ГЛАВА III. ВВЕДЕНИЕ В КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ

А. МЕТОДЫ КАЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА

§ 1. Обнаружение отдельных элементов

В качественном анализе для установления состава исследуемого вещества используют характерные химические или физические свойства этого вещества. Например, аммиак легко узнают по специфическому запаху, а соли аммония — по выделению аммиака, образующегося при нагревании этих солей с едкой щелочью:

Совершенно нет необходимости выделять открываемые элементы в чистом виде, чтобы обнаружить их присутствие в анализируемом веществе. Однако выделение в чистом виде металлов, неметаллов и ил соединений иногда используется в качественном анализе для их идентификации, хотя такой путь анализа весьма труден. Для обнаружения отдельных элементов пользуются более простыми и удобными методами анализа, основанными на химических реакциях, характерных для ионов данных элементов и протекающих при строго определенных условиях. Так, для открытия серы в сульфиде железа (II) к пробе исследуемого вещества добавляют хлористоводородную кислоту. При этом сульфид железа (II) растворяется и появляется запах сероводорода, образующегося в результате реакции:

О присутствии в полученном растворе судят по выделению синего осадка , который образуется при добавлении к полученному раствору гексацианоферрата (III) калия :

Итак, в одном случае аналитическим признаком присутствия в анализируемом соединении искомого элемента является выделение газа, отличающегося специфическим запахом; в другом — выпадение осадка, характеризующегося определенным цветом.

Аналитические признаки. Помимо образования характерных осадков и газов аналитическими признаками ряда соединений являются также их определенная растворимость в воде, кислотах, щелочах, органических растворителях; отношение к нагреванию (частичная или полная возгонка, термическое разложение, обугливание), к действию окислителей и восстановителей, к концентрированной поведение при нагревании с плавнями (с ), образование кристаллов определенной формы, изменение цвета раствора, окрашивание бесцветного пламени горелки и т. п.

Например, аналитическими признаками являются: для — белый цвет, нерастворимость в воде, кислотах и щелочах и для белый цвет, нерастворимость в воде и уксусной кислоте, термическое разложение на при нагревании и при прокаливании, обесцвечивание кислого раствора и др., для кристаллогидратов — выделение воды при нагревании; для органических соединений — обугливание при прокаливании; для восстановителей — обесцвечивание подкисленного серной кислотой раствора перманганата калия для окислителей — выделение иода из нейтральных или кислых растворов при действии на них KI; для карбонатов — выделение двуокиси углерода при действии на них кислот и т. д. и т. п.

Одной из характерных качественных реакций на кислоты или щелочи, известных еще в древние времена, является изменение окраски лакмуса (индикатора).

Реакции, протекающие между твердыми веществами и газами. Аналитические реакции могут протекать не только в растворах, но и между твердыми, а также и газообразными веществами.

Примером реакции между твердыми веществами является описываемая ниже реакция выделения металлической ртути при нагревании сухих солей ее с карбонатом натрия (см. § 2).

Образование белого дыма при взаимодействии газообразного аммиака с хлористым водородом

может служить примером аналитической реакции с участием газообразных веществ.

Реакции, применяемые в качественном анализе. Реакции, используемые в качественном анализе, можно подразделить на следующие группы.

1. Реакции осаждения, сопровождающиеся образованием осадков различного цвета. Например, — белого цвета, -синий, — черный, — канареечножелтого цвета, — красный, — телесно-розовый, — золотистый и т. д.

Образующиеся осадки могут отличаться определенной кристаллической структурой, растворимостью в кислотах, щелочах, аммиаке и т. п.

2. Реакции, сопровождающиеся образованием газов, обладающих известным запахом, растворимостью и т. д.:

3. Реакции, сопровождающиеся образованием слабых электролитов. К числу таких реакций относят реакции, в результате которых образуются: и т. п.

Р. Бойль (1627—1691).

Реакциями этого же типа можно считать реакции кислотно-основного взаимодействия, сопровождающиеся образованием нейтральных молекул воды, реакции образования газов и малорастворимых в воде осадков и реакции комплексообразования.

4. Реакции кислотно-основного взаимодействия, сопровождающиеся переходом протонов (см. гл. И, § 2).

5. Реакции комплексообразования, сопровождающиеся присоединением к атомам комплексообразователя различных лигандов — ионов и молекул (см. гл. I, § 28).

6. Реакции комплексообразования, связанные с кислотно-основным взаимодействием (см. гл. I, § 33—34).

7. Реакции окисления — восстановления, сопровождающиеся переходом электронов (см. гл. II, § 1).

8. Реакции окисления — восстановления, связанные с кислотно-основным взаимодействием (см. гл. II, § 1).

9. Реакции окисления — восстановления, связанные с комплексооб-разованием. Например:

10. Реакции окисления — восстановления, сопровождающиеся образованием осадков:

11. Реакции ионного обмена, протекающие на катионитах или анионитах (см. гл. III, § 10).

12. Каталитические реакции (см. гл. VI, § 7), используемые в кинетических методах анализа (см. гл. III, § 11).

Общие и частные аналитические реакции. Различают общие и частные аналитические реакции. Общими реакциями называют реакции, при которых реактив реагирует с несколькими ионами. Например, общей реакцией для является их взаимодействие с , с которыми они образуют белые кристаллические осадки . Другими словами, общие реакции характеризуют целую группу ионов. Использование этих реакций дает возможность аналитику судить о наличии или отсутствии в исследуемом веществе определенной группы ионов.

Частными реакциями называют реакции, при которых различные реактивы образуют характерные соединения с определенными ионами; частные реакции свойственны данному иону. Известно небольшое число реакций, характерных только для определенных ионов.

Реакций обнаружения и разделения ионов. В качественном анализе различают реакции обнаружения, или распознавания, или открытия, ионов и реакции разделения ионов.

Приведенная ранее реакция является примером реакции обнаружения.

И. Я. Берцелиус (1799—1848).

Реакции, при помощи которых отделяют одни виды ионов от других, называют реакциями отделения (разделения). Очень часто реакции обнаружения являются также реакциями разделения.

Отделить ионы друг от друга можно, например, прибавлением реактива, образующего малорастворимые соединения с одними ионами и не оказывающего такого действия на другие. Так, можно отделить от добавлением , полностью осаждающего катионы щелочноземельных металлов в виде малорастворимых карбонатов.

Реакции разделения должны удовлетворять главному условию: они должны практически полностью отделять одни ионы от других.

Историческая справка. Основателем качественного анализа считают знаменитого английского химика и физика Роберта Бойля (1627—1691), разработавшего общие понятия о химическом анализе. Он систематизировал известные в то время качественные реакции и предложил реакций на хлор, аммиак, сульфаты и др., впервые применил лакмус (используемый и до настоящего времени) в качестве индикатора на кислоты и основания.

Шведский ученый Т. О. Бергман (1735—1784) разработал систематический ход качественного анализа, основные положения которого сохранились до наших дней. Он усовершенствовал сухой способ анализа (с примененем калильной трубки).

Французский ученый Л. Ж. Тенар (1777—1857) одним из первых химиков применил общий систематический ход анализа. Он опубликовал книгу по аналитической химии, в которой рассмотрен систематический ход анализа, основанный на делении катионов по свойствам их сернистых соединений.

Систематический ход анализа был усовершенствован немецким химиком К. Р. Фрезениусом (1818—1897). К. Р. Фрезениус написал фундаментальные руководства по качественному и количественному анализу. В 1862 г. он основал первый журнал по аналитической химии (Zeitschrift analytische Chemie).

В дальнейшем методы химического анализа непрерывно развивались и совершенствовались, появлялись новые методы, позволяющие не только устанавливать состав сложных веществ, но также открывать новые элементы и определять их атомные веса. Большая работа в этом направлении была проведена выдающимся шведским химиком И. Я. Берцелиусом (1779—1848). Ему принадлежит честь открытия церия, селена, торий и тантала; он определил атомные веса 50 элементов и разработал оригинальный метод элементного анализа органических соединений, усовершенствованный впоследствии немецким химиком Ю. Либихом (1803—1873).

В 1844 г. профессором Казанского университета К. К. Клаусом (1796—1864) был открыт новый элемент, названный в честь России рутением (от Ruthenia — Россия). В 1862 г. К. К. Клаус опубликовал «Методйческие таблицы реакций, применяемых при химико-аналитических исследованиях», в которых были представлены разнообразные способы анализа неорганических веществ, приведена аналитическая классификация химических элементов и описан систематический сероводородный метод качественного анализа.

Большую роль в развитии аналитической химии вообще и качественного анализа в частности сыграли работы русских ученых: М. В. Ломоносова, Т. Е. Ловица, В. М. Севергина, Д. И. Менделеева, Н. А. Меншуткина и др.

Н. А. Меншуткин (1842-1907) из основателей Русского химического общества — первым определил аналитическую химию как самостоятельную научную дисциплину и ввел в практику ее преподавания оригинальный научный метод. Его руководство по аналитической химии, опубликованное в 1871 г., выдержало много изданий и было переведено на ряд иностранных языков. По этой книге обучалось несколько поколений химиков-аналитиков.

В развитии аналитической химии большую роль сыграла теория электролитической диссоциации, предложенная шведским ученым С. А. Арениусом.

Среди других Иностранных ученых, внесших свой вклад в развитие аналитической химии, следует отметить несколько имен. Швейцарский химик Ф. П. Тредвелл, создавший оригинальный курс аналитической химии, который многократно издавался на разных языках, в том числе и на русском языке.

К. К. Клаус (1796—1864).

Американский ученый И. М. Кольтгоф, опубликовавший большое число теоретических и экспериментальных работ, учебников и монографий по аналитической химии, некоторые из которых переведены на русский язык. Ф. Файгль, разработавший одновременно с советским ученым Н. А. Тананаевым капельный метод анализа. Французский ученый Г. Шарло опубликовавший ряд известных книг по аналитической химии. В. Ф. Гиллебранд, знакомый советским читателям по его фундаментальной монографии «Практическое руководство по неорганическому анализу» и др.