實驗十五 常見金屬陽離子的檢驗

一、目的

認識一般陽離子之特性反應，對銀、銅、鋁金屬離子進行定性分析。

二、原理

不同物質反應時的顏色變化和溶解度差異是經常被使用的分類和定性分析方法。對於常見的金屬陽離子和銨離子，可依其鹽類溶解度的近似關係分為五族：

第一族：  Ag⁺、Hg₂²⁺、Pb²⁺（銀族）

在酸性溶液中，易形成不溶性氯化物

第二族：  Cu²⁺、Cd²⁺、Bi³⁺、Pb²⁺（銅族）

Hg²⁺、As³⁺、Sb³⁺、Sn²⁺（砷族）

在酸性溶液中，易形成不溶性硫化物

第三族：  Al³⁺、Cr³⁺、Zn²⁺（鋁族）

Fe³⁺、Ni²⁺、Mn²⁺、Co²⁺（鐵族）

在鹼性溶液中，易形成不溶性硫化物

第四族：  Ba²⁺、Sr²⁺、Ca²⁺（鹼土族）

在鹼性溶液中，易形成不溶性的碳酸鹽

第五族：  Na⁺、K⁺、Mg²⁺、NH₄⁺（鹼族）

不易找到適當試劑令此族離子產生沉澱

同族的離子可繼續使用適當的特性反應進一步進行區分和鑑定。

本實驗將針對三種陽離子：Ag⁺、Cu²⁺、Al³⁺ 做定性分析，其原理如下：

• 銀族陽離子與鹽酸作用，易形成沉澱，例如 Ag⁺、Pb²⁺ 與鹽酸作用，可分別產生氯化銀 AgCl、氯化鉛 PbCl₂ 的白色沉澱：

Ag⁺(aq)  +  Cl⁻(aq)  →  AgCl (s)

Pb²⁺(aq)  +  2 Cl⁻(aq)  →  PbCl₂ (s)

在熱水中 PbCl₂ 會溶解，而 AgCl 只能溶解微量。但 AgCl 可溶於氨水形成 Ag(NH₃)₂⁺，此錯離子的氯化物液易溶於水，此溶液在稀硝酸 (HNO₃) 溶液中，又生成 AgCl 沉澱。

• 不與氯離子作用的陽離子中，部分會與氫氧化鈉作用生成氫氧化物沉澱。如：Zn²⁺、Cu²⁺、Al³⁺ 可與少量氫氧根離子反應生成沉澱。

Zn²⁺(aq)  +  2 OH⁻(aq)  →  Zn(OH)₂ (s)

Cu²⁺(aq)  +  2 OH⁻(aq)  →  Cu(OH)₂ (s)

Al³⁺(aq)  +  3 OH⁻(aq)  →  Al(OH)₃ (s)

• 某些氫氧化物沉澱，在加入過量氫氧根離子時會再度溶解，如：

Zn(OH)₂ (s)  +  2 OH⁻(aq)  →  [Zn(OH)₄]²⁻ (aq)

Al(OH)₃ (s) +  OH⁻(aq) →  Al(OH)⁴⁻ (aq)

這種能和酸與鹼性溶液反應的稱為兩性（amphoteric）物質。

• 某些金屬陽離子與少量氨水反應形成不溶性的氫氧化物，但是當過量氨水加入時，金屬陽離子會與氨分子形成錯離子而溶解，例如氫氧化銅與氨分子形成水溶性的四氨銅錯離子：

[Cu(H₂O)₆]²⁺ (aq) + 2 NH₃ (aq)  →  [Cu(H₂O)₄(OH)₂](s) + 2 NH₄⁺(aq)

[Cu(H₂O)₄(OH)₂](s) + 4 NH₃(aq)  → [Cu(H₂O)₂(NH₃)₄]²⁺(aq) + 2 OH⁻(aq) + 2 H₂O (l)

三、器材及藥品

器材：

石蕊試紙、滴管、試管、試管架、離心管、離心機

藥品：

含有Ag⁺、Cu²⁺、Al³⁺ 各 0.2 M 之混合液、6 M HCl、5 M NaOH、濃氨水、濃硝酸

實驗安全注意事項：

濃氨水、濃硝酸與氫氧化鈉溶液具腐蝕性需小心操作，如不慎接觸皮膚需以大量清水沖洗。

濃氨水與濃硝酸會產生刺激性氣體，需在抽風櫥中操作。

離心機使用注意事項：

1. 不可以普通試管充當離心管，以免高速離心時破裂發生危險。

2. 離心管勿裝填過量（> 3/4）。

3. 離心管需對稱放置（兩離心管位置、離心機轉軸成一直線），且相對的兩離心管內液體量需相等，以免高速旋轉時因離心力不均造成危險與機器損壞。

4. 離心機完全停止前勿開啟蓋子或用手停止離心機轉動。

5. 結束或欲提早結束離心時，可將轉速設定旋鈕歸零，不可將發條式定時旋鈕往回轉。

四、實驗步驟

※   添加沉澱用藥品時宜緩慢，可得顆粒較大、容易分離的沉澱物

1. 取 10 mL 混合液置於乾淨試管中，並加入 2 mL 的 6 M HCl，搖盪後靜置待完全沈澱，用傾析法收集上澄液於 1 號試管。

2. 以濃氨水 5 mL 溶解沉澱後，倒入一  100 mL 燒杯，一滴一滴的緩緩加入濃硝酸直至溶液呈酸性（以石蕊試紙檢驗），觀察其變化並記錄。

3. 取步驟 1. 之 1 號試管，加入 2~3 滴 5 M 的 NaOH 水溶液，觀察是否有沉澱形成，若有沉澱形成，繼續加入 5 mL 的 5 M NaOH 水溶液，搖盪後將懸浮液等量分成兩份分置於離心管中，將兩離心以相對成直線的位置放入離心機中離心約 1 分鐘，以滴管小心吸取上澄液收集於 2 號試管中。

4. 將步驟 3. 之沈澱物加入過量濃氨水，觀察沉澱是否溶解，並記錄其顏色變化。

5. 取步驟 3. 之 2 號試管，逐滴加入 6 M 的 HCl 水溶液，觀察溶液的變化情形並記錄之。

6. 廢棄物分類回收： → 無機–鹼性水溶液

五、實驗結果、問題與討論

步驟 1

      原本溶液顏色：__________

      加入 HCl 後上澄液顏色：__________；沉澱顏色：__________

      發生反應：

步驟 2

      步驟 1 沉澱加入氨水後發生現象：__________

      反應式：

      繼續加入濃硝酸，發生現象：__________

      反應式：

步驟 3

      步驟 1 上澄液加入NaOH，溶液狀態與顏色變化：__________

      沉澱顏色：__________

      反應式：

步驟 4

      步驟 3 沉澱加入氨水，發生現象：__________

      顏色變化：__________

      反應式：

步驟 5

      步驟 3 上澄液加入 HCl，溶液狀態與顏色變化：__________

      反應式：

1. 本實驗的檢驗方法是否可用於這三種金屬離子的定量分析，請說明你的看法。