陽イオンの定性分析〜原理・目的・反応式まとめ〜

はじめに

陽イオンの定性分析は入試超頻出事項。多くの受験生が解けるようににしているところなので、必ず押さえておくようにしよう。


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陽イオンの定性分析とは

陽イオンの定性分析とは、複数の陽イオンが含まれる水溶液に対して様々な操作を行うことで沈殿生成反応や炎色反応を引き起こし、その水溶液に含まれる陽イオンを特定する分析法である。

上の図のように、①から⑤(+炎色反応)の操作を順番に行うことで、陽イオンをキレイに分離することができる。
ここから先でそれぞれの反応の原理や目的、反応式について説明していくので、よく読んで「陽イオンの定性分析マスター」を目指そう!!

陽イオンの定性分析の一連の流れ

陽イオンの定性分析は、先ほど上でも示したように、次のような流れで行われる。

まずは操作①から見ていこう。

操作①

陽イオンが多く含まれる溶液にHClを加える

まずは、陽イオンが多く含まれる溶液にHClを加える。

水に難溶なイオン結晶(水酸化物・硫化物・塩化物・硫酸・クロム酸・炭酸イオン)にまとめたように塩化物イオンClAg+・Pb2+・Hg+と塩化物の沈殿を形成する。

従って、今回水溶液中に含まれている陽イオンの中ではAg+とPb2+がそれぞれAgCl・PbCl2として沈殿する。

また、沈殿ができた後にろ過操作を行う(=ろ別する)ことで沈殿を取り除く。

操作②

酸性下でH2S(S2-)を通じる

次に、酸性下でH2S(S2-)を通じる。

水に難溶なイオン結晶(水酸化物・硫化物・塩化物・硫酸・クロム酸・炭酸イオン)にまとめたように硫化物イオンS2-は酸性下においてCd2+・Cu2+・Hg2+と硫化物の沈殿を形成する。

従って、今回水溶液中に含まれている陽イオンの中ではCu2+がCuSとして沈殿する。ちなみにPb2+は操作①で既に沈殿として取り除いてしまっているのでここでは沈殿しないことに注意しよう。

また、この操作は酸性下で行う必要があるが、操作①でHClを加えているため水溶液は既に酸性になっているため、H2Sを通じるだけでOKということも把握しておこう。

操作③

煮沸後硝酸を加え、NH3(少量のOH)を通じる

次に、煮沸後硝酸を加え、NH3(少量のOH)を通じる。

水に難溶なイオン結晶(水酸化物・硫化物・塩化物・硫酸・クロム酸・炭酸イオン)にまとめたように水酸化物イオンOHAl3+・Fe3+・Cr3+と水酸化物の沈殿を形成する。

従って、今回水溶液中に含まれている陽イオンの中ではAl3+とFe3+がそれぞれAl(OH)3・Fe(OH)3として沈殿する。

この操作では、注目すべき重要なポイントが3つある。順番に確認していこう。

PLUS+1

煮沸するのはH2Sを追い出すためである。操作2で加えたH2Sを始めに除去しないと、塩基性にした段階でZnS等が沈殿してしまう。(詳しくは操作4へ)
PLUS+2

硝酸を加えるのはH2Sにより還元されたFe2+を酸化して再度Fe3+にするためである。Fe2+のままだと、OHを加えたときに(Fe(OH)3ではなく)Fe(OH)2が生じてしまう。こうなるとFe(OH)2は溶解度が極めて大きいので完全には沈殿せず、鉄イオンを上手く取り出すことができなくなる。
PLUS+3

Zn2+はOHと沈殿Zn(OH)2を形成しやすい。しかし、アンモニアNHを加えることで、錯イオン[Zn(NH3)4]2+を作って沈殿が溶解する。その結果、この段階では沈殿として出てくることはない。(イオン分析を行う上で必要な知識まとめを参照)

操作④

塩基性下でH2S(S2-)を通じる

次に、塩基性下でH2S(S2-)を通じる。

水に難溶なイオン結晶(水酸化物・硫化物・塩化物・硫酸・クロム酸・炭酸イオン)にまとめたように塩基性下において硫化物イオンS2-Zn2+・Co2+・Ni2+・Mn2+と硫化物の沈殿を形成する。

従って、今回水溶液中に含まれている陽イオンの中ではZn2+がZnSとして沈殿する。

操作⑤

(NH4)2CO3溶液(CO32-)を加える

次に、(NH4)2CO3溶液(CO32-)を加える。

水に難溶なイオン結晶(水酸化物・硫化物・塩化物・硫酸・クロム酸・炭酸イオン)にまとめたように炭酸イオンCO32-Ca2+・Ba2+と炭酸塩の沈殿を形成する。

従って、今回水溶液中に含まれている陽イオンの中ではCa2+とBa2+がそれぞれCaCO3・BaCO3として沈殿する。

また、(NH4)2CO3溶液を加える代わりにCO2を吹き込んでも同じ反応が起こる。

最後は炎色反応

最後に炎色反応を使ってアルカリ金属・アルカリ土類金属を判別する。

炎色反応について詳しくは【炎色反応】色一覧や仕組み、具体例、操作などを解説!を確認しよう。

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