Окислительно - восстановительные реакции в аналитической химии. Применение реакций окисления-восстановления в химическом анализе Направление окислительно-восстановительных реакций

Слайд 2

План лекции: Использование ОВР в аналитической химии. Типы ОВР. Количественное описание ОВР. Константа равновесия ОВР. Устойчивость водных растворов окислителей и восстановителей.

Слайд 3

Использование ОВР в аналитической химии При пробоподготовке для переведения в раствор пробы. Для разделения смеси ионов. Для маскирования. Для проведения реакций обнаружения катионов и анионов в качественном химическом анализе. В титриметрическом анализе. В электрохимических методах анализа.

Слайд 4

Например, при гипоксии (состояние кислородного голодания) происходит замедление транспорта Н+ и е – в дыхательной цепи и накопление восстановленных форм соединений. Этот сдвиг сопровождается снижением ОВ потенциала (ОВП) ткани и по мере углубления ишемии (местное малокровие, недостаточное содержание крови в органе или ткани) ОВП снижается. Это связано как с угнетением процессов окисления вследствие недостатка кислорода и нарушения каталитической способности окислительно-восстановительных ферментов, так и с активацией процессов восстановления в ходе гликолиза.

Слайд 5

Типы ОВР 1. Межмолекулярные – изменяются степени окисления (С.О.) атомов элементов, входящих в состав разных веществ:

Слайд 6

2.Внутримолекулярные – окислитель и восстановитель - атомы одной молекулы:

Слайд 7

3. Самоокисления – самовосстановления (диспропорционирования) – один и тот же элемент повышает и понижает С.О. Cl2 - является окислителем и восстановителем.

Слайд 8

Количественное описание ОВР Например, чем сильнее основание, тем больше его сродство в протону. Также и сильный окислитель обладает большим сродством к электрону. Например, в кислотно-основных реакциях участвует растворитель (вода), отдавая и принимая протон, а в ОВР вода тоже может терять или присоединять электрон. Например, для проведения кислотно-основных реакций необходимы как кислота, так и основание, а в ОВР – и окислитель и восстановитель.

Слайд 9

Рассматривая ОВ пару в целом, можно записать схематичное уравнение реакции: Ox + nē = Red Равновесие в растворе можно описать с помощью равновесного потенциала, который зависит от состава раствора по уравнению Нернста:

Слайд 10

При температуре 298 К уравнение Нернста принимает вид:

Слайд 11

Непосредственно измерить электродный потенциал сложно, поэтому все электродные потенциалы сравнивают с каким-либо одним («электродом сравнения»). В качестве такого электрода используют обычно так называемый водородный электрод.

Слайд 12

В уравнении Нернста можно использовать вместо активностей ионов их концентрации, но тогда необходимо знать коэффициенты активностей ионов:

Слайд 13

На силу окислителя и восстановителя могут влиять: значение рН, реакции осаждения реакции комплексообразования. Тогда свойства редокс-пары будут описываться реальным потенциалом.

Слайд 14

Для расчета реального потенциала полуреакций, получаемых сочетанием ОВР и реакций осаждения, используются формулы:  если окисленная форма представляет собой малорастворимое соединение:

Слайд 15

 если восстановленная форма представляет собой малорастворимое соединение:

Слайд 16

Сочетание ОВР и реакций комплексообразования

 если окисленная форма связана в комплекс:

Слайд 17

 если восстановленная форма связана в комплекс:

Слайд 18

 если обе формы связаны в комплекс:

Слайд 19

Сочетание ОВР и реакций протонирования

если протонируется окисленная форма:

Слайд 20

если протонируется восстановленная форма:

Слайд 21

если протонируются обе формы:

Слайд 22

если реакция протекает по следующему уравнению: Ox +mH+ + nē = Red + H2O тогда

Как известно, когда частица (атом, ион, молекула) отдает электрон, то она окисляется и является восстановителем, если принимает – восстанавливается и является окислителем. Реакции окисления ми восстановления неразрывно связаны, их называют окислительно-восстановительными (редокс) реакциями. Большинство применяемых в аналитической химии о-в реакций протекает в растворах.

О – в реакции очень широко используются в аналитической химии.

1) Для перевода ионов и соединений из более низких в более высокие степени окисления и наоборот для предотвращения их вредоносного влияния на анализ (например, окисление Fe 2+ до Fe 3+ ;

2) Для обнаружения ионов, дающих характерные реакции с окислителями или восстановителями, например Mn 2+ (бесцв.) ® МnO 2 (черно-бурый); Mn 2+ (бесцв.) ® MnO 4 - (малиновый).

3) Для разделения ионов, окисляющихся или восстанавливающихся с образованием малорастворимых ионов.

Используют различные методы:

¾ перманонатометрия (в основе лежит реакция Mn 2+ ® MnO 4 - , при этом меняется цвет);

¾ йодометрия (I - ®I 2) и т.д.

Для окислительно-восстановительных реакций характерно наличие в растворе, как минимум, 2-х окисленных и 2-х восстановленных форм, т.е 2 пары окислитель-восстановитель.

Для выяснения направления протекания окислительно-восстановительной реакции используется понятие окислительно-восстановительного потенциала, который для каждой пары окислитель-восстановитель свой.

Бывает стандартный о-в потенциал и нестандартный. Зависимость О-В потенциала данной пары от концентрации окислителя и восстановителя выражается посредством уравнения Нернста.

Как известно, при погружении металлической пластинки в раствор соли этого металла на границе раствор/электрод возникает потенциал, непосредственно измерить который не представляется возможным. Оценивают относительно нулевой точки – стандартного водородного электрода, который состоит из инертного проводника - платиновой пластинки, покрытой чернью, погруженную в раствор кислоты с а Н + = 1, а через раствор пропускают под давлением 1 атм. газообразный водород.

Протекает реакция Н + + е « ½ Н 2

(Н + + е ® Н адс

Н адс + Н адс ®½ Н 2)

Т.о. на платине устанавливается равновесие, которое, в зависимости от условий, можно смещать в любую сторону. Величина потенциала этого электрода условно принята за 0.

Для равновесных условий справедливо уравнение Нернста:

Стандартный электродный потенциал водородного электрода, т.е. потенциал водородного электрода, погруженного в раствор с активностью ионов, относительно которых он обратим, равной 1 при стандартных условиях, R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура, F – число Фарадея, равно 96500 Кл. Можно записать:

Если электрод из инертного металла, например, платины, опустить в раствор, в котором происходит окислительно-восстановительный процесс, то на границе электрод/раствор возникает скачок потенциала, обусловленный этим процессом. Такие системы (и их потенциалы) называются окислительно-восстановительными или redox – системами (потенциалами).

где - стандартный потенциал о-в электрода, и - соответственно активности окисленной и восстановленной формы, n – число электронов, участвующих в окислительно-восстановительном процессе.

Возьмем оловянный электрод, представляет платиновую пластину, погруженную в водный раствор с солью Sn 2+ и Sn 4+ , напр. Sn(NO 3) 2 и Sn(NO 3) 4:

Sn 4+ + 2е « Sn 2+ . Эта реакция является потенциал-определяющей на платине и определяет окислительно-восстановительный потенциал среды.

или:

Возьмем электрод, представляющий платиновую пластину, погруженную в водный раствор с растворимыми солями Fe 2+ и Fe 3+ :

Fe 2+ + е « Fe 3+ Эта реакция является потенциал-определяющей на платине и определяет окислительно-восстановительный потенциал среды.

Если соединить 2 разных электрода, получим электрохимический (гальванический) элемент при этом электрод с более положительным потенциалом называют анодом, а отрицательным потенциалом – катодом.

Потенциалы, измеренные в паре с водородным электродом, при концентрации (активности) ионов, равной 1 и температуре 25 0 С называются нормальными.

Если пренебречь контактной разностью потенциалов, то ЭДС элемента (Е) равна разности электродных потенциалов:

,

где - потенциалы катода (более положительного) и анода (более отрицательного) электродов соответственно. На катоде идет процесс восстановления, а на аноде – окисления.

Кроме гальванических элементов, окислительно-восстановительные реакции в растворах также протекают в том направлении, когда окислителем является окисленная форма, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) которой больше, а восстановителем – восстановленная форма пары, окислительно-восстановительный потенциал которой меньше. Поэтому при записи и подборе коэффициентов в аналитической химии огромное значение имеют полуреакции ОВ реакций, их уравнения и зависимость по Нернсту.. Поэтому при записи и подборе коэффициентов в аналитической химии используется только метод полуреакций (метод электронного баланса не используется).

При этом учитывают закон сохранения массы вещества и принцип электронейтральности, т.е. число зарядов должно быть одинаково.

Рассмотрим О-В реакцию:

КMnO 4 + Na 2 SO 3 + … ® Mn 2+ + Na 2 SO 4

I полуреакция:

II полуреакция:

По уравнению Нернста:

Т.о. под ln находится [Н + ], меняя ее мы меняем ОВП.

Следует иметь ввиду, что после составления ионно-молекулярного уравнения каждой из полуреакций уравнивают число атомов всех элементов левой и правой части:

Если исходный ион или молекула содержат больше атомов кислорода, чем продукт реакции, то:

1. В кислой среде избыток атомов кислорода связывают ионами Н + в молекулы воды;

2. В нейтральной и щелочной среде избыток атомов кислорода связывают молекулами воды в группы ОН – ;

Если исходный ион или молекула содержат меньше атомов кислорода, чем продукт реакции, то:

1. Недостаток атомов кислорода в кислых и нейтральных растворах компенсируется за счет молекул воды;

2. В щелочных растворах – за счет ионов ОН –

По уравнению Нернста полуреакции можно менять ОВП не только за счет концентрации окисленной и восстановленной формы, но и за счет величины рН раствора. Т.о. один и тот же окислитель (MnO 4 –) при различных рН раствора дает различные продукты.

а) в кислой среде окисляется до Mn 2+

MnO 4 – + 8Н + + 5е ® Mn 2+ + 4Н 2 О 2

SO 3 2– + 2OH – -2е ® SO 4 2– + Н 2 О 5

2MnO 4 – + 16Н + + 5SO 3 2– + 10OH – ® 2Mn 2+ + 5SO 4 2– + 13Н 2 О

2MnO 4 – + 6Н + + 5SO 3 2– + ® 2Mn 2+ + 5SO 4 2– + 3Н 2 О

2КMnO 4 + 5Na 2 SO 3 + 3Н 2 SO 4 ® 2MnSO 4 + 5Na 2 SO 4 + K 2 SO 4 + 3Н 2 О

б) в нейтральной среде – до МnO 2:

КMnO 4 + Na 2 SO 3 + Н 2 О ® 2MnO 2 + 5Na 2 SO 4 + KОН

(конц-и твердых фаз не пишутся).

Применение реакций окисления-восстановления в химическом анализе

С помощью ОВ-реакций часто проводят разделение ве­ществ. Для этого используют их различия в окислитель­ных и восстановительных свойствах. Например, из-за одинаковой растворимости гидроксидов Мn(ОН) 2 и Mg(OH) 2 в хлориде аммония и хлороводородной кислоте разделить катионы Мn 2+ и Mg 2+ сложно. При применении гидроксида натрия и пероксида водорода образуются осад­ки МпО(ОН) 2 и Mg(OH) 2 ˸

MnSO 4 + 2КOН = Mn(OH) 2 + K 2 SO 4 ;

2Mn(OH) 2 + 2H 2 O 2 = 2Mn(OH) 4 → MnO(OH) 2 ↓ + H 2 O;

MgCl 2 + 2KOH = Mg(OH) 2 ↓ + 2KCl.

Осадок Mg(OH) 2 растворяется в избытке аммонийных солей, а осадок МnО(ОН) 2 не растворяется˸

Mg(OH) 2 + 2NH 4 Cl = MgCl 2 + 2NH 4 OH.

Обнаружению иона калия К + обычно мешают ионы ам­мония NH + 4 , вступающие в однотипные реакции. Ионы ам­мония NH + 4 превращают в соль нитрат аммония NH 4 NO 3 , a затем их удаляют путем разложения соли. Происходит внутримолекулярная реакция окисления-восстановления˸

NH 4 NO 3 → N 2 O + 2Н 2 О.

Обнаружение некоторых катионов и анионов также проводят с помощью реакций окисления-восстановления. Например, ионы Мn 2+ обнаруживают реакцией окисле­ния до МnО 4 , имеющих малиновый цвет; ионы Сr 3+ - ре­акцией окисления до Сr 2 О 2- 7 с оранжевой окраской; йодид-ионы I - - реакцией окисления до I - 3 , образующих с крахмалом соединение синего цвета.

На использовании ОВ-реакций основаны многие при­меняемые в количественном анализе титриметрические методы, получившие общее название методов оксидиметрии. В основу этих методов положено взаимодействие оп­ределяемых веществ с окислителями и восстановителями. Например, в методе перманганатометрии в качестве окис­лителя используют раствор перманганата калия КМnО 4 , в йодометрии - раствор йода, в дихроматометрии - раствор дихромата калия К 2 Сr 2 O 7 . Количественное определение солей, например двухвалентного железа, осуществляют, проводя реакцию окисления ионов Fe 2+ до ионов Fe 3+ с по­мощью раствора дихромата калия.

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1. Что такое˸ а) степень окисления; б) ОВ-реакции; в) окисле­ние; г) восстановление; д) окислитель; е) восстановитель?

2. Определите степень окисления марганца в следующих со­единениях˸ МnО 2 , Н 2 МnО 3 , MnSO 4 , KMnO 4 , МnС1 2 .

3. Составьте электронные схемы и укажите, в каких случа­ях атомы электрона приобретают электроны, а в каких случаях отдают? а) Р 0 →Р -3 ; б) Р 0 →Р +5 ; в) Fe +3 → Fe +2 ; г) 2I - → I 0 2 ; д) Мn +7 → Мn +2 ; е) 2Сr +3 → 2Сr +6 .

4. Составьте полуреакции и укажите, в каких случаях атомы или ионы являются окислителями, а в каких - восстановителями˸ a) SO 2- 3 → SO 2- 4 в кислой среде; б) NO - 2 → NO - 3 в кислой среде; в) МnО - 4 → МnО 2 в нейтральной среде; г) МnО - 4 → Мn 2+ в кислой среде; д) IO - 3 →I 2 в кислой среде; е) Сr 3+ → СrO 2- 4 в щелочной среде.

5. Пользуясь электронно-ионным методом (методом полу­реакций), закончите уравнения ОВ-реакций˸

a) FeSO 4 + KMnO 4 + H 2 SO 4 → Fe 2 (SO 4) 3 + MnSO 4 + … ;

б) Н 2 С 2 О 4 + KMnO 4 + H 2 SO 4 → СО 2 + MnSO 4 + ... ;

Применение реакций окисления-восстановления в химическом анализе - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Применение реакций окисления-восстановления в химическом анализе" 2015, 2017-2018.

В анализе

Реакции окисления-восстановления широко используются в аналитической химии для различных целей: для открытия ионов, для разделения смеси ионов, для переведения малорастворимых осадков в раствор, для маскировки, для стабилизации растворов при хранении, для количественного определения.

1. Открытие катионов и анионов, разделение ионов.

Многие окислительно-восстановительные реакции сопровождаются ярко выраженным внешним эффектом, что дает возможность широко использовать их для обнаружения ионов. Так можно открыть катионы: Cu 2+ , Mn 2+ , Cr 3+ , Bi 3+ , Sb 3+ , Hg 2+ , Ag + , анионы: J - , Br - , SO 3 2 - , S 2 O 3 2 - и др. Ион висмута Bi 3+ можно открыть при приливании к щелочному раствору солей, содержащих катион Sn 2+ , исследуемого раствора, по появлению черного бархатистого осадка металлического висмута:

SnCl 2 + 4KOH = K 2 SnO 2 + 2KCl + 2H 2 O;

2Bi(NO 3) 3 + 3K 2 SnO 2 + 6KOH = 2Bi↓ + 6KNO 3 + 3K 2 SnO 3 + 3H 2 O;

2Bi 3+ + 3SnO 2 2 - + 6OH - → 2Bi↓+ 3SnO 3 2 - + 3H 2 O

Ион ртути Hg 2+ обнаруживают реакцией с медью по появлению на медной пластинке блестящего налета металлической ртути:

Hg(NО 3) 2 + Cu = Cu(NO 3) 2 + Hg↓;

Hg 2+ + Cu = Cu 2+ + Hg↓

На цинковой пластинке ионы Sb 3+ восстанавливаются до черного бархатистого осадка металлической сурьмы:

2SbCl 3 + 3Zn = 2Sb↓ + 3ZnCl 2

В отсутствии ионов висмута ионы сурьмы можно обнаружить по образованию оранжево-красного осадка сульфида сурьмы при взаимодействии с тиосульфатом натрия Na 2 S 2 O 3:

2SbCl 3 + 3Na 2 S 2 O 3 + 3H 2 O = Sb 2 S 3 ↓ + 3H 2 SO 4 + 6NaCl

Окисление катионов Mn 2+ оксидом свинца (IV) или персульфатом аммония (NH 4) 2 S 2 O 8 позволяет селективно открывать этот катион по появлению малинового окрашивания за счёт образующегося аниона MnO 4 - :

2Mn(NO 3) 2 + 5PbO 2 + 4HNO 3 = 2HMnO 4 + 5Pb(NO 3) 2 + 2H 2 O

2MnSO 4 + 5(NH 4) 2 S 2 O 8 + 8H 2 O = 2HMnO 4 + 5(NH 4) 2 SO 4 + 7H 2 SO 4

Окисление катиона Cr 3+ персульфатом аммония (NH 4) 2 S 2 O 8 в кислой среде идёт до дихромат-иона Cr 2 O 7 2 - , придающего раствору оранжевый цвет:

Cr 2 (SO 4) 3 + 3(NH 4) 2 S 2 O 8 + 7H 2 O (NH 4) 2 Cr 2 O 7 + 2(NH 4) 2 SO 4 + 7H 2 SO 4

Используя в качестве восстановителя ион Mn 2+ , в щелочной среде по моментальному почернению пятна капельным методом открывают в растворе ион серебра Ag + : Ag + + Cl - = AgCl¯

2AgCl + Mn(NO 3) 2 + 4NaOH = 2Ag¯ + 2NaCl + MnO(OH) 2 + 2NaNO 3 + H 2 O

В качестве восстановителей чаще всего используют металлы (Zn, Fe, Al, Cu), пероксид водорода H 2 O 2 в кислой среде, тиосульфат натрия Na 2 S 2 O 3 , сероводород H 2 S, сернистую кислоту H 2 SO 3 и другие вещества, легко отдающие электроны.



Из окислителей наиболее широко применяют дихромат калия K 2 Cr 2 O 7 , перманганат калия KMnO 4 , хлорную воду, пероксид водорода в щелочной среде, азотную кислоту, соли азотной кислоты, оксид свинца (IV) PbO 2 и др.

При проведении анализа необходимо учитывать, что ионы восстановителей Fe 2+ , I - , S 2 - , SO 3 2 - не могут сосуществовать в растворе с ионами окислителей NO 2 - , Fe 3+ , Sn 4+ , MnO 4 - , Cr 2 O 7 2 - .

В ходе анализа, используя в качестве окислителя пероксид водорода в щелочной среде, можно отделить ионы Mn 2+ , Fe 2+ от ионов Zn 2+ , Al 3+ :

2Fe(NO 3) 2 + H 2 O 2 + 4NaOH = 2Fe(OH) 3 ¯ + 4NaNO 3

Mn(NO 3) 2 + H 2 O 2 + 2NaOH = MnO(OH) 2 ¯ + 2NaNO 2 + 2H 2 O

Ионы Mn 2+ и Fe 2+ связываются в осадок, а в растворе остаются ионы, содержащие алюминий и цинк.

Подобным образом, используя H 2 O 2 в щелочной среде, можно разделить ионы Mn 2+ и Mg 2+ :

Mg(NO 3) 2 + 2NaOH = Mg(OH) 2 ¯ + 2NaNO 3

При обработке образующихся осадков раствором хлорида аммония гидроксид магния растворяется, а MnO(OH) 2 остаётся в осадке.

Сульфит-ион SO 3 2 - можно открыть, восстановив его металлическим цинком в кислой среде до сероводорода:

Na 2 SO 3 + 2HCl = 2NaCl + SO 2 ­ + H 2 O

SO 2 + 3Zn + 6HCl = H 2 S­ + 3ZnCl 2 + 2H 2 O

Иодная вода при взаимодействии с растворами сульфитов обесцвечивается:

Na 2 SO 3 + I 2 + H 2 O = 2HI + Na 2 SO 4 .

Нитрит–ионы NO 2 - в кислой среде окисляют ионы I - до свободного йода, который обнаруживают по посинению раствора крахмала:

2NaNO 2 + 2NaI + 2H 2 SO 4 = I 2 ¯ + 2Na 2 SO 4 + 2NO­ + 2H 2 O

Нитрат–ион можно открыть сульфатом железа (II) в среде концентрированной серной кислоты по образованию соли железа SO 4 бурого цвета:

2HNO 3 + 6FeSO 4 + 3H 2 SO 4 = 3Fe 2 (SO 4) 3 + 2NO­ + 4H 2 O

FeSO 4 + NO = SO 4

2. Растворение малорастворимых соединений.

При растворении металлов, сплавов, многих труднорастворимых осадков также используются окислительно–восстановительные реакции:

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 ­

3PbS + 6HCl + 2HNO 3 = 3PbCl 2 ¯ + 3S¯ + 2NO + 4H 2 O.

3. Маскировка.

Например, для обнаружения карбонатов в присутствии сульфитов к исследуемому раствору добавляют несколько капель разбавленной серной кислоты и раствор перманганата калия, выделяющийся газ пропускают через известковую воду. О наличии иона CO 3 2 - судят по помутнению известковой воды. Раствор перманганата калия окисляет SO 3 2 - в SO 4 2 - , что исключает образование SO 2 , который так же, как и CO 2 вызывает помутнение известковой воды:

Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + CO 2 ­ + H 2 O

CO 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 ¯ + H 2 O

2KMnO 4 + 5Na 2 SO 3 + 3H 2 SO 4 = 2MnSO 4 + 5Na 2 SO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O

4. Для стабилизации растворов легко восстанавливающихся или окисляющихся реагентов в них вводят соответствующие восстановители или окислители. Например, в растворы солей олова (II) для предупреждения окисления до Sn 4+ вводят металлическое олово, в растворы солей Fe 2+ - металлическое железо или аскорбиновую кислоту, в растворы солей Hg 2 2+ - металлическую ртуть.

Растворы некоторых сильных окислителей хранят в склянках из тёмного стекла, чтобы исключить фотохимические процессы. Например, пероксид водорода на свету разлагается:

2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 ­

Перманганат калия на свету восстанавливается водой до MnO 2 , который выпадает в виде бурого осадка:

4KMnO 4 + 2H 2 O 3O 2 ­ + 4MnO 2 ¯ + 4KOH

Окислительно–восстановительные реакции лежат в основе целой группы методов количественного анализа, таких как перманганатометрия, иодометрия и др.

1. Сущность реакций окисления-восстановления. Стандартный и реальный редокс-потенциал. Уравнение Нернста

2. Основные положения теории окислительно-восстановительных реакций

3. Реакции диспропорционирования

4. Зависимость величин редокс-потенциалов систем от различных факторов (ЭДС реакции, рН)

5. Применение окислительно-востановительных реакций в аналитической химии

6. Катионы V аналитической группы. Реакции катионов V аналитической группы.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА И ТЕРМИНЫ

Окислительно-восстановительные реакции

Процесс окисления

Процесс восстановления

Окислитель

Восстановитель

Реакции окисления внутримолекулярные, межмолекулярные, дис-пропорционирования

Гальванический элемент Платиновая чернь

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы Реальные окислительно-восстановительные потенциалы Уравнение Нернста

Катализаторы

Ингибиторы

Автокаталитические реакции Сопряженные реакции Индуцированные реакции

V аналитическая группа катионов

Групповой реагент на V аналитическую группу катионов

Реакции ионов железа (II)

Реакции ионов железа (III)

Реакции ионов марганца (II)

Реакции ионов висмута

Реакции ионов сурьмы (III, V)

Систематический ход анализа катионов V аналитической группы

Окислительно-восстановительные реакции в аналитической химии

Окислительно-восстановительные реакции - это реакции, которые сопровождаются переходом электронов от одних частиц (атомов, молекул и ионов) к другим, что приводит к изменению степеней окисления элементов.

Окисление - это процесс, при котором происходит отдача

№° - ё - Н2О2 - 2ё - 2Н+ + О2 БОз2- + 2ОН- - 2ё - БО42- + Н2О

Восстановление - это процесс, при котором происходит присоединение

электронов атомом, молекулой или ионом:

Б° + 2ё - Б2-Н2О2 + 2Н+ + 2ё - 2Н2О СГ2О72- + 14Н+ + 6ё - 2Сг3+ + 7Н2О МпО4- + 8Н+ + 5ё - Мп2+ + 4Н2О

В качестве восстановителей в аналитической химии чаще всего применяют: Н2О2, БпС12, Н2Б, Н2БО3, Ка2Б2О3; в качестве окислителей -С12; Вг2; Н2О2; К2Сг2О7; КМпО4; НШ3 и другие.

В реакциях окисления-восстановления всегда участвуют два вещества, одно из которых является восстановителем, а другое окислителем. При этом количество электронов, принятых окислителем, всегда должно быть равно количеству электронов, отданных восстановителем.

Типы окислительно-восстановительных реакций

К основным типам окислительно-восстановительных реакций относятся следующие:

1 - межмолекулярные окислительно-восстановительные реакции (элементы, изменяющие степень окисления, находятся в составе разных молекул):

РЪБ + 4Н2О2 ^ ^РЪБО4 + 4Н2О

восстановитель окислитель

№С1 + КаС1О +^БО4 ^ С12 + Ка2БО4 + Н2О;

2 - внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции (элементы, изменяющие степень окисления, входят в состав одной молекулы):

NH4NO3 ^ N2 O + 2H2O

(NnH4)2 C+2O7 - N2° + Сг2Оз + 4H2O;

3 - реакции диспропорционирования (самоокисления-самомовосста-новления) (атомы одного и того-же элемента по-разному изменяют степень окисления):

C°l2 + 2NaOH - NaCl + NaClO + H2O 2H2O2 - 2H2O + O2

В общем виде окислительно-восстановительный процесс выражается следующим образом:

где: Red - восстановитель-частица, отдающая электроны;

Ox - окислитель-частица, которая способна принимать электроны.

Таким образом, мы имеем дело с сопряженной окислительно-восстановительной или редокс-парой.

В качестве простейших редокс-пар можно привести следующие: Fe3+/ Fe2+, Се4+/ Се3+ и т.д. Обе формы этих пар представляют собой одноатомные ионы, в которых осуществляется непосредственный переход электронов от одной частицы к другой.

Чаще имеют место более сложные процессы, в которых одновременно переходят электроны и атомы, например:

Mn2+ + 2H2O - 2e -- MnO2^ + 4H+.

Окислительно-восстановительная реакция может происходить лишь при непосредственном взаимодействии окислителя (окисленной формы) одной сопряженной редокс-пары с восстановителями (восстановленной формой) другой сопряженной редокс-пары. При этом общая редокс-реак-ция состоит из двух частных:

аОх! + ne аRedl

BRed2 - ne bOx2

aOxi + bRed2 ^ аRedl + bOx2

Таким образом, каждую окислительно-восстановительную реакцию можно представить как сумму двух полуреакций. Одна из них отражает превращение окислителя, а другая - восстановителя.

Окислительно-восстановительный потенциал

Деление окислительно-восстановительных реакций на полуреакции является не только формальным приемом, который облегчает понимание процесса передачи электронов, но имеет вполне определенный физический смысл.

Если компоненты каждой полуреакции поместить в разные сосуды, растворы которых соединены солевым мостиком (трубка, заполненная гелем агар-агара, пропитанным насыщенным раствором KCl), опустить в каждый из сосудов инертные электроды (платиновая проволока) и замкнуть их на гальванометр (рис.), то последний покажет наличие электрического тока. Такое устройство называют гальваническим элементом, а каждый из сосудов с раствором и платиновой проволокой - полуэлементом.

Fe2+ -- Fe3+ + ё

Ce4+ + ё - Ce3+

Рис. Схема гальванического элемента: 1 - платиновые электроды; 2 - электролитический ключ (трубка, заполненная раствором КС1); 3 - потенциометр; 4 - стакан.

При прохождении реакции в гальваническом элементе химическая энергия превращается в электрическую. Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента представляет собой разность потенциалов двух электродов (ЭДС=Е1-Е2) и характеризует способность электронов восстановителя переходить к окислителю.

Потенциал отдельной редокс-пары (в нашем примере Бе /Бе и Се4+/Се3+) измерить невозможно. В связи с этим указанную задачу решают путем комбинирования полуэлемента, потенциал которого необходимо определить, с полуэлементом, потенциал которого принят за стандарт. В качестве такого полуэлемента (электрода) используют стандартный водородный электрод. Этот электрод представляет собой платиновую пластинку, покрытую слоем платиновой черни, которая погружена в раствор кислоты с активностью ионов водорода, равной единице. Электрод омывается водородом при давлении 1,013-10 Па (1 атм). При этом слой платиновой черни насыщается водородом, который ведет себя как водородный электрод, находящийся в растворе в равновесии с ионами водорода:

Н2 (г) = 2Н+ + 2ё.

Потенциал этого электрода принят равным нулю при всех температурах.

Учитывая, что ЭДС гальванического элемента равна разности потенциалов электродов (Е1 - Е2) и Е2 = 0 (стандартный водородный электрод): для указанного гальванического элемента будем иметь ЭДС = Е1. Таким образом, потенциал данного электрода равен ЭДС гальванического элемента, который состоит из этого электрода и стандартного водородного электрода.

В случае, когда все компоненты полуреакции находятся в стандартном состоянии (гипотетический одномолярный раствор с коэффициентами активности компонентов, равными единице, при нормальном атмосферном давлении и температуре).

Потенциал такого электрода называют стандартным электродным потенциалом и обозначают Е0.

Зависимость между реальным равновесным окислительно-восстановительным потенциалом электрода (потенциал электрода в нестандартных условиях - Е) и стандартным электродным потенциалом (Е0) передается уравнением Нернста:

Е = Е0 +-1п ох

где: R - универсальная газовая постоянная, равная 8,312 Дж/(моль К); T - абсолютная температура; F - постоянная Фарадея, равная 96 500 Кл;

n - число электронов, принимающих участие в электродном процессе;

aox, ared - активности окисленной и восстановленной форм вещества соответственно, возведенные в степени, равные соответствующим стехиометрическим коэффициентам. Если учесть, что активность можно представить как произведения концентрации на коэффициент активности, то уравнение Нернста можно записать в следующем виде:

E = E0 + ^ ln Y°x

nF " Y red"

где: y0x - коэффициент активности окисленной формы;

Yred - коэффициент активности восстановленной формы. Когда в уравнение полуреакции кроме окисленной и восстановленной формы входят и другие ионы, то их концентрации (активности) должны быть включены в уравнение Нернста.

Так потенциал редокс-пары EMn04-/ Mn2+ , для которой уравнение полуреакции имеет вид:

Mn04- + 8H+ + 5e ^ Mn2+ + 4H20,

вычисляют по уравнению:

*Mn°47 Mn2+ - Е Mn°47 Mn2+ + ln "

Если в уравнение Нернста подставить численные значения констант и перейти к десятичным логарифмам, то для температуры 25°С оно принимает вид:

Е = Е» + 0,059 18 "Ус

0,059 lg |0x] + 0,059 lg

Величину

в последнем уравнении называют

формальным потенциалом и обозначают как Е0(1).

Если в уравнение Нернста ввести формальный потенциал, то оно приобретает вид:

E0(D + 0059 lg |°x]

Из последнего уравнения следует, что Е - Е0(1), когда [°x] - 1,0.

Равенство Е 0(1)

свидетельствует

формальный потенциал зависит от ионной силы раствора. Если ионной силой раствора пренебречь, то получим равенство Е0(1) = Е0. Для многих аналитических расчетов точность такого приближения вполне достаточна.

Стандартный потенциал редокс-системы используют в качестве объективной характеристики окислительно-восстановительных свойств соединений. Чем больше положительное значение стандартного потенциала, тем сильнее окислитель. В тоже время восстановленные формы сильных окислителей обладают слабо выраженными восстановительными свойствами и, наоборот, окисленные формы сильных восстановителей обладают слабыми окислительными свойствами. Таким образом, окислительно-восстановительные реакции протекают в сторону образования более слабых окислителей и восстановителей из более сильных.

Сравнение величин стандартных потенциалов может быть использовано для предсказания направления окислительно-восстановительной реакции.

Однако следует учитывать, что стандартные потенциалы могут значительно отличаться от реальных и направление реакции может меняться.

На величину реального потенциала оказывают влияние такие факторы, как рН среды, концентрации реагентов, комплексообразование, образование осадков и др.

Следует отметить, что рН среды оказывает влияние на реальный потенциал не только в тех случаях, когда концентрации Н+ и ОН- ионов входят в уравнение Нернста, но иногда и в случаях их отсутствия в этом уравнении. Это может быть связано с изменением формы существования ионов в растворе (влияние на гидралитические и другие равновесные процессы).

Как отмечалось на стр. 96 потенциал редокс-пары Е°мпО4тмп2+ зависит от концентрации ионов водорода (указанная величина может изменяться от 1,51 В до 1,9 В), в связи с чем это свойство используют для фракционированного окисления галогениданионов до свободных галогенов. Так при рН от 5 до 6 перманганат окисляет лишь йодиды (Е°у 21- = 0,53 В), при рН 3 окисляются бромиды (Е°Вг2/ 2Вг- = 1,06 В) и только при значительно более высокой кислотности окисляются хлориды (Е°су 2сг = 1,395 В).

Изменение величины рН может влиять не только на величину редокс-потенциала, но, иногда, и на направление хода реакции. Например, реакция:

ЛвО43" + 2Н+ + 21" - ЛбОз3" + 12 + Н2О,

в кислой среде протекает слева направо, а в щелочной (рН 9, создаваемое с помощью КаНСО3) - справа налево.

Существует следующее правило для создания реакционной среды, необходимой для оптимального течения процесса: если в результате окислительно-восстановительной реакции накапливаются Н+ или ОН--ионы, то необходимо создать среду, которая обладает противоположными свойствами (щелочную или кислую соответственно).

Кроме того, для реакции нужно брать компоненты (окислитель и восстановитель), которые реагируют в одинаковой среде. В противном случае может иметь место торможение процесса.

В качестве примера, который иллюстрирует влияние на потенциал и направление реакции малорастворимого соединения, можно привести реакцию взаимодействия Си2+ и I-.

Стандартный потенциал редокс-пары Си /Си составляет 0,159 В, а для пары 12/21- он равен 0,536 В. Приведенные данные свидетельствуют о том, что ионы Си2+ не могут окислять ионы I-. Однако в процессе этой реакции образуется малорастворимая однойодистая медь Си1 (ПРСи1 = 1,1Т0-

). Образование этого осадка резко снижает концентрацию ионов Си в растворе. При этом активность ионов Си2+ в растворе можно определить из равенства:

Используя уравнение Нернста, можно показать, что

E°cu-/ oui = Е0си2+/ cu+ - 0,059lgnP CuI = 0,865 В.

Таким образом, редокс-пара Cu /CuI имеет потенциал, который превышает потенциал пары I2/I- в результате чего указанное превращение становится возможным.

Константа равновесия окислительно-восстановительной реакции

Во многих случаях необходимо знать не только направление окислительно-восстановительной реакции, но и насколько полно она протекает. Так в количественном анализе используют те реакции, которые практически протекают на 100 \% (или приближаются к этому). Степень протекания реакции определяется константой равновесия.

Если уравнение окислительно-восстановительной реакции представить в общем виде схемой:

aOx1+ pRed2 ^ yRed1+ 5Ox2 ,

то константа ее равновесия (К) будет иметь вид:

K = a a ■ Я в-.

Используя уравнение Нернста для окислительно-восстановительных пар, участвующих в реакции, можно показать, что при 25°С:

1 т^ Ox, /Re d, Ox2/Red2/

или в общем виде:

T, (E ox - E Re d) ^n

где: ERed- стандартные потенциалы пар, выступающих в данной ре-

акции в качестве окислителя и восстановителя соответственно; n - число электронов, принимающих участие в процессе. Из последнего уравнения следует, что чем больше разность потенциалов (EOx- ERed), тем больше константа равновесия и тем полнее будет протекать реакция слева направо. Однако следует помнить, что большое значение константы равновесия не свидетельствует о высокой скорости протекания процесса.

На скорость протекания реакции оказывают влияние такие факторы, как механизм реакции, концентрация реагентов, температура раствора, наличие катализаторов или ингибиторов.

Скорость реакции возрастает при увеличении концентрации реагентов, а также при повышении температуры. Обычно увеличение температуры на 10° приводит к ускорению реакции в 2-4 раза. Так, например, при взаимодействии перманганата калия с раствором щавелевой кислоты реакция идет медленно и для ее ускорения раствор подогревают. Кроме того, эта реакция относится к автокаталитическим (катализатором является один из продуктов реакции - ионы Мп).

В ряде случаев имеют место так называемые сопряженные или индуцированные окислительно-восстановительные реакции.

Например, при окислении перманганатом калия ионов Бе2+ в растворе, подкисленным соляной кислотой, часть перманганата калия расходуется на окисление хлорида:

2Мп04- + 10С1- + 16Н+ - 2Мп2+ + 5С12 + 8Н2О.

В отсутствие ионов Бе2+ эта реакция не происходит, хотя разность стандартных потенциалов позволяет ее протекание. Для предотвращения побочной реакции указанный процесс проводят в растворах, подкисленных серной кислотой.

Применение окислительно-восстановительных реакций в аналитической химии

Окислительно-восстановительные реакции широко используются в качественном и количественном анализе.

В качественном анализе окислительно-восстановительные реакции используются для:

Переведения соединений из низших степеней окисления в высшие и наоборот;

Переведения малорастворимых соединений в раствор;

Обнаружения ионов;

Удаления ионов.

Так реакции окисления пероксидом водорода в щелочной среде используются в анализе катионов IV аналитической группы для переведения соединений Бп(И), Ав(Ш), Сг(Ш) в гидроксо- и оксоанионы этих элементов в высших степенях окисления.

Например, анионы [Сг(0Н)6] - окисляются в хромат ионы:

2[Сг(0Н)б]3- + 3Н20^2Сг042- + 8Н2О + 2ОН-. Анионы [Бп(0Н)6]4- - в гидроксоанионы [Бп(0Н)6]2-: [Бп(0Н)б]4- + Н202- [Зп(0Н)6]2- + 2ОН-.

Арсенит ионы Аб0зз- - в арсенат ионы Аб04з-:

Аб0з3- + Н202^=* Аб043- + Н20.

В тоже время указанный реагент окисляет одновременно и некоторые ионы V и VI аналитической группы: 8Ь(Ш)-8Ь^), Бе2+- Бе3+; Мп2+- Мп02-пН20, Со2+-Со3+.

Окислительные свойства пероксида водорода в кислой среде используют для обнаружения хромат- и дихромат-ионов по реакции образования надхромовой кислоты (раствор синего цвета):

Сг2072- + 4Н202 +2Н+ -2Н2Сг06 + 3Н20.

Пероксид водорода в азотнокислой среде используют в качестве восстановителя для переведения осадков Мп02-пН20 и Со(ОН)3 в раствор в виде катионов Мп2+и Со2+соответственно:

Мп02-пН20 +Н202 +2Н+^=* Мп2+ + |02 + (п+2)Н20, 2Со(ОН)3 +Н202 +4Н+^ 2Со2+ + |02 + 6Н20.

Для обнаружения ионов Ав(Ш) и Аб^) используют реакцию восстановления их металлическим цинком до газообразного продукта АбНз.

В анализе катионов II группы применяют реакцию диспропорционирования соединений ртути:

НВ2С12 + М1з- [НвМДО! +Нв|.

Для обнаружения катионов Бп используют их восстанавливающие свойства по отношению к соединениям двухвалентной ртути:

Бп2+ + + 4 С1 - + [БпС16]2-.

Ионы БЬ^) обнаруживают путем их восстановления до БЬ0 действием на их анионы металлическим цинком на никелевой пластинке (образование гальванической пары):

2[БЬС16]- + 57п- 57п2+ + 2БЬ| +12С1-.

Катионы Ы обнаруживают, восстанавливая их в щелочной среде до металлического висмута гексагидроксостаннит (II) ионами:

2Ы(0Н)з| + 3[Бп(0Н)6]4- - 2БЦ + 32- +60Н-.

Обнаружение ионов Мп основано на их окислении до окрашенных в красный цвет Мп04- ионов с помощью персульфата аммония:

2Мп2+ +5Б2082- + 8Н2<0^ 2Мп04- + 16Н+ + 10Б042-.

В качественном анализе часто используют такие окислители, как HN03, хлорную и бромную воду.

Так образовавшуюся в систематическом ходе анализа смесь осадков сульфидов Cu2S и HgS разделяют, обрабатывая ее разбавленной азотной кислотой при нагревании:

3Cu2S + 4NO3" +16H+ - 6Cu2+ + 3S| + 4N0| + 8H20.

При этом в указанных условиях осадок HgS в отличие от Cu2S не растворяется.

Осадок HgS растворяется в бромной воде в присутствии хлороводородной кислоты или в смеси концентрированной HN03 и концентрированной HCl:

HgSj + Бг2 + 2Cl- - + 2Br- + Sj, 2HgS| + 2HNO3 + 6HC1 - 3 + 3S|+2N0 + 4H2O.

Черный осадок металлической сурьмы, полученный при ее обнаружении (см. выше), окисляют азотной кислотой с образованием белого осадка метасурьмяной кислоты:

3Sb| + 5MV + 5H+ - 3HSb03| + 5N0|+ H20.

Окислительно-восстановительные реакции широко используют не только в качественном анализе катионов, но и в анализе анионов.

Так в ходе анализа на анионы выполняют пробу на анионы-окислители (Cr2072-, As043-, N03-) действием раствора KI в кислой среде в присутствии хлороформа. При этом образуется свободный йод, окрашивающий слой хлороформа в красно-фиолетовый цвет.

Кроме того, проводят пробу на анионы-восстановители (C204 S203 S2-, S032-, As033-, I-, N02-), основанную на обесцвечивании раствора йода в слабокислой среде (за исключением As033-, которые обнаруживают в слабощелочной среде).

На окислительно-восстановительных реакциях основана проба с концентрированной H2S04 (Cl-, Br-, I-, Cr042-, N03-, S032-, S2032Ti др.), при этом выделяются газообразные продукты (Cl2, I2, C02 и др.).

Для обнаружения таких анионов-восстановителей, как S03 "и C204 N02- используют реакции, в результате которых обесцвечиваются растворы KMn04:

5S02 + 2H20 +2Mn04- ^ 5S022- + 4H+ + 2Mn2+ 5C2042- +2Mn04- + 16H+ ^ 10C02t + 2Mn2+ + 8H20 5N02-+2Mn04- + 6H+^ 2Mn2+ + 5N03- + 3H20.

Для удаления нитрит-ионов при обнаружении нитрат-ионов используют реакцию с кристаллическим аммония хлоридом:

N02-+ Mi/^ N2| + 2H20.

Катионы V аналитической группы Те2+, Те3+, М^+, Mn2+, 8Ъ (III), 8Ъ (V), Б13+

Общая характеристика

К V аналитической группе относятся катионы Б-элементов - М§2+, р-элементов - БЬ (III), БЬ (V), Ы3+ и ё-элементов - Бе3+, Бе2+, Мп2+. Вследствие сильного поляризующего действия катионов V аналитической группы многие их соединения (гидроксиды, сульфиды, фосфаты) не растворяются в воде. В воде растворяются хлориды, бромиды, нитриты, нитраты, ацетаты, сульфаты катионов V аналитической группы.

Групповым реагентом на катионы V аналитической группы является концентрированный раствор аммиака, который осаждает их в виде гидроксидов, нерастворимых в избытке реагента.

Дальнейший ход анализа катионов V аналитической группы основан на различной растворимости гидроксидов этих катионов в концентрированных растворах солей аммония, кислотах, а также на использовании различных окислительно-восстановительных реакций и реакций осаждения этих катионов.

Соединения Бе - желто-бурого цвета, а Бе - светло-зеленого; растворы соединений других катионов - бесцветны.

Реакции катионов V аналитической группы

Действие растворов натрия гидроксида или калия гидроксида

С растворами №0Н или К0Н катионы магния, марганца, висмута и сурьмы образуют белые аморфные осадки гидроксидов, зеленые -гидроксидов железа (II) и красно-бурые - гидроксидов железа (III):

Мв2+ + 20Н- - Мв(0Н)2^, Мп2+ + 20Н- ^ Мп(0Н)2^, Бе2+ + 20Н- - Бе(0Н)2^, Бе3+ + 30Н- - Бе(0Н)з^, [БЬС16]3- + 30Н- - БЬ(0Н)з^ + 6С1-, [БЬС16]- + 50Н- - БЬ(0Н)5^ + 6С1-, БЬ(0Н)5^ - НБЬ0з^ +2Н20, Ы3+ + 30Н- ^ Ы(0Н)3^.

Все гидроксиды катионов V аналитической группы растворяются в кислотах, например:

Бе(0Н)3^ + 3Н+ - Бе3+ + 3Н20.

Гидроксиды 8Ь (III) и 8Ь (V) за счет амфотерных свойств растворяются в избытке щелочей:

8Ь(ОИ^ + ЗОИ" - 3-, ^ + ОИ- - -.

Гидроксиды магния, марганца (II) и железа (II) растворимы также в насыщенном растворе №І4С1, например:

Ыв(ОИ)2^ + 2МІ4+ - Ыв2+ + 2МІ3-И2О.

Это свойство используют для отделения магния гидроксида от других гидроксидов катионов V аналитической группы в систематическом ходе анализа.

Действие раствора аммиака

При действии раствора аммиака на растворы катионов V аналитической группы выпадают осадки соответствующих гидроксидов:

Ыв2+ + 2МіуИ2О - Ыв(ОИ)2^ + 2М1/, - + 5Міз-И2О - ШЬОз| + 6С1- + 5МІ4+ + 2^О, 3- + 3КИз-И2О - 8Ь(ОИ)з^ + 6С1- + ЗМІ4+, Мп2+ + 2МІ3-И2О ^ Мп(ОИ)2^ + 2МІ/, Бе2+ + 2МіуИ2О ^ Бе(ОИ)2^ + 2МИ+, Бе3+ + 3МІ3-И2О ^ Бе(ОИ)3^ + 3М1Л

Катионы висмута при действии раствора аммиака образуют белый осадок основной соли, состав которой изменяется в зависимости от концентрации раствора, температуры:

Ві3+ + 2Мі3-И2О + С1- - Ві(ОИ)2С1^ + 2МІ/, Ві(ОИ)2С1^ - ВіОС1^ + И2О.

Гидролиз солей ЗЬ (III), ЗЬ (V) и висмута

Соли висмута, сурьмы (Ш^) гидролизуются с образованием белых осадков основных солей:

3- + И2О - 8ЬОС1^ + 5С1- + 2И+, - + 2 И2О - 8ЬО2С1^ + 5С1- + 4И+, Ві3+ + И2О + Ж)3- ^ ВіОЖ)3^ + 2И+.

Все осадки растворимы в кислотах.

Реакция ионов магния

Действие раствора натрия гидрофосфата Na2HPO4

Катионы магния образуют с раствором натрия гидрофосфата в присутствии аммиачного буферного раствора белый кристаллический осадок:

Mg2+ + HPO42- + NH3-H2O ^ MgNHPO^ + H2O.

Эту реакцию можно выполнять как микрокристаллоскопическую. Кристаллы MgNH4PO4, образовавшиеся во время быстрой кристаллизации, имеют характерную форму.

Реакция ионов железа (II)

Действие раствора калия гексацианоферрата (III) K3

Катионы железа (II) образуют с раствором калия гексацианоферрата (III) осадок синего цвета ("турнбулевая синь"):

3Fe2+ + 23- ^ Fe32^.

Реакция специфична и позволяет обнаружить катионы Fe дробным методом.

Осадок не растворяется в кислотах. В щелочах он разлагается: Fe32^ + 6OH- - 3Fe(OH)2^ + 23-.

Реакции ионов железа (III)

1. Действие растворов калия гексацианоферрата (II) K4

Катионы железа (III) образуют с раствором калия гексацианофер-рата (II) темно-синий осадок ("берлинская лазурь"):

4Fe3+ + 34- - Fe43^

Реакция Fe с гексацианоферратом (III) калия специфична и позволяет открывать их дробным методом.

Реакцию необходимо проводить в кислой среде при рН=3. Однако при сильном подкислении или добавлении избытка реагента осадок растворяется.

В щелочах осадок разлагается:

Fe43^ + 12OH- - 4Fe(Offb^ + 34-.

2. Действие тиоционат-ионов

Катионы железа (III) образуют с тиоцианат-ионами комплексные соединения железа (III), которые окрашивают раствор в красный цвет, например:

Fe3+ + 3NCS- - .

При избытке тиоцианат-ионов образуются комплексные ионы различного состава:

-; 2-; 3-.

Выполнять реакцию необходимо в кислой среде при рН=2. Обнаруже-

нию Fe с тиоцианат-ионами мешают анионы (F, PO4 " и др.), которые образуют с Fe3+ более стойкие комплексы, например:

6F- -- 3- + 3NCS-.

Реакции ионов железа (Ш), (П)

Действие раствора сульфосалициловой кислоты

Катионы железа (III), (II) образуют с сульфосалициловой кислотой комплексы различного цвета в зависимости от рН раствора. При рН=1,8-2,5 образуется комплекс фиолетового цвета:

При рН= 4-8 образуется комплекс красного цвета:

При рН=8-11 образуется комплекс желтого цвета:

Реакции, протекающие в систематическом ходе анализа при обнаружении ионов марганца

Марганца (II) гидроксид легко окисляется пероксидом водорода, при этом образуется темно-бурый осадок Н2МпО3 (МпО2- пН2О).

2е + Мп(ОН)2^ + Н2О ^ Н2МпО3^ + 2Н+ 1

2е + Н2О2 + 2Н+ - 2Н2О__

Мп(ОН)2^ + Н2О2 -> Н2МпО3 + Н2О^

Марганец (IV) восстанавливается также до марганца (II) в сернокислой или азотнокислой среде при действии Н2О2:

2е + Н2МпО3^ + 4Н+ ^ Мп2+ + 3Н2О 1 2е + Н2О2 - О2Т + 2Н+__

Н2МпО3^ + Н2О2 + 2Н+ -> Мп2+ + О2Т+ 3Н2О

Сильные окислители, например, персульфат аммония (М14)282О8, окисляют Мп (II) до ионов МпО4-, которые окрашивают раствор в красный цвет:

5е + Мп2+ + 4Н2О ^ МпО4- + 8Н+ 2

2Мп2+ + 5Б2О82- + 8Н2О -> 2МпО4- + 16Н+ + 10БО42-

Реакция протекает при нагревании и в присутствии солей серебра (катализатор). Эту реакцию используют для обнаружения ионов марганца (II) в систематическом ходе анализа.

Реакции ионов висмута

Действие свежеприготовленного натрия гексагидроксостанита (П) Na44-.

Гексагидроксостанит (11)-ионы восстанавливают ионы Bi до металлического висмута черного цвета. Ионы 4- устойчивы только в щелочных растворах. Катионы висмута в этих условиях образуют белый осадок Bi(OH)3:

Sn2+ + 2OH- - Sn(OH)2^, Sn(OH)2^ + 4OH- - 4-, Bi3+ + 3OH- ^ Bi(OH)3^.

3e + Bi(OH)3^ ^Bil + 3OH- 2

2e + 4- - 2-_^ _ | 3

2Bi(OH)3^ + 34- - 2Bi^ + 32- + " 6OH-

При выполнении реакции обнаружения катионов висмута следует избегать избытка концентрированной щелочи и нагревания, так как в этих условиях может выпасть черный осадок Snl- вследствие реакции диспропорционирования:

24- - 2- + Sn^ + 6OH-.

Реакция ионов сурьмы Действие металлического цинка

Металлический цинк на никелевой пластинке восстанавливает ионы сурьмы (III) и (V) до металлической сурьмы:

23- + 3Zn - 2SU + 3Zn2+ + 12C1-.

Никелевая пластинка образует с цинком гальваническую пару, в которой положительным электродом является Ni, а отрицательным - Zn. Никель получает электроны, которые отдает ему цинк, и передает их ионам сурьмы, которые восстанавливаются до металла. Осадок металлической сурьмы на никелевой пластинке не растворяется в хлороводородной кислоте, но растворяется в азотной кислоте:

5e + Sb^ + 3H2O ^ HSbO3^ + 5H+ 3

3e + NO3- + 4H+ - NOt + 2H2O_\_5_

3Sb^ + 5NO3- + 5H+ - 3HSbO3^ + 5NOt + H2O

Систематический ход анализа катионов V аналитической группы

Катионы железа (II) и железа (III) обнаруживают дробным методом в отдельных пробах действием растворов калия гексацианоферрата (III) и гексацианоферрата (II) соответственно:

3Fe2+ + 23- - Fe32^, 4Fe3+ + 34- ^ Fe43^.

Катионы сурьмы (III) и сурьмы (V) мешают обнаружению всех катионов V аналитической группы. Сурьму (III) окисляют раствором HNO3 до сурьмы (V), которая выпадает в виде осадка HSbO3. Осадок отделяют центрифугированием и растворяют в концентрированной хлороводородной кислоте. Сурьму (V) в растворе обнаруживают действием цинка на никелевой пластинке.

Все катионы V группы, оставшиеся в центрифугате, осаждают в виде соответствующих гидроксидов действием концентрированного раствора аммиака.

Для отделения магния гидроксидов к осадку прибавляют насыщенный раствор аммония хлорида и 3\% раствор Н2О2. При этом осадок Mg(OH)2 растворяется, а катионы Mn2+ окисляются до H2MnO3 (MnO2-nH2O). Осадок, состоящий из Fe(OH)3, BiONO3, H2MnO3 (MnO2-nH2O), отделяют центрифугированием. В центрифугате обнаруживают катионы магния действием раствора натрия гидрофосфата в присутствии аммиачного буферного раствора.

При действии на осадок азотной кислоты гидроксиды железа (III) и висмута растворяются, а H2MnO3 (MnO2-nH2O)^ остается в осадке, который отделяют центрифугированием.

В центрифугате катионы висмута обнаруживают действием свежеприготовленного раствора Na4.

Осадок H2MnO3 (MnO2-nH2O) растворяют в азотной кислоте в

присутствии H2O2, при этом MnO2-nH2O восстанавливается до Mn . Их обнаруживают действием раствора аммония персульфата.

Систематический ход анализа смеси катионов V аналитической группы выполняют в соответствии со схемой.

СХЕМА СИСТЕМАТИЧЕСКОГО ХОДА АНАЛИЗА КАТИОНОВ V АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ

Бе2+, Ре3+, Мп2+, М^+, Ві3+, 8Ъ (III), 8Ъ (V)