Задачей аналитической химии является определение состава исследуемого объекта, т. е. распознавание содержащихся в нём элементов и установление их точного количества. Первую часть задачи возможно решить посредством проведения качественных реакций на ионы (неорганических веществ) и функциональные группы (органическая химия).
Основные признаки качественной реакции
Качественная реакция — это химическое взаимодействие определяемого вещества и реагента, сопровождающееся ярким внешним эффектом. Кроме того, реакции должны быть специфичными, т. е. возможными только для определённого элемента или группы соединений. К их эффектам могут относиться:
- выделение газа;
- изменение цвета раствора;
- выпадение или растворение осадка (для теоретического предположения достаточно воспользоваться таблицей растворимости).
Так как в аналитической химии широко применяют физические и физико-химические методы анализа, то для некоторых веществ признаком прохождения качественной реакции становятся изменение окраски пламени горелки при внесении в него вещества, начало люминесценции при ультрафиолетовом облучении или характе́рная форма образующихся кристаллов (которую возможно рассмотреть только при помощи микроскопа).
Аналитические группы
Качественные реакции на катионы и анионы принято классифицировать по так называемым аналитическим группам, приняв за основной признак деления взаимодействие ряда ионов со специальным, групповым реагентом. Продуктами таких реакций будут соединения с похожими свойствами, например, осадки, плохо растворимые в воде, или неустойчивые комплексы.
Самой распространённой схемой деления является сероводородная, где групповыми реагентами являются карбонат аммония, раствор сероводорода и соляная кислота. Свойства образуемых хлоридов, сульфидов и карбонатов позволяют определить 5 аналитических групп, к которым относятся ионы:
Групповые реакции в химии используются не только для определения состава, но и для переведения ионов в инертное (не реакционноспособное) состояние.
Этот приём называется маскированием и своей целью имеет устранение соединений, мешающих проведению определённых химических исследований объекта.
Обнаружение катионов
Изменение окраски пламени является самым эффектным признаком качественной реакции и распространяется на определённое количество катионов неорганических веществ. За счёт выделения избытка энергии пламя становится жёлто-зелёным (Ba2+) и жёлтым (Na+), карминово-красным (Sr2+) и кирпично-красным (Ca2+), и даже фиолетово-розовым (K+). Тем не менее такой способ не является наиболее эффективным, так как интенсивность окраски напрямую зависит от концентрации, а определение цвета является субъективным. Поэтому результаты обычно проверяют дополнительно, используя иные реакции.
| Аналитическая группа | Ион | Реакция | Признак |
| I | K+ | KCl + NaHC4H4O6 (гидротартрат натрия)=KHC4H4O6 +NaCl | Выпадение белого кристаллического осадка, нерастворимого в воде, растворимого в гидроксиде калия и соляной кислоте |
| NH4+ | NH4Cl+NaOH=NH3 + H2O +NaCl | Выделение аммиака | |
| Mg2+ | MgCl2+2Na2CO3+H2O=(MgOH)2CO3+4NaCl+CO2 | Образование белого аморфного осадка | |
| II | Ba2+ | 2BaCl2+K2Cr2O7+H2O=2BaCrO4+2HCl | Жёлтый осадок, растворимый в HCl и нерастворимый в CH3COOH |
| Ca2+ | CaCl2+Na2CO3=CaCO3+2NaCl | Белый кристаллический осадок | |
| III | Zn2+ | ZnCl2+H2S=ZnS+2HCl | Белый осадок |
| Cr3+ | 2CrCl3+3H2O2+10KOH=2K2CrO4+8H20+6KCl | Появление жёлтой окраски | |
| Mn2+ | 2Mn(NO3)2+5PbO2+6HNO3=2HMnO4+5Pb(NO3)2+2H2O | Красно-фиолетовый цвет раствора | |
| Fe2+ | FeSO4+K3Fe(CN)6=KFeFe(CN)6+K2SO4 | Синий осадок | |
| Fe3+ | FeCl3+4KSCN=K Fe(SCN)4+3KCl | Ярко-красный цвет раствора | |
| IV | Cu2+ | CuSO4+4NH3=Cu(NH3)4SO4 | Устойчивый комплекс ярко-синего цвета |
| Cu2+ | CuCl2+H2S=CuS+2HCl | Чёрный, нерастворимый в воде и разбавленных кислотах, осадок |
Пятая группа отличается тем, что катионы серебра, свинца и меди, образуют малорастворимые в воде соединения характе́рной окраски, позволяющие без труда отличить их от других веществ. Например, серебро образует следующие осадки — AgSO4 бесцветный, Ag2S чёрный, AgI жёлтый, AgBr бледно-жёлтый, AgCl белый творожистый и Ag3PO4 жёлтый кристаллический, свинец — PbI2 ярко-жёлтый, PbSO4 белый.
Кроме того, и сам ион серебра является специфическим реагентом, только не для неорганической химии, а для органических соединений.
Ag2O в аммиачном растворе при добавлении альдегида образует на поверхности сосуда тонкую плёнку чистого серебра. Сама реакция широко известна как получение «серебряного зеркала».
Определение анионов
По групповому реагенту и органические, и неорганические анионы делятся на три группы: групповой реагент BaCl2, AgNO3 (или HNO3) или групповой реагент отсутствует. Для I группы (SO4(2-), PO4(3-), SO3(2-)) признаком прошедшей качественной реакции является образование бесцветных и малорастворимых соединений. Нитрат серебра образует с анионами II группы (ионы галогенов) характерно окрашенные соединения, растворимые в азотной кислоте.
Для определения остальных анионов существуют специфические реакции, например, NO3- взаимодействует с дифениламином ((С6H5)2NH), окрашивая раствор в очень яркий оттенок фиолетового.
Эта реакция проводится капельным методом, т. е. с помощью микропипеток на стеклянные пластинки наносится по 1-2 капли обоих реагентов, что является достаточным для получения яркого внешнего эффекта.
Качественные реакции имеют большое значение для химии. При помощи относительно простых специфических реакций становится возможным установить, какие же вещества находятся в смеси, и в дальнейшем провести ряд сложных операций, направленных на её разделение, экстракцию определённых соединений и т. д. Это используют и в исследовательских, и в промышленных лабораториях, следящих за контролем качества продукции.
