主族元素（一）

实验目的 

1. 掌握硼酸和硼砂的重要性质，学习硼砂珠实验的方法。 

2. 了解可溶性硅酸盐的水解性和难溶硅酸盐的生成和颜色。 

3. 掌握硝酸和亚硝酸及其盐的重要性质。 

4. 了解磷酸盐的重要性质。 

5. 掌握CO32-，NH4+，NO2-，NO3-，PO43-的鉴定方法。 

实验原理 

硼酸是一元弱酸，它在水溶液中的解离不同于一般的一元弱酸。硼酸是Lewis酸，能与多羟基醇发生加合反应，使溶液的酸性增强。 

硼砂的水溶液因水解而呈现碱性。硼砂溶液与酸反应可析出硼酸。硼砂受热脱水熔化为玻璃体，与不同金属的氧化物或盐类熔融生成具有不同特征颜色的偏硼酸复盐，即硼砂珠试验。   

将碳酸盐溶液与盐酸反应生成的CO2通入Ba(OH)2溶液中，能使Ba(OH)2溶液变混浊，这一方法用于鉴定CO32-。 

硅酸钠水解明显。大多数硅酸盐难溶于水，过渡金属的硅酸盐呈现不同的颜色。 

鉴定NH4+的常用方法有两种，一是NH4+与OH-反应，生成的NH3(g)使红色的石蕊试纸变蓝；二是NH4+与Nessler试剂（[K2HgI4]的碱性溶液）反应，生成红棕色沉淀。 

亚硝酸极不稳定。亚硝酸盐溶液与强酸反应生成的亚硝酸分解为N2O3和H2O。N2O3又能分解为NO和NO2。 

亚硝酸盐中氮的氧化值为+3，它在酸性溶液中作氧化剂，一般被还原为NO；与强氧化剂作用时则生成硝酸盐。 

硝酸具有强氧化性，它与许多非金属反应，主要还原产物是NO；浓硝酸与金属反应主要生成NO2，稀硝酸与金属反应通常生成NO，活泼金属能将稀硝酸还原为NH4+。 

NO2-与FeSO4溶液在HAc介质中反应生成棕色的[Fe(NO)(H2O)5]2+ (简写为[Fe(NO)]2+ )： 

           Fe2++ NO2- + 2HAc → Fe3++ NO +H2O + 2Ac- 

                  Fe2++ NO → [Fe(NO)]2+ 

   NO3-与FeSO4溶液在浓H2SO4介质中反应生成棕色[Fe(NO)]2+： 

                    Fe2+ + NO3- + 4H+ → Fe3++ NO + 2H2O     

                          Fe2++ NO → [Fe(NO)]2+ 

在试液与浓H2SO4液层界面处生成的[Fe(NO)]2+呈棕色环状。此方法用于鉴定NO3-，称为“棕色环”法。NO2-的存在干扰NO3-的鉴定，加入尿素并微热，可除去NO2-： 

              2 NO2- + CO(NH2)2 + 2H+ → 2N2 + CO2 + 3H2O 

碱金属（锂除外）和铵的磷酸盐、磷酸一氢盐易溶于水，其它磷酸盐难溶于水。大多数磷酸二氢盐易溶于水。焦磷酸盐和三聚磷酸盐都具有配位作用。 

PO43-与(NH4)2MoO4溶液在硝酸介质中反应，生成黄色的磷钼酸铵沉淀。此反应可用于鉴定PO43-。 

    仪器、药品及材料 

仪器：点滴板、水浴锅 

药品： 

   酸：H2SO4(1mol·L-1，6mol·L-1，浓)，HNO3(2mol·L-1，浓)，HAc(2.0mol·L-1)， 

HCl(6mol·L-1，浓)  

   碱：NaOH(2mol·L-1，6mol·L-1)，Ba(OH)2(饱和) 

   盐：KI(0.02mol·L-1)，NaH2PO4(0.1mol·L-1)，BaCl2(1.0mol·L-1)，CaCl2(0.1mol·L-1) 

Na4P2O7(0.5mol·L-1)，NaNO2(0.1mol·L-1)，KNO3(0.1mol·L-1)，Na5P3O10(0.1mol·L-1)， NH4Cl(0.1mol·L-1)，NaHCO3(0.1mol·L-1)，Na2CO3(0.1mol·L-1)，KMnO4(0.01mol·L-1)， Na2HPO4(0.1mol·L-1)，Na3PO4(0.1mol·L-1)，Na2SiO3(0.5mol·L-1)，CuSO4(0.1mol·L-1)  

   固体：Na2B4O7·10H2O，CuSO4·5H2O，Co(NO3)2·6H2O，NaHCO3，CO(NH2)2 ， Na3PO4·12H2O，FeSO·7H2O，Fe2(SO4)3，NiSO4·7H2O，Na2CO3，ZnSO4·7H2O，NH4NO3，Cr2O3，CaCl2，H3BO3，硫粉，锌粉，铜屑 

   其它：甘油，甲基橙指示剂，Nessler试剂，淀粉试液，钼酸铵试剂 

材料：pH试纸，红色石蕊试纸，镍铬丝（一端做成环状） 

实验内容 

1. 硼酸和硼砂的性质 

    （1）在试管中加入硼酸晶体0.5g和去离子水3mL，观察溶解情况。微热后使其全部溶解，冷却至室温，用pH试纸测定溶液的pH值。然后在溶液中加入1滴甲基橙指示剂，并将溶液分成两份，在一份中加入10滴甘油，混合均匀，比较两份溶液的颜色。写出有关反应的离子方程式。 

   （2）在试管中加入硼砂约1g和去离子水2mL，微热使其溶解，用pH试纸测定溶液的pH值。然后加入6mol·L-1 H2SO4溶液1mL，将试管放在冷水中冷却，并用玻璃棒不断搅拌，片刻后，观察硼酸晶体的析出。写出有关反应的离子方程式。 

   （3）硼砂珠试验用环形镍铬丝蘸取浓HCl(盛在试管中)，在氧化焰中灼烧，然后迅速蘸取少量硼砂，在氧化焰中灼烧至玻璃状。用烧红的硼砂珠蘸取少量Co(NO3)2·6H2O晶体，在氧化焰中烧至熔融，冷却后对着亮光观察硼砂珠的颜色。写出反应方程式。 

2. CO32-的鉴定 

    在试管中加入0.1mol·L-1 Na2CO3溶液1mL，再加入10滴2.0mol·L-1 HCl溶液，立即用带导管的塞子盖紧试管口，将产生的气体通入Ba(OH)2饱和溶液中，观察现象。写出有关反应方程式。 

3. 硅酸盐的性质 

    （1）在试管中加入0.5mol·L-1 Na2SiO3溶液1mL，用pH试纸测其pH值。然后逐滴加入6mol·L-1 HCl溶液，使溶液pH值在6~9，观察硅酸凝胶的生成(若无凝胶生成可微热)。 

    （2）“水中花园”实验：在50mL烧杯中加入20% Na2SiO3溶液约30mL，然后分散加入CaCl2，CuSO4，ZnSO4，Fe2(SO4)3，Co(NO3)2和NiSO4晶体各一小粒，静置1~2小时后，观察“石笋”的生成和颜色。 

4. NH4+的鉴定 

    （1）在试管中加入少量0.1mol·L-1 NH4Cl溶液和2.0mol·L-1 NaOH溶液，微热，用湿润的红色石蕊试纸在试管口检验逸出的气体。写出有关反应方程式。 

     （2）在滤纸条上加1滴Nessler试剂，代替红色石蕊试纸重复上面实验，观察现象。写出有关反应方程式。 

5. 硝酸的氧化性 

  （1）取少量硫粉放入试管中，加入1mL浓HNO3，煮沸片刻(在通风橱中进行)。冷却后取少量溶液，加入1.0mol·L-1 BaCl2 溶液，观察现象，写出反应方程式。 

   （2）在试管内放入1小块铜屑，加入几滴浓HNO3，观察现象。然后迅速加水稀释，倒掉溶液，回收铜屑。写出反应方程式。 

    （3）在试管中放入少量锌粉，加入2.0mol·L-1 HNO3 溶液1mL，观察现象(如不反应可微热)。取清液检验是否有NH4+生成。写出有关的反应方程式。 

6. 亚硝酸及其盐的性质 

   （1）在试管中加入1.0mol·L-1 NaNO2 溶液10滴，然后滴加6.0mol·L-1 H2SO4溶液，观察溶液和液面上气体的颜色(若室温较高，应将试管放在冷水中冷却)。写出有关的反应方程式。 

   （2）用0.1mol·L-1 NaNO2 溶液和0.02mol·L-1 KI溶液及1.0mol·L-1 H2SO4溶液试验NaNO2的氧化性。然后加入淀粉溶液，又有何变化？写出离子反应方程式。 

（3）用下列溶液试验NaNO2的还原性：0.1mol·L-1 NaNO2、0.01mol·L-1 KMnO4和1.0mol·L-1 H2SO4。写出离子反应方程式。 

7. NO3-和NO2-鉴定 

   （1）取0.1mol·L-1 KNO3溶液2滴，用水稀释至1mL，加入少量FeSO·7H2O固体，摇荡试管使其溶解。然后斜持试管，沿管壁小心滴加浓H2SO4溶液1mL，静置片刻，观察两种液体界面处的棕色环。写出有关反应方程式。 

   （2）取0.1mol·L-1 NaNO2 溶液10滴，加入数滴1mol·L-1 HAc酸化，再加入少量FeSO·7H2O固体，如有棕色出现，证明有NO2-存在。 

（3）取0.1mol·L-1 NaNO2 溶液和KNO3溶液各1滴，稀释至1mL，再加入少量尿素及2滴1mol·L-1 H2SO4，以消除NO2-对鉴定NO3-的干扰，然后按（1）步骤进行棕色环试验。 

8. 磷酸盐的性质 

   （1）用pH试纸分别测定0.1mol·L-1 的Na3PO4、Na2HPO4 和NaH2PO4 溶液的pH值。写出有关反应方程式并加以说明。 

   （2）在3只试管中各加入几滴0.1mol·L-1 CaCl2溶液，然后分别滴加0.1mol·L-1 的Na3PO4溶液、Na2HPO4溶液和NaH2PO4 溶液，观察现象。写出有关反应的离子方程式。 

（3）在试管中加入几滴0.1mol·L-1 CuSO4溶液，然后逐滴加入0.1mol·L-1 Na4P2O7溶液至过量，观察现象，写出有关反应的离子方程式。 

   （4）在0.1mol·L-1 CaCl2溶液，加入0.1mol·L-1 Na2CO3溶液，再滴加0.1mol·L-1 Na5P3O10溶液，观察现象。写出有关反应的离子方程式。 

9. PO43-的鉴定 

取0.1mol·L-1 Na3PO4溶液5滴，加0.5mL浓HNO3，再加1mL钼酸铵试剂，在水浴上微热到40℃～45℃，观察现象，写出反应方程式。 

10．三种白色晶体的鉴别 

有三种白色晶体，*种可能是NaNO2或NaNO3，第二种可能是NaNO3 或NH4NO3，第三种可能是NaNO3或Na3PO4。分别取少量固体加水溶解，并设计简单的方法加以鉴别。写出实验现象及有关的反应方程式。 

思考题 

1. 为什么硼砂的水溶液具有缓冲作用？怎样计算其pH值？ 

2. 鉴定NH4+时，为什么将Nessler试剂滴在滤纸上检验逸出的NH3，而不是将Nessler试剂直接加到含NH4+的溶液中？ 

3. NO3-的存在是否干扰NO2-鉴定？ 

4. 用钼酸铵鉴定PO43-时为什么要在硝酸介质中进行？