陽イオンの系統分析法の方法と解法を完全網羅！

こんにちは。

こんな疑問を解決していきます。

系統分析はワンパターンです。というのも、作業手順を変えるとうまく陽イオンを分離することができなくなるからです。

なので、系統分析は別にフリー素材をすることができるとしたら

ということで、今回は陽イオンの系統分析を実践的に解いていく方法までお話ししていこうと思います。

陽イオンの系統分析とは？

溶液の中にいっぱい陽イオンがあった時に、個別で取り出すのって難しいですよね。こんな風に陽イオンって目に見えませんからね。

だから名前の通り系統分析とは陽イオンを系統（グループ）に分けて析出させる方法です。

まずはざっくりグループ分けしてみて、陽イオンを絞り、絞り込んだ中で陽イオンを個別に分析していくことが目的なのです。

 

最終目的はごちゃ混ぜに陽イオンが入っている溶液から、陽イオンをバラバラにすることです。

でも、いきなりバラバラにすることはできません。なので、溶解度の差を使ってグループ（系統）に分けて析出させます。

陽イオンの系統分析の全体像

まずざっくり系統分析ってこういうものだってのを３段階に分けます。系統分析の原理原則はこの３手順です。

1.沈殿させて６つのグループ（系統）わけをしていく

このようにまずは溶解度が小さい陽イオン順（沈殿しやすい順番）にどんどん沈殿させていくのです。

この溶解度の差を大きく分けて６つのグループに分けていきます。これを分属と言います。

割と溶解度とイオン化傾向は密接に関わっています。当然ですが、イオン化しやすいってことは水に溶けやすいですからね。

 

そもそもイオンって水に溶けやすいです。水に溶けるって現象は結合に＋とーの差がある時に起きることです。

イオンで沈殿するってことはそれくらいイオンと

参考記事：イオン結晶なのに水に溶けないやつは?

 

なので、ここで絶対に必要な知識がどんな陰イオンと沈殿をするかの情報です。これを頭に入れておかないと絶対に系統分析を解くことはできません。

ちなみに、この中で重要なのはH₂Sです。硫化水素の酸性条件でも沈殿するほど

 

このように１グループずつ沈殿をさせていくのです。当然最後に残るのはイオン化傾向が非常に大きいアルカリ金属などが残っていきます。

2.沈殿を再溶解させてそれぞれグループ内で系統分析する

１で分属（グループに分ける）をしましたね。そのグループごとに系統分析をします。

先ほどの沈殿を取り出して、再溶解（沈殿をもう一度溶解させること）したりして再び系統分析をします。

それぞれのグループごとの系統分析はこの記事の後半で解説しています。

それぞれのグループごとの系統分析が今すぐ知りたい人はこちら

3.主に色を使って陽イオンを決定する

２で分離したもので系統分析できたら最終的に何が残ったかを検出し、陽イオンを決定していきます。

などを使って検出し陽イオンを１つずつ単離していきます。

かなり視覚的な指標が多いですが、匂いを嗅いだり、触れたりするのは非常に危険だからです。中和滴定や酸化還元滴定でも色で終点が判断できるものが多いですよね。

その理由は視覚的にわかることが一番安全だからです。

系統分析の属（グループ）分けの基準はH₂S

系統分析は６つにグループ分けしますが、実は大きく分けると３つにグループが分かれているんです。その３つのグループは、「H₂S」とイオン結晶をいかに作るかで分かれています。

よく見かける系統分析のチャート図をみてもらいましょう。

このチャート図をみると、H₂S(硫化水素）のみ２回出てきてますよね。実は、これがポイントなんですよ。

この硫化水素で３グループに分けられます。そのグループが

1. 酸性条件でも硫化水素と沈殿する陽イオン
2. 塩基性条件なら硫化水素と沈殿する陽イオン
3. どんな条件でも沈殿しない陽イオン

この３グループです。

この属は実は、イオン化傾向によって分けられています。

 

徐々にイオン化傾向が小さいものから沈殿させて削られているのでした。

このように分けます。

陽イオンを６属に分属する

６つのグループに分属していきます。方法は先ほど言った通りに沈殿しやすいやつらから次々に落としていきます。

そして、沈殿しやすいやつらとはイオン化列の右の方です。溶けていたくない陽イオンがどんどん沈殿していくのです。

第１グループ 希HClで沈殿させる

まずHClで溶液からイオン化傾向の小さいものを沈殿させていきます。

第１グループは最も沈殿しやすいグループです。よく考えて欲しいんですが、HClで沈殿するってよっぽどのことじゃないですか？

つまりHClで沈殿する金属は金属の中でよっぽど電気陰性度が大きい（金属の割には電子が好き）ってことです。

参考記事：共有結合,イオン結合,金属結合の違いは？高校化学の嘘を暴露

Cl^–で沈殿するのは、

で覚えます。

第2グループ　残存しているHCl条件で、H₂Sで沈殿するもの

次は硫化水素です。

HCl条件、つまり酸性条件でH₂Sを加えて沈殿するグループです。

Cl^–を加えても落とせなかった残りのイオン化傾向の小さい奴らを沈殿させる作戦です。

第3グループ　NH₃由来の弱塩基条件で水酸化物として沈殿するもの

沈殿生成反応でOH^–で沈殿するものが合ったと思いますが、そのグループです。

 

これはイオン化傾向でいうと、真ん中らへんの族です。

NH₃+H₂O⇄NH₄⁺+OH^–

の反応が起る事によりできるOH^–によって沈殿が生成します。

ここで沈殿するんは、アルカリ金属、アルカリ土類金属のLi K Ba Sr Ca Na Mg以外が沈殿します。

 

Mgは塩基性条件で沈殿します。

第４グループ　NH3由来の弱塩基条件でH₂Sを吹き込み沈殿するもの

H2Sには液性関係なく沈殿するものと中性塩基性でないと沈殿できないものがありました。

そして、液性に関係なく沈殿するものが第２属でした。

 

第５グループ　SO₄^2-、CO₃^2-で沈殿するもの

炭酸イオンを加える事で沈殿が生じるものがあります。

 

SO₄^2-CO₃^2-

Ba²⁺ Ca²⁺ Sr²⁺ Pb²⁺

これをあわせて、

そこまでばかにするな

と覚えるのでした。

これで沈殿する金属を第５属とします。

第６グループ：残り物

最後に残ったグループが第６グループです。

どうやっても沈殿しないものたちが集まった陽イオンです。ちなみに、こいつらを析出したければ電気分解をするしかないです。

６つのグループごとの系統分析の手法

さて、６つのグループに分属しましたが、ここからはグループごとに系統分析をしていきます。

 

系統分析はそれほど難しくないと言う理由は、沈殿反応が決まっているため、流れが決まっていると言う事です。

 

なぜなら、せっかく取り出せて来たところに、強塩基やから、強酸やらを加えてしまうと、全て溶けてしまったりと、水の泡になってしまう可能性があります。

なので、この系統分析は、『手順』がある程度決まっています。そして先ほどのグループ分けの順番が手順です。

先ほどのようにグループ分けをして沈殿させて、その後に、沈殿した者を再溶解させてグループ内で系統分析をします。

グループ1の系統分析

グループ１のAg,Pb,Hgをバラバラに系統分析していきます

ステップ１：熱湯を注ぐ

まずこの分離操作の１つ目の手順として熱湯を加えます。するとPbCl₂だけイオンに戻ります。一方で、AgClとHg₂Cl₂は沈殿のままです。

 

これでまた、溶液と沈殿を分離する事で、Pbを取り出す事が出来ました。

ただし、熱湯を注いでPb2+を取り出せた気になっているだけです。なので、きっちりPbが溶けていることを「色で」確認する必要があります。

ステップ２：K₂CrO₄を加える

クロム酸カリウムを入れることでPb²⁺はCrO₄^2-とイオン結晶を作り沈殿します。

クロム酸鉛(PbCrO4)が黄色の沈殿であることから、先ほど熱湯を注いで再溶解したのはPb²⁺だったことが確認できます。

さあ残りは溶液には、AgとHgのみとなります。

ステップ３：NH₃水を加えまくる

こいつらは依然AgClとHg₂Cl₂です。これをどちらかは沈殿のまま、どちらかを錯イオンとして溶液中へ分けると言う作業をします。

沈殿に対してアンモニア水を加えると溶解します。

でした。なので、これからAgClが錯イオンとして再溶解します。

これによって分離できます。Agはこのあともう一度HClを加えれば、AgClで沈殿になってくれます。

グループ２の系統分析

ステップ１：沈殿の色が黄色の時点でCdSに決定

硫化物イオンとの沈殿でCdSのみ黄色です。この時点で、決定です。

ステップ２：HNO₃を加えて熱する

硝酸を加えます。硝酸は酸化剤として反応することは半反応式のところでもお伝えしました。

この時HgSは溶解度が小さいので

 

という疑問が湧くかもしれませんね。これは、金属イオンが酸化される訳ではなくS^2-が酸化されてSになるんです。これのせいで、Cu²⁺とPb²⁺がイオンとして溶解するんです。

残ったのはCu²⁺とPb²⁺です。なので、これらを分けていきます。

ステップ３：H₂SO₄を加える

最後にH₂SO₄を加えると、SO₄^2-と沈殿をするPbがPbSO₄が白色沈殿をします。残った溶液にCu²⁺が存在します。

ですから、PbSO₄が白色沈殿して、その他のCu²⁺はそのまま溶液中に存在します。あとは、残った溶液がCu²⁺のみだということがわかればOKです。

ステップ４：残りの溶液にアンモニア水を加える

アンモニア水を加えるとCuは錯イオンを作ります。

[Cu(NH₃)₄]²⁺の深青色の溶液になります。NH3水を入れて[Cu(NH₃)₄]²⁺の深青色が確認できたことからアンモニア水だったことがわかります。

グループ３の系統分析

ステップ１：NaOHを加える

すでに水酸化物の沈殿にさらにNaOHを加えると再溶解する

 

なので、Fe(OH)₃だけは沈殿のままで、それ以外のAlとCrは再溶解して錯イオンになります。

また、沈殿のFe(OH)₃には赤褐色の色があります。色付きで他に同じ色の沈殿もありえないのでFe(OH)₃は決定できます。

ステップ２：H₂O₂を加え熱する

先ほどNaOHを加えたことで塩基性になってますよね。これにさらにH2O2を加えることで[Cr(OH)₄]^–がCrO42-に酸化されます。

ステップ３：希塩酸とアンモニア水を加える

希塩酸を加えることで、AlCl₃とすることができます。

また、溶液中のOH^–を減らすことができます。

グループ４の系統分析

ステップ１：加熱後HClを加える

加熱後HClを加えることで、NiSは結晶形が変化して希塩酸に不溶になります。よってNiSだけが沈殿のまま残りZnは溶解します。

ステップ２：塩基性でH₂S

塩基性でH₂Sを加えていきます。ZnSの白色沈殿ができます。

グループ５、６の系統分析

グループ５、６の金属は基本的に炎色反応で陽イオンを決定していきます。

陽イオンの系統分析で記述で狙われる「操作の理由」だけをまとめてみた

この操作の理由を問われる事があります。ちなみに画像をつくるスペース的に[NH₃]より下になりましたが、

煮沸する、少量の硝酸を加えるその理由が問われる事があります。

煮沸する理由

この操作はアンモニアを加える前にやります。

なぜなら、H₂SやHClなどが残っていると、中和されてアンモニアの塩基性になりにくいです。邪魔です。

 

 

なので、HClやH₂Sを吹き飛ばすために煮沸します。

少量の硝酸を加える

硝酸というのは、酸化力がありましたね。

この酸化力をもちいてFe²⁺をFe³⁺に酸化します。

 

というのも、H₂Sは還元性があるため、Fe³⁺をFe²⁺に還元してしまうのです。

 

なぜFe²⁺になると良くないかと言うと、Fe²⁺はアンモニアとの反応で、[Fe(NH₃)₆]を形成してしまうので、

NH₃を加えたときにOHとの沈殿が起らないのです。これより、鉄は3価にしておく方が良いのです。

最後に

陽イオン系統分析は沈殿問題の総合的な問題です。

ただし、陽イオンの沈殿するパターンが決まっているし、手順も決まっていて非常に解きやすい問題です。ここは確実に得点したいところです。

また、この流れを全て順番に覚える必要もなくて、問題に合わせて考えれば普通に解けますので、解いてください。