Análisis inorgánico cualitativo

El análisis inorgánico cualitativo clásico es un método de química analítica que busca encontrar la composición elemental de los compuestos inorgánicos . Se centra principalmente en la detección de iones en una solución acuosa , por lo tanto, es posible que sea necesario llevar los materiales en otras formas a este estado antes de utilizar métodos estándar. Luego, la solución se trata con varios reactivos para probar las reacciones características de ciertos iones, que pueden causar cambios de color, precipitación y otros cambios visibles. ^{[1] [2]}

El análisis inorgánico cualitativo es aquella rama o método de la química analítica que busca establecer la composición elemental de los compuestos inorgánicos a través de diversos reactivos.

Según sus propiedades, los cationes se clasifican generalmente en seis grupos. ^[1] Cada grupo tiene un reactivo común que se puede utilizar para separarlos de la solución . Para obtener resultados significativos, la separación debe realizarse en la secuencia especificada a continuación, ya que algunos iones de un grupo anterior también pueden reaccionar con el reactivo de un grupo posterior, lo que provoca ambigüedad en cuanto a qué iones están presentes. Esto sucede porque el análisis catiónico se basa en los productos de solubilidad de los iones. A medida que el catión obtiene su concentración óptima necesaria para la precipitación, precipita y, por lo tanto, nos permite detectarlo. La división y los detalles precisos de la separación en grupos varían ligeramente de una fuente a otra; a continuación se muestra uno de los esquemas comúnmente utilizados.

El primer grupo analítico de cationes está formado por iones que forman cloruros insolubles . Por ello, el reactivo de grupo para separarlos es el ácido clorhídrico , que se suele utilizar en una concentración de 1–2 M. No debe utilizarse HCl concentrado, ya que forma un complejo soluble ([PbCl ₄ ] ²⁻ ) con Pb ²⁺ . En consecuencia, el ion Pb ²⁺ pasaría desapercibido.

Los cationes más importantes del primer grupo son Ag ⁺ , Hg²⁺
₂, y Pb ²⁺ . Los cloruros de estos elementos no se pueden distinguir entre sí por su color: todos son compuestos sólidos blancos. El PbCl ₂ es soluble en agua caliente y, por lo tanto, se puede diferenciar fácilmente. El amoniaco se utiliza como reactivo para distinguir entre los otros dos. Mientras que el AgCl se disuelve en amoniaco (debido a la formación del ion complejo [Ag(NH ₃ ) ₂ ] ⁺ ), el Hg ₂ Cl ₂ da un precipitado negro que consiste en una mezcla de amida cloromercúrica y mercurio elemental. Además, el AgCl se reduce a plata bajo la luz, lo que da a las muestras un color violeta.

El complejo de plata y amoníaco puede reaccionar con iones de bismuto y yoduro para generar un precipitado de Ag2BiI5 de color naranja o marrón. ^[3]

El PbCl ₂ es mucho más soluble que los cloruros de los otros dos iones, especialmente en agua caliente. Por lo tanto, el HCl en concentraciones que precipitan completamente el Hg²⁺
₂y Ag ⁺ puede no ser suficiente para hacer lo mismo con Pb2 ⁺ . No se pueden utilizar concentraciones más altas de Cl− por las razones mencionadas anteriormente. Por lo tanto, un filtrado obtenido después del análisis del primer grupo de Pb2 ^{+ contiene} una concentración apreciable de este catión, suficiente para dar la prueba del segundo grupo, es decir, la formación de un sulfuro insoluble. Por esta razón, el Pb2 ⁺ suele incluirse también en el segundo grupo analítico.

Una reacción característica de los iones de plomo implica la formación de un precipitado de cromato de plomo amarillo tras el tratamiento con iones de cromato . Este precipitado no se disuelve en amoníaco (a diferencia del Cu(II) y Ag(I)) ni en ácido acético (a diferencia del Cu(II) y el Hg(II)). ^[3]

Este grupo se puede determinar añadiendo la sal al agua y luego añadiendo ácido clorhídrico diluido. Se forma un precipitado blanco, al que luego se añade amoníaco. Si el precipitado es insoluble, entonces está presente Pb ²⁺ ; si el precipitado es soluble, entonces está presente Ag ⁺ , y si el precipitado blanco se vuelve negro, entonces está presente Hg²⁺
₂está presente.

Hg²⁺
₂Los iones, después de la oxidación en presencia de iones cloruro a HgCl ₄ ^2- , pueden formar un precipitado característico de color rojo anaranjado de Cu2HgI4 con la adición de Cu ²⁺ y I ^- . ^[3]

Prueba de confirmación para Pb ²⁺ :

Pb2 ⁺ + 2 KI → PbI2 ₊ 2 K ⁺

Pb2 ⁺ + _K2CrO4 → _{PbCrO4 +} 2 K ⁺

Prueba de confirmación para Ag ⁺ :

Ag ⁺ + KI → AgI + K ⁺

2Ag ⁺ + _K2CrO4 → _Ag2CrO4 + _2K ⁺​_​​

Prueba de confirmación de Hg²⁺
₂:

Hg²⁺
₂+ 2 KI → Hg ₂ I ₂ + 2 K ⁺

2Hg²⁺
₂+ 2 NaOH → 2 Hg
₂O +2Na ⁺ + _H2O

El segundo grupo analítico de cationes consiste en iones que forman sulfuros insolubles en ácido . Los cationes del segundo grupo incluyen: Cd ²⁺ , Bi ³⁺ , Cu ²⁺ , As ³⁺ , As ⁵⁺ , Sb ³⁺ , Sb ⁵⁺ , Sn ²⁺ , Sn ⁴⁺ y Hg ²⁺ . El Pb ²⁺ generalmente también se incluye aquí además del primer grupo. Aunque estos métodos se refieren a soluciones que contienen sulfuro (S ²⁻ ), estas soluciones en realidad solo contienen H ₂ S y bisulfuro (HS ⁻ ). El sulfuro (S ²⁻ ) no existe en concentraciones apreciables en el agua.

El reactivo utilizado puede ser cualquier sustancia que dé iones S ²⁻ en tales soluciones; los más utilizados son el sulfuro de hidrógeno (a 0,2-0,3 M), tioacetamida (a 0,3-0,6 M), la adición de sulfuro de hidrógeno a menudo puede resultar un proceso engorroso y, por lo tanto, el sulfuro de sodio también puede servir para este propósito. La prueba con el ion sulfuro debe realizarse en presencia de HCl diluido. Su propósito es mantener la concentración de iones sulfuro en un mínimo requerido, para permitir la precipitación de los cationes del segundo grupo solo. Si no se utiliza ácido diluido, puede ocurrir la precipitación temprana de los cationes del cuarto grupo (si están presentes en la solución), lo que conduce a resultados engañosos. Rara vez se utilizan ácidos además del HCl. El ácido sulfúrico puede conducir a la precipitación de los cationes del quinto grupo, mientras que el ácido nítrico oxida el ion sulfuro en el reactivo, formando azufre coloidal.

Los precipitados de estos cationes son casi indistinguibles, excepto el CdS , que es amarillo. Todos los precipitados, excepto el HgS , son solubles en ácido nítrico diluido. El HgS es soluble solo en agua regia , que puede usarse para separarlo del resto. La acción del amoniaco también es útil para diferenciar los cationes. CuS se disuelve en amoniaco formando una solución azul intenso, mientras que CdS se disuelve formando una solución incolora. Los sulfuros de As ³⁺ , As ⁵⁺ , Sb ³⁺ , Sb ⁵⁺ , Sn ²⁺ , Sn ⁴⁺ son solubles en sulfuro de amonio amarillo , donde forman complejos de polisulfuro .

Este grupo se determina añadiendo la sal en agua y luego añadiendo ácido clorhídrico diluido (para hacer que el medio sea ácido) seguido de gas de sulfuro de hidrógeno. Por lo general, se hace pasando sulfuro de hidrógeno sobre el tubo de ensayo para la detección de cationes del 1er grupo. Si forma un precipitado de color marrón rojizo o negro, entonces está presente Bi ³⁺ , Cu ²⁺ , Hg ²⁺ o Pb ²⁺ . De lo contrario, si forma un precipitado amarillo, entonces está presente Cd ²⁺ o Sn ⁴⁺ ; o si forma un precipitado marrón, entonces debe estar presente Sn ²⁺ ; o si se forma un precipitado rojo anaranjado, entonces está presente Sb ³⁺ .

Pb2 ⁺ + _K2CrO4 → _{PbCrO4 +} 2 K ⁺

Prueba de confirmación para el cobre:

2 Cu ²⁺ + K ₄ [Fe(CN) ₆ ] + CH ₃ COOH → Cu ₂ [Fe(CN) ₆ ] + 4 K ⁺

Cu ²⁺ + 2 NaOH → Cu(OH) ₂ + 2 Na ⁺

Cu(OH) ₂ → CuO + H ₂ O (endotérmico)

(Otra prueba muy sensible para el cobre utiliza el hecho de que Cu ²⁺ puede servir como catalizador para la oxidación de iones tiosulfato por iones Fe ³⁺ . En ausencia de Cu ²⁺ , Fe ³⁺ puede formar el complejo púrpura Fe(S ₂ O ₃ ) ₂ ^- sin sufrir redox . Si la muestra agregada contiene Cu ²⁺ , la solución se decolorará rápidamente.) ^[3]

Prueba de confirmación del bismuto:

Bi ³⁺ + 3 KI (en exceso) → BiI ₃ + 3 K ⁺

BiI3 +KI → K _{[ BiI4} ]

Bi ³⁺ + H ₂ O (en exceso) → BiO⁺
+ 2H ⁺

( Los _iones de bismuto pueden formar el complejo amarillo brillante Bi( tu ) ₃₊ en presencia de tiourea en condiciones ácidas, que puede precipitarse como el Bi(tu)3I3•Cu(tu)3I de color rojo anaranjado _en presencia _de ^Cu2 + ^e I- ^, y esto también puede actuar como una prueba para el bismuto). ^[3]

Prueba de confirmación de mercurio:

Hg ²⁺ + 2 KI (en exceso) → HgI ₂ + 2 K ⁺

HgI ₂ + 2 KI → K ₂ [HgI ₄ ] (el precipitado rojo se disuelve)

2 Hg ²⁺ + SnCl ₂ → 2 Hg + SnCl ₄ (el precipitado blanco se vuelve gris)

(De lo contrario, el Hg ²⁺ se puede detectar a través de la formación de Cu ₂ HgI ₄ , consulte Hg ₂ ²⁺ en los cationes del primer grupo). ^[3]

El tercer grupo analítico de cationes incluye iones que forman hidróxidos que son insolubles incluso en bajas concentraciones.

Los cationes del tercer grupo son, entre otros: Fe ²⁺ , Fe ³⁺ , Al ³⁺ y Cr ³⁺ .

El grupo se determina preparando una solución de la sal en agua y añadiendo cloruro de amonio e hidróxido de amonio. El cloruro de amonio se añade para garantizar una baja concentración de iones hidróxido.

La formación de un precipitado de color marrón rojizo indica Fe ³⁺ ; un precipitado blanco gelatinoso indica Al ³⁺ ; y un precipitado verde indica Cr ³⁺ o Fe ²⁺ . Estos dos últimos se distinguen añadiendo hidróxido de sodio en exceso al precipitado verde. Si el precipitado se disuelve, se indica Cr ³⁺ ; de lo contrario, está presente Fe ^{2+ .}

El cuarto grupo analítico de cationes incluye iones que precipitan como sulfuros a pH 9. El reactivo utilizado es sulfuro de amonio o _Na2S 0,1 M añadido a la solución de amoníaco/cloruro de amonio utilizada para detectar cationes del grupo 3. Incluye: Zn2 ⁺ , Ni2 ⁺ , Co2 ⁺ y Mn2 ⁺ . El zinc formará un precipitado blanco, el níquel y el cobalto un precipitado negro y el manganeso un precipitado de color ladrillo/carne. Se puede utilizar dimetilglioxima para confirmar la presencia de níquel, mientras que el tiocianato de amonio en éter se volverá azul en presencia de cobalto. Este grupo a veces se denota como IIIB ya que los grupos III y IV se prueban al mismo tiempo, siendo la adición de sulfuro la única diferencia.

En este grupo se encuentran los iones que forman sulfuros que son insolubles en altas concentraciones. Los reactivos utilizados son H2S _en presencia de NH4OH _. El _NH4OH se utiliza para aumentar la concentración del ion sulfuro, mediante el efecto del ion común: los iones hidróxido del NH4OH _se combinan con los iones H ⁺ del _H2S , lo que desplaza el equilibrio a favor de la forma ionizada:

yo
₂S2H ​​${\displaystyle {\ce {<=>>}}}$⁺
+ S²⁻

NUEVA HAMPSHIRE
₄OH, NUEVA HAMPSHIRE${\displaystyle {\ce {<=>>}}}$ ⁺
₄+ OH⁻

OH- + H⁺
${\displaystyle {\ce {<=>>}}}$ yo
₂Oh

Contienen Zn ²⁺ , Mn ²⁺ , Ni ²⁺ y Co ²⁺

Los iones del grupo analítico 5 de cationes forman carbonatos insolubles en agua. El reactivo que se suele utilizar es (NH ₄ ) ₂ CO ₃ (a una concentración de alrededor de 0,2 M), con un pH neutro o ligeramente básico. Todos los cationes de los grupos anteriores se separan previamente, ya que muchos de ellos también forman carbonatos insolubles.

Los iones más importantes del grupo 5 son Ba ²⁺ , Ca ²⁺ y Sr ²⁺ . Después de la separación, la forma más fácil de distinguir entre estos iones es probando el color de la llama: el bario da una llama verde amarillenta, el calcio da un rojo ladrillo y el estroncio, un rojo carmesí.

Los cationes que quedan después de separar cuidadosamente los grupos anteriores se consideran parte del sexto grupo analítico. Los más importantes son Mg ²⁺ , Li ⁺ , Na ⁺ y K ⁺ . Todos los iones se distinguen por el color de la llama: el litio da una llama roja, el sodio da amarillo brillante (incluso en cantidades traza), el potasio da violeta y el magnesio, incoloro (aunque el metal magnesio arde con una llama blanca brillante). El magnesio también se puede distinguir de otros cationes de este grupo añadiendo hidróxido de sodio para llevar el pH a 11 o más, lo que precipita selectivamente Mg(OH) ₂ .

El primer grupo de aniones está formado por CO²⁻
₃, HCO⁻
₃, CH3COO− ^, S2− , SO_​​​^​2−
₃, S
₂Oh²⁻
₃y NO⁻
₂El reactivo para los aniones del grupo 1 es ácido clorhídrico diluido (HCl) o ácido sulfúrico diluido (H ₂ SO ₄ ).

• Los carbonatos producen una efervescencia viva con H ₂ SO ₄ diluido debido a la liberación de CO ₂ , un gas incoloro que hace que el agua de cal se vuelva lechosa debido a la formación de CaCO ₃ ( carbonatación ). La lechosidad desaparece al pasar un exceso del gas a través del agua de cal, debido a la formación de Ca(HCO ₃ ) ₂ .
• Los acetatos producen el olor a vinagre del CH ₃ COOH cuando se tratan con H ₂ SO ₄ diluido y se calientan. Se produce una coloración rojo sangre al agregar FeCl ₃ amarillo , debido a la formación de acetato de hierro (III) .
• Los sulfuros producen el olor a huevo podrido del H2S _cuando se tratan con H2SO4 diluido _. La presencia de sulfuro se confirma añadiendo papel de _acetato de plomo(II) , que se vuelve negro debido a la formación de PbS. Los sulfuros también vuelven violetas las soluciones de nitroprusiato de sodio rojo .
• Los sulfitos producen gas SO2 _{, que huele a azufre quemado, cuando se} tratan con ácido diluido. Hacen que el K2Cr2O7 acidificado pase _de naranja _a verde.
• Los tiosulfatos producen gas SO2 _cuando se tratan con ácido diluido. Además, forman un precipitado turbio de azufre .
• _{Los nitritos producen vapores de NO2} de color marrón rojizo cuando se tratan con H2SO4 diluido _. Estos vapores hacen que una solución de yoduro de potasio ( KI) y almidón se vuelva azul.

El segundo grupo de aniones está formado por Cl ⁻ , Br ⁻ , I ⁻ , NO⁻
₃y C
₂Oh²⁻
₄El reactivo de grupo para el anión del grupo 2 es el ácido sulfúrico concentrado (H ₂ SO ₄ ).

Después de la adición del ácido, los cloruros, bromuros y yoduros formarán precipitados con nitrato de plata . Los precipitados son de color blanco, amarillo pálido y amarillo, respectivamente. Los haluros de plata formados son completamente solubles, parcialmente solubles o insolubles en absoluto, respectivamente, en solución acuosa de amoníaco.

Los cloruros se confirman mediante la prueba del cloruro de cromilo . Cuando la sal se calienta con K ₂ Cr ₂ O ₇ y H ₂ SO ₄ concentrado, se producen vapores rojos de cloruro de cromilo (CrO ₂ Cl _{2 ). Al pasar este gas a través de una solución de NaOH se produce una solución amarilla de} Na ₂ CrO ₄ . La solución acidificada de Na ₂ CrO ₄ da un precipitado amarillo con la adición de (CH ₃ COO) ₂ Pb .

Los bromuros y yoduros se confirman mediante la prueba de capas . Se realiza un extracto _de carbonato de sodio a partir de la solución que contiene bromuro o yoduro y CHCl3 o CS
₂Se añade a la solución, que se separa en dos capas: un color naranja en el CHCl
₃o CS
₂Una capa indica la presencia de Br ⁻ , y un color violeta indica la presencia de I ⁻ .

Los nitratos producen humos marrones con H ₂ SO ₄ concentrado debido a la formación de NO ₂ . Esto se intensifica al agregar virutas de cobre. La presencia de iones nitrato se confirma agregando una solución acuosa de la sal a FeSO ₄ y vertiendo H ₂ SO ₄ concentrado lentamente a lo largo de los lados del tubo de ensayo, lo que produce un anillo marrón alrededor de las paredes del tubo, en la unión de los dos líquidos causado por la formación de Fe(NO)²⁺
. ^[4]

Al tratarlos con ácido sulfúrico concentrado, los oxalatos producen gases incoloros de CO2 _y CO. Estos gases arden con una llama azulada y vuelven lechosa el agua de cal. Los oxalatos también decoloran el KMnO4 _y forman un precipitado blanco con _CaCl2 .

El tercer grupo de aniones está formado por SO²⁻
₄, Correo electrónico³⁻
₄y BO³⁻
₃No reaccionan ni con H ₂ SO ₄ concentrado ni diluido .

• Los sulfatos dan un precipitado blanco de BaSO ₄ con BaCl ₂ que es insoluble en cualquier ácido o base.
• Los fosfatos dan un precipitado cristalino amarillo al agregar HNO3 _y molibdato de amonio y calentar la solución.
• Los boratos dan una llama verde característica del borato de etilo cuando se encienden con H2SO4 _{concentrado y} etanol .

El análisis inorgánico cualitativo se utiliza actualmente sólo como herramienta pedagógica . Las técnicas modernas, como la espectroscopia de absorción atómica y la ICP-MS, permiten detectar rápidamente la presencia y la concentración de elementos a partir de una cantidad muy pequeña de muestra.

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La prueba del carbonato de sodio (que no debe confundirse con la prueba del extracto de carbonato de sodio) se utiliza para distinguir entre algunos iones metálicos comunes, que se precipitan como sus respectivos carbonatos. La prueba puede distinguir entre cobre (Cu), hierro (Fe) y calcio (Ca), zinc (Zn) o plomo (Pb). Se agrega una solución de carbonato de sodio a la sal del metal. Un precipitado azul indica un ion Cu ²⁺ . Un precipitado verde sucio indica un ion Fe ²⁺ . Un precipitado marrón amarillento indica un ion Fe ³⁺ . Un precipitado blanco indica un ion Ca ²⁺ , Zn ²⁺ o Pb ²⁺ . Los compuestos formados son, respectivamente, carbonato básico de cobre , carbonato de hierro (II) , óxido de hierro (III) , carbonato de calcio , carbonato de zinc y carbonato de plomo (II) . Esta prueba se utiliza para precipitar el ion presente, ya que casi todos los carbonatos son insolubles. Si bien esta prueba es útil para diferenciar estos cationes, falla si hay otros iones presentes, porque la mayoría de los carbonatos metálicos son insolubles y precipitarán. Además, los iones de calcio, zinc y plomo producen precipitados blancos con carbonato, lo que dificulta su distinción. En lugar de carbonato de sodio, se puede agregar hidróxido de sodio , lo que da casi los mismos colores, excepto que los hidróxidos de plomo y zinc son solubles en exceso de álcali y, por lo tanto, se pueden distinguir del calcio. Consulte el análisis inorgánico cualitativo para obtener la secuencia completa de pruebas utilizadas para el análisis cualitativo de cationes.

• Prueba de llama
• Prueba de perlas