利用者:Ninomy/金属イオンの系統分離

高等学校の化学Iレベルの系統分離を想定しています。現行の指導要領では扱いませんが、発展事項ないしは実験として書きます。もしかしてWikiversityの方がいいのかな。あと現実的には硫化水素を使わずにチオアセトアミドを使うなど、使う薬品が異なることがありますが、高等学校レベルなのであまり触れないことにします。

種々の金属イオンは、その性質から大きく6つに分類することができる。ここでは、A類、B類、…、F類と分類することにする。系統分離では、A類から順に分離を行う。

A類: 塩化物イオンを加えて沈殿を生じるもの。
B類: 酸性条件下で硫化水素を通じて沈殿を生じるもの。
C類: 塩基性条件下で水酸化物が沈殿するもの。
D類: 塩基性条件下で硫化物が沈殿するもの。
E類: 炭酸塩が沈殿するもの。
F類; A～E類の分離で沈殿しなかったもの。

系統分離法

A類の分離

分離される金属イオン: Ag⁺、Pb²⁺

Ag⁺を含む金属イオンの溶液に希塩酸（HCl）を加えると、AgClの白色沈殿を生じる。また、Pb²⁺を含む金属イオン溶液に希塩酸を加えると、PbCl₂の白色沈殿を生じる。これにより、金属イオン溶液からA類の金属イオンを分離することができる。

分離したイオンが何であるかを判別するためには、沈殿を熱水に加えればよい。熱水に溶ければその沈殿はPbCl₂であり、溶けなければAgClである。

あるいは、一度この沈殿をろ過し、沈殿に希硝酸を加えて無色の水溶液とする。この水溶液にアンモニア水を加えると沈殿を生じるが、もしAg⁺が含まれているのであればAg₂Oの褐色沈殿を生じた後、過剰のアンモニア水に溶けて無色の水溶液となる。一方、Pb²⁺が含まれているのであれば、Pb(OH)₂の白色沈殿を生じ、しかも過剰のアンモニア水を加えてもこの沈殿は溶けない。これにより、イオンの判別が可能である。

参考: ハロゲン化銀・ハロゲン化鉛、鉛、銀

B類の分離

分離される金属イオン: Cu²⁺、Sn²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺

A類を沈殿・分離した後のろ液に、硫化水素（H₂S）を通じる。この時点でろ液はA類の分離時に加えた希塩酸により酸性となっているため、酸性条件下で硫化物の沈殿を生じる、Cu²⁺、Sn²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺が沈殿として分離される。

沈殿の色: CuS（黒）、SnS（黒）、CdS（黄）、HgS（黒）

ここではこの4種のイオンが混在している可能性があるため、沈殿をさらに元素ごとに分離する。

沈殿に希塩酸を少しずつ加えると、CdSのみが溶解しCd²⁺の水溶液となる。CdSは酸性条件下では比較的溶けやすいためである。ろ液に再び硫化水素を通じ、黄色の沈殿を生じれば、それはCdSであり、Cd²⁺が存在していたことが分かる。

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C類の分離

分離される金属イオン: Fe²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Al³⁺

B類を沈殿させた後のろ液を煮沸し、希硝酸を加える。そこへアンモニア水（NH₃）を加える...

D類の分離

分離される金属イオン: Zn²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺

C類を沈殿させた後のろ液に、硫化水素（H₂S）を通じる...

E類の分離

分離される金属イオン: Ba²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺

D類を沈殿させた後のろ液に、炭酸アンモニウム水溶液（(NH₄)₂CO₃）を加える...

F類の検出

検出される金属イオン: Na⁺、Li⁺、K⁺

これらは沈殿を生じないため、炎色反応によりイオンの存在を検出する...

系統分離の例

Ag⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Ba²⁺の4つの金属イオンを含む水溶液の系統分離を行うことにする。

初めに金属イオン水溶液に希塩酸を少量加えると、白色の沈殿を生じる。これをろ過し、沈殿にアンモニア水を加えると無色の水溶液になる。これにより、Ag⁺が分離されたことが分かる。

ろ液には残りのCu²⁺、Fe³⁺、Ba²⁺が含まれている。ここに硫化水素を通じると黒色の沈殿が生じる。これをろ過し、濃硝酸を加えると、沈殿は溶解する。ここにアンモニア水を加えると、はじめは青白色の沈殿が生じるが、過剰に加えると深青色の水溶液となる。これにより、Cu²⁺が分離できたことが確認できる。

ろ液にはFe²⁺、Ba²⁺が含まれている。ここでFe³⁺は硫化水素により還元されてFe²⁺となっている。これを煮沸して硫化水素を追い出し、濃硝酸を加えてFe²⁺を酸化しFe³⁺とする。これにアンモニア水を加えると、赤褐色の沈殿を生じる。これをろ過し、希塩酸を加えると沈殿は溶解する。ここにヘキサシアノ鉄（Ⅱ）酸カリウム水溶液を加えると、濃青色の沈殿を生じる。または、チオシアン酸カリウム水溶液を加えると血赤色の溶液となる。このことから、Fe³⁺が分離できたことが確認できる。

ろ液には残りBa²⁺が含まれている。ここに硫化水素を通じても、沈殿は生じない。その後炭酸アンモニウム水溶液を加えると、白色の沈殿を生じる。これをろ過し、硝酸を加えて沈殿を溶解させる。溶液を白金線の先につけて炎に入れると、黄緑色の炎色反応を示す。または、クロム酸カリウム水溶液を加えると黄色の沈殿を生じる。これにより、Ba²⁺が分離できたことが確認できる。

例題

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