Chuyên đề luyện thi THPT Quốc gia môn Hóa học Lớp 12: Phân tích và nhận biết cation

Nội dung text: Chuyên đề luyện thi THPT Quốc gia môn Hóa học Lớp 12: Phân tích và nhận biết cation

1. PHÂN TÍCH VÀ NHẬN BIẾT CATION Dựa trên sự khác nhau về độ tan của các hiđroxit kim loại trong axit và bazơ kiềm như NaOH, NH3 ; người ta chia các cation thành 6 nhóm (các cation thường gặp) : + + + + + + + - Nhóm I : Các kim loại kiềm Li , Na , K , Rb , Cr , (Fr ) (và NH4 ) - Nhóm II : Các kim loại kiềm thổ : Ca2+. Sr2+, Ba2+ (và Ra2+) + 2+ 2+ + + - Nhóm III : Các cation tạo được muối clorua ít tan : Ag , Pb , Hg2 , Cu , Au - Nhóm IV : Các cation tạo được hiđroxit tan trong kiềm dư : Be2+, Al3+, Cr3+, Zn2+, Sn2+, Sn2+, Sn4+. - Nhóm V : Các cation có hiđroxit tan trong dung dịch NH3 hoặc dung dịch hỗn hợp 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ NH3 + NH4Cl do tạo phức amin : Cu , Hg , Ni , Cd , Co . - Nhóm VI : Các cation tạo được các hiđroxit ít tan trong nước, tan trong axit : Fe3+, Fe2+, Mg2+, Mn2+. + + + + A. Các cation kim loại kiềm (Nhóm I) : Li , Na , K , NH4 I. Tính chất chung : Các cation nhóm I đều không màu. - Hiđroxit kim loại kiềm là bazơ mạnh, - Ion kim loại kiềm : trung tính + + + -9,24 - Ion NH4 có tính axit yếu : NH4 NH3 + H K = 10 II. Phương pháp nhận biết : 1. Dựa vào vào ngọn lửa : Lấy 1 dây Pt, tẩm HCl. Đốt nóng ở ngọn lửa đèn khí cho đến sạch (màu ngọn lửa không đổi). Nhúng đầu dây Pt vào dung dịch thử rồi đưa vào ngọn lửa : Li+: đỏ chói; Na+ : màu vàng; K+ : màu tím Rb+, Cs+ : tím hồng + 2. Nhận biết NH4 : Dùng dung dịch NaOH và quì tím (đỏ) ẩm. B. Các cation kim loại kiềm thổ : Ca2+. Sr2+, Ba2+ I. Tính chất chung : - Các cation kim loại nhóm II cũng không màu và có tính axit yếu 2+ + + M + H20 MOH + H (K : rất bé) 2+ - Các muối cacbonat, sunfat đều ít tan, CaSO4 tan nhiều nhất, muốn ↓ hoàn toàn ion Ca dưới dạng CaSO4 thường phải thêm ít rượu etylic. II. Sơ đồ phân tích : D2 phân tích (3 giọt) 2 + (D H2SO4 + Rượu etylic) ↓ sunfat nhóm II Bỏ 2 0 + D Na2CO3 bão hoà, t (nhiều lần) Bỏ ↓ cacbonat nhóm II 2 + D CH3COOH đặc (đến tan) 2 + D K2Cr2O7 Trang 1 / 8
2. 2+ 2+ BaCrO4  (vàng) Sn , Ca 2 2 + D CaSO4 bão hoà + D (NH4)2SO4 bão hoà 2 SrSO4 ↓ trắng + D (NH4)2C2O4 SrSO4↓ CaC2O4 ↓ trắng + 2+ 2+ C. Các cation kim loại tạo được muối clorua ít tan (nhóm III) : Ag , Pb , (Hg2 ) I. Tính chất chung :Ion Ag+, Pb2+ : không màu Ion Ag+có tính axt rất yếu, ion Pb2+ có tính axit yếu + + -11,7 Ag + H2O AgOH + H , K= 10 ; pH dung dịch 0,01M ≈ 6,7 2+ + + -6,18 Pb + H2O PbOH + H , K= 10 ; pH dung dịch 0,01M ≈ 4 II. Sơ đồ phân tích : D2 phân tích + D2 HCl 2M ↓ clorua nhóm III Các cation khác + Nước, đun nóng 2+ Pb AgCl (+ Hg2Cl2) 2 + D NH3 2M 2 2 + D KI + D K2CrO4 Ag(NH3)2Cl Hg + HgNH2Cl 2 PbI2 ↓ vàng PbCrO4 ↓ vàng + D HNO3 (Đen) Tan trong OH- AgCl ↓ trắng D. Các cation kim loại tạo được hiđroxit tan trong OH- dư (Nhóm IV) : Al3+, Cr3+, Zn2+ Sơ đồ phân tích : D2 phân tích + D2 HCl 2M 2 Clorua nhóm III + D H2SO4 1M (+ C2H5OH) + D2 NaOH 2M dư (đến đục) Sunfat nhóm II 0 + 3 - 5 giọt H2O2, t + 1/4 V d2 NaOH 2M 0 + NH4Cl rắn, t Hiđroxit các nhóm khác Trang 2 / 8
3. 2+ 2- Zn(NH3)4 , CrO4 Al(OH)3 ↓ trắng keo (Cô cạn còn ½ V) 2 2 2 + D AgNO3 (+ vài giọt d HNO3) + D HNO3 1M 2 + D Na2S Ag2CrO4 ↓ đỏ gạch ZnS ↓ trắng 2+ + 2+ E. Cation tạo được hiđroxit tan trong NH3 dư (Nhóm V) : Cu (Ag , Zn ) 2+ NH3 tạo với Cu phức màu xanh đậm bền, rất đặc trưng (Phản ứng dùng để phát hiện ion Cu2+) 2+ 2+ 12,03 Cu + 4NH3 Cu(NH3)4  4 = 10 2+ 2- Phức Cu(NH3)4 dễ bị phân huỷ bởi axit và dưới tác dụng của ion S tạo ↓ ít tan: 2+ + 2+ + Cu(NH3) + 4H Cu + 4NH4 2+ 2- Cu(NH3) + S CuS ↓ + 4NH3 F. Các cation tạo hiđroxit ít tan trong kiềm dư và trong dung dịch NH3 (Nhóm VI): Fe3+, Fe2+, Mg2+, Mn2+. Sơ đồ phân tích: D2 phân tích (nhóm VI) + D2 NaOH 2M o + H2O2, t Mg(OH)2, Fe(OH)3, MnO(OH)2 Bỏ 2 0 + D HNO3 2M, t 2+ 3+ MnO(OH)2 Mg , Fe 0 2 + (PbO2 + HNO3 đặc), t + D NH3 2M - 2+ MnO4 , tím Fe(OH)3 đỏ nâu Mg 2 + D Na2HPO4 MgNH4PO4 ↓ trắng Chú ý : Các ion Fe2+ và Fe3+ phải được phát hiện từ dung dịch đầu vì trong quá trình phân tích, hoá trị của chúng thay đổi. 2+ * Phản ứng phát hiện Fe : Dùng K3[Fe(CN)6] 2+ 3- Fe + Fe(CN)6 Fe3[Fe(CN)6]2  (Xanh tuốc bin) Phải thực hiện ở pH < 7, không có mặt chất oxi hoá để Fe2+ không bị oxi hoá. (Thuốc thử không tạo ↓ với Fe3+) * Phản ứng phát hiện Fe3+: có 2 phương pháp: 3+ 4- 1. Fe + Fe(CN)6 Fe4[Fe(CN)6]3 ↓ (xanh phổ) Phải thực hiện ở pH < 7, không có mặt chất khử để Fe3+ không bị khử thành Fe2+ 3+ - (3-n)+ 2. Fe + nSCN Fe(SCN)n (n = 1÷ 5) (Màu đỏ máu) Phải thực hiện ở môi trường axit mạnh vì ở pH = 2 đã có ↓ Fe(OH)3 làm phá huỷ phức. Trang 3 / 8
4. PHÂN TÍCH VÀ NHẬN BIẾT ANION Bảng tính tan của một số muối thường gặp Muối T/c chung Ngoại trừ - NO3 Tan Không 2- SO4 Tan BaSO4, SrSO4, PbSO4, CaSO4 (I), AgSO4 (I) - Cl Tan AgCl, HgCl, CuCl, PbCl2 (I) - Br Tan AgBr, HgBr, CuBr, PbBr, PbBr2, HgBr2 (I) - I Tan AgI, CuI, PbI2, HgI2 - + + 2+ 2+ 2+ 3+ F Không tan Muối kim loại kiềm, NH4 , Ag , Hg , Sn , Be , Al - CH3COO Tan - H2PO4 Tan 2- + HPO4 Không tan Muối của KL kiềm, NH4 3- + PO4 Không tan Muối của KL kiềm, NH4 (Li3PO4 không tan) - HCO3 Tan 3- + CO2 Không tan Muối của KL kiềm, NH4 (Li2CO3 ít tan) 2- + SO3 Không tan Muối của KL kiềm, NH4 2- + 2+ 2+ 2+ S Không tan Muối của KL kiềm, NH4 , Ca , Sr , Ba 2- S2O3 Tan BaS2O3, CaS2O3 PbS2O3, Hg2S2O3, Ag2S2O3 2- 2- 2- 3+ 3+ 3+ * Chú ý: Các muối CO3 , SO3 và S của những ion Al , Fe và Cr không tồn tại trong dung dịch (ngoại trừ Fe2S3 có tồn tại và không tan trong nước). I. Anion halogenua : 1. Phản ứng phát hiện ion F- Khi có mặt F- thì phức chất sắt (III) thioxinat mất màu đỏ do chuyển thành phức chất không màu - - 5,66 VD : Fe(SCN)3 + 3F FeF3 + 3SCN , K = 10 2. Phản ứng phát hiện ion Cl-, Br-, I- trong dung dịch hỗn hợp có chứa các anion đó: * Phát hiện ion Cl-: Dùng dung dịch AgNO 3 : tạo được kết tủa (AgCl (màu trắng), AgBr : (trắng ngà), AgI: (màu vàng nhạt)). Lọc lấy kết tủa, hoà tan trong dung dịch NH3 loãng, AgCl bị hoà tan: + - AgCl + 2NH3 Ag(NH3)2 + Cl Lọc bỏ kết tủa, lấy dung dịch nước lọc cho vào vài giọt dung dịch HNO 3, xuất hiện kết tủa trắng, suy ra trong dung dịch ban đầu có ion Cl- + + + + Ag(NH3)2 + 2H Ag + 2NH4 + - Ag + Cl AgCl ↓ * Phát hiện ion Br- và I-: - Cho vài giọt hồ tinh bột và vài giọt CCl4 vào dung dịch mẫu thử. - Cho từ từ dung dịch nước clo đến dư vào, lắc đều, dung dịch chuyển thành màu xanh, sau đó mất màu, đồng thời lớp dung môi hữu cơ có màu vàng, suy ra trong dung dịch ban đầu có ion I- và Br- - - Cl2 + 2I 2Cl + I2 - - Cl2 + 2Br 2Cl + Br2 Trang 4 / 8
5. - - + 5Cl2 + I2 + 6H2O 10Cl + 2IO3 + 12H (Cl2 dư không oxi hoá được Br2) II. Anion của lưu huỳnh 1. Phản ứng phát hịên ion S2- : * Phản ứng với dung dịch HCl : dung dịch HCl phản ứng với các dung dịch muối sunfua cho H2S bay ra, hoá đen giấy tẩm dung dịch Pb(CH3COO)2 (hoặc dung dịch Pb(NO3)2). 2 + * Phản ứng với d AgNO3 : Khi có KCN thì không tạo thành các muối khó tan khác của Ag , -49,2 trong khi đó thì có Ag2S ↓ màu đen tạo thành (vì Ag2S rất ít tan, Tt (Ag2S) = 10 ) 2- 2. Phản ứng phát hiện ion SO3 : 2- Các axit mạnh tác dụng với SO 3 cho khí SO2 bay ra, nhận biết SO 2 bằng giấy tẩm dung dịch Br2 hoặc dung dịch KMnO4 (mất màu). SO2 + Br2 + 2H2O H2SO4 + 2HBr 5SO2 + 2KMnO4 + 2H2O K2SO4 + 2MnSO4 + 2H2SO4 2+ Cũng có thể cho khí bay ra lội vào dung dịch Ba có HCl và H2O2. Khi đó SO2 bị oxi hoá thành H2SO4 và ta được ↓ BaSO4 2- 2- * Chú ý : Các ion S , S2O3 cho phản ứng tương tự 2 3. Phản ứng phát hiện ion SO4 : 2+ 2- Trong môi trường axit, ion Ba tạo với ion SO4 kết tủa trắng 2- 2- 2- * Chú ý : Một số chất khử như S , SO3 , S2O3 bị oxi hoá trong môi trường axit, trung tính 2- hoặc kiềm để cho ion SO4 . 2- 4. Phản ứng phát hiện ion thiosunfat S2O3 * Phản ứng với dung dịch AgNO3 + 2- 2Ag + S2O3 Ag2S2O3 ↓ vàng Ag2S2O3 bị phân huỷ khi đun nóng tạo thành Ag2S ↓ màu đen. Ag2S2O3 + H2O Ag 2S ↓ + H2SO4 - * Phản ứng với dung dịch hỗn hợp I3 và hồ tinh bột 2 D màu xanh của iot - hồ tinh bột (I2 + KI + hồ tinh bột) bị mất màu khi tác dụng với dung 2- - 2- dịch S2O3 ở pH ≈ 7 do I3 bị S2O3 khử: - 2- - 2- I3 + 2S2O3 3I + S4O6 III. Anion của nitơ, photpho - 1. Phản ứng phát hiện ion NO2 - - * Ion MnO4 bị mất màu khi tác dụng với dung dịch NO 2 trong môi trường axit vì bị khử thành Mn2+: - + - 2+ 5HNO2 + 2MnO4 + H 5NO 3 + 2Mn + 3H2O - - - * Ion NO2 trong môi trường axit oxi hoá ion I thành ion I3 màu nâu nhạt hoặc hoá xanh trong - ↑ - dung dịch hồ tinh bột : 2HNO2 + 3I 2NO + I3 + 2H2O Chú ý : Nhiều chất oxi hoá cho phản ứng tương tự - 2. Phản ứng phát hiện ion NO3 : Phản ứng với Cu và dung dịch H2SO4 - + 2+  3Cu + 2NO3 + 8H 3Cu + 2NO + 4H2O Khí NO bay ra hoá nâu trong không khí : NO + 1/2O2 NO 2 (màu nâu) 3- 3. Phản ứng phát hiện ion PO4 : + 3- 3Ag + PO4 Ag 3PO4 ↓ (vàng) 2- - * Chú ý : Các ion CO3 , I cho phản ứng tương tự Trang 5 / 8
6. IV. Anion của cacbon, silic 2- 1. Phản ứng phát hiện ion CO3 : Phản ứng với dung dịch axit mạnh. 2- Axit mạnh tác dụng với ion CO 3 giải phóng CO 2. Để nhận biết CO 2 có thể dùng nước vôi trong hoặc nước barit (dung dịch Ba(OH) 2) : dung dịch hoá đục nếu CO 2 dư thì trở lại trong suốt. 2- 2- * Chú ý : Các ion SO3 , S2O3 cho phản ứng tương tự. - 2. Phản ứng phát hiện ion CH3COO : 3+ - 3+ * Tạo phức với Fe : Ion CH3COO tạo phức màu đỏ chè với ion Fe : 3+ - (3-n)+ Fe + nCH3COO Fe(CH3COO)n (n : 1-3) Khi đun nóng xuất hiện ↓ đỏ nâu Fe(OH)2CH3COO. * Phản ứng CH3COOC2H5 : Khi có H2SO4 đặc : CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O CH3COOC2H5 có mùi đặc trưng Tốc độ phản ứng tăng nhanh khi đun nóng và có một ít AgNO 3 hoặc Ag2SO4 xúc tác cho phản ứng. 2- 3. Phản ứng phát hiện ion oxalat C2O4 : * Phản ứng với dung dịch KMnO4: 2- Trong dung dịch H2SO4, ion CO4 làm mất màu dung dịch KMnO 4 khi đun nóng và cho khí CO2 bay ra : 2- - + ↑ 2+ 5C2O4 + 2MnO4 + 16H 10CO2 + 2Mn + 8H2O * Phản ứng với muối Ca2+: 2+ 2- Ca + C2O4 CaC 2)4 ↓ (trắng) CaC2O4 không tan trong CH3COOH nhưng tan trong dung dịch axit vô cơ mạnh. 2- 4. Phản ứng phát hiện ion SiO3 : 2- Khi axit hoá dung dịch SiO3 thì tạo thành ↓ trắng keo (hoặc dung dịch keo) + 2- 2H + SiO3 + nH2O H 2SiO3. nH2O ↓ BÀI TẬP Bài 1 (Câu I.3 – HSG QG 2000 – 2001): Có các dung dịch (bị mất nhãn): a) BaCl 2; b) NH4Cl; c) K2S; d) Al2(SO4)3; e) MgSO4; g) KCl; h) ZnCl2. Được dùng thêm dung dịch phenolphtalein (khoảng pH chuyển màu từ 8 – 10) hoặc metyl da cam (khoảng pH chuyển màu từ 3,1 – 4,4). Hãy nhận biết mỗi dung dịch trên, viết các phương trình ion (nếu có) để giải thích. Bài 2 (Câu I.2 – HSG QG 2002 – 2003): Trong phòng thí nghiệm có các dung dịch bị mất nhãn: AlCl3, NaCl, KOH, Mg(NO3)2, Pb(NO3)2, Zn(NO3)2, AgNO3. Dùng thêm một thuốc thử, hãy nhận biết mỗi dung dịch. Viết các phương trình phản ứng (nếu có). Bài 3 Trình bày phương pháp nhận biết các ion trong dung dịch có chứa các ion: a) Na+, Ca2+, Sr2+, Ba2+ b) Ca2+, Sr2+, Ba2+, Fe3+, Mg2+ c) Ag+, Pb2+, Fe3+, Mg2+, Al3+, Cr3+ d) Ag+, Cu2+, Zn2+, Al3+, Fe3+ - - - 2- - 2- 2- 2- e) F , Cl , I , SO4 f) NO3 , SO4 , SO3 , CO3 - - 3- 2- 2- - 2- 2- g) NO2 , NO3 , PO4 , CO3 h) S2O3 , NO2 , CO3 , SO4 . Trang 6 / 8
7. bµi gi¶i Bµi 1: Dïng phenolphtalein nhËn ra K2S 2- - - S + H2O HS + OH pH > 10 dung dÞch phenolphtalein cã mµu ®á Dïng K2S lµm thuèc thö. Cho K2S vµo c¸c dung dÞch cßn l¹i: to -2 4+ - - Víi NH4Cl : S + NH = NH3 + HS NhËn ra NH3 nhê mïi khai, hoÆc ho¸ ®á giÊy läc tÈm phenolphtalein ( v× NH3 cã pH > 9 ). - Víi Al2(SO4)3 : Cho kÕt tña keo tr¾ng Al(OH)3 3+ 2- - Al + 3 S + 3 H2O = Al(OH)3 + 3 HS - Víi MgSO4 : Cho kÕt tña tr¾ng Mg(OH)2 2+ 2- - Mg + 2 S + 2 H2O = Mg(OH)2 + 2 HS - Víi ZnCl2 : Cho kÕt tña tr¾ng ZnS Zn2+ + 2 S2- = ZnS  Dïng NH4Cl ®Ó nhËn ra MgSO4: kÕt tña Mg(OH)2 tan ®­îc trong NH4Cl ; trong khi c¸c kÕt tña Al(OH)3 vµ ZnS kh«ng tan. to + 2+ Mg(OH)2 + 2 NH4 = Mg + 2 NH3 + H2O Dïng MgSO4 nhËn ra BaCl2: 2+ 2- Ba + SO4 = BaSO4  tr¾ng Dïng BaCl2 nhËn ra Al2(SO4)3 : 2+ 2- Cßn l¹i lµ KCl. Ba + SO4 = BaSO4 tr¾ng (HoÆc dïng metyl da cam lµm thuèc thö: NhËn ra Al2(SO4)3 3+ 2- Al2(SO4)3 2 Al + 3 SO4 3+ 2+ + Al + H2O AlOH + H Dung dÞch cã ph¶n øng rÊt axit ( pH 4,4 nªn metyl da cam cã mµu vµng. Dïng Al2(SO4)3 lµm thuèc thö: 2+ 2- - Víi BaCl2 cho kÕt tña tr¾ng tinh thÓ Ba + SO4 = BaSO4 tr¾ng - Víi K2S cho kÕt tña keo tr¾ng Al(OH)3 3+ 2- - Al + 3 S + 3 H2O = Al(OH)3 + 3 HS Dïng K2S lµm thuèc thö: to 2- + - - Víi NH4Cl : S + NH4 = NH3 + HS NhËn ra NH3 nhê mïi khai, hoÆc ho¸ ®á giÊy läc tÈm phenolphtalein. - Víi MgSO4 : Cho kÕt tña tr¾ng Mg(OH)2 Trang 7 / 8
8. 2+ 2- - Mg + 2 S + 2 H2O = Mg(OH)2 + 2 HS - Víi ZnCl2 : Cho kÕt tña tr¾ng ZnS Zn2+ + 2 S2- = ZnS  - Víi KCl kh«ng cã dÊu hiÖu g×. §Ó ph©n biÖt MgSO4 víi ZnCl2 , cho NH4Cl vµo 2 kÕt tña Mg(OH)2 vµ ZnS th× chØ cã kÕt tña Mg(OH)2 tan trong NH4Cl khi ®un nãng to + 2+ Mg(OH)2 + 2 NH4 = Mg + 2 NH3 + H2O (cßn ZnS kh«ng tan.) Bµi 2: Cã thÓ dïng thªm phenolphtalein nhËn biÕt c¸c dung dÞch AlCl3, NaCl, KOH, Mg(NO3)2, Pb(NO3)2, Zn(NO3)2, AgNO3. * LÇn l­ît nhá vµi giät phenolphtalein vµo tõng dung dÞch. - NhËn ra dung dÞch KOH do xuÊt hiÖn mµu ®á tÝa. * LÇn l­ît cho dung dÞch KOH vµo mçi dung dÞch cßn l¹i: - Dung dÞch AgNO3 cã kÕt tña mµu n©u + – + – Ag + OH AgOH  ; (hoÆc 2Ag + 2OH Ag2O + H2O) - Dung dÞch Mg(NO3)2 cã kÕt tña tr¾ng, keo 2+ – Mg + 2OH Mg(OH)2  - C¸c dung dÞch AlCl3, Pb(NO3)2, Zn(NO3)2 ®Òu cã chung hiÖn t­îng t¹o ra kÕt tña tr¾ng, tan trong dung dÞch KOH (d­). 3+ – – – Al + 3OH Al(OH)3  ; Al(OH)3  + OH AlO2 + 2H2O 2+ – – – Pb + 2OH Pb(OH)2  ; Pb(OH)2 + OH PbO2 + 2H2O 2+ – – – Zn + 2OH Zn(OH)2  ; Zn(OH)2 + OH ZnO2 + 2H2O - Dung dÞch Nacl kh«ng cã hiÖn t­îng g× - Dïng dung dÞch AgNO3 nhËn ra dung dÞch AlCl3 do t¹o ra kÕt tña tr¾ng Ag+ + Cl – AgCl  - Dïng dung dÞch NaCl nhËn ra dung dÞch Pb(NO3)2 do t¹o ra kÕt tña tr¾ng 2+ – Pb + 2 Cl PbCl2  - cßn l¹i lµ dung dÞch Zn(NO3)2. Trang 8 / 8