Якісні реакції на катіони: H⁺, NH₄⁺, Ba²⁺, Fe²⁺ і Fe³⁺

Якісна реакція — це хімічна реакція, за характерною ознакою якої виявляють певний йон або молекулу в розчині. Такою ознакою може бути утворення осаду певного кольору, виділення газу з характерним запахом або зміна забарвлення індикатора. Реактив — це речовина, яку додають до проби, щоб спричинити цю характерну зміну.

Йони виявляють у пробі — невеликій порції досліджуваного розчину, яку поміщають у пробірку. Для кожного нового реактиву беруть окрему пробу. Якщо додавати кілька реактивів в одну пробірку, їхні йони можуть прореагувати між собою, і ви не побачите справжньої ознаки або отримаєте хибний результат.

Якісну реакцію записують двома рівняннями: молекулярним (повним) і скороченим йонним. Скорочене йонне рівняння показує, який саме йон виявляють. Наприклад, реакція BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl у скороченій йонній формі має вигляд Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. Це рівняння однаково придатне і для виявлення йонів Ba²⁺ (реактив — сульфат), і для виявлення йонів SO₄²⁻ (реактив — сіль Барію).

Класифікація ознак якісних реакцій

Запам'ятайте: якісна реакція дає однозначну відповідь «так» або «ні» — чи є в розчині певний йон. Тому важливо знати не лише реактив, а й точну ознаку, яка відрізняє цей йон від усіх інших.

Йони Гідрогену H⁺ створюють у водному розчині кисле середовище. Найпростіший спосіб виявити кисле середовище — скористатися індикатором. Метилоранж у кислому середовищі (pH нижче 3,1) змінює забарвлення з оранжевого на червоне (рожеве). Універсальний індикатор дає змогу точніше визначити pH, порівнюючи колір смужки з еталонною шкалою.

Фенолфталеїн для виявлення йонів H⁺ непридатний. У кислому й нейтральному середовищах він безбарвний, тому за його допомогою не можна відрізнити кислоту від води. Фенолфталеїн стає малиновим лише в лужному середовищі (pH понад 8,2).

Додаткові способи виявлення H⁺

Крім індикаторів, кисле середовище можна підтвердити реакціями з карбонатами або активними металами. Якщо додати до розчину соду Na₂CO₃ або крейду CaCO₃, виділяється вуглекислий газ — безбарвний, без запаху, що спричиняє помутніння вапняної води:

2H⁺ + CO₃²⁻ → H₂O + CO₂↑

Із цинком (або іншим металом, що стоїть у ряду активності лівіше від Гідрогену) виділяється водень:

Zn + 2H⁺ → Zn²⁺ + H₂↑

Виявлення йонів амонію NH₄⁺

Йони амонію NH₄⁺ виявляють за допомогою лугу (NaOH або KOH) під час нагрівання. Реакція відбувається за схемою:

NH₄Cl + NaOH → NaCl + NH₃↑ + H₂O (молекулярне рівняння)

NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O (скорочене йонне рівняння)

Ознаки реакції: по-перше, різкий задушливий запах амоніаку (нашатирного спирту); по-друге, вологий універсальний індикаторний папірець, піднесений до отвору пробірки, синіє, бо амоніак має лужну реакцію.

Нагрівання сприяє виділенню амоніаку з розчину й робить ознаку помітнішою. Однак за достатньої концентрації амоніак може виділятися і без нагрівання, тому нагрівання — не абсолютна умова перебігу реакції, а практичний прийом для посилення ознаки.

Йони Барію Ba²⁺ виявляють за допомогою розчинного сульфату (наприклад, Na₂SO₄ або K₂SO₄) або сульфатної кислоти H₂SO₄. У результаті реакції утворюється білий дрібнокристалічний осад барій сульфату:

BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl (молекулярне рівняння)

Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ (скорочене йонне рівняння)

Чому осад BaSO₄ перевіряють на розчинність у кислоті?

Білий осад із сульфат-йонами дає не лише Ba²⁺: малорозчинні сульфати утворюють також Ca²⁺, Sr²⁺, Pb²⁺, і в кислотах вони теж не розчиняються. Тому кислотою осад перевіряють насамперед під час виявлення сульфат-йонів солями Барію: білі осади BaCO₃ і BaSO₃ розчиняються в хлоридній кислоті з виділенням газу, а BaSO₄ — ні:

BaCO₃ + 2H⁺ → Ba²⁺ + H₂O + CO₂↑

BaSO₃ + 2H⁺ → Ba²⁺ + H₂O + SO₂↑

Карбонат для виявлення Ba²⁺ непридатний: білий осад із Na₂CO₃ дають і Ca²⁺, Sr²⁺, а всі ці карбонати однаково розчиняються в кислотах. Реактив на Ba²⁺ — розчинний сульфат або H₂SO₄. А перевірка кислотою дає змогу відрізнити BaSO₄ (осад лишається) від BaCO₃ або BaSO₃ (осад зникає з виділенням газу).

Відмінність солей Барію від солей Феруму

З лугом (NaOH або KOH) розчин солі Барію осаду не дає, тому що Ba(OH)₂ добре розчинний у воді (позначка «Р» у таблиці розчинності). Це дає змогу легко відрізнити BaCl₂ від солей Феруму: якщо до проби додати NaOH і осад не утворився — це сіль Барію; якщо випав сіро-зелений або бурий осад — це сіль Феруму.

За програмою НМТ йони Феруму(II) і Феруму(III) у розчині розрізняють, додаючи луг (NaOH або KOH). Обидва йони утворюють осади гідроксидів, але різного кольору.

Реакція Fe²⁺ з лугом

FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + 2NaCl (молекулярне рівняння)

Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂↓ (скорочене йонне рівняння)

Осад Fe(OH)₂ має сіро-зелений колір. Однак на повітрі він поступово темнішає й буріє, тому що Ферум(II) окиснюється киснем повітря до Феруму(III):

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃

Це окиснення відбувається досить швидко, тому сіро-зелений осад треба спостерігати одразу після додавання лугу.

Реакція Fe³⁺ з лугом

FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl (молекулярне рівняння)

Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓ (скорочене йонне рівняння)

Осад Fe(OH)₃ має бурий (іржаво-коричневий) колір. Він стійкий на повітрі й не змінює забарвлення.

Чи можна розрізнити за кольором розчину?

Розчини солей Fe²⁺ мають блідо-зелене забарвлення, а Fe³⁺ — жовто-буре. Однак у розведених розчинах колір ледь помітний і може ввести в оману. Тому в межах програми НМТ йони Fe²⁺ і Fe³⁺ розрізняють реакцією з лугом — за кольором осаду.

Порівняння: Cu²⁺ з лугом

Для уникнення плутанини: йони Купруму Cu²⁺ з лугом дають синій осад Cu(OH)₂. Його не слід плутати з сіро-зеленим Fe(OH)₂ або бурим Fe(OH)₃.

План розпізнавання трьох розчинів без етикеток

Уявіть, що у вас три пробірки без етикеток із розчинами NH₄Cl, FeCl₃ і BaCl₂. Ось послідовність дій:

• Візьміть три проби (по одній з кожної пробірки).

• До кожної додайте розчин NaOH і нагрійте.

• У пробі з NH₄Cl відчуєте різкий запах амоніаку — це йони амонію.

• У пробі з FeCl₃ випаде бурий осад Fe(OH)₃ — це йони Феруму(III).

• Проба з BaCl₂ не дасть осаду з лугом (Ba(OH)₂ розчинний) і не матиме запаху. Для підтвердження візьміть нову пробу розчину з цієї пробірки й додайте до неї Na₂SO₄ — білий осад BaSO₄ підтвердить наявність Ba²⁺.

Приклад 1. Логічні пари: йон — реактив і ознака

Установіть відповідність між йоном (1–3) і реактивом та ознакою (А–Д), за якою цей йон виявляють.

Розв'язання: Йони NH₄⁺ виявляють лугом під час нагрівання — виділяється амоніак із різким запахом (1 → А). Йони Fe³⁺ з лугом дають бурий осад Fe(OH)₃ (2 → Б). Йони Ba²⁺ виявляють сульфат-йонами — утворюється білий осад BaSO₄, нерозчинний у кислотах (3 → В). Варіант Г описує Fe²⁺, а варіант Д — лужне середовище, а не виявлення H⁺.

Ключ: 1А, 2Б, 3В.

Приклад 2. Вибір реактиву для розрізнення FeCl₂ і FeCl₃

Яким реактивом можна розрізнити розчини FeCl₂ і FeCl₃?

• А розчином AgNO₃

• Б фенолфталеїном

• В хлоридною кислотою

• Г розчином NaOH

Розв'язання: FeCl₂ і FeCl₃ містять різні катіони (Fe²⁺ і Fe³⁺), тому реактив має давати з ними різні ознаки. Розчин AgNO₃ дає білий осад AgCl з обома солями — однакова ознака. Фенолфталеїн у розчинах солей Феруму безбарвний (середовище кисле через гідроліз). Хлоридна кислота не реагує з FeCl₂ або FeCl₃. А розчин NaOH дає з FeCl₂ сіро-зелений осад Fe(OH)₂, а з FeCl₃ — бурий осад Fe(OH)₃. Різниця кольорів дає змогу розрізнити ці дві солі.

Ключ: Г — розчином NaOH.

Приклад 3. Скорочене йонне рівняння для виявлення NH₄⁺

Яке скорочене йонне рівняння відповідає виявленню йонів амонію?

• А NH₃ + H⁺ → NH₄⁺

• Б NH₄⁺ + Cl⁻ → NH₄Cl

• В H⁺ + OH⁻ → H₂O

• Г NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O

Розв'язання: Виявлення йонів амонію полягає в тому, що луг (OH⁻) витісняє амоніак із солі амонію. Рівняння NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O показує утворення газу амоніаку й води — це і є якісна реакція. Варіант А — зворотний процес (розчинення амоніаку в кислоті). Варіант Б — неправильне рівняння, NH₄Cl — розчинна сіль, яка дисоціює, а не утворюється з йонів. Варіант В — реакція нейтралізації, вона не стосується амонію.

Ключ: Г — NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O.

Приклад 4. Розпізнавання трьох розчинів одним реактивом

У трьох пробірках без етикеток містяться розчини NH₄NO₃, Fe₂(SO₄)₃ і Ba(NO₃)₂. Яким одним реактивом їх можна розпізнати?

• А H₂SO₄

• Б BaCl₂

• В NaNO₃

• Г KOH

Розв'язання: H₂SO₄ дасть білий осад BaSO₄ лише з Ba(NO₃)₂, а з двома іншими розчинами видимих змін не буде — не можна розрізнити NH₄NO₃ і Fe₂(SO₄)₃. BaCl₂ дасть білий осад BaSO₄ лише з Fe₂(SO₄)₃ (там є сульфат-йони), а з NH₄NO₃ і Ba(NO₃)₂ змін не буде. NaNO₃ не дає видимих змін з жодним розчином. А KOH під час нагрівання: з NH₄NO₃ — різкий запах амоніаку; з Fe₂(SO₄)₃ — бурий осад Fe(OH)₃; з Ba(NO₃)₂ — без змін (Ba(OH)₂ розчинний). Отже, KOH дає три різні ознаки.

Ключ: Г — KOH.

• Розрізняють сполуки Fe²⁺ і Fe³⁺ лише за кольором розчину, без реактиву. У розведених розчинах колір майже непомітний, тому покладатися на нього не можна. У межах програми НМТ їх розрізняють лугом — за кольором осаду.

• Виявляють H⁺ фенолфталеїном, який у кислоті лишається безбарвним. Фенолфталеїн безбарвний і в кислому, і в нейтральному середовищі — він не дає змоги відрізнити кислоту від води. Для виявлення H⁺ використовують метилоранж або універсальний індикатор.

• За слабкої ознаки в ненагрітій пробі одразу роблять висновок, що йонів амонію немає, хоча нагрівання полегшує виділення газу. Амоніак добре розчиняється у воді, тому без нагрівання його може бути недостатньо для відчутного запаху. Завжди нагрівайте пробу, якщо перевіряєте на NH₄⁺.

• Вважають осад Fe(OH)₂ одразу бурим або плутають його із синім Cu(OH)₂. Fe(OH)₂ — сіро-зелений, а буріє він лише з часом на повітрі. Cu(OH)₂ — синій. Не плутайте ці кольори.

• Виявляють Ba²⁺ карбонатом, хоча білий осад з карбонатом дають і йони Кальцію, а BaCO₃ і CaCO₃ однаково розчиняються в кислотах. Йони Барію виявляють сульфат-йонами: барій сульфат BaSO₄ білий і в кислотах не розчиняється.

• Додають кілька реактивів в одну пробу й отримують змішані ознаки. Наприклад, додавши спочатку NaOH, а потім Na₂SO₄ в ту саму пробірку, можна отримати осад, який важко інтерпретувати. Для кожного реактиву беріть нову пробу.

Програма НМТ з хімії (тема 1.6 «Суміші речовин. Розчини», зміст «якісні реакції на деякі йони») вимагає вміння обирати спосіб виявлення в розчині йонів Гідрогену, амонію, Барію, а лугом — Fe²⁺ і Fe³⁺, а також складати рівняння якісних реакцій у молекулярній та йонній формах.

Формат завдань

Логічні пари 1–3 → А–Д (номери 19–20 тесту, 0–3 бали, по 1 балу за кожну правильну пару). У демоваріанті 2026 року завдання на відповідність стосувалися якісних реакцій органічних сполук (№ 19, схема «ознака → реакція») і гідролізу солей (№ 20). Пари «йон — реактив і ознака» в цьому уроці — тренувальні, побудовані за тим самим принципом.

Вибір однієї відповіді з чотирьох (номери 1–18, 0 або 1 бал). Можливі формулювання: «Яким реактивом можна розрізнити розчини...» або «Яке скорочене йонне рівняння відповідає виявленню...».

Довідкові матеріали

Під час тестування ви маєте доступ до таблиці розчинності. За нею можна перевірити, чи утвориться осад (Fe(OH)₂, Fe(OH)₃, BaSO₄ — позначка «Н» (нерозчинний), Ba(OH)₂ — «Р» (розчинний)). Однак кольорів осадів і запахів газів у таблиці розчинності немає — їх треба знати напам'ять.

• Кисле середовище виявляють універсальним індикатором за його шкалою або метилоранжем (рожевий за pH нижче 3,1). Безбарвний фенолфталеїн сам по собі кислотності не доводить.

• NH₄⁺ виявляють лугом під час нагрівання: різкий запах амоніаку, вологий індикаторний папірець синіє біля отвору пробірки.

• Ba²⁺ виявляють сульфат-йонами: білий осад BaSO₄, нерозчинний у кислотах.

• Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂↓ — сіро-зелений осад, що буріє на повітрі (4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃).

• Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓ — бурий осад, стійкий на повітрі.

• Для кожного реактиву беріть нову пробу — не додавайте кілька реактивів в одну пробірку.