Đào tạo và NCKH

Nghiên cứu khoa học sinh viên" Các phương pháp phân tích định tính các ion vô cơ"

2/14/2012 8:42:25 PM

LỜI CẢM ƠN

      Đề tài" Các phương pháp phân tích định tính các ion vô cơ" được chúng em thực hiện tại khoa Tự nhiên - Kỹ thuật dưới sự hướng dẫn của giảng viên - tiến sĩ Nguyễn Đức Vượng.

      Chúng em là những sinh viên lần đầu tiên thực hiện nghiên cứu một đề tài khoa học nên còn gặp nhiều bỡ ngỡ. Trong quá trình làm đề tài chúng em còn gặp nhiều khó khăn về việc tìm kiếm thông tin, tư liệu phục vụ cho việc nghiên cứu, thiếu thốn về thời gian. Do đó, trong đề tài này không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong thầy cô và các bạn có ý kiến đóng góp để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn.

      Thực hiện đề tài này chúng em đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ, giúp đỡ từ phía các thầy giáo, cô giáo và các bạn sinh viên, nhất là sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy giáo - tiến sĩ Nguyễn Đức Vượng.

      Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và các bạn!

     

A.MỞ ĐẦU

Hoá học phân tích là khoa học về các phương pháp xác định thành phần định tính và thành phần định lượng của các chất và hỗn hợp của chúng.

Hoá học phân tích nghiên cứu lí thuyết về các vấn đề chung của phân tích, về các phương pháp phân tích hoá học, phát triển các phương pháp phân tích đã có, hoàn thiện chúng và xây dựng các phương pháp mới nhằm đáp ứng các yêu cầu phát triển của các khoa học và các ngành khoa học khác.

Sự phân tích các chất được tiến hành với mục đích xác định thành phần định tính hoặc định lượng chúng. Phân tích định tính, ta xác định được chất hay mẫu phân tích gồm những nguyên tố hoá học nào, những ion, những nhóm nguyên tử hoặc phân tử nào hoặc các phần tử nào tham gia vào thành phần phân tích.

Khi tiến hành nghiên cứu thành phần của một chất chưa biết, phân tích định tính luôn được tiến hành trước phân tích định lượng vì việc chọn các phương pháp  định lượng thích hợp cho các hợp phần của chất hoặc mẫu phân tích phụ thuộc vào các dữ kiện có được khi phân tích định tính chất hoặc mẫu đó.

Phân tích định tính thường dựa vào sự chuyển chất phân tích thành một chất mới nào đó có những tính chất đặc trưng như có màu, có trạng thái vật lí xác định, có cấu trúc tinh thể hoặc vô định hình, có mùi đặc trưng... khi đó chuyển biến hoá học xảy ra gọi là phản ứng phân tích định tính và các chất gây ra sự chuyển hoá đó gọi là thuốc thử.

Các nhiệm vụ chủ yếu của hoá học phân tích là:

      - Phát triển và hoàn thiện lí thuyết về các phương pháp phân tích hoá học  và hoá lí trên cơ sở khoa học, nghiên cứu, hoàn thiện các thủ thuật, các phương pháp nghiên cứu, kể cả phương pháp được tự động hoá.

      - Nghiên cứu các phương pháp tách các chất khỏi hỗn hợp phức tạp sau đó định lượng chúng, nghiên cứu các phương pháp làm giàu các vi cấu tử.

      - Nghiên cứu và hoàn thiện những phương pháp phân tích các hợp chất tự nhiên của môi trường xung quanh, các vật liệu kĩ thuật....

      - Giúp đỡ các ngành khoa học và kĩ thuật khác nhau dùng phân tích hoá học để kiểm tra các quá trình nghiên cứu, giúp đỡ cho các nhà nghiên cứu giữ được các mức tối ưu khi nghiên cứu các quá trình hoá lí, các quá trình trong công nghệ hoá học.

     Ngày nay, hoá học phân tích hiểu theo nghĩa rộng không những chỉ là khoa học về các phương pháp định tính, định lượng hoá học mà còn là khoa học về các phương pháp nghiên cứu cấu tạo vật chất, là khoa học về các phương pháp kiểm tra, đánh giá chất lượng được sử dụng rộng rãi trong việc tiến hành các công trình lí hoá, hoá công nghệ và các quá trình khoa học, kĩ thuật thuộc các lĩnh vực khác nhau. Như vậy, ngày nay hoá học phân tích đã thâm nhập vào rất nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học, kĩ thuật và nền kinh tế quốc dân, từ đó đã ra đời và phát triển các chuyên ngành.

Xuất phát từ thực tế các vấn đề trên, chúng em chọn hướng nghiên cứu" Các phương pháp phân tích định tính các ion vô cơ " nhằm phục vụ vào việc học tập, nghiên cứu học phần hoá học phân tích của sinh viên, đồng thời góp phần vào việc phát triển hơn nữa ngành hoá học phân tích để phục vụ các ngành khoa học - kĩ thuật khác.

 B. TỔNG QUAN

Đề tài của chúng em tập trung vào nghiên cứu các vấn đề: 

 

Các phương pháp phân tích định tính

 

 

     Phân tích các cation                       Phân tích các anion

 

 

                                                        Kết luận

 

I.Các phương pháp phân tích định tính:

   Mục đính của phân tích định tính là xác định thành phần nguyên tố và phân tử của mẫu đem phân tích. Để đạt được mục đích đó ta sử dụng các phương pháp hoá học, vật lí và hoá lí. Trong các phương pháp phân tích định tính đó để phát hiện, nhận biết sự có mặt của một nguyên tố, một chất ( dưới dạng ion hoặc phân tử) ta sử dụng các tính chất vật lí hoặc hoá học đặc trưng của chất đó.

Ví dụ, sự có mặt của ion amoni NH4+ trong dung dịch được nhận ra bằng cách thêm một lượng dung dịch kiềm dư vào dung dịch phân tích rồi đun nóng nhẹ để nhận ra mùi khai của khí NH3 được giải phóng ra:

                         NH4+   +    OH-     NH3     +   H2O

     Những sự thay đổi về tính chất vật lí hoặc hoá học và các tính hiệu nhận được khi sử dụng các máy vật lí hoặc hoá lí để phân tích định tính các chất được gọi là các dấu hiệu phân tích. Các phản ứng hoá học gây ra các dấu hiệu phân tích gọi là phản ứng phân tích định tính. Các hoá chất được dùng dưới dạng rắn hoặc dung dịch để gây ra các phản ứng phân tích gọi là thuốc thử phân tích.

    Để tiến hành phân tích định tính một mẫu ta thường hoà tan mẫu đó thành dung dịch bằng những dung môi thích hợp rồi tiến hành phân tích bằng phương pháp hoá học hoặc vật lí, hoá lí. Việc tiến hành phân tích trong dung dịch như vậy gọi là phân tích theo lối ướt.

    Trong một số trường hợp ta có thể còn tiến hành phân tích theo lối khô, không cần chuyển mẫu phân tích thành dung dịch.

     Ví dụ: chuyển chất phân tích thành chất chảy có màu đặc trưng khi nung nóng chảy nó với natri tetraborat hoặc với natri photphat trên lỗ vòng của sợi dây platin ( phương pháp lò vòng). Chẳng hạn, khi nung nóng hợp chất của crôm với borat ta sẽ được ngọc có màu xanh ngọc bích.

     Các phương pháp phân tích định tính chỉ dùng chủ yếu các tính chất hoá học của các chất để tách và nhận biết chúng gọi là các phương pháp hoá học. Đây là phương pháp đơn giản nhất, kinh tế nhất vì trong đó chỉ sử dụng các chất thuốc thử và các dụng cụ rất đơn giản như ống nghiệm, đèn cồn, phễu lọc, máy li tâm....Các phương pháp phân tích định tính cơ bản:

    1. Phân tích lượng lớn, phân tích bán vi và phân tích vi lượng:

    Tuỳ thuộc vào lượng chất rắn hoặc dung dịch mẫu lấy để phân tích định tính và tuỳ thuộc vào kĩ thuật được sử dụng để tiến hành phân tích ta chia các phương pháp phân tích định tính thành phương pháp lượng lớn, phương pháp bán vi và phương pháp vi lượng.

     Khi tiến hành phân tích theo phương pháp lượng lớn, để thực hiện phản ứng phân tích mỗi lần ta phải lấy vài ml dung dịch trong đó hoà tan không dưới 0,1 gam chất và thêm vào đó một vài ml dung dịch thuốc thử. Phản ứng phân tích thường được tiến hành trong những ống nghiệm khá lớn có dung tích từ 10 ml trở lên. Kết tủa được tách khỏi dung dịch bằng cách lọc qua phễu có giấy lọc. Để phân tích theo phương pháp bán vi cần lấy lượng chất hoặc dung dịch phân tích nhỏ hơn lượng dùng trong phương pháp lượng lớn từ 10 đến 20 lần. Các thuốc thử thường vẫn dùng theo phương pháp lượng lớn, tuy nhiên các dụng cụ thường có kích thước nhỏ hơn nhiều. Ví dụ, các ống nghiệm chỉ có thể tích chừng 3-5 ml, kết tủa được tách khỏi dung dịch bằng cách dùng các máy li tâm và các mao quản, ống hút có kích thước rất nhỏ. Khi tiến hành phân tích theo phương pháp vi lượng, lượng chất cần phân tích nhỏ hơn 100 lần lượng phân tích theo phương pháp lượng lớn, các dụng cụ được sử dụng rất đặc biệt như các loại kính hiển vi với các thiết bị đặc biệt ( như côn vi thể, các mao quản hút dung dịch ).

 

Hình 1. Tách kết tủa khỏi dung dịch khi dùng các phương pháp phân tích khác nhau.

   2. Phân tích nhỏ giọt:

    Phân tích nhỏ giọt là một trong những phương pháp phân tích định tính quan trọng cho phép phân tích nhanh, cho kết tủa với độ nhạy cao để phát hiện các chất và trong đa số các trường hợp không cần phải tiến hành tách các chất ra khỏi hỗn hợp. Trong phân tích nhỏ giọt ta thường tiến hành các phản ứng phân tích trên các tấm sứ hay thuỷ tinh, ta đưa giọt dung dịch phân tích và giọt thuốc thử lên bảng hoặc lên giấy lọc để tạo thành giọt màu hoặc tinh thể màu trên bảng hoặc vệt màu đặc trưng trên giấy lọc. Khi tiến hành phản ứng trên miếng giấy lọc ta ứng dụng hiện tượng hấp phụ và mao dẫn của giấy lọc. Chất lỏng được thấm vào giấy loang với tốc độ nhanh còn hợp chất màu được tạo thành bị hấp phụ ở một phần nhỏ của giấy lọc. Do đó, độ nhạy của phản ứng được tăng lên.

    Ví dụ: để phát hiện ion Al3+ trong dung dịch có chứa đồng thời nhiều ion kim loại khác bằng phương pháp nhỏ giọt ta làm như sau: Nhỏ một giọt dung dịch K4Fe(CN)6 5% lên giấy lọc. Đưa một giọt dung dịch nghiên cứu lên giữa vết của giọt K4Fe(CN)6 đó. Các ion kim loại khác như Fe3+, Cu2+ ... tạo kết tủa với ion Fe(CN)44 - đọng lại ở giữa vệt. Các ion Al3+ không tạo kết tủa với thuốc thử đó cùng với nước thấm ra xung quanh vết, có thể phát hiện bằng thuốc thử hữu cơ alizarin. Muốn vậy, nhỏ một giọt thuốc thử này lên vệt rồi hơ miếng giấy lọc ở vị trí của vệt lên trên miệng lọ hoặc cốc nhỏ có amoniac và để khô giấy. Nếu có mặt Al3+, ta sẽ thấy một vành sơn nhôm - alizarin màu đỏ cà rốt bao quanh vết feroxianua các kim loại tạo kết tủa.

 

 

                Hình 2. Thực hiện phản ứng giọt trên miếng giấy lọc trong phân tích nhỏ giọt

    Một ví dụ khác: Để xác định Mn2+ ta đưa một giọt dung dịch phân tích lên giấy, chế hoá vệt đó bằng hơi NH3, sau đó nhỏ 1 giọt thuốc thử bazidin trong axit axetic lên giọt đó. Mn(OH)2 được tạo thành bị oxi không khí oxi hoá thành Mn(OH)3 và Mn(OH)4 trên vệt sẽ oxi hoá benzidin tạo thành vệt màu xanh rất đặc trưng. Bằng cách này có thể phát hiện Mn2+ khi có mặt tất cả các ion kim loại chỉ có một mình ion Co3+ ngăn cản mà thôi.

    Như vậy là bằng phương pháp phân tích nhỏ giọt có thể phân tích nhanh, chọn lọc nhiều chất mà không cần tách chúng, phương pháp này có ưu điểm là chỉ cần thể tích nhỏ dung dịch có thể phát hiện nhiều chất một cách nhanh chóng.

   3. Phương pháp phân tích vi tinh thể nghiệm:

    Phương pháp vi tinh thể nghiệm dựa trên việc thực hiện các phản ứng tạo thành các hợp chất có dạng tinh thể đặc trưng để nhận biết một số cation hoặc anion. Trong phương pháp này ta dùng kính hiển vi để quan sát các tinh thể được tạo thành. Để thực hiện phản ứng vi tinh thể nghiệm ta đưa 1 giọt dung dịch phân tích và dung dịch thuốc thử lên tấm kính tiêu bản. Sau một lúc trên kính sẽ xuất hiện các tinh thể có màu sắc hoặc hình dạng đặc trưng xác định. Phương pháp này trước kia được sử dụng nhiều trong vi phân tích định tính và trong phân tích nhỏ giọt. Nhược điểm của phương pháp là tính chọn lọc không cao. Muốn phân tích có kết quả thường phải tách loại ion cản trở để thu được tinh thể đặc trưng cho ion cần phát hiện.

    

                               (a)                                                               (b)

     Hình 3. Các tinh thể K2PtCl6 (a) và CH3 COONa . UO(CH3COO)3 (b)

     Trên đây là hình các tinh thể K2PtCl6 thu được khi cho dung dịch chứa ion K+ tác dụng với dung dịch thuốc thử H2PtCl6và các tinh thể CH3COONa.UO(CH3COO)2 dùng để nhận biết ion Na+ khi cho ion đó tác dụng với dung dịch thuốc thử uranylaxetat trong môi trường axit axetic loãng. Phản ứng này khá đặc trưng với ion Na+ ngay khi có mặt các ion K+, Rb+, Cs+, NH4+.

                4. Các phương pháp phân tích định tính dựa trên sự đốt nóng và nung chảy chất:

     Trong phân tích định tính, ở một số trường hợp ta còn dùng các phương pháp đốt nóng hoặc nung chảy chất rắn cần phân tích với các thuốc thử thích hợp. Một số chất khi bị đốt nóng sẽ nóng chảy tại một nhiệt độ xác định, một số chất sẽ bị thăng hoa, khi gặp lạnh sẽ bám lên thành ống nghiệm dưới dạng những tinh thể đặc trưng, một số hợp chất khi bị đốt nóng sẽ phân huỷ tạo ra các chất khí đặc trưng. Trước đây dựa vào các đặc điểm đó người ta phân tích bằng cách đốt nóng một vài mẫu có thành phần đơn giản mà người ta tiên đoán trước được thành phần của nó.

      Một trong các phương pháp dùng tới sự đốt nóng và nung chảy là phương pháp tạo các ngọc màu. Một số muối và oxit của một số kim loại khi bị nung chảy trên vòng dây Pt với natritetraborat (borac hay hàn the) hoặc với muối photphat sẽ tạo thành hỗn hợp chảy, khi để nguội sẽ thu được các ngọc màu đặc trưng .

     Một phương pháp phân tích dựa trên sự đốt nóng là phương pháp phân tích nhuộm màu ngọn lửa. Một số kim loại như các kim loại kiềm, kiềm thổ có thể được nhận ra khi đốt nóng chúng trên ngọn lửa đèn khí không màu làm ngọn lửa có màu đặc trưng. Ví dụ: natri và các hợp chất của nó cho ngọn lửa màu vàng, kali cho ngọn lửa màu tím, canxi cho ngọn lửa màu đỏ gạch, stronti cho ngọn lửa màu đỏ tía, bari cho ngọn lửa màu vàng lục, đồng cho ngọn lửa màu xanh lục. Để tiến hành phân tích theo phương pháp này ta dùng một dây Pt đầu uốn thành vòng khuyên tròn để đặt chất rắn hoặc nhúng vào dung dịch phân tích. Trước khi thực hiện cần làm sạch dây Pt đó bằng cách nhúng nó vào dung dịch HCl và đưa lên ngọn lửa đèn khí không màu vài lần. Nhược điểm của phương pháp là tính chọn lọc không cao. Chẳng hạn khi quan sát màu ngọn lửa của dung dịch chứa đồng thời các ion Na+ và K+ thì màu của Na sẽ che màu tím của K. Trong trường hợp này muốn nhận ra sự có mặt của ion kali cần quan sát màu ngọn lửa qua một kính màu chàm ( để che màu ngọn lửa của natri).

    5. Phương pháp phân tích quang phổ định tính:

    Một phương pháp vật lí cho phép ta phân tích định tính và bán định lượng một số rất lớn các nguyên tố ( trên 70 nguyên tố) một cách nhanh chóng và đáng tin cậy với độ chọn lọc cao đó là các phương pháp phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử. Nguyên tắc chung của nhóm phương pháp này là khi đốt nóng chất phân tích ở nhiệt độ cao ( dùng ngọn lửa đèn khí hoặc hồ quang điện ), nguyên tử của các nguyên tố bị kích sẽ bức xạ ánh sáng, ánh sáng bức xạ đó được cho đi qua hệ lăng kính của thiết bị quang phổ phát xạ bị phân tích thành các màu khác nhau, người ta quan sát có thể nhìn thấy một loạt vạch có màu sắc khác nhau. Tập hợp các vạch đó gọi là phổ vạch. Phổ vạch của các nguyên tố gồm các vạch ứng với các tia bức xạ được nguyên tử của chúng phát ra khi bị kích thích bằng nhiệt độ hồ quang hoặc ngọn lửa.

 

 

                      Hình 4. Sơ đồ nguyên tắc máy quang phổ phát xạ

 

(1) Tia lửa điện hay hồ quang để kích thích chất nghiên cứu, (2) Thấu kính để hứơng các tia bức xạ bởi hơi hay khí qua khe, (3) Khe vào của máy quang phổ, (4) Vật kính dùng để tạo các chùm tia song song, (5) Lăng kính thủy tinh dùng để phân tách và khúc xạ ánh sáng thành các thành phần của chúng, (6) Vật kính để hội tụ các chùm tia vào những thời điểm khác nhau trên màn tiêu cự, (7) Chúng được quan sát dưới dạng ảnh của khe.

     Mỗi nguyên tố có một số vạch đặc trưng cho nguyên tố đó dựa vào vạch này người ta xét đoán sự có mặt của nguyên tố trong mẫu. Dựa vào cường độ của vạch có thể bán định lượng được hàm lượng của nó.

    Tuỳ theo cách quan sát phổ mà các thiết bị quang phổ có tên gọi là kính quang phổ hoặc máy quang phổ.

     Nguyên tắc của phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử gồm 3 bước chính:

     - Làm bay hơi chất cần phân tích tức là kích thích nguyên tử của mẫu phân tích. Bước đó thường được thực hiện bằng việc nung nóng mẫu bằng nhiệt độ của ngọn lửa đèn khí hoặc bằng nhiệt độ của hồ quang điện.

     - Phân tích tổng bức xạ nguyên tử thành phổ vạch. Bước này thường sử dụng các loại kính có chất lượng tốt hoặc cách tử có độ phân giải tốt.

     - Ghi hoặc chụp phổ thu được. Phương pháp phân tích quang phổ định tính được thực hiện rất nhanh, có độ nhạy cao, định tính rất chính xác ngoài ra còn có thể bán định lượng được các chất. Vì vậy, ngày nay phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong công nghệ luyện kim và đặc biệt trong lĩnh vực thăm dò địa chất, tài nguyên khoáng sản.

   6. Các phương pháp phân tích sắc kí:

    Phương pháp phân tích sắc kí dựa trên sự hấp phụ khác nhau các cấu tử có trong hỗn hợp. Nguyên tắc của phương pháp này là: Rót dung dịch của chất phân tích qua một ống thuỷ tinh hình trụ nạp đầy chất hấp phụ.

 

Hình 5. Cột hấp phụ

     Do tính chất bị hấp phụ bởi chất hấp thu của các chất trong hỗn hợp phân tích khác nhau nên chúng được phân bố trên cột khác nhau. Những chất có khả năng bị hấp phụ lớn sẽ bị hấp phụ ở các phần trên của cột, các chất bị hấp phụ yếu hơn sẽ được phân bố ở phía dưới cột, các chất không bị hấp phụ sẽ chảy qua cột. Kết quả trên cột hấp phụ sẽ có nhiều miền ứng với sự phân bố các chất của hỗn hợp cần phân tích. Nếu chất hấp thu không màu còn các chất bị hấp phụ có màu thì trên cột hấp phụ sẽ xuất hiện các vùng màu và ta gọi đó là sắc phổ.

 Ví dụ: khi dội dung dịch nước chứa hai ion Cu2+ và Cu+ qua cột đựng nhôm axit ta quan sát thấy một sắc phổ gồm 2 vùng, vùng trên có màu xanh chứa các ion Cu2+, vùng dưới có chứa các ion Cu+ có màu hồng.

     Nếu các chất bị hấp thu không có màu, trong trường hợp này thường dùng những dung dịch thuốc thử thích hợp dội qua cột để hiện hình sắc phổ.

     Ví dụ: nếu dội dung dich K4Fe(CN)6 qua cột có hấp thu ion Fe2+ không màu thì ion này sẽ tạo kết tủa với dung dịch đó gây nên màu xanh trên cột.

    Có nhiều phương pháp sắc kí: tuỳ theo trạng thái tập hợp của hệ dùng để tách các chất cần phân tích người ta chia thành sắc kí khí, sắc kí lỏng và sắc kí lỏng - khí. Dựa vào cơ chế tách chất mà người ta chia thành: sắc kí hấp phụ, sắc kí trao đổi ion, sắc kí kết tủa, sắc kí oxi hoá - khử. Dựa vào kĩ thuật thực hiện sự tách người ta chia sắc kí thành sắc kí cột, sắc kí mao quản và sắc kí phẳng ( bao gồm sắc kí giấy và sắc kí lớp lỏng).

    Hai dạng sắc kí phân bố được sử dụng rộng rãi trong phân tích định tính là sắc kí giấy và sắc kí lớp lỏng.

    Sắc kí giấy: trong phương pháp này thay cho cột hấp phụ, ta dùng chất mang đối với dung môi tĩnh là một băng giấy lọc có chất lượng cao. Để tách và nhận biết các ion trong dung dịch phân tích ta làm như sau: đưa một giọt dung dịch phân tích lên mép dưới của băng giấy. Giả sử dung dịch chứa các ion Fe3+ và Co2+. Treo băng giấy vào một ống hình trụ trong đáy bình có một lượng dung môi thích hợp làm pha động. Ví dụ, ở đây ta dùng rượu n- butylic. Cho đầu của băng giấy nơi có giọt dung dịch phân tích nhúng vào dung môi và đậy kín bình. Do lực mao dẫn của các mao quản trong giấy lọc, dung môi sẽ thấm và di chuyển từ dưới lên trên. Các ion trong dung dịch phân tích sẽ di chuyển cùng với dung môi với tốc độ riêng của mình do ái lực của chúng với dung môi khác nhau, nên chúng tách khỏi nhau và mỗi ion chiếm một vị trí riêng trên băng giấy. Khi dung môi đã chạy thấm hết băng giấy, sự tách kết thúc, ta lấy băng giấy ra khỏi bình, sấy khô rồi phun thuốc thử lên. Ví dụ, ở trường hợp này ta dùng dung dịch K4Fe(CN)6 ta thấy trên băng giấy xuất hiện các vết có dạng gần tròn màu xanh nước biển của Fe3+ và xanh lục của Co2+. Hình 6b

 

                         

      Hình 6. a) sơ đồ bình sắc kí giấy theo kỹ thuật đi từ dưới lên và theo kỹ thuật đi từ trên xuống; b) Sắc phổ xuất hiện trên giấy sau khi hiện màu (3- là giọt dung dịch phân tích và 2 là vết của các cấu tử cần tách)

    

     Sắc kí lớp mỏng: Theo cơ chế thì phương pháp này là một dạng của sắc kí phân bố và quy trình phân tích giống như sắc kí giấy. Trong phương pháp sắc kí lớp mỏng tướng tĩnh đóng vai trò chất hấp phụ là một bản mỏng bằng thuỷ tinh hoặc chất trơ được phủ một lớp mỏng có độ dày khá đồng đều chất mang là nhôm oxit hoặc xenlulozơ hoặc silicagen dạng bột. Đầu tiên ta chấm một giọt dung dịch phân tích vào mép dưới của bản mỏng rồi đặt bản vào bình sắc kí cho dung môi thích hợp chạy từ mép có giọt dung dịch thử lên trên. Quá trình tách trong trường hợp này xảy ra nhanh hơn ở sắc kí giấy vì kích thước của bản mỏng thường nhỏ hơn và ngắn hơn kích thước của các băng giấy. Sau khi đã chạy sắc kí xong, lấy bản mỏng ra, làm khô rồi cho hiện sắc phổ như ở sắc kí giấy hoặc đưa bản mỏng dưới ánh sáng tử ngoại để các vết chất hiện lên. Lấy bút chì khoanh các vết đó.

    Các phương pháp sắc kí giấy và sắc kí lớp mỏng có khả năng tách và phát hiện nhiều hỗn hợp các chất vô cơ cũng như hữu cơ. Khi hiện màu để tạo sắc phổ, căn cứ vào độ đậm, nhạt của các vệt chất ta còn sơ bộ đánh giá được tương quan hàm lượng của chúng trong hỗn hợp.

   II. Dụng cụ, thiết bị dùng trong phân tích định tính:

   Phương pháp phân tích định tính axit - bazơ là một phương pháp phân tích bán vi nên dụng cụ, hoá chất dùng trong phương pháp này là thích hợp cho phương pháp đó là rất phổ biến trong các phòng thí nghiệm hoá học. Sau đây là các dụng cụ, thiết bị dùng trong phòng thí nghiệm phân tích theo phương pháp bán vi.

     Ống nghiệm:

     Trong phòng thí nghiệm người ta thường tiến hành các phản ứng phân tích trong các ống nghiệm. ống nghiệm thường có dạng hình trụ, đáy tròn hoặc hình côn. ống nghiệm thường có chiều cao 10 cm, đường kính miệng ống nghiệm thường là 1 cm.

     Máy li tâm:

     Trong phân tích bán vi, để tách dung dịch ra khỏi kết tủa người ta không lọc mà dùng máy li tâm. Sau khi cho ống nghiệm chứa kết tủa vào máy li tâm, cho máy chạy trong vài phút thì kết tủa sẽ lắng xuống đáy ống nghiệm và bám khá chắc vào đáy. Sau đó, có thể chắt gạn dung dịch khỏi kết tủa hoặc dùng ống hút có kích thước mảnh hẹp để hút dung dịch ra.

     Hộp thuốc thử:

     Các dung dịch thuốc thử được đựng trong các lọ có thể tích từ 50 đến 100 ml, lọ đó không có nút như các nút thông thường mà lọ thuốc thử được đậy bằng một ống hút có kích thước phù hợp với cổ và miệng lọ. Hộp thuốc thử thường đựng 40 đến 50 ml dung dịch thuốc thử khác nhau cho phép người phân tích tiến hành tất cả các phản ứng phân tích định tính.

     Các dụng cụ khác:

      Ngoài các dụng cụ chính nêu trên, phòng thí nghiệm phân tích định tính còn có một số dụng cụ khác: để đun nóng các dung dịch người ta thường dùng đèn cồn có kích thước nhỏ. Để tiến hành phân tích theo màu ngọn lửa nhằm nhận biết vài cation người ta dùng đèn khí. Để khuấy trộn dung dịch người ta dùng đũa thuỷ tinh nhỏ. Khi làm việc với H2S hoặc với các khí độc khác cần làm việc trong tủ hút.

    Nồng độ thuốc thử:

    Để tiến hành định tính theo phương pháp bán vi ta thường dùng các dung dịch thuốc thử axit - bazơ nồng độ 2M và 6M. Các thuốc thử đặc trưng cho các ion thường có nồng độ thích hợp cho phản ứng nhận biết chúng. Nồng độ của các thuốc thử hữu cơ thường nhỏ nhưng đủ để tạo nên các tín hiệu rất đặc trưng.

      Trên hình 7 là các dụng cụ thông thường có trong phòng thí nghiệm phân tích định tính đã nói trên.

 

 

Hình 7. Các dụng cụ thông thường dùng trong phân tích định tính

 

C. NỘI DUNG

   I. Phân tích định tính một số nhóm cation theo hệ thống axit - bazơ:

   Các cation được phân tích định tính theo phương pháp axit - bazơ được phân thành các nhóm sau đây:

    + Nhóm 1: Gồm Ag+, Pb2+ và Hg22+. Thuốc thử nhốm là dung dịch HCl loãng, nguội.

    + Nhóm 2: Gồm Ba2+, Sr2+, Ca2+ và Pb2+. Thuốc thử nhóm này là dung dịch H2SO4 loãng và rượu etylic.

    + Nhóm 3: Gồm Al3+, Cr3+, Sn2+, Sn4+ và Zn2+. Thuốc thử nhóm là dung dịch NaOH dư và H2O2.

    + Nhóm 4: Gồm Fe2+, Fe3+, Mn2+, Bi3+, Sb(III) và Sb(V). Thuốc thử nhóm này là dung dịnh NaOH và H2O2, sau đó là HNO3 và H2O2.

    + Nhóm 5: Gồm Cu2+, Co2+, Ni2+, Cd2+, Hg2+ và Mg2+. Thuốc thử nhóm này là dung dịch NH3 đặc.

    + Nhóm 6: Gồm K+, Na+ và NH4+. Nhóm này không có thuốc thử nhóm.

            1. Phân tích các cation nhóm 1: Ag+, Pb2+ , Hg22+

    Các cation của nhóm này cho kết tủa với dung dịch HCl loãng, nguội:

                     Ag+    +    HCl      AgCl↓    +    H+

                     Pb2+    +    2HCl     PbCl2      +    2H+

                                   Hg22+   +    2HCl     Hg2Cl2    +  2H+

    Tích số tan của các hợp chất clorua đó:

           TAgCl   = 1 x 10-10

           TPbCl2    = 2 x 10-5

           THg2Cl2 = 1 x 10-18

     Như vậy, trong 3 clorua nói trên PbCl2 khó kết tủa nhất. Độ tan của PbCl2 tăng mạnh theo nhiệt độ. Cần chú ý rằng AgCl và PbCl2 dễ tan trong dung dịch HCl đặc, vì tạo thành phức tan AgCl2- và PbCl3-.

     Clorua của các kim loại khác còn lại đều có độ tan rất lớn, vì vậy thuốc thử nhóm của các cation thuộc nhóm này là dung dịch HCl loãng, nguội. Bằng dung dịch HCl loãng nguội, dư vừa phải, chúng ta tách được các cation Ag+, Pb2+, Hg22+ dưới dạng kết tủa ra khỏi hỗn hợp các cation khác. Riêng cation Pb2+ có tích số tan tương đối lớn nên không kết tủa hoàn toàn sẽ lẫn vào nhóm phân tích thứ 2 khi dùng thuốc thử nhóm là dung dịch H2SO4 loãng, cùng với rượu etylic.

    Đặc tính của các muối clorua trên :

    Các kết tủa clorua của Ag(I), Pb(II) và Hg(I) khó tan trong nước và các dung dịch axit vô cơ loãng. Tuy nhiên chúng có các đặc điểm khác nhau như sau:

     AgCl tan được trong dung dịch NH3 loãng vì tạo phức bạc (I) amoniac:

            AgCl↓  +  2 NH3     [ Ag(NH3)2]+   +  Cl-

      Hg2Cl2 tác dụng với NH3 loãng tạo thành 2 kết tủa, 1 kết tủa màu trắng NH2HgCl và 1 kết tủa đen Hg:

            Hg2Cl2  +   2NH3     [NH2Hg]Cl   +  Hg↓  +   NH4Cl

     PbCl2 thực tế không tan trong NH3 loãng. Phản ứng này dùng để nhận biết Hg2Cl2 khi có mặt đồng thời NaCl và PbCl2 ( bằng màu đen kết tủa của Hg) và dung dịch NH3 loãng dùng để tách AgCl ra khỏi hỗn hợp 2 clorua còn lại.

     Dựa vào độ tan của PbCl2 tăng theo nhiệt độ, có thể dùng nước khi đun nóng để tách PbCl2 ra khỏi hỗn hợp với 2 clorua của 2 kim loại còn lại.

     Sau đây là phản ứng của các cation nhóm này với vài thuốc thử.

    Với H2S:

Các cation này tạo với khí H2S hoặc nước H2S cho kết tủa rất khó tan Ag2S, HgS và PbS, chúng đều màu đen. Các sunfua này không tan trong cả HCl đặc, Ag2S cà PbS chỉ tan trong các dung dịch HNO3 đun nóng, HgS chỉ tan trong nước cường thuỷ.

     Với dung dịch KI:  

   Ag+ cho kết tủa màu vàng nhạt AgI ( T= 10-16 ) không tan cả trong NH3 đặc chỉ tan trong dung dịch KCN và Na2S2O3 vì tạo thành các phức tan Ag(CN)2- và Ag(S2O3)23-.

    Với KI, ion Pb2+ tạo thành kết tủa PbI2 màu vàng tươi khó tan trong nước lạnh. Nhưng khi đun với nước nóng nó tan nhiều thành dung dịch. Để nguội dung dịch đó, kết tủa PbI2 lại xuất hiện dưới dạng tinh thể lớn, vàng óng ánh rất đặc trưng.

   Với dung dịch KI, ion Hg22+ lúc đầu tạo thành kết tủa Hg2I2 màu vàng lục, khi cho dư thuốc thử, kết tủa đó tạo thành phức tan HgI42- và Hg.

    Với dung dịch K2CrO4:

 Ion Ag+ tạo với thuốc thử này kết tủa Ag2CrO4 màu đỏ gạch, tan được trong dung dịch axit axetic và các axit vô cơ loãng. Ion Pb2+ tạo với thuốc thử này kết tủa PbCrO4 màu vàng khó tan trong dung dịch axit axetic loãng, nhưng tan trong dung dịch axit vô cơ. Ion Hg+ tạo với thuốc thử này kết tủa Hg2CrO4 màu đỏ khó tan trong cả axit HNO3 loãng. Sau đây là sơ đồ phân tích các cation nhóm 1:

 

                                   Dung dịch phân tích + HCl loãng dư, lạnh



 

 


Kết tủa 1: AgCl, PbCl2, Hg2Cl2                      Dung dịch các cation nhóm khác

                             +H2O, đun nóng



 

     Dung dịch Pb2+                                                     Kết tủa 2: AgCl, Hg2Cl2

                         +KI                                                                      + dd NH3









 

             PbI2                                  Kết tủa 3: [ NH2Hg]Cl, Hg↓          Dung dịch

           Màu vàng                                      Màu đen của Hg               + dd HNO3(l)

  

                                                                                                     AgCl ↓

                                                                                                    Màu trắng

        Việc phân tích theo sơ đồ được tiến hành như sau: lấy 1 đến 1,5 ml dung dịch phân tích vào ống nghiệm, thêm từ từ dung dịch HCl loãng, lạnh vào cho tới dư. Li tâm, sau đó gạn lấy kết tủa, thêm vào đó 1- 1,5 ml nước cất, đun nóng. Sau khi li tâm gạn lấy nước lọc (dung dịch Pb2+) và lấy kết tủa 2. Thêm dung dịch KI vào dung dịch Pb2+, li tâm lấy kết tủa vàng tinh thể gần như bột. Hoà tan kết tủa trong nước đun nóng rồi để nguội dung dịch trong ống nghiệm. Sau một lúc thấy xuất hiện lại các tinh thể lớn màu vàng, phản chiếu ánh sáng rất đẹp. Thêm vào kết tủa 2 dung dịch NH3 thấy xuất hiện kết tủa màu đen, chứng tỏ có Hg22+. Li tâm, lấy nước lọc chứa phức tan bạc amoniac. Thêm dung dịch HNO3 vào nước lọc đó, thấy kết tủa trắng xuất hiện lại chứng tỏ có ion bạc (I).

        2.Phân tích các cation nhóm 2: Ba2+, Sr2+, Ca2+ (Pb2+)

     Do PbCl2 có độ tan lớn, khi thêm thuốc thử nhóm không kết tủa hoàn toàn cùng với AgCl và Hg2Cl2 mà PbSO4 lại có độ tan nhỏ hơn nhiều, nên khi phân tích hỗn hợp cation theo hệ thống axit - bazơ, ion Pb2+ sẽ kết tủa cùng với các ion nhóm 2.

     Các cation nhóm 2 tạo với ion SO42 - kết tủa trắng MSO4 thực tế không tan trong thuốc thử dư. Sau đây là tích số tan của các sunfat đó.

                       Hợp chất                                Tích số tan

                       BaSO4                                      1,10 x 10-10

                       SrSO4                                       3,20 x10-7

                       CaSO4                                      9,10 x10-6

                       PbSO4                                       1,45 x10-7

    Sau đây là các phản ứng của các cation nhóm 2 với vài thuốc thử.

    Với dung dịch K2CrO4 và K2Cr2O7:

    Trong môi trường axit axetic chỉ 2 ion Ba2+ và Pb2+ cho kết tủa màu vàng BaCrO4 và PbCrO4, các ion Sr2+ và Ca2+ không tạo thành kết tủa.

                 M2+   +     CrO42-      MCrO4

                 2M2+   +    Cr2O72-   +   H2O      2 MCrO4  +  2H+

   Trong đó M2+ là Ba2+ và Pb2+.

    BaCrO4 khác PbCrO4 ở chổ BaCrO4 không tan trong kiềm, còn PbCrO4 tan trong các dung dich NaOH, KOH khi đun nóng:

            PbCrO4   +   4OH-     PbO22-   +   CrO42-   +    2H2O

    Với dung dịch Na2S :

Với dung dịch này chỉ ion Pb2+ tác dụng tạo thành PbS màu đen, thực tế không tan trong các dung dịch HCl, H2SO4, chỉ tan trong các dung dịch HNO3 đun nóng.

               Pb2+   +   S2-     PbS ↓ 

           PbO22-  +  S2-  +   2H2O    PbS ↓   +   4 OH-

 

   Với dung dịch (NH4)2C2O4:

  Với thuốc thử này các cation nhóm 2 đều cho kết tủa trắng tinh thể. Thuốc thử này rất nhạy đối với ion Ca2+. Các kết tủa đều khó tan trong dung dịch axit axetic loãng, nên người ta dùng thuốc thử này để nhận ra cation Ca2+ sau khi tách nó khỏi các ion Ba2+ và Pb2+.

   Với dung dịch (NH4)2SO4:

  Dung dịch thuốc thử này kết tủa được SrSO4 màu trắng với ion Sr2+:

 

                 Sr2+  +   (NH4)SO4     SrSO4   +   2NH4+

 

    Ion Ca2+ không gây trở ngại cho việc tìm Sr2+ bằng thuốc thử này, vì CaSO4 tạo với thuốc thử đó một phức muối tan:

 

                CaSO4   +   (NH4)SO4     (NH4)2[Ca(SO4)2]

 

    Vì vậy sau khi tách Pb2+ và Ba2+ ra khỏi hỗn hợp với Sr2+ và Ca2+, ta dùng dung dịch (NH4)SO4 làm thuốc thử để nhận biết Sr2+ trong hỗn hợp với Ca2+.

    Sau đây là quy trình phân tích các cation nhóm 2:

    Nước lọc sau khi tách nhóm 1 cho tác dụng với dung dịch H2SO4 loãng, dư và rượu etylic, đun nhẹ, li tâm, thu được kết tủa 2 là hỗn hợp sunfat các cation nhóm 2 và dung dịch các cation các nhóm 3,4,5,6. Chuyển sunfat nhóm 2 thành cacbonat bằng cách cho phản ứng 4 lần với dung dịch Na2CO3 đun nóng. Hoà tan kết tủa cacbonat bằng dung dịch CH3COOH 6M. Thêm vào dung dịch đó dung dịch K2CrO4 để kết tủa BaCrO4 và PbCrO4. Li tâm, lấy kết tủa và nước lọc, chia đôi nước lọc. Phần (1) tìm Sr2+ bằng (NH4)SO4, phần (2) tìm Ca2+ bằng dung dịch (NH4)2C2O4. Cho kết tủa PbCrO4 và BaCrO4 tác dụng với dung dịch NaOH để tách Pb2+. Lấy nước lọc tìm ion Pb2+ bằng dung dịch Na2S. Nếu khi tác dụng với NaOH vẫn còn kết tủa vàng không tan, đó là BaCrO4.

   Lưu ý:

 PbCrO4 còn dễ dàng tan trong dung dich CH3COOH và tạo thành ion phức:

 

               PbCrO4   +   3CH3COO-       Pb(CH3COO)3-   +   SO42-

 

   Vì vậy ta có thể thay dung dịch NaOH bằng dung dich NH4CH3OO để tách PbSO4 ngay từ đầu khỏi hỗn hợp với 3 sunfat của các cation Ba2+, Sr2+,Ca2+. Phản ứng này được dùng trong sơ đồ dưới đây:

 

Dung dch phân tích + H2SO4 loãng
 

                              

                                                                   + rượu etylic



 

Dung dch các cation nhóm sau

 

Kết ta 1: MSO4            

 

                   

                                   + NH4CH3COO, to



 

Kết ta 2: BaSO4, SrSO4, CaSO4

 

dd Pb(CH3COO)3-

 

                             

                                   + Na2S

Kết ta 3: BaCO3, SrCO3, CaCO3

 

PbS

 

                                                

 

                        Màu đen                                                 + CH3COOH loãng

Ba2+, Sr2+, Ca2+, CH3COOH

 

                                                            

                                                                                      + K2CrO4

                                                                                       Chia làm 2 phần



 

P2 + (NH4)2C2O4

 

P1 + (NH4)2SO4

 

BaCrO4

 

                                                     

 

                                                               SrSO4                       CaC2O

                                                    

Màu vàng                   Màu trắng

Sơ đồ phân tích các cation nhóm 2

3. Phân tích các cation nhóm 3: Al3+, Cr3+,Sn2+, Sn4+, Zn2+

  Các cation nhóm này tác dụng với các dung dịch NaOH, KOH dư tạo thành các dung dich muối tan vì hiđroxit của nó lưỡng tính:

          Al(OH)3   +   OH-      AlO2-  +  2H2O

         Cr(OH)3   +   OH-       CrO2-  +   2H2O

         Sn(OH)4    +   2OH-     SnO32-  +   3H2O

         Zn( OH)2  +    2OH-      ZnO22-  +  2H2O

 

     Nh­ưng vì ion CrO2- dễ tạo kết tủa với các cation khác nh­ư Mn2+, Fe3+.... nên ng­ười ta dùng dung dịch NaOH dư­ và thêm H2O2 để oxi hoá CrO2- lên CrO42- đồng thời thuốc thử đó oxi hoá Sn(II) lên SnO32-, Fe2+ lên Fe3+, Sb(III) lên Sb(V).

     Tách Al(III) và Sn(IV): thêm lư­ợng dư­ dung dịch NH4Cl vào dung dịch kiềm dư­ của các cation nhóm này và đun nhẹ thì Al(OH)3 và Sn(OH)4 sẽ kết tủa lại, trong khi đó CrO42- vẫn không thay đổi, ZnO22- sẽ chuyển thành [ Zn(NH3)4]2+:

 

       NH4+  +   OH-      NH3  +   H2O

       AlO2-   +   NH4+  +   2H2O     Al(OH)3  +  NH3

      SnO32-  +   2NH4+   +  H2O      Sn(OH)4   +  2NH3

       ZnO22-   +   4NH4+       [Zn(NH3)4]2+    +   2 H2O

 

      Nhận biết Al3+: Hoà tan kết tủa Al(OH)3 và Sn(OH)4 bằng dung dịch HCl loãng, sau đó thêm vào dung dịch vài hạt Zn, đun nhẹ để khử Sn4+ về Sn.

 

          Sn4+    +    2Zn    Sn    +    2Zn2+

 

     Lọc, thu đư­ợc dung dịch chứa Al3+ và Zn2+ , H+. Thêm dung dịch NH3 vào đó để kết tủa Al(OH)3, dùng li tâm lấy kết tủa đó rồi nhận biết nhôm bằng dung dịch thuốc thử hữu cơ alizarin đỏ sẽ thu đư­ợc kết tủa sơn nhôm màu đỏ da cam rất đặc trư­ng.

Nhận biết Sn(IV): Lấy kết tủa Sn và Zn d­ư, hoà tan hết trong dung dịch HCl 6M đun nóng thu được dung dịch chứa Sn2+ và Zn2+. Thêm từ từ dung dịch HgCl2 vào dung dịch đó theo thành ống nghiệm để tìm Sn2+.

 

       SnCl2   +    2HgCl2     Hg2Cl2   +    SnCl4

      Nhận ra bằng kết tủa Hg2Cl2 màu trắng.

      Nhận biết CrO42-: Bản thân dung dịch màu vàng sau khi thêm kiềm dư­ và H2O2 vào dung dịch phân tích đã chứng tỏ có ion Cr3+.

 

           2 Cr(OH)3     +   3 H2O2   +   4OH-    2CrO42-  +   8H2O

                                                                          Màu vàng

 

       Để nhận biết CrO42- ta dùng phản ứng sau: thêm vào dung dịch chứa CrO42- và và [Zn(NH3)4]2+ ) vài giọt H2O2, thêm vào 0,5 ml r­ợu isoamilic, thêm vào thành  ống nghiệm dung dịch H2SO4 loãng và lắc đến khi l­ượng axit d­ư ta thấy lớp r­ượu isoamilic có màu xanh của Cr2O5. Cơ chế của phản ứng này khá phức tạp đến nay ch­ưa rõ ràng.

      Nhận biết [Zn(NH3)4]2+ : thêm vào dung dịch chứa ion này và CrO42- dung dịch Na2S, ZnS kết tủa trắng sẽ xuất hiện.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                       Dung dịch phân tích + H2O2 + NaOH dư, đun kĩ









 

 


          AlO2-, CrO42-, SnO32-, ZnO22-               Kết tủa nhóm 4, 5

                                + NH4Cl, to



 

              CrO42-, [Zn(NH3)4]2+                       Al(OH)3   ,Sn(OH)4

                                 Chia 2 phần                                   + HCl loãng



 

  P1 + H2O2 + H2SO4(l)        P2 + Na2S                          Al3+, Sn4+

      + rượu amylic                                                            + Zn hạt

                                                                                      

 

        Cr2O5                                              ZnS↓             Al3+, Zn2+                  Sn ↓ 









 

Lớp rượu màu xanh            Màu trắng              + NH3 l, dư         + HCl

                                                                   Al(OH)3                 SnCl2









 

                                                                          + Alizarin            + HgCl2

                                                                Sơn nhôm                  Hg2Cl2

                                                           

                                                      Màu đỏ cà rốt            Màu trắng

Sơ đồ phân tích các cation nhóm 3

      L­ưu ý:

      Hiđroxit Cu(OH)2 cũng có tính lư­ỡng tính, tuy tính axit không đáng kể so với tính bazơ. Nếu trong dung dịch phân tích có ion Cu2+, sau khi thêm thuốc thử nhóm 3 là dung dịch H2O2 và NaOH dư­ thì dung dịch nhóm 3 có ion CuO22- màu xanh lam. Sau khi thêm NH4Cl còn có Cu(NH3)42+. Sự có mặt của ion đó hoàn toàn ngăn cản sự phát triển ion kẽm bằng Na2S vì khi đó CuS màu đen sẽ kết tủa. Để loại trừ ảnh hư­ởng của Cu(NH3)42+ ta làm như­ sau:

      Thêm vào dung dịch có màu xanh của phức đồng amoniacat vài giọt dung dịch KCN đến khi dung dịch hết màu xanh, vì khi đó ion CN- khử Cu(II) về Cu(I) và tạo phức Cu(CN)43- không màu:

           Cu(NH3)42+    +    2CN-     Cu(CN)2   +    4NH3

            2 Cu(CN)2      2CuCN    +   (CN)2

            CuCN  +   3 CN-      2 Cu(CN)43-

       Phức  Cu(CN)43  rất bền và không màu nên không cản trở sự nhận biết ion Zn(NH3)42+ bằng dung dịch Na2S.

      4. Phân tích các cation nhóm 4 : Fe3+, Sb(V), Mn2+, Bi3+, Mg2+

       Đặc điểm của các cation nhóm này là tạo hiđroxit M(OH)n chỉ có tính bazơ không tan trong thuốc thử khử kiềm dư­. Vì vậy, thuốc thử nhóm này và các cation nhóm 2 là dung dịch NaOH dư­ có mặt H2O2. Tác dụng của H2O2 là oxi hoá Cr3+ thành CrO42-, oxi hoá Sb(III) lên Sb(V) vì hiđroxit Sb(OH)3 cũng lư­ỡng tính. Khi đó d­ưới tác dụng của thuốc thử nhóm nói trên, Mn(II) sẽ tạo thành MnO2 màu đen:

              Mn2+  +   H2O2   +   2OH-      MnO2  +   2H2O

      Khi cho tất cả các cation nhóm 4 này sẽ tồn tại dư­ới dạng kết tủa màu đen. Khi dùng thuốc thử nhóm là dung dịch kiềm dư­ và H2O2, các cation nhóm 5: Cu2+, Cd2+, Hg2+, Ni2+, Co2+ cũng đư­ợc kết tủa dư­ới dạng hiđroxit M(OH)n cùng với các cation nhóm 4 trên đây.

      Tách các cation nhóm 4 khỏi các cation nhóm 5:

       Hoà tan kết tủa các hiđroxit cation nhóm 4, 5 cùng MnO2 bằng dung dịch H2O2 và HNO3:

            M(OH)n   +   nH+     Mn+   +    nH2O

            MnO2   +   H2O2  +  2H+     Mn2+   +  O2  +   2H2O

       Đun sôi kĩ dung dịch để phân huỷ H2O2 d­ư. Trung hoà vừa hết lư­ợng axit dư­ bằng cách thêm từng giọt dung dịch NaHCO3 vào lắc đều cho đến khi dung dịch thoáng đục của các vết hiđroxit các kim loại mới tạo thành. Thêm vào dung dịch lượng dư­ dung dịch NH3 để kết tủa hết hiđroxit nhóm 4 (Fe(OH)3, MnO2, Sb(OH)5, Mg(OH)2, Bi(OH)3 ). Li tâm để tách nhóm 5 dư­ới dạng dung dịch phức amoniacat Cu(NH3)42+ , Cd(NH3)42+ , Ni(NH3)62+, Co(NH3)62+ .

      Nhận biết các nhóm cation nhóm 4:

      Nhận biết Mg2+: Sau khi tách các cation nhóm 4 khỏi các cation nhóm 5, nhóm 4 tồn tại d­ưới dạng hiđroxit M(OH)n và MnO2. Trong số các hiđroxit của các kim loại thuộc nhóm 4 chỉ có một mình Mg(OH)2 có độ tan lớn nhất. Tích số tan của nó là 6 x 10-12 vì vậy chỉ một mình Mg(OH)2 tan đư­ợc trong dung dịch NH4Cl:

             Mg(OH)2   +   2NH4+      Mg2+   +    2NH3  +   2 H2O

     Để nhận biết Mg2+ ta tiến hành như sau: cho kết tủa nhóm 4 tác dụng với dung dịch NH4Cl, lọc lấy nước, cho tác dụng với dung dịch Na2HPO4, ion Mg2+ sẽ cho kết tủa tinh thể MgNH4PO4.

     Nhận biết Sb(III) và Sb(V): sau khi hoà tan kết tủa hiđroxit các kim loại nhóm 4 và MnO2 bằng dung dịch HNO3 có mặt một ít dung dịch H2O2ta được dung dịch chứa ion Sb(III) và Sb(V). Chia dung dịch thu được thành các phần nhỏ. Để tìm Sb, người ta dùng dung dịch thuốc thử hữu cơ rodamin B. Dung dịch nước của thuốc thử này có huỳnh quang màu vàng. Khi thêm thuốc thử đó vào dung dịch chứa ion SbCl6- ta thu được một dung dịch màu tím và một phức ion liên hợp được chiết bằng benzen tạo thành dung dịch màu đỏ cánh sen trong benzen. Lúc đó ta thấy dung dịch nước có huỳnh quang màu tím còn lớp benzen ở trên có màu đỏ cánh sen rất đặc trưng.

    Nhận biết Fe3+: Lấy một phần dung dịch nhóm 5 cho tác dụng với dung dịch KSCN hoặc NH4SCN ta được dung dịch có màu đỏ máu đậm rất đặc trưng.

    Nhận biết Mn2+: Lấy một ít dung dịch nhóm 4 ( vài giọt ) cho tác dụng với một dung dịch gồm 2 ml dung dịch (NH4)S2O8 hoặc K2S2O8 vài giọt dung dịch AgNO3 ( làm chất xúc tác ) và đun nóng nhẹ, ion Mn2+ sẽ bị oxi hoá tạo thành MnO4- màu tím đỏ rất đặc trưng:

      2Mn2+   +   5S2O82-  + 8H2O    2 HMnO4   +   10 SO42-   +   14H+

    Nhận biết ion Bi3+: Lấy một ít dung dịch nhóm 5, có thêm 1 ml dung dịch SnCl2, nếu thu được một dung dịch có màu vàng tươi của ion BiI4- là có mặt ion Bi3+. Sự có mặt của SnCl2 là cần thiết vì trong dung dịch có mặt HNO3, khi ta thêm dung dịch KI vào, nó sẽ bị oxi hoá thành I2 màu vàng, nâu. SnCl2 sẽ khử I2 thành I- không màu, không gây ảnh hưởng đến quá trình tìm ion Bi3+.

 

                Bi3+  +   4I-  BiI4-

  5. Phân tích các cation nhóm 5: Cu2+, Co2+, Ni2+, Cd2+, Hg2+

    Đặc điểm của các cation nhóm này là sự tạo phức với dung dịch NH3 , vì vậy, sau khi tách chúng khỏi các cation nhóm 4, ta thu được dung dịch phức amoniac của các cation nhóm này. Tiếp theo ta thêm dung dịch ( NH4)2S vào để kết tủa các sunfat nhóm này gồm: CdS, NiS, CoS, CuS, HgS. Sau đây là tính chất các sunfat nhóm này:

    CdS: Màu vàng tươi, có tích số tan T = 7,9 x 10-27. CdS tan trong dung dịch H2SO4 3M ... NiS và CoS đều có màu đen và có chung tính chất là không kết tủa được từ dung dịch axit bằng khí H2S. Chúng chỉ kết tủa được từ dung dịch axit bằng dung dịch Na2S hoặc bằng dung dịch (NH4)2S. Nhưng khi NiS và CoS đã kết tủa, chúng nhanh chóng bị lão hoá, chuyển dạng tinh thể, thay đổi cấu trúc phân tử có tích số tan nhỏ đi nhiều lần đến mức không tan được trong dung dịch HCl đặc, chỉ tan được trong dung dịch HNO3 đun nóng. Sau đây là tích số tan các dạng NiS và CoS:

                      Hợp chất                                  Tích số tan

                       CoS                                           4,0 x 10-12

                       CoSõ                                          2,0 x 10-25

                       NiS                                            3,2 x 10-19

                       NiSõ                                                                      1,0 x 10-24

                       NiSó                                          2,0 x 10-26

    CuS màu đen có tích số tan rất nhỏ TCuS = 6,3 x 10-36, vì vậy, có thể kết tủa từ dung dịch có độ axit khá cao bằng chính khí H2S. CuS chỉ tan trong dung dịch HNO3 đun nóng theo phản ứng oxi hoá - khử trong đó ion sunfat bị oxi hoá thành S hoặc khí SO2 hoặc SO42-.

            3CuS    +   8HNO3     3 Cu(NO3)2  +  3S   +   2NO   +   4H2O 

       HgS màu đen là sunfua có độ tan nhỏ nhất ( THgS = 1,6 x 10-52 ). Không tan cả trong dung dịch HNO3 đun nóng , chỉ tan trong dung dịch nước cường thuỷ:

 

           3HgS    +   6HCl   +   2HNO3    3HgCl2  +  3S   +   2NO  +   4H2O

 

    Chính vì vậy HgS kết tủa được trong các dung dịch axit mạnh có nồng độ cao bằng dung dịch khí H2S.

     Phản ứng nhận biết các cation nhóm 5:

     Cation Cd2+: Dung dịch H2S trong nước ( nước H2S ) đẩy được CdS màu vàng từ dung dịch axit có pH lớn hơn hay bằng 0.

     Cation Cu2+: thuốc thử thông dụng đối với ion Cu2+ tồn tại trong dung dịch axit là dung dịch NH3 đặc. Dung dịch thuốc thử này tạo phức Cu(NH3)42+ màu xanh lam đậm rất đặc trưng.

     Cation Ni2+: Phản ứng đặc trưng của Ni2+ là phản ứng của nó với thuốc thử hữu cơ đimetylglioxim (H3CCNOH)2 trong dung dịch amoniac tạo thành kết tủa màu đỏ cánh sen sẫm rất đặc trưng. Đây là phức vòng càng không tan trong NH3 nhưng tan trong các dung dịch axit vô cơ loãng. Có thể phát hiện Ni2+ bằng phản ứng nhỏ giọt dùng thuốc thử này khi có mặt trong dung dịch hỗn hợp hầu hết các cation khác.

     Phản ứng tiến hành như sau: Nhỏ lên trên giấy lọc một giọt dung dịch Na2HPO4, chấm vào giữa giọt đó một giọt dung dịch phân tích rồi nhỏ lên giữa vết chấm dung dịch đimetylglioxim. Nừu có mặt ion Ni2+ sẽ thấy một vết hồng hoặc đỏ cánh sen xuất hiện.

     Cation Co2+: Dung dịch thuốc thử SCN- tạo với ion Co2+ ion phức Co(SCN)42- màu xanh được chiết bằng rượu isoamylic. Phản ứng đó rất nhạy và rất đặc trưng với ion Co2+. Chỉ các ion Fe3+ và Cu2+ ngăn cản. Fe3+ đã được tách trong nhóm 4. Cu2+ được che bằng dung dịch Na2S2O3. Vì vậy, ta tìm Co2+ khi có mặt Cu như sau: thêm dung dịch Na2S2O3 vào rồi thêm lần lượt dung dịch SCN- và rượu isoamylic, lắc hỗn hợp. Nếu có mặt ion Co2+ lớp rượu isoamylic sẽ hoá xanh.

    Phản ứng của cation Hg2+: Pha loãng dung dịch axit chứa ion Hg2+ rồi cho một lá đồng mỏng nhỏ vào. Sau một lúc lấy nó ra, nếu có Hg2+ lá Cu ban đầu màu đỏ sẽ chuyển sang sáng như bạc, do Hg bị đẩy ra tạo thành hỗn hống với Cu:

                Cu     +    Hg2+      Hg(Cu)    +    Cu2+

     Phân tích các cation nhóm 5:

    Sau khi tách các cation nhóm 5 ra khỏi nhóm 4 ta được dung dịch các cation này trong môi trường (NH3 + NH4+). Thêm vào dung dịch đó (NH4)2S để kết tủa tất cả các sunfua của các cation nhóm 5, ta được kết tủa màu đen. Rửa kết tủa đó vài lần bằng dung dịch NH4Cl để phá keo sunfua và loại bỏ kết tủa dư. Đun nóng kết tủa với dung dịch HCl hoặc H2SO4 loãng 1,5M. Thu được dung dịch chứa Cd2+. Pha loãng dung dịch đó bằng nước H2S nếu có Cd2+ ta được kết tủa màu vàng tươi.

    Hoà tan các sunfua khác trong kết tủa đen bằng dung dịch HNO3 loãng đun nóng. Chia dung dịch thu được thành 4 phần và lần lượt tìn các cation Cu2+, Hg2+, Co2+và Ni2+ như đã trình bày ở trên.

 II. Phân tích định tính một số nhóm anion

    Khi phân tích định tính các anion cần chú ý một số điểm sau:

    a, Sự có mặt của các anion trong dung dịch phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

     * Sự có mặt của một số cation. Ví dụ: trong dung dịch có mặt ion Ba2+ với nồng độ đáng kể thì không thể tồn tại các anion để tác dụng với nó tạo thành kết tủa như: CO32-, SO42-, SO32-, PO43-.

      * Độ axit và pH của dung dịch: Nếu dung dịch là axit, pH nhỏ hơn 1 - 3 không thể chứa các ion axit yếu và dễ bay hơi như: CO32-, HCO3-, CN-, SO32-, HSO3-.

      * Độ axit của dung dịch và sự có mặt của một số cation kim loại: Nếu môi trường là axit và chứa các cation kim loại kiềm thổ thì vắng mặt một số loạt cation: CO32-, HCO3-, SO32-, HSO3-, SO42-, S2-, PO43-, HS -, HPO42-.

     b, Cho đến nay người ta vẫn chưa tìm được một hệ thống phân tích hỗn hợp nhiều anion như đối với cation có nhiều hệ thống phân tích như hệ thống dùng khí H2S và hệ thống dùng các thuốc thử axit - bazơ như trên đã trình bày.

     c, Người ta chỉ có các phương pháp phân tách và nhận biết các anion của một số nhóm khi chúng tồn tại trong dung dịch trong một hỗn hợp không quá phức tạp.

  1. Phân tích hỗn hợp halogenua Cl-, Br -, I-

      Để tách 3 ion này ra khỏi hỗn hợp với nhiều anion khác ta dùng chung dung dịch AgNO3 trong môi trường dư HNO3 loãng.

                Ag+   +    X-    AgX ↓

     Dựa vào độ tan khác nhau của các halogenua bạc này ta có thể tách chúng khỏi nhau và nhận biết từng anion một.

                   Hợp chất                             Tích số tan

                    AgCl                                   1,78 x 10-10

                    AgBr                                   5,30 x 10-13

                    AgI                                      8,30 x 10-17

   AgCl tan được trong dung dịch NH3 loãng, trong khi đó AgBr và AgI không tan được. Để tách AgCl ra khỏi hỗn hợp với 2 halogenua trên, người ta thường dùng thuốc thử Miller đó là dung dịch hỗn hợp NH3 0,25M + AgNO3 0,01M + KNO3 0,25M.

             AgCl   +    2NH3     [ Ag(NH3)2]+   +    Cl-

             [ Ag(NH3)2]+   +   Cl-   +  2H+       AgCl↓  +  2NH4+

    Để tách AgBr ra khỏi AgI ta dùng dung dịch NH3 đặc vì AgBr tan trong NH3 đặc còn AgI có tích số tan quá nhỏ không tan trong dung dịch đó.

   Sau khi tách được AgCl và AgBr khỏi hỗn hợp còn lại AgI màu vàng nhạt.

   Nhận biết I- và Br _: Để nhận biết các anion này bằng thuốc thử đặc trưng chúng ta cần phân huỷ AgX và oxi hoá các anion halogenua này thành các đơn chất tương ứng Br2 và I2.

   Muốn vậy, cho các kết tủa vào các ống nghiệm, thêm vào đó dung dịch CH3COOH loãng và Zn hạt để thực hiện phản ứng.

      2AgX  +  Zn  +  2CH3COOH     2Ag↓   +  2X-   +  Zn(CH3COO)2   + 2H+

     Thực chất CH3COOH là chất tạo môi trường axit yếu thuận lợi cho phản ứng khử AgX.

    Oxi hoá Br- bằng PbO2:

          2Br-  +   PbO2   +   4H+  Br2  +   Pb2+  +  2H2O

    Oxi hoá I- bằng dung dịch HNO3 loãng:

          6I-   +  2NO3-   +   8H+     3I2   +   2NO   +   4H2O

     Thuốc thử để nhận biết Br2 là dung dịch fluorexein. Chất này tương tác với Br2 thành tetrabromfluorexein ( còn gọi là eosin ) có màu hồng đặc trưng. Ta tiến hành phản ứng như sau: Nhỏ một giọt thuốc thử fluorexein màu vàng lục phát huỳnh quang lên tờ giấy lọc. Đưa tờ giấy lọc lên một ống nghiệm chứa Br2 đã được tạo thành sau phản ứng oxi hoá, đun nhẹ cho Br2 bay lên. Sau đó lấy miếng giấy lọc ra ta sẽ thấy một vòng tròn ( miệng ống nghiệm) màu hồng của eosin.

    Nhận biết I2 bằng dung dịch hồ tinh bột ta được một dung dịch màu xanh chàm đặc trưng.

    Lưu ý: AgSCN cũng không tan trong HNO3 loãng dư. Vì vậy, nếu trong hỗn hợp anion có anion này thì nó cũng cùng kết tủa với các halogenua. AgSCN có tích số tan T = 10-12, vì vậy nó tan được trong NH3 đặc và cùng được tách ra với Br-. Tuy vậy, nó không ảnh hưởng đến việc tìm Br- như đã mô tả trên.

    Vì vậy, cần tìm trước anion SCN- từ dung dịch đầu bằng thuốc thử Fe3+ trong môi trường axit nitric loãng. Thực tế rất ít ion ngăn cản phản ứn nhạy và đặc trưng này.

   2. nhận biết các anion nitrat và nitrit

     Ion nitrat tồn tại được trong các môi trường axit, trung tính cũng như kiềm, khi có mặt số lớn các cation và anion. Chỉ trừ trường hợp trong môi trường axit mạnh và có ion có tính khử mạnh, vì trong môi trường axit NO3- có tính hoá khá mạnh.

         NO3-   +  3e   +    4H+     NO   +   2H2O

    Thuốc thử khá đặc trưng của các ion NO3- là dung dịch FeSO4. Trong môi trường của axit sufuric đặc NO3- oxi hoá Fe2+ tạo thành NO, NO tạo phức với ion Fe2+ thành phức chất có màu nâu đặc trưng:

          6FeSO4  +   2HNO3  +  3H2SO4     3Fe(SO4)3  +   2NO  +  4H2O

           FeSO4   +  NO    [ Fe(NO)]SO4

    Phản ứng được tiến hành như sau: Thêm một giọt dung dịch FeSO­4 vào dung dịch phân tích, thêm dung dịch H2SO4 đặc theo thành ống nghiệm vào, quan sát chỗ tiếp xúc này ví NO2- cũng cho phản ứng tương tự. Như vậy, muốn tìm nitrat bằng phản ứng này phải phân huỷ hết ion nitrit.

     Để phân huỷ nitrit, lấy 1 ml dung dịch thuốc thử thêm vào đó một ít dung dịch NH4Cl vào và cô dung dịch đến khô:

       NH4NO2  N2   +   2H2O↑

    Phản ứng phân huỷ khác được thực hiện khi thêm vào dung dịch chứa nitrit một ít urê, HCl và đun nóng.

        OC(NH2)2   +   2NO2-  +  2H+      CO2  +   2N2  +   3H2O

      Trong môi trường axit axetic, ion nitrit oxi hoá FeSO4 tạo thành phức màu nâu , trong môi trường đó, nitrat không phản ứng, do đó có thể tìm nitrit khi có mặt đồng thời ion nitrat.

   3.Phân tích hỗn hợp SO42-, SO32-, S2O32-

     Trước hết tìm ngay từ đầu ion SO42-. Lấy vài giọt dung dịch phân tích, thêm vào đó 1 ml dung dịch HCl 6M và vài giọt dung dịch BaCl2. Nếu có kết tủa trắng xuất hiện chứng tỏ có ion SO42- vì BaSO4 không tan trong các axit mạnh ( loãng).

     Tách sunfit, sunfat khỏi thiosunfat:

             S2O32-  +   2H+  SO2  +  S ↓  +  H2O

     Nhận biết ion SO32-: rửa sạch kết tủa, thêm vào đó vài giọt dung dịch KMnO4 , vài giọt H2SO4 loãng, đậy ống nghiệm bằng một nút nhỏ, thấy dung dịch thuốc tím mất màu chứng tỏ có mặt ion sunfit.

            SO32-   +    2H+   SO2   +    H2O

            2 MnO4-  +   5SO2  +   2H2O     5SO42-  +   2Mn2+  +   4H+

   4. Phân tích hỗn hợp các anion AsO43-, PO43-, AsO33-

     Trước hết tách AsO33- khỏi PO43- và AsO43-. Lấy một ít dung dịch phân tích, thêm vào đó 5 -6 giọt hỗn hợp (NH + NH4Cl + MgCl2) nếu có kết tủa trắng là có mặt AsO43- và PO43- hoặc 1 trong 2 anion đó, vì chúng đều tạo thành MgNH4PO4 hoặc MgNH4AsO4. Lọc lấy nước và tách riêng khỏi kết tủa.

      Nhận biết AsO33-: Lấy nước, đem axit hoá bằng HCl đặc, cho khí H2S  qua, nếu có kết tủa vàng của As2S3 chứng tỏ có AsO33-.

      Nhận biết AsO43-: Hoà tan kết tủa bằng dung dịch HCl đặc. Cho khí H2S qua nếu có kết tủa vàng, chứng tỏ có As2S5. Lọc lấy nước lọc để tìm PO43-.

      Nhận biết PO43-: Thêm vào dung dịch sau khi cho H2S chạy qua để kết tủa As2S5, làm bay hơi đến khô để huỷ hết sunfua. Thêm vào bã thuốc thử nitromolydat, đun nhẹ, nếu có kết tủa vàng chứng tỏ có ion photphat.

 12 (NH4)2MoO4 +  Na2HPO4 + 23HNO3  (NH4)[PMo12O40] ↓ +  2NaNO3 +                                                                                                                                                                                            12H2O  +  21NH4NO3

D. KẾT LUẬN

   Trong quá trình thực hiện đề tài " Các phương pháp phân tích định tính các ion vô cơ". Chúng em đã:

- Tiến hành nghiên cứu, tìm kiếm thông tin từ các nguồn tư liệu khác nhau.

- Tiến hành một số thí nghiệm thử nghiệm.

- Đưa ra được một số phương pháp phân tích định tính cơ bản.

- Phương pháp được áp dụng cho cation, anion và các phương pháp áp dụng cho cation, anion điển hình.

    Việc nghiên cứu này nó giúp cho chúng ta có thể xác định được chất hay mẫu phân tích gồm những nguyên tố hoá học nào, những ion nào. Nó đóng góp vào việc phục vụ trong các lĩnh vực như: phân tích môi trường, phân tích nước, phân tích đất... và nhất là có ý nghĩa thiết thực cho sinh viên chuyên ngành hoá học như chúng em , giúp cho các bạn sinh viên có thể hiểu rõ hơn về các phương pháp được áp dụng trong hoá học phân tích, phục vụ cho việc học tập học phân hoá học phân tích một cách tốt nhất.

 [1] Nguyễn Tinh Dung: Hoá học phân tích, cân bằng ion trong dung dịch, NXBGD, Hà Nội, 2000, tái bản 2001,2002.

[2] Nguyễn Duy Ái, Nguyễn Tinh Dung, Trần Thành Huế, Trần Quốc Sơn, Nguyễn Văn Tòng: Một số vấn đề chọn lọc của hoá học tập II, NXBGD, Hà Nội, 1999.

[3] Nguyễn Tinh Dung: Hoá học phân tích, phần I, lí thuyết cơ sở( cân bằng ion ), NXBGD, Hà Nội,1977, tái bản 1981.

[4] Nguyễn Tinh Dung: Bài tập hoá học phân tích, NXBGD, Hà Nội, 1982.

[5] Nguyễn Tinh Dung: Hoá học phân tích, phần III, Các phản ứng ion trong dung dịch nước, NXBGD, Hà Nội, 2003.

  [6]  Hoàng Minh Châu: Hoá học phân tích định tính, NXBGD, Hà Nội, 1977.

     [7] N.I.Blôc – Nguyễn Tinh Dung dịch: Phân tích định tính – phản ứng anion, NXBGD,1976.

     [8] N.I.Blôc – Hoàng Minh Châu dịch: Hoá học phân tích định tính  - phản ứng cation, NXBGD, 1986, in lần thứ 3.

     [9] Rober Rosset, Denise Bauuer, Jean Debarres- Hồ Viết Quý, Đặng Trần Phách dịch: Hoá học phân tích các dung dịch, NXBĐHQG, 1996.

ĐỊA CHỈ
312 Lý Thường Kiệt - Phường Bắc Lý - Thành phố Đồng Hới - Quảng Bình
(0232) 3...
Hỗ trợ kỹ thuật : (0232) 3...
Khoa Kỹ thuật - CNTT- Trường Đại Học Quảng Bình
© Phát triển bởi Bộ môn CNTT Trường Đại học Quảng Bình