4.2: Separación y confirmación de iones individuales en precipitados del grupo II

Separación y confirmación del ion estaño (IV)

Entre los sulfuros del grupo II, solo\(\ce{SnS2}\) es anfótero y reacciona con\(\ce{OH^{-}}\) iones en un medio alcalino para producir\(\ce{[Sn(OH)6]^{2-}}\) -a anión complejo de coordinación, e ion estañato\(\ce{[SnS3]^{2-}}\), ambos son solubles en agua. 3M\(\ce{KOH}\) se mezcla con los precipitados de iones del grupo II y la mezcla se calienta para disolver a\(\ce{SnS2}\) través de la siguiente reacción de equilibrio:

\[\ce{3SnS2(s, yellow) + 6OH^{-}(aq) <=> [Sn(OH)6]^{2-}(aq) + 2[SnS3]^{2-}(aq)}\nonumber\]

La solución caliente se centrifuga y se decanta para separar el sobrenadante que contiene\(\ce{[Sn(OH)6]^{2-}}\) y\(\ce{[SnS3]^{2-}}\) se disuelve en ella y el precipitado que contiene los sulfuros del resto de los cationes del grupo II, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Un mejor enfoque es separar el sobrenadante por aspiración utilizando la técnica de tapón de algodón para evitar la contaminación de precipitados en el sobrenadante.

 

Figura\(\PageIndex{1}\): Sobrenadante que contiene\(\ce{[Sn(OH)6]^{2-}}\) y\(\ce{[SnS3]^{2-}}\) (tubo de ensayo izquierdo) y precipitado negruzco (tubo de ensayo derecho) que contiene mezcla de\(\ce{CdS}\) (amarillo-naranja),\(\ce{CuS}\) (negro-marrón) y\(\ce{Bi2S3}\) (negro).

 

La reacción anterior es reversible, lo que significa que la eliminación\(\ce{OH^{-}}\) del sobrenadante por reacción de neutralización ácido-base mueve el equilibrio en la dirección inversa reproduciendo el\(\ce{SnS2}\) precipitado amarillo como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\).

\[\ce{[Sn(OH)6]^{2-}(aq) + 2[SnS3]^{2-}(aq) <=> 3SnS2(s, yellow) + 6OH^{-}(aq)}\nonumber\]

\[\ce{6HCl(aq) + 6OH^{-}(aq) <=> 6H2O(l) + 6Cl^{-}(aq)}\nonumber\]

\[\text{Overall reaction: }\ce{~6HCl(aq) + [Sn(OH)6]^{2-}(aq) + 2[SnS3]^{2-}(aq) <=> 3SnS2(s, yellow) + 6H2O(l)}\nonumber\]

 

Figura\(\PageIndex{2}\): precipitado\(\ce{Sn^{4+}}\) amarillo confirmando la presencia de\(\ce{Sn^{4+}}\) en la muestra de prueba.

 

Algunos de los sulfuros pueden perderse debido a la oxidación del aire de\(\ce{H2S}\) por la siguiente reacción:

\[\ce{2H2S(aq) + O2(g) <=> 2S(s, whitish-yellow) + 2H2O(l)}\nonumber\]

Para compensar la pérdida de sulfuro, también se agrega solución 1M de tioacetamida junto con 6M\(\ce{HCl}\) al sobrenadante y la mezcla se calienta para reformar el\(\ce{SnS2}\) precipitado amarillo que confirma la presencia de\(\ce{Sn^{4+}}\) en la solución de prueba. Tenga en cuenta que tanto S como\(\ce{SnS2}\) son sólidos amarillos. Agregar\(\ce{KOH}\) solución 3M a la mezcla para volverla alcalina nuevamente el\(\ce{SnS2}\) precipitado se volverá a disolver confirmando que\(\ce{Sn^{4+}}\) está presente en la solución de prueba. Las\(\ce{S}\) partículas no se volverán a disolver.

 

Separación y confirmación del ion cadmio (II)

\(\ce{CdS}\)es el sulfuro más soluble entre los precipitados de sulfuro del grupo II. Según el principio de Le Chatelier, la eliminación de los productos, es decir,\(\ce{Cd^{2+}}\) y\(\ce{S^{2-}}\) de la reacción de disolución en este caso, impulsa la reacción hacia adelante. \(\ce{CdS}\)se puede redisolver añadiendo 1M\(\ce{HCl}\) a los precipitados después de la eliminación de\(\ce{Sn^{4+}}\). Disociación de\(\ce{HCl}\) produce\(\ce{H3O^{+}}\) en agua que elimina S ^2- formando el\(\ce{H2S}\) cual es un ácido débil. Al mismo tiempo, Cl ^- elimina\(\ce{Cd^{2+}}\) b y formando anión complejo de coordinación soluble\(\ce{[CdCl4]^{2-}}\) que es bastante estable con\(K_f\) = 6.3×10 ²:

\[\ce{CdS(s, yellow-orange) <=> Cd^{2+}(aq) + S^{2-}(aq)}\nonumber\]

\[\ce{4HCl(aq) + 4H2O(l) <=> 4H3O^{+}(aq) + 4Cl^{-}(aq)}\nonumber\]

\[\ce{S^{2-}(aq) + 2H3O^{+}(aq) <=> H2S(aq) + 2H2O(l)}\nonumber\]

\[\ce{Cd^{2+}(aq) + 4Cl^{-}(aq) <=> [CdCl4]^{2-}(aq)}\nonumber\]

\[\text{Overall reaction:} \ce{~CdS(s, yellow-orange) + 4HCl(aq) + 2H2O(l) <=> [CdCl4]^{2-}(aq) + 2H3O^{+}(aq) +H2S(aq)}\nonumber\]

La disolución de\(\ce{CdS}\) se facilita calentando la mezcla de reacción. El resto de los cationes del grupo II, es decir,\(\ce{CuS}\)\(\ce{Bi2S3}\) son muy insolubles y no se disuelven en estas condiciones. La solución se centrifuga y se decanta o se aspira para separar el sobrenadante que contiene\(\ce{[CdCl4]^{2-}}\) y el precipitado que contiene\(\ce{CuS}\) y/o\(\ce{Bi2S3}\) si\(\ce{Cu^{2+}}\) y/o\(\ce{Bi^{3+}}\) están presentes. El precipitado tiende a entrar en el sobrenadante, por lo que, se necesita la técnica de tapón de algodón para evitar que los precipitados entren en el sobrenadante durante la separación como se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\).

 

Figura\(\PageIndex{3}\): Sobrenadante limpio que contiene\(\ce{[CdCl4]^{2-}}\) ser aspirado en presencia de empacado suelto\(\ce{CuS}\) y\(\ce{Bi2S3}\) precipitado usando tapón de algodón en la boca de pipeta de pasto.

 

Todas las reacciones responsables de la disolución de\(\ce{CdS}\) son reversibles. La adición de\(\ce{HCl}\) disuelve\(\ce{CdS}\) moviendo el equilibrio hacia adelante y la eliminación de\(\ce{HCl}\) mueve el equilibrio en la dirección inversa para reformar el\(\ce{CdS}\) precipitado amarillo. El amoníaco\(\ce{NH3}\) es tal base que elimina\(\ce{HCl}\) l:

\[\ce{HCl(aq) + NH3(aq) <=> NH4Cl(aq)}\nonumber\]

Se agrega\(\ce{NH3}\) solución 6M gota a gota bajo agitación y se prueba con papel tornasol rojo hasta que la solución se vuelve alcalina. Si se forma precipitado amarillo, se\(\ce{CdS}\) confirma que\(\ce{Cd^{2+}}\) estuvo presente en la solución de prueba:

\[\ce{[CdCl4]^{2-} +2H3O^{+} + H2S(aq) + 4NH3(aq)<=> CdS(s, yellow-orange)(v) +4NH4^{+}(aq) + Cl^{-} + 2H2O(l)}\nonumber\]

Si no se forma precipitado, agregue tioacetamida 1M y caliente para compensar cualquier pérdida de\(\ce{S^{2-}}\) en la solución. Si se forma un precipitado amarillo, se\(\ce{CdS}\) confirma que\(\ce{Cd^{2+}}\) está presente en la solución de prueba como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\).

 

Figura\(\PageIndex{4}\): Precipitado amarillo\(\ce{CdS}\) confirmando la presencia de\(\ce{Cd^{2+}}\) en la muestra de prueba.

 

Separación y confirmación del ion cobre (II) y el ion bismuto (III)

Después de la eliminación de\(\ce{Sn^{4+}}\) y\(\ce{Cd^{2+}}\), si queda un precipitado podría ser\(\ce{CuS}\) y/o\(\ce{Bi2S3}\), cuáles son los sulfuros menos solubles en el grupo II. Para disolverse\(\ce{CuS}\) y\(\ce{Bi2S3}\), el\(\ce{S^{2-}}\) en los productos necesita ser removido en mayor medida que en el caso de\(\ce{CdS}\) redisolución.

El ácido nítrico proporciona el\(\ce{NO3^{2-}}\) cual es un agente oxidante fuerte que puede eliminar lo\(\ce{S^{2-}}\) suficiente como para impulsar el equilibrio hacia adelante para disolverse\(\ce{CuS}\) y\(\ce{Bi2S3}\).

\[\ce{Bi2S3(s, black) <=> 2Bi^{3+}(aq) + 3S^{2-}(aq)}\nonumber\]

\[\ce{3S^{2-}(aq) + 2NO3^{-}(aq) + 8H3O^{+}(aq) <=> 3S(s, yellow)(v) + 2NO(g)(^) + 12H2O(l)}\nonumber\]

\[\text{Overall reaction:}\ce{~Bi2S3(s, black) + 2NO3^{-}(aq) + 8H3O^{+}(aq) <=> 3S(s, yellow)(v) + 2Bi^{3+}(aq) + 2NO(g)(^) + 12H2O(l)}\nonumber\]

\[\ce{3CuS(s, black-brown) <=> 3Cu^{2+}(aq) + 3S^{2-}(aq)}\nonumber\]

\[\ce{3S^{2-}(aq) + 2NO3^{-}(aq) + 8H3O^{+}(aq) <=> 3S(s, yellow)(v) + 2NO(g)(^) + 12H2O(l)}\nonumber\]

\[\text{Overall reaction:}\ce{~3CuS(s, black-brown) + 2NO3^{-}(aq) + 8H3O^{+}(aq) <=> 3S(s, yellow)(v) + 2Cu^{2+}(aq) + 2NO(g)(^) + 12H2O(l)}\nonumber\]

La mezcla se calienta para potenciar las reacciones anteriores. El\(\ce{S^{2-}}\) se oxida a partículas sólidas de azufre de color amarillo claro. Se observan humos de color marrón sobre la solución como resultado de la oxidación al aire del óxido nítrico (\(\ce{NO}\)) que se evapora fuera de la solución como se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\):

\[\ce{2NO(g) + O2(g) <=> 2NO2(g, red-brown)}\nonumber\]

 

Figura\(\PageIndex{5}\): Precipitado de azufre amarillo suspendido en la mezcla líquida y\(\ce{NO2}\) gas marrón por encima de la mezcla líquida cuando\(\ce{CuS}\) y el\(\ce{Bi2S3}\) precipitado se calienta con ácido nítrico.

 

La eliminación de\(\ce{NO}\) y\(\ce{S^{2-}}\) de los productos impulsa la reacción en la dirección de avance basada en el principio de Le Chatelier.

El precipitado de azufre sólido se elimina por centrifugación seguido de decantación.

El sobrenadante es ácido y aparece azul claro si están presentes iones cobre, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{6}\).

 

Figura\(\PageIndex{6}\): Mezcla de iones cobre y bismuto en el sobrenadante después de la eliminación del precipitado de azufre.

 

Si la solución se hace alcalina\(\ce{Cu^{2+}}\),, y\(\ce{Bi^{3+}}\) formar hidróxidos sólidos. Sin embargo, el amoníaco acuoso (\(\ce{NH3}\)) precipita selectivamente\(\ce{Bi(OH)3}\), manteniendo el cobre disuelto como iones del complejo de coordinación,\(\ce{[Cu(NH3)4]^{2+}}\):

\[\ce{Bi^{3+}(aq) + 3NH3(aq) + 3H2O(l) <=> Bi(OH)3(s, white)(v) + 3NH4^{+}(aq)}\quad  K = 3.3\times10^{39}\nonumber\]

\[\ce{Cu^{2+}(aq) + 4NH3(aq) <=> [Cu(NH3)4]^{2+}(aq, blue)}\quad  K = 3.8\times10^{12}\nonumber\]

La solución se alcaliniza añadiendo gota a\(\ce{NH3}\) gota 6M y se prueba con papel tornasol rojo. Se agrega exceso de\(\ce{NH3}\) solución para asegurarse de que cualquier residuo también\(\ce{Cd^{2+}}\) se elimina como\(\ce{[Cu(NH3)4]^{2+}}\)_. Si el sobrenadante se vuelve azul al hacerlo alcalino con amoníaco, confirma que\(\ce{Cu^{2+}}\) está presente en la muestra de prueba, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{7}\). La presencia de residuos\(\ce{Cd^{2+}}\) no interfiere porque forma un\(\ce{[Cu(NH3)4]^{2+}}\) ion incoloro.

 

Figura\(\PageIndex{7}\): Prueba de confirmación del cobre, es decir, la solución se volvió azul oscuro debido a\(\ce{[Cu(NH3)4]^{2+}}\) los iones al volverse alcalina con amoníaco. La solución es turbia debido al\(\ce{Bi(OH)3}\) precipitado (izquierda), y se vuelve transparente después de la eliminación\(\ce{Bi(OH)3}\) por centrifugación (derecha).

 

La mezcla se centrifuga y se decanta para separar el precipitado blanco de\(\ce{Bi(OH)3}\), pero, si la adición de amoníaco no fuera suficiente, también se\(\ce{Cd(OH)2}\) puede formar blanco a partir de cualquier\(\ce{Cd^{2+}}\) ion residual:

\[\ce{Cd^{2+}(aq) + 2NH3(aq) + 2H2O(l)<=> Cd(OH)2(s, white)(v) + 2NH4^{+}}\nonumber\]

El precipitado se resuspende en 6M\(\ce{NH3}\) para redisolverse\(\ce{Cd(OH)2}\), si hay alguno presente. \(\ce{Bi(OH)3}\)precipitado no se disuelve en 6M\(\ce{NH3}\). Si el precipitado blanco persiste después del lavado con 6M confirma\(\ce{NH3}\) que\(\ce{Bi^{3+}}\) está presente en la solución de prueba, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{8}\).

 

Figura\(\PageIndex{8}\):\(\ce{Bi(OH)3}\) precipitado después del lavado con 6M\(\ce{NH3}\), confirmando la presencia de\(\ce{Bi^{3+}}\) en la muestra de prueba.