常见阳离子的分离和检出

一、实验目的

（1）了解硫化氢系统分析法的离子分组、组试剂和分组分离条件。

（2）总结、比较常见阳离子的有关性质。

（3）将Cu2＋、Sn4＋、Cr3＋、Ni 2＋、Ca2＋、NH＋4等离子进行分离与检出，并掌握其分离与检出条件。

（4）自行拟定阳离子分离与检出的实验方案。

二、实验原理

在水溶液中，离子的分离与检出是以各离子对试剂的不同反应为依据的。这种反应常伴有特殊的现象。例如，沉淀的产生、特征颜色和气体产生等，各种离子对试剂作用的相似性和差异性就构成了离子分离和检出方法的基础，即离子本身的性质是分离与检出的基础。

任何分离、检出反应都是在一定条件下进行的，选择适当的条件 （如溶液的酸度，反应物浓度、温度等）可以使反应向预计的方向进行，因此在设计水溶液中混合阳离子分离与检出实验方案时，除了必须熟悉各种离子的性质外，还要会运用离子平衡 （酸碱、沉淀、氧化还原和配合平衡）的规律控制反应条件。这样既利于熟悉离子性质，又有利于加深对各类离子平衡的理解。

对于组分较复杂试样的离子分离与检出，通常采用系统分析法，常用的经典系统分析法有两种，硫化氢系统分析法和两酸两碱系统分析法，由于硫化氢系统分析法应用较广泛，主要介绍硫化氢系统分析法。

在系统分析中，首先用几种组试剂将溶液中性质相似的离子分成若干组，然后在组内进行分离和检出。所谓 “组试剂”是指能将几种离子同时沉淀出来而与其他离子分开的试剂。

硫化氢系统分析法是以硫化物溶解度的不同为基础，用4种组试剂把常见的阳离子分为5个组的系统分析法。常见阳离子的分组情况及所用组试剂列于表3－10。

硫化氢系统分析的过程是：在含有阳离子的酸性溶液中加入HCl；Ag＋、Pb2＋、Hg2＋2形成白色的氯化物沉淀，而与其他阳离子分离，这几种阳离子就构成了盐酸组。沉淀盐酸组时，HCl的浓度不能太大，否则会因形成配合物而沉淀不完全。在分离沉淀后的清液中调节至HCl的浓度为0．3mol／dm3，通入H2S或加硫代乙酰胺 （CH3CSNH2）并加热，Pb2＋、Bi 3＋、Cu2＋、Cd2＋、Hg2＋、As（Ⅲ，V）、Sb（Ⅲ，V）、Sn4＋等阳离子生成相应的硫化物沉淀，这些离子组成了硫化氢组，这些离子除Pb2＋外，其氯化物都溶于水，Pb2＋虽然在盐酸组中析出一部分Pb Cl2沉淀，但由于沉淀不完全，溶液中还剩相当量的Pb2＋，所以硫化氢组中也包括Pb2＋。在分离沉淀后的清液中加入氨水至碱性 （NH4Cl存在下），通入H2S （或加入硫代乙酰胺并加热），Fe3＋、Co2＋、Ni 2＋、Mn2＋、Zn2＋形成硫化物沉淀，而Al 3＋、Cr3＋形成氢氧化物沉淀，这些离子统称为硫化铵组。在沉淀这一组离子时，溶液的酸度不能太高，否则本组离子不可能沉淀完全，溶液酸度也不可能低，否则另一组的Mg2＋可能部分生成Mg（OH）2沉淀，并且Al（OH）3呈两性也可能部分溶解，于是溶液中加入一定量的NH4Cl以控制溶液的p H值，防止形成Mg（OH）2沉淀和Al（OH）3的部分溶解。在分离沉淀后的清液中加入 （NH4）2CO3，与Sr2＋、Ba2＋和Ca2＋形成碳酸盐并析出沉淀，称为碳酸铵组，剩下的Mg2＋、K＋、Na＋、NH＋4不被上述任何组试剂所沉淀。留在溶液中，叫易溶组，这一分析过程如图3－20所示。分成5个组后再利用组内离子性质的差异性，利用各种试剂和方法一一进行检出。

三、仪器和试剂

1．仪器

离心机、恒温水浴。

表3－10 阳离子的硫化氢系统分组

＊Pb2＋浓度大时部分沉淀。

＊＊系统分析中需要加入铵盐，故NH＋4需另行检出。

2．试剂

Cu2＋、Sn4＋、Cr3＋、Ni 2＋、Ca2＋、NH＋4的混合液，2mol／dm3、6mol／dm3Na OH溶液，10％Na OH溶液，0．5mol／dm3、2mol／dm3、6mol／dm3氨水，浓氨水，0．1mol／dm3、1．0mol／dm3、6mol／dm3HCl溶液。5％硫代乙酰胺溶液，6mol／dm3HNO3溶液，0．2mol／dm3Hg Cl2溶液，1mol／dm3Na Ac溶液，0．25mol／dm3K4Fe（CN）6溶液，6％H2O2，1％丁二酮肟溶液，1mol／dm3（NH4）2CO3溶液，2mol／dm3、6mol／dm3HAc溶液，10％Na2CO3溶液，CHCl3，3mol／dm3NH4Cl溶液，1％NH4NO3溶液，0．5mol／dm3Pb（NO3）2溶液， 0．1％甲基紫指示剂，1％乙二醛双缩 （α－羟基苯胺）（简称GBHA）的乙醇溶液，0．001％镁试剂I（对硝基苯偶氮间苯二酚），0．1％百里酚蓝指示剂，Zn粉。

四、实验内容

Cu2＋、Sn4＋、Cr3＋、Ni 2＋、Ca2＋、NH＋4混合液的定性分析系统分析图如图3－21所示。

操作步骤：

（1）初步检验——NH＋4的鉴定。首先将一小块p H试纸用蒸馏水润湿，贴在表面皿中心，另一表面皿中加2滴混合液、2滴2mol／dm3Na OH溶液，很快用贴有p H试纸的表面皿盖上，将此气室放在水浴上加热，如p H试纸变为碱色，表示有NH＋4存在。

（2）各离子的分离与检出 （图3－21）：

图3－20 阳离子系统分析图

①Cu2＋、Sn4＋与Cr3＋、Ni 2＋、Ca2＋的分离，以及Cu2＋、Sn4＋的检出。取20滴混合液于1支离心试管中，加入1滴0．1％甲基紫指示剂，用NH3和HCl调至溶液为绿色，加入10滴5％硫代乙酰胺，加热，则析出Cu S和Sn S2沉淀，离心分离 （离心液按步骤②处理），沉淀上加4～5滴6mol／dm3HCl，充分搅拌，加热，使Sn S2充分溶解，离心分离，离心液为Sn Cl 2－6，用少许Zn粉将其还原为Sn Cl 2－4，取此溶液2滴，加入1滴0．2mol／dm3Hg Cl2，生成白色沉淀，并逐渐变为黑色，证明有Sn4＋存在。在Cu S沉淀上，加2滴6mol／dm3 HNO3，加热溶解，并除去低价氮的氧化物，离心分离，弃去沉淀，溶液加1mol／dm3Na Ac和0．25mol／dm3K4Fe（CN）6溶液各1滴，生成红棕色沉淀，证明有Cu2＋存在。

②Cr3＋、Ni 2＋与Ca2＋的分离和Cr3＋、Ni 2＋的鉴定，在步骤①的离心液中，加入5滴3mol／dm3NH4Cl溶液及1滴百里酚蓝指示剂，再用15mol／dm3NH3水及0．5mol／dm3NH3水调至溶液显黄棕色 （先用浓氨水，后用稀氨水调节），加10滴5％硫代乙酰胺，在水浴中加热，离心分离，离心液按步骤③处理。沉淀用1％NH4NO3溶液洗涤。弃去溶液，沉淀加3滴6mol／dm3Na OH和3滴6％H2O2，加热，使Cr（OH）3溶解，此时生成黄色的Cr O2－4，离心分离，离心液加HAc酸化，加1滴Pb2＋溶液，生成黄色沉淀，表示有Cr3＋。

Ni S沉淀用1％NH4NO3溶液洗涤，弃去溶液，沉淀上加2滴6mol／dm3HNO3，加热溶解，分离出生成的硫磺沉淀，清液中加入6mol／dm3NH3水，使之呈碱性，加1滴1％丁二酮肟，生成红色沉淀，证明有Ni 2＋存在。

图3－21 Cu2＋、Sn4＋、Cr3＋、Ca2＋、NH＋4的系统分离和检出图

③Ca2＋的鉴定。在②的离心液中，加3滴1mol／dm3（NH4）2CO3，生成白色沉淀，离心分离，弃去离心液，沉淀用水洗1次，加2滴2mol／dm3HAc溶解，取此溶液1滴，加4滴1％GBHA的乙醇溶液，1滴10％Na OH溶液，1滴10％Na2CO3溶液和3～4滴CHCl3，再加数滴水，摇动试管，CHCl3层显红色，表示有Ca2＋存在。

五、预习要求

（1）查阅有关的参考书，了解常见阳离子的化学性质、与组试剂反应后的产物性状以及相应反应方程式。

（2）预习有关离心机、恒温水浴及固液分离的操作。

六、思考题

（1）根据本实验的内容，总结常见离子的检出方法，写出反应条件、现象及反应方程式。（2）拟定下列两组阳离子分离检出的实验方案：

（3）请选用一种试剂区别下列5种溶液：

①NH＋4 　 Cu2＋　 Ag＋　 Hg2＋　 Ba2＋

②Na＋　 Ni 2＋　 Pb2＋　 Cr3＋　 Ca2＋

KCl，Cd（NO3）2，Ag NO3，Zn SO4，Cr Cl3

（4）各用一种试剂分离下列各组离子：

Zn2＋和Al 3＋；Cu2＋和Hg2＋；Zn2＋和Cd2＋。

七、附注（某些有机试剂的结构简式和有关阳离子的检出反应方程式）

1．GBHA［乙二醛双缩 （α－羟基苯胺）］

2．丁二酮肟

3．硫代乙酰胺

其水解反应方程式为

酸性溶液中：CH3CSNH2＋2H2O=== NH＋4＋CH3COO－＋H2S

碱性溶液中：CH3CSNH2＋OH－＋H2O=== NH＋4＋CH3COO－＋HS－

4．Cu2＋的检出反应方程式

2Cu2＋＋［Fe（CN）6］4－===Cu2［Fe（CN）6］（s，红棕色）

5．Sn4＋的检出反应方程式

6．Cr3＋的检出反应方程式

7．Ni 2＋的检出反应方程式

8．Ca2＋的检出反应方程式