉、汞具有显著的金属性质，在水溶液中主要以金属离子形式存在；而砷、锑、锡等三种元素则表现出不同程度的非金属性质。,三、第二组阳离子的分析,它们在溶液中的主要存在形式，
13、随酸碱环境而不同，因而当泛指该元素的离子时，只标出其氧化数而不具体指明其存在形式。砷、锑、锡三种元素主要以阴离子形式存在于溶液中。但由于存在下述平衡 AsO33-+6H+As3+3H2O SbCl63-=Sb3+6C1-SnCl42-Sn2+4Cl-溶液中也或多或少地存在着简单阳离子，并能生成相应的硫化物(如SnS2、As2S3等)，所以这些元素还是作为阳离子来研究。,2.氧化还原性质 砷、锑、锡三元素的离子具有两种比较稳定的价态，它们在分析上都具有重要的意义。例如，在沉淀本组硫化物时，As的反应速度较慢，必须采取相应的措施将其还原为As。为了在组内更好地进行分离，将Sn氧化为Sn是一般分析方
14、案都采取的步骤。铜、汞也各有一价和二价阳离子，但Cu+不够稳定，所以不作研究；Hg+和Hg2+都比较常见，后者是前者的还原产物，己在第一组研究过。Hg22+很容易被进一步还原，得到黑色的金属汞，故将Hg22+还原为Hg的反应常用于汞的鉴定。铋的阳离子主要以Bi3+形式存在。将Bi3+还原为Bi是铋的重要鉴定反应之一。,3.络合物 本组离子都能生成多种络合物。其中最常见的是氯络离子,因而大量Cl-存在时可影响到各简单离子的浓度。Cu2+、Cd2+都能生成氨合或氰合络离子Cu(NH3)42+、Cd(NH3)42+、Cu(CN)42+、Cd(CN)42+，它们在Cu2+、Cd2+的分离和鉴定上有很多
15、应用。Bi3+与I-生成黄色的碘合络离子BiI4-，用于铋的鉴定。Hg2+与I-无色碘合络离子HgI42-,它与KOH一起的溶液，可用于NH4+的鉴定，称为奈氏试剂。,（二）组试剂与分离条件 本组与第三、四、五组的分离，是基于硫化物溶解度的不同。本组硫化物可在0.3mol/LHCl酸性溶浓中生成，而第三组硫化物的沉淀则要求更低的酸度。第四、五组不生成硫化物沉淀。为了将本组比较完全地同第三组分开，我们需要讨论以下几个问题。1.沉淀要求的酸度 第二组阳离子硫化物的溶度积比第三组阳离子硫化物的溶度积小得多。在实际分析中，第二组中较难沉淀的是CdS，它的溶度积也比第三组中溶度积最小的ZnS要小近十万倍
16、。,Ksp(CdS)7.110-28 Ksp(ZnS)=1.210-23显然，沉淀第二组所需要的S2-浓度远远小于沉淀第三组所需要的。这就提供了一种可能性：控制S2-的浓度，使第二组硫化物沉淀，而第三组离子仍然可以留在溶液中，从而将两组彼此分开。控制S2-浓度的方法，在于利用离子平衡的原理。在溶液中，S2-的浓度是由下述平衡决定的：H+2S2-/H2S=K1K2=5.7l0-81.210-15=6.810-23 S2-6.810-23H2S/H+2 即硫离子浓度与氢离子浓度的平方成反比，调节溶液的酸度就可以达到控制硫离子浓度的目的。那么，S2-浓度控制在多大时才能使第二组沉淀完全，而第三组又不沉淀呢?从理论上讲这是可以通过下列方法进行计算。,事实上，沉淀本组硫化物的最适宜的酸度，是通过实验方法测得的，分离第二、三组所需要的酸度约为0.3mol/LHCl，超过这个酸度，则第二组硫化物便不能完全沉淀。相反，酸度太低不仅第三组硫化物有可能沉淀，就是对于第二组中的砷、锑、锡等硫化物沉淀也是很不利的。这是因为：1.它们只有在酸性环境中才能产生出生成硫化物所必需的简单阳离子。以砷为例：AsO33-
