定性無機分析

定性無機分析是分析化學中的一種用來尋找無機化合物中元素組成的分析方法。它主要來鑑定水溶液中的離子，因此，一些其他形式的物質在用標準方法分析之前，先要轉化為水溶液中的離子形式。之後，溶液會加入多種試劑，通過化學反應來檢測針對特定離子的可能出現的顏色變化、沉澱或其他可觀現象。

## 無機物的顏色

顏色｜無機物

棕黑色｜Ag2O

棕色｜CdO

紅棕色｜Fe2O3、Fe(OH)3、NO2(g)、Cu2Fe(CN)6、Sm2+、Tb(IV)

紅色｜HgO（紅色）、HgI2、Fe(SCN)3、HgS(紅色)、Se(紅色)

磚紅色｜Cu2O、Ag2CrO4

淡紅色｜Nd3+、Er3+

粉紅色｜Co2+、Pm3+

橙紅色｜Na2PtCl6

橙色｜Cr2O72-、S52-

草黃色｜Eu2+, Pr(IV)

黃色｜CrO42-, Fe3+、CdS、PbI2、Ag3PO4、HgO(黃色)、SnS2、UO22+、ICl4-、S22-、K2PtCl6, Sm3+、Dy3+, Ce4+

淡黃色｜S8、Na2S2、P4、AgBr、AgI

綠色｜MnO42-、CrCl3、Ni2+、CrCl2+、CrCl2+、Cr(OH)4-、U4+、Pr3+、Tm3+、Yb2+

灰綠色｜Cr3+、Cr(OH)3

淺綠色｜Fe2+

深藍色｜Cu(NH3)42+

藍色｜Cu2+、CuSO4·5H2O、Co(SCN)42-、CoHg(SCN)4

深紫色｜I2、KMnO4(s)

紫色｜MnO4-、I2/CCl4、FeO42-

淡粉色｜Mn2+

無色｜Ag+、Al3+、Al(OH)4-、Cu(NH3)2+、Cd2+、H+、Hg22+、Hg2+、NH4+、La3+、Sb3+、Sn2+、Sn4+、Bi3+、Th4+、Y3+、Zn2+、Zn(NH3)44+、Zn(CN)42-、鹼金屬+、鹼土金屬2+、Eu3+、Gd3+、Lu3+、Yb3+、Tb3+、NO(g)、H2O、H2O2、PCl3、F−、Cl−、Br−、I−、硫的含氧酸根、磷的含氧酸根、砷的含氧酸根、CO32-、HCO3-、NO2-、NO3-、SiO32-、CN−、SCN−、OCN−、SeO32-、SeO42-、TeO32-、OH-、S2-

白色｜大部分無機化合物，包括絕大部分鹼金屬、鹼土金屬的化合物、BaO2、Sc2O3、Y2O3、La2O3、SO3(s)、P4O10(s)、As2O3、As2O5、Sb2O3、CO2(s)、Al2O3、ZnO(常溫)、SeO2(s)、PbCl2、Pb(SCN)2、HgCl2、Hg2Cl2、HgBr2等。

黑色｜C、CuO、MnO2、HgS(黑色)、Ni2O3、Ag2S、Cu2S、CuS、CoS、FeS、PbS、金屬細粉沉澱（如Hg、Bi等）

註：

- 本表內的陽離子如未註明均為水合陽離子M(H2O)nx+。
- 表內Fe3+水合離子或某些晶體（如硝酸鐵的九水合物）為很淺的淡紫色，但因水解呈黃色或棕色。
- 新沉澱的硫是近似白色的，放置或加熱後變黃。
- Tb3+也可以是極淺的粉紅色。
- 表中未涉及到的離子參見離子列表。

## 陽離子H2S系統分析法

本分析法利用24種常見陽離子的硫化物溶解度差異，將它們分為4組進行分析。

### 第一組陽離子的分析

本組的陽離子有Ag+、Hg22+和Pb2+三種，組試劑是鹽酸。這三種陽離子的氯化物難溶於水，藉此和其他陽離子分離：

Ag+ + Cl− → AgCl↓

Hg22+ + 2 Cl- → Hg2Cl2↓

Pb2+ + 2 Cl− → PbCl2↓

注意事項：

- 沉澱本組離子時，Cl-稍過量，並控制其濃度為0.5mol/L。如果用濃鹽酸，則AgCl和PbCl2會形成配合物AgCl2-和PbCl42-而溶解。
- 第二組陽離子中，Sb3+和Bi3+的水解傾向較強，當溶液pH較高時，會生成白色的鹼式鹽沉澱而混入第一組陽離子中。因此，應補充適量HNO3，使H+的濃度在2.0~2.4mol/L之間。
- 由於PbCl2溶解度不是特別小，所以當Pb2+濃度較低時，可能不會檢出。這時，Pb2+應在第二組陽離子的分析中檢驗。

本組離子的系統分析：

PbCl2和其他兩種氯化物不同的是，它可溶於熱水。因此，將所沉澱的氯化物過濾後加水，並加熱，使PbCl2溶解，趁熱分離。先用乙酸酸化離心液，再加入K2CrO4或KI，如果出現黃色沉澱，則說明存在Pb2+。

Pb2+ + CrO42- → PbCrO4↓（黃色沉澱）

Pb2+ + 2I− → PbI2↓（黃色沉澱）

- Ag+的鑑定

分出PbCl2之後，沉澱用熱水洗滌，之後加入氨水。離心分離。離心液加入HNO3酸化，如果出現白色沉澱，則說明有Ag+的存在。

AgCl + 2 NH3 → Ag(NH3)2Cl（無色溶液）

Ag(NH3)2Cl + 2 HNO3 → 2 NH4NO3 + AgCl↓（白色沉澱）

- Hg22+的鑑定

上一步鑑定Ag+加入氨水時，如果沉澱變為灰黑色，則說明有Hg22+。

Hg2Cl2 + 2 NH3 → HgNH2Cl↓（白） + Hg↓（黑） + NH4Cl

### 第二組陽離子的分析

本組離子包括Pb2+、Bi3+、Cu2+、Cd2+、Hg2+、As3+、As5+、Sb3+、Sb5+、Sn2+和Sn4+組成，其中As、Sb和Sn可能以含氧酸根的形式出現。這組陽離子不被Cl-沉澱，但在0.3mol/L HCl溶液中，可以被H2S沉澱，藉此和第三、四組陽離子分離。

注意事項：

- As有+3和+5兩種價態，其中As(V)與H2S反應速率慢，應先用碘化銨將其還原為As(III)。
- Sn有+2和+4兩種價態，為使操作簡便，需要用過氧化氫溶液將Sn(II)氧化為Sn(IV)。
- Sb有+3和+5兩種價態，檢驗Sb的存在時，所用的羅丹明B只對+5價的Sb有效，因此溶液中的Sb(III)也需要事先氧化。
- 在沉澱本組陽離子時，酸度應控制在0.3mol/LHCl，如果pH過低，CdS、SnS和PbS將沉澱不完全或不沉澱而混入第三組陽離子之中，又不利於As、Sb和Sn的硫化物的生成，如果pH較高，第三組中Zn2+將會以ZnS的形式沉澱而混入本組。
- 加熱溶液有利於As(V)被NH4I還原，但降低了H2S的溶解度，故需冷卻至室溫。

基於以上問題考慮，硫乙醯胺（TAA）是比H2S更理想的沉澱劑，理由如下：

- 酸性、氨性和鹼性環境下，TAA水解產生H2S、HS−和S2−，分別可以替代H2S、(NH4)2S和Na2S使用。
- TAA會產生均相沉澱，得到良好的晶形，有利於沉澱的後期處理。
- TAA在90℃的酸性溶液中，可以將+5價的As和Sb還原為+3價的產物，省去了NH4I。
- TAA在鹼性環境中加熱，會生成少量的多硫化物，可將Sn(II)氧化為Sn(IV)，省去了H2O2。

但需要注意，TAA提供的S2-較少，在分離第二、三組陽離子時，需調節酸度至0.6mol/LH+，使As沉澱完全，之後溶液稀釋一倍，再進行操作。

本組離子在以上步驟沉澱完之後，離心並洗滌，用TAA的鹼性溶液（需加熱）或Na2S處理沉澱，Hg、As、Sb和Sn的硫化物溶解，而剩下Cu、Cd、Pb和Bi的硫化物：

HgS + S2− → HgS22-

As2S3 + 3 S2− → 2 AsS33-

Sb2S3 + 3 S2− → 2 SbS33-

SnS2 + S2− → SnS32-

將沉澱用含有氯化銨的水洗滌，加入6mol/LHNO3溶解。

在以上硝酸溶解液中加入1:1丙三醇（甘油）和過量的濃氫氧化鈉溶液。Cu、Pb和Bi形成配合物溶解，留下Cd(OH)2。用鹽酸溶解Cd(OH)2，並稀釋至H+約為0.3mol/L，加入TAA並加熱，若產生黃色沉澱，則表明存在Cd2+：

Cd2+ + S2- = CdS↓（黃色沉澱）

- Cu2+、Pb2+和Bi3+的鑑定：

將甘油配合物離心液分成三份，乙酸酸化後加入亞鐵氰化鉀|K4Fe(CN)6，如出現紅棕色沉澱，表明有Cu2+；6mol/L乙酸酸化後加入K2CrO4，如出現黃色沉澱，則說明有Pb2+；將離心液加入至新制Na2SnO2溶液，如有黑色沉澱，則說明有Bi3+。

2Cu2+ + Fe(CN)64- → Cu2Fe(CN)6↓（紅棕色沉澱）

Pb2+ + CrO42−→ PbCrO4↓（黃色沉澱）

2Bi3+ + 3 SnO22- + 6OH- → 2Bi↓（黑色沉澱） + 3 SnO32- + 3H2O

將之前得到的Hg、As、Sb和Sn的硫代酸鹽用3mol/L鹽酸處理，硫代酸鹽分解，析出硫化物。

- Sb、Sn的鑑定：

將用3mol/L鹽酸處理得到的沉澱洗滌後加入8mol/L鹽酸，Sb和Sn溶解，存在形式為SbCl63−和SnCl62−。

將溶液分為兩份，一份檢驗Sn：

將還原鐵粉加入溶液，還原Sn4+為Sn2+，之後加入HgCl2溶液，如果有灰色或黑色沉澱，則表明Sn存在：

SnCl42− + 2 HgCl2 → Hg2Cl2↓（白色） + SnCl62−

SnCl42− + Hg2Cl2 → 2 Hg（黑色） + SnCl62−

另一份檢驗Sb:

在溶液中加入亞硝酸鈉固體，將Sb3+氧化為Sb5+，然後加入紅色的羅丹明B，如有藍色或紫色沉澱產生，則表明Sb存在。該沉澱可以被苯萃取，得到紫紅色的苯溶液。

Sn(IV)的存在不影響此鑑定。

將鑑定Sb和Sn過程中用8mol/L鹽酸未溶解的固體洗滌，加入12%(NH4)2CO3加熱，使As2S3溶解：

As2S3 + 3CO32- → AsS33- + AsO33- + 3CO2↑

離心分離，溶液中含As，剩餘沉澱含Hg。

取出溶液，加入3mol/LHCl，如果As存在，將產生黃色的As2S3沉澱。

將上一步所得沉澱洗滌之後用王水處理，將其溶解。溶解之後通過煮沸去除王水。

3HgS + 2NO3− + 12Cl− + 8H+ → 3HgCl42− + 3S + 2NO + 4H2O

之後加入SnCl2溶液，如果產生由白至黑的沉澱，則說明存在Hg2+。

### 第三組陽離子的分析

本組離子包括Al3+、Cr3+、Fe3+、Fe2+、Mn2+、Zn2+、Co2+和Ni2+共8種（實為7種元素），它們在鑑定時不需組內特別分離。本組的組試劑為NH3-NH4Cl存在下的(NH4)2S（或TAA，加熱），鐵、錳、鋅、鈷、鎳均以硫化物沉澱，鋁、鉻以氫氧化物的形式沉澱。藉此與第四組陽離子分離。

注意事項：

- 本組需要用NH3-NH4Cl緩衝溶液調節溶液pH在9.0左右，確保Al3+和Cr3+沉澱完全，防止第四組的Mg2+產生沉澱。
- 為防止硫化物形成膠體，需要加入NH4Cl並加熱。
- 產生的沉澱不宜久置，否則CoS和NiS會因為構型改變而難溶。

上一組分析留下酸性溶液，溶液用氨水中和至鹼性，並加入NH4Cl，再加入(NH4)2S或TAA並加熱（約10min）。將所得沉澱用熱的稀硝酸溶解，之後逐一鑑定組內離子。

- Fe3+的鑑定

溶液中的Fe2+全部被氧化成Fe3+，如需確定鐵的價態，取原液鑑定。Fe2+可與鐵氰化鉀形成藍色的KFeFe(CN)6沉澱，或者與鄰二氮菲在弱酸性溶液中形成橙紅色可溶絡合物。其他陽離子均不干擾這兩個反應。

針對Fe3+，可以用NH4SCN或亞鐵氰化鉀|K4Fe(CN)6鑑別，前者產生可溶性血紅色絡合物，後者產生普魯士藍沉澱。其他陽離子不干擾。

K+ + Fe3+ + Fe(CN)64- = KFeFe(CN)6↓

在強酸性條件下，Mn2+可以被NaBiO3、PbO2或(NH4)2S2O8（Ag+離子催化）氧化為MnO4−，產生淡紫紅色的溶液。

2 Mn2+ + 5 NaBiO3 + H+ = 2 MnO4− + 5 Bi3+ + 5 Na+ + 7 H2O

在溶液中加入稍過量的NaOH使Cr3+轉化為Cr(OH)4−。之後，用H2O2將其氧化為CrO42-。用H2SO4酸化後加入乙醚（或正戊醇），再加入H2O2，如果有機層有藍色的過氧化鉻（CrO5）產生，則說明Cr3+存在。

在溶液中加入H2O2，將二價亞鐵氧化為三價鐵，排除亞鐵的干擾。加入氨水將溶液調為鹼性，並用酒石酸或檸檬酸將Fe3+和Mn2+等陽離子掩蔽，之後加入丁二酮肟，如產生桃紅色沉澱，則說明存在Ni2+。

註：鎳和丁二酮肟的絡合物在酸性條件下分解。

在溶液中加入NH4F將Fe3+掩蔽，再加入丙酮和飽和NH4SCN溶液。如溶液出現藍色，則說明有Co2+。

在溶液中加入NH4F將Fe3+掩蔽，再加入四硫氰合汞化銨|(NH4)2Hg(SCN)4溶液，如果產生白色晶體沉澱，則說明有Zn2+。如果溶液中有微量Co2+，將迅速產生天藍色的沉澱（混晶）。（如果沒有，滴加幾滴Co2+）

Zn2+ + Hg(SCN)42- = ZnHg(SCN)4

Co2+ + Hg(SCN)42- = CoHg(SCN)4

註：如果沉澱產生緩慢（超過2min），則不能說明存在Zn2+。

在溶液中加入HAc-NaAc緩衝溶液，再加入鋁試劑，如出現鮮紅色沉澱，則存在Al3+。

如果存在干擾離子，試液用Na2CO3-Na2O2處理。

### 第四組陽離子的分析

本組離子包括Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、K+、Na+和NH4+，共7種離子。本組無組試劑。

注意事項：

- 第三組陽離子沉澱後的離心液不可久置，以防溶液中的S2−被氧化為SO42−，導致Sr2+和Ba2+沉澱而丟失。
- NH4+應取未加入任何組試劑的原試液檢驗。

將離心液蒸乾並灼燒，除去銨鹽。冷卻之後加入適量稀鹽酸溶解。

將原試液取樣，加入濃NaOH並加熱，使NH4+轉化為NH3檢驗。NH3遇到濕潤的紅色石蕊試紙，試紙變藍。

此外，NH4+還能使鹼性的碘化汞鉀產生紅棕色沉澱。

取以上用稀鹽酸溶解的試液，加入過量NaAc溶液，使pH在4～5之間。加入K2CrO4，如有黃色沉澱，則說明有Ba2+。濾液調節pH，使酸性減弱，如有黃色沉澱，再加入HAc，如黃色沉澱溶解，則說明有Sr2+。

註：BaCrO4不溶於乙酸，而SrCrO4溶於乙酸。它們都溶於強酸且不溶於氫氧化鈉和氨水。另外，在溶液中加入玫瑰紅酸鈉，Ba2+與之形成鮮紅色沉澱。

在試液中加入飽和(NH4)2SO4，離心分離，取溶液。

CaSO4(S) + (NH4)2SO4(aq) = (NH4)2Ca(SO4)2(aq)

離心液中加入(NH4)2C2O4，如有白色沉澱，則表示Ca2+存在。

將溶液調為鹼性，加入鎂試劑I，如果產生天藍色沉澱，則示有Mg2+。

將溶液調為中性後加入HAc酸化，再加入Na3Co(NO2)6，如出現黃色沉澱，則表明存在K+。

2 K+ + Na+ + Co(NO2)63− = K2NaCo(NO2)6↓

或者將溶液調為中性後加入四苯硼鈉，如出現白色沉澱，則說明存在K+。

K+ + B(C6H5)4− = KB(C6H5)4↓

在溶液中加入飽和Ba(OH)2至鹼性，加入過量(NH4)2CO3除去Ba2+，再將溶液蒸乾灼燒至恆重。取少量水溶解，加入少許醋酸和幾滴乙醇。加入過量乙酸鈾醯鋅或乙酸鈾醯鎂，如有檸檬黃色結晶，則示有Na+存在。

Na+ + Zn2+ + 3 UO22+ + 9 CH3COO− + 9 H2O = NaZn(UO2)3(CH3COO)9·9H2O

此外，鹼金屬和鹼土金屬（鎂除外）有時候還可以通過特徵的焰色反應來鑑別。

## 兩酸兩鹼系統分析法

本法先檢出NH4+、Na+、Fe2+和Fe3+。再進行以下操作：

- 加入HCl沉澱出Ag+、Hg22+、Pb2+，分別檢驗。
- 取上一步的溶液加入H2SO4和乙醇，沉澱出Pb2+、Ba2+和Ca2+，分別檢驗。
- 取上一步的溶液加入NH3-NH4Cl和H2O2，沉澱出Hg2+、Al3+、Bi3+、Cr3+、Sn4+、Fe3+、Sb3+、Sb5+和Mn2+，分別檢驗。
- 取上一步的溶液加入過量NaOH，沉澱出Cu2+、Ni2+、Cd2+、Mg2+和Co2+，再分別檢驗。
- 剩餘As(III)、As(V)、Na+、Zn2+、NH4+和K+。

## 陰離子分析

常見的陰離子按照其性質可分為三組。

### 第一組陰離子的分析

第一組陰離子包含CO32-、HCO3-、CH3COO-、S2-、SO32-、S2O32-和NO2-，組試劑是稀硫酸。

- CO32-和HCO3-遇到稀硫酸放出CO2，通入澄清的石灰水，石灰水先變渾濁，後澄清。
- CH3COO-和稀硫酸作用，生成CH3COOH，用黃色的FeCl3檢驗，如果變血紅色，則示有CH3COO−。
- 除此之外，在含CH3COO-中加入濃硫酸和戊醇，加熱反應，生成乙酸戊酯，有特殊的水果香味。另一種方法是利用La(NO3)3和I2在氨性溶液中生成暗藍色沉澱來鑑別。
- S2-遇到稀硫酸放出H2S，使醋酸鉛試紙變黑，或使硝普鈉溶液變紫。
- SO32-和S2O32-被酸化時均會放出SO2，可以使酸化的KMnO4褪色，或使酸化的K2Cr2O7由橙變綠，也可讓鹼性品紅褪色。但不同的是S2O32-會產生乳黃色的硫單質沉澱。
- NO2-遇到稀硫酸，在冰水中得到淺藍色溶液，如果是室溫，則放出紅棕色有刺激性臭味的氣體（NO2），另外，這種氣體能使澱粉-碘化鉀試紙變藍。
- 另外，NO2-的一個特效反應是，將HAc加入至含有NO2-的溶液中，再加入對氨基苯磺酸，發生重氮化反應，與α-萘胺生成紅色的偶氮化合物。

### 第二組陰離子的分析

第二組陰離子包含Cl−、Br−、I−、NO3−和C2O42-，組試劑是濃硫酸。

- Cl-可以通過鉻醯氯試驗鑑定。當Cl−和K2Cr2O7與濃H2SO4加熱時，會產生CrO2Cl2蒸氣，蒸氣通入NaOH，產生Na2CrO4，CrO42−與Pb(CH3COO)2作用，產生黃色沉澱。
- Br−和I−可以通過其單質形態在CHCl3、CCl4、C6H6或CS2中的顯色得到。含Br2的顯深紅色，含I2的顯紫色。
- 如果用氯氧化，則需注意過量的氯會將I-氧化為IO3-而褪色。對於溴，可能出現Br2的深紅色，也可能出現BrCl的黃色。
- NO3−可以通過棕色環試驗或用硫酸-二苯胺來鑑別。前者產生棕色環，後者產生深藍色環。
- 如果溶液中同時含有NO2-，需要事先除去。方法是在酸性環境中，加入尿素，加熱使其分解。
- 另外，NO3-也可以在HAc環境中，用鋅使其還原為NO2-，再檢驗NO2-。
- C2O42-在被濃硫酸處理時，會放出CO2和CO，其中CO2可以使澄清的石灰水變渾濁。C2O42-本身可以使酸化的KMnO4褪色，並與CaCl2反應產生沉澱。

### 第三組陰離子的分析

第三組陰離子包含SO42−、PO43−和BO33−，它們在硫酸中幾乎無作用。

- SO42−可用BaCl2鑑定，反應產生BaSO4不溶於任何酸鹼。
- PO43−則在HNO3下與鉬酸銨反應，產生黃色沉澱。此沉澱溶於氨水或鹼；在酸性環境下，可以氧化聯苯胺，得到藍色產物。
- 註：溶液中的AsO43-和SiO32-需要加酒石酸來消除干擾。玻璃器皿可能產生微量的SiO32-。
- BO33−和無水乙醇或甲醇，在濃硫酸的催化下，產生硼酸酯，加熱點燃有綠色火焰。

## 不常見元素的定性分析

- 鍺

向含有鍺的溶液中，加入含0.2mol/L左右的HNO3的5%鉬酸銨溶液，生成檸檬黃色溶液（H4(GeMo12O40)）。

或者取極少量的蘇木因溶於5ml3mol/LH2SO4，再慢慢滴入95ml乙醇。向酸性含鍺的溶液中滴加6滴蘇木因的醇溶液和15滴四氯化碳，震盪15至30秒，如出現紫色配合物且溶於四氯化碳，則檢出Ge。

註：Mo和Sb也能形成紫色配合物，但不溶於四氯化碳。

- 硒

向試樣中加入氫氧化鈉和鹽酸羥胺除去重金屬和貴金屬元素，再向試樣的鹽酸溶液中通入二氧化硫，如果出現紅色的沉澱，則說明含有硒。如果同時含有碲，可用鹽酸羥胺選擇性還原：

2 NH2OH + SeO32- + 2 H+ → N2O + Se + 4 H2O

- 碲

向試樣中加入氫氧化鈉和鹽酸羥胺除去重金屬和貴金屬元素，再向試樣的熱的鹽酸溶液中通入二氧化硫，如果出現黑色沉澱，則說明含有碲。用氯化亞錫也能將Te(IV)還原。所產生的黑色沉澱溶於少量濃硫酸，產生Te42+多聚陽離子，為鮮紅色的溶液，稀釋後析出黑色沉澱。

TeO32− + 2 Sn2+ + 6 H+ → Te↓ + 2 Sn4+ + 3 H2O

- 釷

Th4+可以在pH=2的條件下被釷試劑I檢出，或在2~9mol/LHCl條件下被偶氮胂III（鈾試劑）檢出。

- 鈾

UO22+可以和鐵氰酸鉀作用，產生紅棕色沉澱，該方法能檢出1ppm的鈾。Fe3+、Cu2+對此反應有干擾，需預先除去。

UO22+ + 2 K+ + Fe(CN)64- = K2UO2Fe(CN)6↓（紅棕色沉澱）

另外，在pH=0.5~3.5介質中，UO22+能和H2O2反應，生成淺黃色沉澱（如UO2(O2)·4H2O等）。僅Th和Zr、Hf有類似反應。