5.2: Separación y confirmación si precipitan iones individuales del grupo III

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Separación y confirmación del ion níquel (II)

El tipo ácido\(\ce{HCl}\) disuelve los precipitados de los cationes del grupo III, es decir\(\ce{Cr(OH)3(s, gray-green)}\)\(\ce{Fe2Se3(s, yellow-green)}\),, y\(\ce{FeS(s, black)}\), mediante la siguiente serie de reacciones:

\[\ce{Cr(OH)3(s, gray-green) <=> Cr^{3+}(aq) + 3OH^{-}(aq)}\nonumber\]

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

\[\ce{Fe2S3(s, yellow-green) <=> 2Fe^{3+}(aq) + 3S^{2-}(aq)}\nonumber\]

\[\ce{2Fe^{3+}(aq) + 2S^{2-}(aq) + 2H3O^{+} <=> 2Fe^{2+}(aq) + H2S(aq) + S(s) + 2H2O(l)}\nonumber\]

\[\ce{3OH^{-}(aq) + 3H3O^{+} <=> + 6H2O(l)}\nonumber\]

\[\ce{3S^{2-}(aq) + 6H3O^{+} <=> 3H2S(aq) + 6H2O(l)}\nonumber\]

\[\text{Overall reaction:}\ce{~Cr(OH)3(s, gray-green) + FeS(s, black) + Fe2S3(s, yellow-green) + 11H3O^{+} <=> Cr^{3+}(aq) + 3Fe^{2+}(aq) + 4H2S(aq) + S(s) + 14H2O(l)}\nonumber\]

La eliminación de\(\ce{S^{2-}}\) los iones básicos\(\ce{OH^{-}}\) y de los productos por neutralización ácido-base impulsa estas reacciones en la dirección hacia adelante. \(\ce{Fe^{3+}}\)se reduce a\(\ce{Fe^{2+}}\) por\(\ce{S^{2-}}\) bajo la condición ácida.

La solubilidad de\(\ce{NiS}\) es muy baja y no se disuelve en ácido no oxidante como\(\ce{HCl}\).

Por lo tanto, el sobrenadante separado en esta etapa contiene\(\ce{Cr^{3+}}\) y\(\ce{Fe^{2+}}\) y precipita, si está presente\(\ce{NiS}\), como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\).

Sulfuro de níquel (II) que queda como precipitado cuando el resto de los precipitados del grupo III se disuelven en HCl — Figura\(\PageIndex{1}\): Mezcla del grupo III después de calentar con\(\ce{HCl}\) solución (derecha),\(\ce{NiS}\) precipitado (medio), y el sobrenadante que contiene\(\ce{Cr^{3+}}\) y\(\ce{Fe^{2+}}\) (derecha) se separa por aspiración con la técnica de algodón con tapón después de la centrifugación.

Precipitado de sulfuro de níquel (II) separado por centrifugación del sobrenadante que contiene reset de los cationes del grupo III. — Figura\(\PageIndex{1}\): Mezcla del grupo III después de calentar con\(\ce{HCl}\) solución (derecha),\(\ce{NiS}\) precipitado (medio), y el sobrenadante que contiene\(\ce{Cr^{3+}}\) y\(\ce{Fe^{2+}}\) (derecha) se separa por aspiración con la técnica de algodón con tapón después de la centrifugación.

Aqua regia, es decir, una mezcla de\(\ce{HCl}\) y\(\ce{HNO3}\), puede disolver el\(\ce{NiS}\) precipitado retirando\(\ce{Ni^{2+}}\) como anión de coordinación soluble\(\ce{[NiCl4]^{2-}}\) y, al mismo tiempo,\(\ce{S^{2-}}\) retirándolo oxidándolo, utilizando\(\ce{NO3^{-}}\) como agente oxidante en el medio ácido.

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

\[\ce{Ni^{2+}(aq) + 4Cl^{-}(aq) <=> [NiCl4]^{2-}(aq)}\nonumber\]

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

El óxido de nitrógeno (\(\ce{NO}\)) se evapora de la mezcla líquida impulsando aún más el equilibrio hacia adelante. La mayor parte del\(\ce{NO}\) in se oxida a dióxido de nitrógeno (\(\ce{NO2}\)) que forma humos de color marrón sobre la mezcla líquida como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\):

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

El sulfuro de níquel (II) se disuelve en aqua regia, y, al mismo tiempo, el sulfuro se convierte en partículas de azufre amarillas y se nitran óxidos a óxido nítico que se convierte en gas dióxido de nitrógeno de color marrón. — Figura\(\PageIndex{2}\):\(\ce{NiS}\) estar disuelto en aqua-regia como anión de\(\ce{[NiCl4]^{2-}}\) coordinación,\(\ce{S^{2-}}\) oxidado a\(\ce{S}\) partículas amarillentas,\(\ce{NO3^{-}}\) reducido\(\ce{NO}\) y luego oxidado a gas de color marrón\(\ce{NO2}\) en el aire por encima de la mezcla.

Los precipitados de S se eliminan por centrifugación y decantación. El anión de\(\ce{[NiCl4]^{2-}}\) coordinación se convierte en catión de coordinación [Ni (NH ₃)] ²⁺ haciendo que la solución sea alcalina por adición de amoníaco:

\[\ce{[NiCl4]^{2-}(aq) + 6NH3(aq) <=> [Ni(NH3)6]^{2+}(aq, blue) + 4Cl^{-}(aq)}\nonumber\]

La dimetil glioxima\(\ce{(CH3)2C2(NOH)2}\) es un ligando que es capaz de formar dos enlaces covalentes coordinados con iones de metales de transición. Los ligandos como\(\ce{Cl^{-}}\),\(\ce{NH3}\)\(\ce{H2O}\), etc. que forman un enlace covalente coordinado con metales de transición se denominan mono-dentados, y los quelatos como dimetilglioxima forman dos enlaces covalentes coordinados se llaman bidentado. Los ligandos que pueden formar dos o más enlaces covalentes coordinados se denominan quelatos o agentes quelantes. Los complejos de coordinación con quelatos suelen ser más estables, es decir, tienen mayores constantes de formación que con ligandos monodentados.

La adición de dimetilglioxima\(\ce{(CH3)2C2(NOH)2}\) a la mezcla líquida que contiene\(\ce{[Ni(NH3)6]^{2+}}\) en un medio alcalino forma un compuesto de coordinación insoluble\(\ce{NiC8H14O4}\) que se separa como un precipitado de color rojo, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\):

Anión complejo de cloruro de níquel — Figura\(\PageIndex{3}\): Solución transparente que contiene\(\ce{[Ni(NH3)6]^{2+}}\) iones obtenidos después de disolverse\(\ce{NiS}\) en aqua-regia (izquierda), la [\(\ce{[NiCl4]^{2-}}\)convertida al\(\ce{[Ni(NH3)6]^{2+}}\) hacer la solución alcalina por adición de amoníaco (centro), y precipitado rojo\(\ce{NiC8H14O4}\) formado al agregar dimetilglioxima a la solución.

Catión complejo de níquel amoníaco formado por adición de amoníaco al complejo de cloruro de níquel. — Figura\(\PageIndex{3}\): Solución transparente que contiene\(\ce{[Ni(NH3)6]^{2+}}\) iones obtenidos después de disolverse\(\ce{NiS}\) en aqua-regia (izquierda), la [\(\ce{[NiCl4]^{2-}}\)convertida al\(\ce{[Ni(NH3)6]^{2+}}\) hacer la solución alcalina por adición de amoníaco (centro), y precipitado rojo\(\ce{NiC8H14O4}\) formado al agregar dimetilglioxima a la solución.

La estructura del agente quelante de dimetilglioxima y su complejo de coordinación con níquel se ilustra en la Figura\(\PageIndex{4}\) siguiente.

Estructura del complejo dimetilglioxima y níquel-dimetilglioxima — Figura\(\PageIndex{4}\): Reacción de\(\ce{Ni^{2+}}\) con dimetilglioxima formando un compuesto de coordinación de color rojo en prueba de confirmación de ión níquel. En el producto se muestran cuatro enlaces covalentes coordinados formados en el complejo entre los átomos de níquel y nitrógeno por la donación de pares solitarios de electrones sobre nitrógeno.

La formación de precipitado de color rojo tras la adición de dimetilglioxima en esta etapa confirma la presencia de ión níquel en la muestra de prueba.

Separación y confirmación de iones de hierro

El sobrenadante que contiene\(\ce{Fe^{2+}}\) e\(\ce{Cr^{3+}}\) iones se separa del\(\ce{NiS}\) precipitado después de la adición de\(\ce{HCl}\) a los precipitados de cationes del grupo III. El sobrenadante se alcaliniza a pH 9 a 10 mediante la adición de solución de amoníaco. Se utiliza un papel de pH para determinar el pH. Se agrega peróxido de hidrógeno (\(\ce{H2O2}\)) como agente oxidante a la solución alcalina. \(\ce{Fe^{2+}}\)se oxida\(\ce{Fe^{3+}}\) y precipita como sólido marrón oxidado\(\ce{Fe(OH)3}\), y\(\ce{Cr^{3+}}\) se oxida a ion cromato soluble (\(\ce{CrO4^{2-}}\)) bajo esta condición:

\[\ce{2Fe^{2+}(aq) + H2O2(aq) <=> 2Fe^{3+}(aq) + 2OH^{-}(aq)}\nonumber\]

\[\ce{Fe^{3+}(aq) + 3OH^{-}(aq) <=> Fe(OH)3(s, rusty-brown)(v)}\nonumber\]

\[\ce{2Cr^{3+}(aq) + 3H2O2(aq) + 10OH^{-}(aq) <=> 2CrO4^{2-}(aq) + 8H2O(l)}\nonumber\]

La mezcla se centrifuga para separar el sobrenadante que contiene\(\ce{CrO4^{2-}}\) iones y el precipitado que contiene precipitado marrón oxidado\(\ce{Fe(OH)3}\), como se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\).

La solución que contiene Fe2+ y Cr3+ se alcalina a pH 9 a 10 — Figura\(\PageIndex{5}\): Solución que contiene\(\ce{Fe^{2+}}\) y\(\ce{Cr^{3+}}\) se alcaliniza a pH 9 a 10 mediante la adición de amoníaco (izquierda),\(\ce{Fe^{2+}}\) se oxida y se precipita como marrón oxidado\(\ce{Fe(OH)3}\) (medio) y se separa de una solución amarilla transparente que contiene\(\ce{CrO4^{2-}}\) (derecha) obtenida por oxidación de \(\ce{Cr^{3+}}\)con peróxido de hidrógeno. El peróxido de hidrógeno se está destruyendo calentando a gas oxígeno que se puede ver burbujeando fuera de la mezcla en la imagen media.

Se puede observar la evolución de las burbujas de oxígeno producidas al destruir el exceso de peróxido de hidrógeno. — Figura\(\PageIndex{5}\): Solución que contiene\(\ce{Fe^{2+}}\) y\(\ce{Cr^{3+}}\) se alcaliniza a pH 9 a 10 mediante la adición de amoníaco (izquierda),\(\ce{Fe^{2+}}\) se oxida y se precipita como marrón oxidado\(\ce{Fe(OH)3}\) (medio) y se separa de una solución amarilla transparente que contiene\(\ce{CrO4^{2-}}\) (derecha) obtenida por oxidación de \(\ce{Cr^{3+}}\)con peróxido de hidrógeno. El peróxido de hidrógeno se está destruyendo calentando a gas oxígeno que se puede ver burbujeando fuera de la mezcla en la imagen media.

El\(\ce{Fe(OH)3}\) precipitado se disuelve en\(\ce{HCl}\) solución:

\[\ce{Fe(OH)3(s, rusty-brown) <=> Fe^{3+}(aq) + 3OH^{-}(aq)}\nonumber\]

\[\ce{3OH^{-}(aq) + 3H3O^{+}(aq) <=> 6H2O(l)}\nonumber\]

El tiocianato (\(\ce{SCN^{-}}\)) es un ligando que forma un ion complejo de coordinación de color rojo profundo\(\ce{[FeSCN]^{2+}}\) al reaccionar con\(\ce{Fe^{3+}}\), como se muestra en la Figura\(\PageIndex{6}\).

\[\ce{Fe^{3+}(aq) + SCN^{-}(aq) <=> [FeSCN]^{2+}(aq, deep-red)}\nonumber\]

Al cambiar el color del sobrenadante a rojo intenso tras la adición de tiocianato, se confirma que los iones de hierro están presentes en la muestra de prueba.

Hidróxido de hierro (III) disuelto en HCl — Figura\(\PageIndex{6}\): El\(\ce{Fe(OH)3}\) precipitado se disolvió en\(\ce{HCl}\) (izquierda) y forma un color rojo intenso\(\ce{[FeSCN]^{2+}}\) al reaccionar con\(\ce{SCN^{-}}\) (derecha).

Complejo tiocianato de hierro de color rojo intenso -una prueba de confirmación de iones de hierro. — Figura\(\PageIndex{6}\): El\(\ce{Fe(OH)3}\) precipitado se disolvió en\(\ce{HCl}\) (izquierda) y forma un color rojo intenso\(\ce{[FeSCN]^{2+}}\) al reaccionar con\(\ce{SCN^{-}}\) (derecha).

Confirmación de iones de cromo (III)

El sobrenadante obtenido después de la eliminación del\(\ce{Fe(OH)3}\) precipitado contiene\(\ce{CrO4^{2-}}\) iones en un medio alcalino. La solución se hace ácida por la adición de ácido nítrico donde se\(\ce{CrO4^{2-}}\) convierte en ion dicromato (\(\ce{Cr2O7^{2-}}\)):

\[\ce{2CrO4^{2-}(aq) + 2H3O^{+}(aq) <=> Cr2O7^{2-}(aq) + 3H2O(l)} \nonumber\]

\(\ce{H2O2}\)es un agente reductor en medio ácido. \(\ce{H2O2}\)se añade a la mezcla ácida para reducir\(\ce{Cr2O7^{2-}}\) a\(\ce{Cr^{3+}}\) través de las siguientes reacciones:

\[\ce{2Cr2O7^{2-}(aq) + 8H2O2(aq) + 4H3O^{+}(aq) <=> 4CrO5(aq, dark-blue) + 14H2O(l)} \nonumber\]

\[\ce{4CrO5(aq) + 12H3O^{+}(aq) <=> 4Cr^{3+}(aq, light-blue) + 7O2(g)(^) + 18H2O(l)} \nonumber\]

El oxígeno evoluciona de la mezcla y se puede observar como burbujas de gas en la solución. \(\ce{CrO5}\)intermedio es un color azul oscuro en el que un oxígeno está en estado de oxidación -2 y los otros cuatro oxígeno están en estado de oxidación -1. \(\ce{CrO5}\)es inestable en solución y se descompone a\(\ce{Cr^{3+}}\) lo que es de un color azul claro. \(\ce{H2O2}\)El residuo se destruye calentando la mezcla en un baño de agua hirviendo, lo que se puede observar a través del burbujeo de gas oxígeno. Tenga en cuenta que la destrucción de\(\ce{H2O2}\) es significativamente más lenta en un medio ácido que en un medio alcalino. Puede tardar más tiempo\(\ce{H2O2}\) en destruirse en el medio ácido. Después la solución se cambia de ácida a alcalina añadiendo NaOH 6M a la mezcla. \(\ce{Cr^{3+}}\)precipita como un\(\ce{Cr(OH)3}\) sólido gris-verde:

\[\ce{Cr^{3+}(aq) + 3OH^{-}(aq) <=> Cr(OH)3(s, gray-green)(v)} \nonumber\]

La formación de precipitado gris-verde en esta etapa confirma que\(\ce{Cr^{3+}}\) está presente en la muestra de prueba, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{7}\).

Las burbujas de oxígeno evolucionan como resultado de la destrucción del exceso de peróxido de hidrógeno al calentarse. — Figura\(\PageIndex{7}\): Después de\(\ce{CrO4^{2-}}\) oxidarse\(\ce{Cr^{3+}}\), el peróxido de hidrógeno se destruye por calentamiento lo que se puede observar como burbujas de gas oxígeno que salen de la mezcla (izquierda), y\(\ce{Cr^{3+}}\) se confirma formando un\(\ce{Cr(OH)3}\) precipitado gris-verde (derecha). Nota: generalmente\(\ce{Cr(OH)3}\) se forma en una cantidad muy pequeña en esta etapa haciendo que sea difícil de detectar.

Un precipitado gris-verde de hidróxido de cromo (III) — Figura\(\PageIndex{7}\): Después de\(\ce{CrO4^{2-}}\) oxidarse\(\ce{Cr^{3+}}\), el peróxido de hidrógeno se destruye por calentamiento lo que se puede observar como burbujas de gas oxígeno que salen de la mezcla (izquierda), y\(\ce{Cr^{3+}}\) se confirma formando un\(\ce{Cr(OH)3}\) precipitado gris-verde (derecha). Nota: generalmente\(\ce{Cr(OH)3}\) se forma en una cantidad muy pequeña en esta etapa haciendo que sea difícil de detectar.