棕色环试验

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简介

首先，我们需要了解硝酸根离子的定性分析是通过棕色环实验进行的。棕色环试验是通过向硝酸盐溶液中加入硫酸亚铁，然后缓慢加入浓硫酸，直到酸在水溶液下形成一层来进行的。硝酸根离子的存在将通过在两层交界处形成棕色环来显示。这种测试会受到亚硝酸根离子的存在的影响。

水提取物的制备

水可以溶解所有常见的硝酸盐、亚硝酸盐、硫代硫酸盐和乙酸盐。可以使用相应盐的水提取物进行这些阴离子的确证试验。水提取物可以通过将上述混合物中 1-2 克在沸腾管中用 10-15 $\mathrm{cm^3}$ 的蒸馏水煮沸一两分钟制成。任何剩余的残留物都被过滤掉。滤液被称为水提取物。

硝酸根阴离子的确证试验

在一个试管中，加入 3 $\mathrm{cm^3}$ 的水提取物。加入 6 $\mathrm{cm^3}$ 的浓硫酸，使两种液体完全混合。将混合物在冷的自来水中冷却。沿着试管边缘缓慢倒入 4 $\mathrm{cm^3}$ 的饱和 $\mathrm{FeSO_4}4 溶液，在试管中溶液的顶部形成一层明显的液体。在两种液体接触的地方，会形成一个棕色环。

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

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

该测试的依据是硝酸根离子在酸性溶液中氧化 $\mathrm{Fe^{2+}}$ 为 $\mathrm{Fe^{3+}}$ 并产生 NO 气体。由于 NO 在低温下在水中更易溶解，因此它与在充分冷却的溶液中过量的 $\mathrm{Fe^{2+}}$ 结合，生成棕色亚硝酰铁(II)络离子 $\mathrm{[Fe(H_2O)_5NO]^{2+}}$. 在此测试中，亚硝酸根、溴离子和碘离子会干扰。

在亚硝酸根存在下检测硝酸根离子

无论是通过棕色环试验还是通过用浓 $\mathrm{H_2SO_4}$ 加热，都不能简单地在亚硝酸根存在下检测硝酸根，因为这两种测试都会释放 $\mathrm{NO_2}$。因此，在检测硝酸根之前必须完全去除亚硝酸根。

可以使用以下任何一种方法去除亚硝酸根离子

• 将氨基磺酸 $\mathrm{H_2NSO_3H}$ 加入到含有 $\mathrm{NO_{3^-}}$ 和 $\mathrm{NO_{2^-}}$ 离子的水提取物中。用稀 $\mathrm{H_2SO_4}$酸化溶液。亚硝酸根会分解，释放出氮气到大气中。

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

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

• 将 2-3 $\mathrm{cm^3}$ 水提取物与 1 克固体 $\mathrm{NH_4Cl}$ 一起煮沸，直到不再产生气泡。

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

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

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

将得到的无亚硝酸根溶液分成两半

(a) 一半用于确认硝酸根离子的存在。

(b) 用稀 $\mathrm{H_2SO_4}$ 酸化另一半。加入 1 $\mathrm{cm^3}$ 淀粉溶液和少量 KI。任何蓝色都不出现表明所有亚硝酸根离子都已去除。现在向溶液中加入颗粒状的锌片。

通过出现蓝色来确认硝酸根离子的存在

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

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

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

$$\mathrm{I_2(s) + Starch\:\rightarrow\:蓝色络合物}$$

在溴化物/碘化物离子存在下检测硝酸根离子

• 由于释放出的溴和碘的颜色，溴化物和碘化物会干扰硝酸根环试验。在存在碘化物和/或溴化物的情况下检测硝酸根，应在进行环试验之前去除干扰的卤化物。这可以通过在瓷皿中用过量的氯水加热 2-3 $\mathrm{cm^3}$ 的水提取物或碳酸钠提取物，直到不再产生 $\mathrm{Br_2}$ 或 $\mathrm{I_2}$ 蒸汽来实现。

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

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

为了检测混合物中的硝酸根离子，对无卤化物溶液进行了环试验。

• 或者，在一个装有 2-3 $\mathrm{cm^3}$ 水提取物的试管中。加入 1 $\mathrm{cm^3}$ 的 KI 溶液、1 $\mathrm{cm^3}$ 的淀粉溶液和几粒锌，用稀 $\mathrm{H_2SO_4}$ 酸化。

  通过出现蓝色来确认混合物中硝酸根离子的存在。

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

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

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

$$\mathrm{I_2(s) + Starch\:\rightarrow\:蓝色络合物}$$

结论

由于酸性介质中的 $\mathrm{Fe^{2^+}}$，硝酸根转化为一氧化氮。过量的 $\mathrm{Fe^{2^+}}$ 与一氧化氮形成化合物。这在含有 $\mathrm{Fe^{2^+}}$ 的浓酸层和水性介质的界面处显示为棕色环。

常见问题

Q1. 棕色环试验的性质是什么？

A：棕色环试验本质上是定性的。它用于通过向硝酸盐溶液中加入硫酸亚铁，然后缓慢加入浓硫酸，直到酸在水溶液下形成一层来检测溶液中硝酸根的存在。

Q2. 棕色环试验中涉及的化学反应有哪些？

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

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

Q3. 哪些离子可能干扰硝酸根的棕色环试验？

A：诸如 $\mathrm{NO_2^-,\: Br^-}$ 和 $\mathrm{Cl^-}$ 等阴离子会干扰硝酸根的棕色环试验。

Q4. 如何从同时含有 $\mathrm{NO_{3^-}}$ 和 $\mathrm{NO_{2^-}}$ 的溶液中去除 $\mathrm{NO_2^-}$？

A：可以使用以下任何一种方法从同时含有 $\mathrm{NO_{3^-}}$ 和 $\mathrm{NO_{2^-}}$ 的溶液中去除 $\mathrm{NO_{2^-}}$

(i) 将氨基磺酸 $\mathrm{H_2NSO_3H}$ 加入到含有 $\mathrm{NO_{3^-}}$ 和 $\mathrm{NO_{2^-}}$ 离子的水提取物中。用稀 $\mathrm{H_2SO_4}$ 酸化溶液。亚硝酸根会分解，释放出氮气到大气中。

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

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

(ii) 将 2-3 $\mathrm{cm^3}$ 水提取物与 1 克固体 $\mathrm{NH_4Cl}$ 一起煮沸，直到不再产生气泡。

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

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

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

Q5. 向含有硝酸根的酸性溶液中加入 KI 溶液、淀粉溶液和锌粒会发生什么？

A：加入 1 $\mathrm{cm^3}$ 的 KI 溶液、1 $\mathrm{cm^3}$ 的淀粉溶液和几粒锌，用稀 $\mathrm{H_2SO_4}$ 酸化。通过出现蓝色来确认混合物中硝酸根离子的存在。

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

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

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

$$\mathrm{I_2(s) + Starch\:\rightarrow\:蓝色络合物}$$