Transcript 第三族陽離子包含Al 3+

陽離子第三族定性分析
目的
學習第三族陽離子的分離與確定，精練操作技術與原理應用。
原理
第三族陽離子的分離(separation)特性:
第三族陽離子包含Al3+、Cr3+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Mn2+、
Zn2+，一部分離子以氫氧鹽(hydroxides)沉澱，如Al(OH)3、
Cr(OH)3、Fe(OH)3稱為鋁族，其他離子為硫化物沉澱，如NiS、
CoS、MnS、ZnS稱為鎳鋅族。鉻、錳、鐵、鈷、鎳為過渡元素，
具有多種氧化態(oxidation state)，易形成錯離子(complex ion)，有
顏色等特性；鋅、鉻、鋁氫氧化物為兩性物質(amphoteric
substances)亦為分離之重要依據。
2
原理
3
第三族陽離子的沉澱試劑( precipitating reagents )
第三族的沉澱試劑有NH3、NH4Cl和(NH4)2S。
NH3和NH4Cl形成緩衝溶液(buffer solution)，提供穩定的
[OH−]，而且NH4Cl中的NH4+，增加了NH4+的濃度，NH3在水溶液
中的平衡方程式如下：
NH3 + H2O
NH4+ + OH−
使得平衡因為[NH4+]增加而向左移動，降低了[OH−]。一方面
可使Al(OH)3、Cr(OH)3沉澱，而不至於形成Al(OH)4−、Cr(OH)4−
錯離子而溶解；另一方面在降低[OH−]濃度下，Mn(OH)2才不會也
生成沉澱。
鎳鋅族仍以硫化物沉澱而分離。本族硫化物之Ksp較第二族
大，因此以(NH4)2S為沉澱劑而不以H2S處理，乃是為了使溶液中
S2−濃度增加而達到Ksp值。
步驟
4
Mn2+、Co2+、Cr3+、Ni2+、Fe3+、 Al3+、Zn2+
NH4Cl 1.加6滴6M NH4Cl，用15M NH3使溶液為鹼性(石蕊試
NH3
紙)，再加一滴使過量，沉澱為橘黃色。
TA
2.加4滴TA，在沸水中加熱五分鐘(黑色沉澱)。
3.離心，用含NH4NO3的熱水洗沉澱，丟棄洗滌液。
PPT 3-1：
FeS (黑), CoS(黑) , NiS(黑) , MnS(橙) , ZnS(白) ,
Al(OH)3(白) , Cr(OH)3(綠）
• Fe3+ + 3OH- → Fe(OH)3(紅棕)↓
2Fe(OH)3 + 3S2- → 6OH- + 2FeS(黑)↓ + S
• Co2+ + 6NH3 → Co(NH3)62+
Co(NH3)62+ + S2- → 6NH3 + CoS(黑)↓
• Ni2+ + 6NH3 → Ni(NH3)62+
Ni(NH3)62+ + S2- → 6NH3 + NiS(黑)↓
• Mn2+ + S2- → MnS(橙)↓
• Zn2+ + 4NH3 → Zn(NH3)42+
• Al3+ + 3OH- → Al(OH)3(白)↓
• Cr3+ + 3OH- → Cr(OH)3(灰綠)↓
Zn(NH3)42+ + S2- → 4NH3 + ZnS(白)↓
Note
1.此溶液必定為鹼性，但如果太鹼，少量的Al和Cr可能會損
失。
2.加入NH3後的沉澱可能為白色的Al(OH)3，灰綠色的
Cr(OH)3，或是紅棕色的Fe(OH)3。
(若在加入TA或H2S的酸性溶液中，會還原鐵離子，不會
形成Fe(OH)3沉澱)
3.NH4NO3用來預防硫化物的膠溶形成。
5
步驟
6
PPT 3-1：
FeS(黑), CoS(黑) , NiS(黑) , MnS(橙) , ZnS(白) , Al(OH)3(白) , Cr(OH)3(綠)
HNO3
1.加10滴16M HNO3，加溫使沉澱溶解。
2.離心，將溶液移到坩鍋中，棄掉殘渣
S(S)。
Sol 3-2：
Mn2+,Co2+,Cr3+,Ni2+,Fe3+, Al3+, Zn2+, HNO3
•
MnS + 2H+ → Mn2+ + H2S↑
•
3CoS + 2NO3- + 8H+ → 3Co2+ + 3S(S) + 2NO↑ + 4H2O
•
Cr(OH)3 + 3H+ →Cr3+ + 3H2O
•
3NiS + 2NO3- + 8H+ → 3Ni2+ + 3S(S) + 2NO↑ + 4H2O
•
FeS + 2H+ → Fe2+ + H2S↑
3Fe2+ + NO3− +4 H+ → 3Fe3+ + NO↑+2H2O
•
Al(OH)3 + 3H+ →Al3+ + 3H2O
•
3ZnS + 2NO3- + 8H+ → 3Zn2+ + 3S(S) + 2NO↑ + 4H2O
Note
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黑色的硫漂浮球狀物，常藉吸收硫化物形成。若難以溶
解硫化物，加一滴12M HCl；但盡量避免，下個步驟必
須移除氯離子。
MnO2
步驟
8
Sol 3-2：
Mn2+,Co2+,Cr3+,Ni2+,Fe3+, Al3+, Zn2+, HNO3, (Cl-)
1.蒸發至將乾，再加10-15滴 16M HNO3(潤濕鍋
壁)，再蒸發至將乾。重複三次後，加10-15
滴 16M HNO3。
2.煮沸剩下的溶液，一次加一些KClO3，煮沸並
加16M HNO3補回蒸發，繼續加KClO3，直
到黑褐色沉澱生成。
3.用水洗坩鍋、沉澱，倒入離心管，離心。
Sol 3-3：
Co2+,Cr2O72-,Ni2+,Fe3+,Al3+,Zn2+,HNO3
Cr3+ + ClO3- → ClO2↑ + Cr2O72-
HNO3
KClO3
Mn的試驗：
1.取一滴此溶液，用數滴水稀釋。
2.加過量鉍酸鈉(NaBiO3(S))後離心。
3.深紫色MnO4-溶液表示Mn2+存在。
2Mn2+ + 5NaBiO3 + 14H+ → 5Bi3+ +
5Na+ + 7H2O + 2MnO4- (紫色)
PPT 3-3：
MnO2
1.加幾滴6M HNO3和3%一滴H2O2。
2.加過量鉍酸鈉 (NaBiO3(S))後離心。
3.紫色MnO4-溶液表示Mn2+存在。
Mn2+ + ClO3- →MnO2↓ + ClO2↑
Note
1.重複蒸發是為了移除氯化物，因為它會干擾MnO2的分離。
2.Mn試驗中若紫色消失迅速，代表氯化物存在，必須加入更多
NaBiO3。
3.藉由氯酸鹽將 Mn(II)氧化成 MnO2，需要劇烈沸騰和16M HNO3，
且須移除氯化物。加入KClO3時一次不能加過多，否則ClO2會劇
烈逸出。
4.若Mn的試驗中顯示沒有Mn2+，加入KClO3此步驟不會有沉澱產生，
但還是會使Cr(III)氧化成Cr2O72-。
5.一開始加入的NaBiO3會先將H2O2氧化成O2。當底部出現咖啡色或
黑色薄薄的固體層且不再冒泡，代表NaBiO3過量。
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步驟
10
Sol 3-3：
Co2+,Cr2O72-,Ni2+,Fe3+,Al3+,Zn2+,HNO3
NaOH 1.用6M NaOH中和，再加5-10滴過量。
H2O2
2.加一滴3% H2O2，然後加溫幾分鐘。
3.離心，用10滴含1-2滴 NaOH的水洗沉澱。
4.收集在離心管後離心，將溶液與沉澱分開。
Sol 3-4：
CrO42-, Al(OH)4-, Zn(OH)4-
PPT 3-4：
Fe(OH)3 ,Ni(OH)2 ,Co(OH)3
•
Cr2O72- + 2OH- → 2CrO42- + H2O
•
Fe3+ + 3OH- → Fe(OH)3↓ (紅棕) (溶於HCl)
•
Al3+ + 4OH- → Al(OH)4- (無色)
•
Ni2+ + 2OH- → Ni(OH)2↓ (綠)
•
Zn2++ 4OH- → Zn(OH)4-
•
Co2+ + 2OH- → Co(OH)2↓
Co(OH)2- + H2O2 → Co(OH)3↓ + OH-
Note
1.H2O2會將Co(OH)2氧化成Co(OH)3，並將Co從Al和Zn分離出
來。加熱是為了加速反應，破壞過量H2O2。
2.兩次離心是為了確保將 Fe、Co和 Ni從 Cr、Al 和 Zn完全分
離出來。
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步驟
12
Sol 3-4：
CrO42-, Al(OH)4-, Zn(OH)4-
1.用6M HCl酸化
2.加5滴6M NH4Cl 和 NH3使變鹼
HCl, NH4Cl, NH3
Pb(C2H3O2)2
3.離心，用水洗沉澱
HCl, Al試劑
BaCl, HNO3
TA, NaOH
NH4C2H3O2
Sol 3-5：
CrO42- , Zn(NH3)42+ , NH3 , NH4Cl
PPT 3-5：
Al(OH)3 白色膠狀 (底部，
非常少)
1.若有CrO42-，加2-3滴BaCl2，離心
1.溶於一滴6M HCl，加2滴鋁試
後丟棄沉澱(BaCrO4)
2.加TA並加熱，白色沉澱可能為ZnS。
3.離心棄掉溶液。
4.將沉澱溶於一滴16M HNO3，加熱
幾分鐘，氧化硫化物。
5.加過量6M NaOH，再用dithizone試
紙，紫紅區域表示Zn2+存在。
→
Zn(C13H11N4S)2
Zn2+ +
4OH-
Zn(OH)42-，Zn(OH)42+ 4OH-
HOAC
劑和5滴NH4C2H3O2。
2.紅色表示Al3+存在，加 NH3變
鹼後，離心沉澱出紅色固體
H2O2
Cr 試驗
1.用HOAC酸化並加幾滴
Pb(C2H3O2)2
2.黃色PbCrO4沉澱表示
Cr存在
3.進一步證明，可將沉澱
溶於一滴6M HNO3中
用幾滴水稀釋並加一
Al(OH)4- + 4H+ → Al3+ + 4H2O
滴3%H2O2，下層藍色
Al3+ + 3C2H3O2- → Al(C2H3O2)3↓
CrO3表示Cr3+存在
+ 2 C13H11N4
S-
→
Pb(C2H3O2)2 + CrO42-→
PbCrO4↓+ 2C2H3O2-
Note
1.Al(OH)4-經硝酸酸化釋出Al3+，與NH3形成Al(OH)3沉澱。
Al(OH)4− + 4H+ → Al3+ + 4H2O
Al3+ + 3NH3 + 3H2O → 3 NH4+ + Al(OH)3↓ (白色膠狀)
2.Cr試驗中，若溶液太熱或含有太多酸或H2O2則不會出現藍色。
用乙醚萃取可能會使它的顏色較穩定。
3.如果Al(OH)3呈褐色，可能包含Fe3+。用一或兩滴6M NaOH 將其
溶解，離心去除褐色Fe(OH)3。接著用6M HCl中和並加入
NH4Cl和NH3重新沉澱出Al(OH)3。
4.加入NH4C2H3O2後，若包含Al3+的酸性溶液pH值在5和7.2之間，
會出現完美的深紅色。在此弱酸溶液中會形成沉澱，表示有大
量的Al3+。相反的若是弱鹼溶液則不會有沉澱，過量的NH3會造
成此結果。
13
步驟
14
PPT 3-4：
Fe(OH)3 ,Ni(OH)2 ,Co(OH)3
1.加幾滴12M HCl，加熱。
2.加10滴水稀釋，分別裝入
HCl
兩離心管
NH4+SCN-
Fe試驗：
冷卻後加些許 NH4+SCN-晶體，深
紅色Fe(SCN)63-表示Fe3+存在
Fe3+ + 6SCN− →
Fe(SCN)63- (紅)
NH3
二甲基乙二醛肟
(dimethylglyoxime)
Ni試驗：
1.加NH3 使其變鹼性。
NaF
2.離心，棄掉沉澱
NH4+SCN-醇醚溶液
3.加過量dimethylglyoxime於
Co試驗：
1.用NaF褪掉顏色
溶液中。
4.深紅色沉澱表示Ni2+存在。
2.加10滴 NH4SCN醇醚溶液
3.上層藍色的Co(SCN)42-表示
Co2+存在
Co2+ + 4SCN- → Co(SCN)42- (藍)
Ni(NH3)62+ + 2H2DMG → 4NH3 +
2NH4+ + Ni(HDMG)2(S)↓(紅)
Note
1.NH4+SCN-試劑包含乙醚和異戊醇，皆屬於揮發性試劑。若溶液
溫度太高，當試劑加入時大部分會揮發散失，所以必須冷卻。
2.Co的試驗中，如果混合後藍色消失，再加入一匙固體 NH4SCN。
因為大量的水層會從上層溶液中萃取出許多硫氰化物，因而降
低檢測的靈敏度。
3.若溶液中存在Co2+，Co2+會較Ni2+先和dimethylglyoxime結合產
生褐色溶液，所以有此狀況發生時，必須加入足夠的
dimethylglyoxime試劑。
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實驗結果
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Mn2+
ZnS
Ni2+
Co2+
Fe3+
Al3+
Cr3+