Аналитическая классификация катионов

В основу классификации ионов в аналитической химии положено различие в растворимости образуемых ими солей и гидроксидов, позволяющее отделять (или отличать) одни группы ионов от других.

Существуют разные системы группового разделения ионов: сероводородная, кислотно-основная, аммиачно-фосфатная, тиоацетамидная и т. д. Каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки. Основным недостатком сероводородной системы является необходимость работы с сероводородом, что требует хорошей вентиляции, склонность к образованию коллоидных сульфидных осадков, в результате чего нарушается разделение катионов на группы, и т. д. В кислотно-основной системе при разделении групп можно встретиться с затруднениями, особенно если концентрации разделяемых катионов сильно различаются. С подобными же затруднениями можно встретиться и в других системах разделения. Сознательный подход к групповому разделению позволяет в каждом конкретном случае использовать для этой цели метод, наиболее подходящий для анализируемой смеси ионов.

Классический систематический метод качественного анализа катионов основан на сульфидной классификации катионов, в которой катионы подразделяются на пять групп на основании различия в растворимости их сульфидов, хлоридов, карбонатов и гидроксидов (см. табл. 3).

Основываясь на приведенных в табл. 3 данных, операцию обнаружения катионов различных аналитических групп проводят следующим образом.

1. Исследуемый раствор подкисляют разбавленной НCl. При этом ионы V группы осаждаются в виде соответствующих хлоридов.

2. Отделив осадок, пропускают через кислый раствор газообразный H₂S. При этом катионы IV группы осаждаются в виде сульфидов. Для отделения ионов IVБ подгруппы осадок обрабатывают Na₂S, после чего в осадке остаются только сульфиды катионов IVА подгруппы.

3. Раствор после отделения осадка сульфидов ионов IV группы нейтрализуют NH₄OH (с NH₄C1) и обрабатывают (NH₄)₂S. При этом осаждаются сульфиды или гидроксиды (в случае А1³⁺_,Сг³⁺) катионов III группы.

4. Разрушив избыток (NH₄)₂S кипячением с уксусной кислотой, на раствор действуют (NH₄)₂CO₃. При этом катионы II группы выпадают в осадок в виде карбонатов, а катионы I группы остаются в растворе, где их и открывают.

Обнаружение иона NH₄⁺, который в ходе анализа вводят в раствор с реактивами, проводят в отдельной порции исследуемого раствора с помощью специфической реакции (щелочь в газовой камере) или реактива Несслера, представляющего собой смесь K₂[HgI₄] и КОН. Реактив Несслера при взаимодействии с солями аммония образует красно-бурый осадок:

NH₄C1 + 2K₂[HgI₄] + 4КОН = [OHg₂NH₂]I + 7KI + KCl + 3H₂O

Связь сульфидной классификации катионов с электронной конфигурацией атомов и ионов

Растворимость солей и гидроксидов катионов, лежащая в основе аналитической классификации, как и все другие свойства катионов, функционально связана с положением соответствующих элементов в периодической системе.

Катионы s-элементов, обладающие 2- и 8-электронным внешним слоем (Li⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Са²⁺, Sr²⁺,Ba²⁺ и др.), являются слабыми поляризаторами и почти не поляризуются сами. При взаимодействии подобных катионов с сульфид-ионами не происходит заметной деформации электронных оболочек. Такие катионы, как правило, не образуют труднорастворимых в воде сульфидов и относятся к I и II аналитическим группам. Катионы Ag⁺, Hg²⁺, As(III), As(V), Sn⁺, Sb(III), Pb²⁺, Bi³⁺ и др., обладающие многоэлектронным внешним слоем (18 и 18 + 2), являются сильными поляризаторами и в то же время легко поляризуются сами. При взаимодействии подобных катионов с легко деформируемыми электронными оболочками сульфид-ионов происходит сильная поляризация обоих ионов и значительная деформация их внешних электронных оболочек. В соответствии с этим все катионы, обладающие внешней электронной структурой 18е^- или (18 + 2e^-) как правило, образуют сульфиды с очень малыми значениями констант растворимости и потому принадлежат к IV и V аналитическим группам.

Катионы с переходной электронной структурой, т. е. с незаконченным 18-электронным внешним слоем (Mn²⁺, Fc²⁺, Fe³⁺, Co²⁺, Ni²⁺и др.), занимают промежуточное положение. Являясь сравнительно сильными поляризаторами, они в то же время заметно поляризуются сами и потому при взаимодействии с сульфид-ионами дают труднорастворимые сульфиды. Эти катионы образуют III аналитическую группу. Их сульфиды имеют значительно большие значения констант растворимости, чем катионы IV и V групп.

Таким образом, сульфидная классификация катионов, основанная на признаке, имеющем на первый взгляд чисто практический характер, ни в коей мере не случайна, а связана с электронной конфигурацией атомов и ионов.

Группа катионов	I	II	III		IV		V
			А	Б	А	Б
Характеристика группы	Сульфиды и карбонаты растворимы в воде	Сульфиды растворимы в воде, карбонаты - нет	Сульфиды или образующиеся вместо них гидроксиды растворимы в разбавленных кислотых		Сульфиды нерастворимы в разбавленных кислотых
			Гидроксиды амфитерны	Гидроксиды неамфотерны	Сульфиды нерастворимы в Na₂S	Сульфиды растворимы в Na₂S	Хлориды нерастворимы в воде
Катионы	Na⁺, K⁺, NH₄⁺	Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺	Al³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺	Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Ni²⁺	Cu²⁺, Bi³⁺, Cd²⁺	As(III, V), Sb(III, V), Sn²⁺, Sn(IV), Hg²⁺	Ag⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺
Групповой реагент	Нет	(NH₄)₂CO₃	(NH₄)₂S в присутствии NH₄OH и NH₄Cl		H₂S в присутствии HCl		HCl