棕色環試驗

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簡介

首先，我們需要了解硝酸根離子的定性分析是透過棕色環實驗進行的。棕色環試驗是透過向硝酸鹽溶液中加入硫酸亞鐵，然後緩慢加入濃硫酸，直到酸在水溶液下形成一層來進行的。硝酸根離子的存在將透過在兩層交界處形成棕色環來顯示。這種測試會受到亞硝酸根離子的存在的影響。

水提取物的製備

水可以溶解所有常見的硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫代硫酸鹽和乙酸鹽。可以使用相應鹽的水提取物進行這些陰離子的確證試驗。水提取物可以透過將上述混合物中 1-2 克在沸騰管中用 10-15 $\mathrm{cm^3}$ 的蒸餾水煮沸一兩分鐘製成。任何剩餘的殘留物都被過濾掉。濾液被稱為水提取物。

硝酸根陰離子的確證試驗

在一個試管中，加入 3 $\mathrm{cm^3}$ 的水提取物。加入 6 $\mathrm{cm^3}$ 的濃硫酸，使兩種液體完全混合。將混合物在冷的自來水中冷卻。沿著試管邊緣緩慢倒入 4 $\mathrm{cm^3}$ 的飽和 $\mathrm{FeSO_4}4 溶液，在試管中溶液的頂部形成一層明顯的液體。在兩種液體接觸的地方，會形成一個棕色環。

$$\mathrm{NO_3 ^−(aq) + 4H^+(aq) + 3Fe^{2+}(aq)\:\rightarrow\:3Fe^{3+}(aq) + NO(g) + 2H_2O(l)}$$

$$\mathrm{[Fe(H_2O)_6]^{2+}(aq) + NO(g)\:\rightarrow\:[Fe(H_2O)_5NO]^{2+}(aq) + H_2O]}$$

該測試的依據是硝酸根離子在酸性溶液中氧化 $\mathrm{Fe^{2+}}$ 為 $\mathrm{Fe^{3+}}$ 併產生 NO 氣體。由於 NO 在低溫下在水中更易溶解，因此它與在充分冷卻的溶液中過量的 $\mathrm{Fe^{2+}}$ 結合，生成棕色亞硝醯鐵(II)絡離子 $\mathrm{[Fe(H_2O)_5NO]^{2+}}$. 在此測試中，亞硝酸根、溴離子和碘離子會干擾。

在亞硝酸根存在下檢測硝酸根離子

無論是透過棕色環試驗還是透過用濃 $\mathrm{H_2SO_4}$ 加熱，都不能簡單地在亞硝酸根存在下檢測硝酸根，因為這兩種測試都會釋放 $\mathrm{NO_2}$。因此，在檢測硝酸根之前必須完全去除亞硝酸根。

可以使用以下任何一種方法去除亞硝酸根離子

• 將氨基磺酸 $\mathrm{H_2NSO_3H}$ 加入到含有 $\mathrm{NO_{3^-}}$ 和 $\mathrm{NO_{2^-}}$ 離子的水提取物中。用稀 $\mathrm{H_2SO_4}$酸化溶液。亞硝酸根會分解，釋放出氮氣到大氣中。

$$\mathrm{H_2NSO_3H(aq) + NO_{2^-}(aq)\:\rightarrow\:HNO_2(aq) + H_2NSO_{3^-}(aq)}$$

$$\mathrm{H_2NSO_{3^-}(aq) + HNO_2(aq)\:\rightarrow\: N_2(g) + H^+(aq) + SO_4^{2^-}(aq) + H_2O(l)}$$

• 將 2-3 $\mathrm{cm^3}$ 水提取物與 1 克固體 $\mathrm{NH_4Cl}$ 一起煮沸，直到不再產生氣泡。

$$\mathrm{NO_{2^-}(aq) + NH_4Cl(aq) \:\rightarrow\: N_2(g) + 2H_2O(l) + Cl^-(aq)}$$

• 在 2-3 $\mathrm{cm^3}$ 水提取物中，加入尿素和稀 $\mathrm{H_2SO_4}$，將混合物煮沸，直到氣體逸出停止。

$$\mathrm{NH_2CONH_2(aq) + 2NO_{2^-}(aq) + 2H^+(aq) \:\rightarrow\: 2N_2(g) + CO_2(g) + 3H_2O(l)}$$

將得到的無亞硝酸根溶液分成兩半

(a) 一半用於確認硝酸根離子的存在。

(b) 用稀 $\mathrm{H_2SO_4}$ 酸化另一半。加入 1 $\mathrm{cm^3}$ 澱粉溶液和少量 KI。任何藍色都不出現表明所有亞硝酸根離子都已去除。現在向溶液中加入顆粒狀的鋅片。

通過出現藍色來確認硝酸根離子的存在

$$\mathrm{Zn(s) + 2H^+(aq)\:\rightarrow\:Zn^{2^+}(aq) + 2H(g)}$$

$$\mathrm{NO_{3^-}(aq) + 2H(g)\:\rightarrow\:NO_{2^-}(aq) + H_2O(l)}$$

$$\mathrm{2I^-(aq) + 2NO_{2^-}(aq) + 4H^+(aq) \:\rightarrow\:2NO(g) + I_2(s) + 2H_2O(l)}$$

$$\mathrm{I_2(s) + Starch\:\rightarrow\:藍色絡合物}$$

在溴化物/碘化物離子存在下檢測硝酸根離子

• 由於釋放出的溴和碘的顏色，溴化物和碘化物會干擾硝酸根環試驗。在存在碘化物和/或溴化物的情況下檢測硝酸根，應在進行環試驗之前去除干擾的鹵化物。這可以透過在瓷皿中用過量的氯水加熱 2-3 $\mathrm{cm^3}$ 的水提取物或碳酸鈉提取物，直到不再產生 $\mathrm{Br_2}$ 或 $\mathrm{I_2}$ 蒸汽來實現。

$$\mathrm{2Br^-(aq) + Cl_2(aq)\:\rightarrow\:2Cl^-(aq) + Br_2(g)}$$

$$\mathrm{2I^-(aq) + Cl_2(aq)\:\rightarrow\:2Cl^-(aq) + I_2(g)}$$

為了檢測混合物中的硝酸根離子，對無鹵化物溶液進行了環試驗。

• 或者，在一個裝有 2-3 $\mathrm{cm^3}$ 水提取物的試管中。加入 1 $\mathrm{cm^3}$ 的 KI 溶液、1 $\mathrm{cm^3}$ 的澱粉溶液和幾粒鋅，用稀 $\mathrm{H_2SO_4}$ 酸化。

  通過出現藍色來確認混合物中硝酸根離子的存在。

$$\mathrm{Zn(s) + 2H^+(aq)\:\rightarrow\: Zn^{2^+}(aq) + 2H(g)}$$

$$\mathrm{NO_{3^-}(aq) + 2H(g)\:\rightarrow\:NO_{2^-}(aq) + H_2O(l)}$$

$$\mathrm{2I^-(aq) + 2NO_{2^-}(aq) + 4H^+(aq)\:\rightarrow\:2NO(g) + I_2(s) + 2H_2O(l)}$$

$$\mathrm{I_2(s) + Starch\:\rightarrow\:藍色絡合物}$$

結論

由於酸性介質中的 $\mathrm{Fe^{2^+}}$，硝酸根轉化為一氧化氮。過量的 $\mathrm{Fe^{2^+}}$ 與一氧化氮形成化合物。這在含有 $\mathrm{Fe^{2^+}}$ 的濃酸層和水性介質的介面處顯示為棕色環。

常見問題

Q1. 棕色環試驗的性質是什麼？

A：棕色環試驗本質上是定性的。它用於透過向硝酸鹽溶液中加入硫酸亞鐵，然後緩慢加入濃硫酸，直到酸在水溶液下形成一層來檢測溶液中硝酸根的存在。

Q2. 棕色環試驗中涉及的化學反應有哪些？

$$\mathrm{NO_3^−(aq)+4H^+(aq)+3Fe^{2^+}(aq) \:\rightarrow\:3Fe^{3^+}(aq)+NO(g)+2H_2O(l)}$$

$$\mathrm{[Fe(H_2O)_6]^{2^+}(aq)+NO(g)\:\rightarrow\:[Fe(H_2O)_5NO]^{2^+}(aq)+ H_2O]}$$

Q3. 哪些離子可能干擾硝酸根的棕色環試驗？

A：諸如 $\mathrm{NO_2^-,\: Br^-}$ 和 $\mathrm{Cl^-}$ 等陰離子會干擾硝酸根的棕色環試驗。

Q4. 如何從同時含有 $\mathrm{NO_{3^-}}$ 和 $\mathrm{NO_{2^-}}$ 的溶液中去除 $\mathrm{NO_2^-}$？

A：可以使用以下任何一種方法從同時含有 $\mathrm{NO_{3^-}}$ 和 $\mathrm{NO_{2^-}}$ 的溶液中去除 $\mathrm{NO_{2^-}}$

(i) 將氨基磺酸 $\mathrm{H_2NSO_3H}$ 加入到含有 $\mathrm{NO_{3^-}}$ 和 $\mathrm{NO_{2^-}}$ 離子的水提取物中。用稀 $\mathrm{H_2SO_4}$ 酸化溶液。亞硝酸根會分解，釋放出氮氣到大氣中。

$$\mathrm{H_2NSO_3H(aq) + NO_{2^-}(aq)\:\rightarrow\:HNO_2(aq) + H_2NSO_{3^-}(aq)}$$

$$\mathrm{H_2NSO_{3^-}(aq) + HNO_2(aq)\:\rightarrow\:N_2(g) + H^+(aq) + SO_4^{2^-}(aq) + H_2O(l)}$$

(ii) 將 2-3 $\mathrm{cm^3}$ 水提取物與 1 克固體 $\mathrm{NH_4Cl}$ 一起煮沸，直到不再產生氣泡。

$$\mathrm{NO_{2^-}(aq) + NH_4Cl(aq)\:\rightarrow\:N_2(g) + 2H_2O(l) + Cl^-(aq)}$$

(iii) 在 2-3 $\mathrm{cm^3}$ 水提取物中，加入尿素和稀 $\mathrm{H_2SO_4}$，將混合物煮沸，直到氣體逸出停止。

$$\mathrm{NH_2CONH_2(aq) + 2NO_{2^-}(aq) + 2H^+(aq)\:\rightarrow\:2N_2(g) + CO_2(g) + 3H_2O(l)}$$

Q5. 向含有硝酸根的酸性溶液中加入 KI 溶液、澱粉溶液和鋅粒會發生什麼？

A：加入 1 $\mathrm{cm^3}$ 的 KI 溶液、1 $\mathrm{cm^3}$ 的澱粉溶液和幾粒鋅，用稀 $\mathrm{H_2SO_4}$ 酸化。通過出現藍色來確認混合物中硝酸根離子的存在。

$$\mathrm{Zn(s) + 2H^+(aq)\:\rightarrow\:Zn^{2^+}(aq) + 2H(g)}$$

$$\mathrm{NO_{3^-}(aq) + 2H(g)\:\rightarrow\: NO_{2^-}(aq) + H_2O(l)}$$

$$\mathrm{2I^-(aq) + 2NO_{2^-}(aq) + 4H^+(aq)\:\rightarrow\:2NO(g) + I_2(s) + 2H_2O(l)}$$

$$\mathrm{I_2(s) + Starch\:\rightarrow\:藍色絡合物}$$