Le portail a été désactivé. Veuillez contacter l'administrateur de votre portail.

Fiche explicative de la leçon : Tests des cations Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à identifier les ions positifs en solution aqueuse d’après leur réactivité, ainsi que la couleur et la solubilité de leurs sels.

Un chimiste doit être capable d’identifier des substances inconnues. Cela peut être fait en observant les propriétés qui les caractérisent. Les propriétés physiques telles que la couleur, l’état physique à température ambiante, la densité, la solubilité, le point de fusion et la conductivité électrique sont toutes spécifiques à chaque substance. Les propriétés chimiques, ou la façon dont les substances réagissent, peuvent également indiquer l’identité de la substance, ou la famille à laquelle elle appartient.

Nous pouvons utiliser les propriétés caractéristiques et la réactivité pour identifier la présence de certains cations dans une solution aqueuse. On trouve souvent des cations avec un contre-ion correspondant comme des ions chlorure ou nitrate, mais nous n’examinons pas les tests pour identifier ces anions dans cette fiche explicative. Cependant, certains métaux tels que l’argent (I), le mercure (I) et le plomb (II) forment des composés de chlorure qui sont peu solubles, et à ce titre, ceci peut être utilisé comme test préliminaire pour identifier ces métaux.

D’autres cations dont Cu2+, Fe2+, Fe3+, Al3+, Zn2+, Ca2+ et Cr3+, ainsi que le cation polyatomique NH4+, forment tous des composés ioniques de chlorure, par exemple FeCl2 et NHCl4 qui sont solubles ou légèrement solubles dans l’eau.

Le tableau ci-dessous indique la couleur de ces cations en solution aqueuse.

CationCouleur dans une solution aqueuse
Cu2+Bleu
Fe2+Vert
Fe3+Brun-jaunâtre
Al3+Incolore
Zn2+Incolore
Ca2+Incolore
Cr3+Vert foncé
NH4+Incolore

Nous pouvons voir que certains des cations forment des solutions de couleur identique. Par exemple, Al3+, Zn2+, Ca2+, et NH4+ forment tous des solutions incolores, tandis que les autres ont une couleur différente. Cependant, Fe2+ et Cr3+ sont tous les deux verts. Nous pouvons voir que la couleur en solution aqueuse seule ne suffit pas à identifier un cation. Nous avons besoin de tests supplémentaires pour les différencier.

Pour nous aider à confirmer la présence d’un cation particulier en solution, nous pouvons réaliser des tests chimiques. Deux de ces tests sont les suivants:

  1. Ajoutez quelques gouttes d’hydroxyde de sodium dilué (NaOH()aq) dans une solution inconnue et observez toute modification. Nous pouvons effectuer d’autres tests en ajoutant un excès de NaOH()aq et enregistrer les modifications.
  2. Ajoutez quelques gouttes d’hydroxyde d’ammonium dilué (NHOH())4aq dans une solution inconnue et observez toute modification. Nous pouvons effectuer d’autres tests en ajoutant un excès de NHOH()4aq et enregistrer les modifications.

Il y a beaucoup de cations qui forment des précipités lors de l’ajout d’une solution diluée de NaOH()aq ou de NHOH()4aq. La formation (ou non) d’un précipité, ainsi que la couleur du précipité, peuvent nous aider à identifier le cation.

Certains cations peuvent être identifiés simplement à partir de l’ajout d’une solution diluée de NaOH()aq. Cependant, pour obtenir une confirmation supplémentaire, il est souvent nécessaire de traiter l’échantillon avec une solution de NHOH()4aq.

Les solutions de NaOH()aq et de NHOH()4aq utilisées pour tester les cations, sont toutes deux des solutions limpides et incolores, et ainsi elles n’influencent pas la couleur émanant des cations.

Le tableau ci-dessous résume les observations que nous ferions lorsque quelques gouttes de NaOH()aq sont ajoutées aux solutions contenant des cations, ainsi que la formule chimique des précipités qui se forment.

Notez que tous les cations métalliques réagissent avec NaOH()aq diluée pour former des précipités, alors que ce n’est pas le cas pour NH4+.

La plupart des précipités ont une couleur unique qui nous aide à identifier le cation. Nous pouvons identifier Cu2+, Fe2+, Fe3+ et Cr3+ par la couleur spécifique de leurs précipités. On peut également identifier NH4+ car c’est le seul des cations de la liste qui ne forme pas de précipité. Cependant, Al3+, Zn2+ et Ca2+ forment tous des précipités blancs, et donc le test avec NaOH()aq diluée ne nous aide pas à faire la distinction entre ces trois cations. Une analyse supplémentaire avec un excès de NaOH()aq pourrait nous aider à les identifier.

La réaction chimique pour la formation de ces précipités est très similaire. En général, le cation métallique réagit avec l’anion hydroxyde pour former un hydroxyde de métal.

Réaction : la réaction des cations métalliques avec les anions hydroxyde

Cationmétallique()+anionhydroxyde()hydroxydedemétal()aqaqs

Regardons les équations ioniques spécifiques de chacun des cations métalliques formant des hydroxydes de métal solides. Le tableau ci-dessous montre ces réactions.

CationÉquation ionique pour la réaction avec NaOH()aq diluée
Cu2+Cu()+2OH()Cu(OH)()2+2aqaqs
Fe2+Fe()+2OH()Fe(OH)()2+2aqaqs
Fe3+Fe()+3OH()Fe(OH)()3+3aqaqs
Al3+Al()+3OH()Al(OH)()3+3aqaqs
Zn2+Zn()+2OH()Zn(OH)()2+2aqaqs
Ca2+Ca()+2OH()Ca(OH)()2+2aqaqs
Cr3+Cr()+3OH()Cr(OH)()3+3aqaqs

Exemple 1: Identifiez le cation qui forme un précipité coloré

Lequel des cations métalliques suivants ne produit pas de précipité blanc lorsque quelques gouttes d’hydroxyde de sodium aqueux dilué sont ajoutées à un sel ou à une solution de ce cation métallique?

  1. Al3+
  2. Ca2+
  3. Zn2+
  4. Cr3+

Réponse

Al3+, Zn2+ et Ca2+ forment tous un précipité blanc lorsque quelques gouttes d’hydroxyde de sodium aqueux NaOH()aq dilué sont ajoutées. Les précipités de Al(OH)3, Zn(OH)2 et Ca(OH)2 qui se forment sont tous des hydroxydes de métal insolubles. Ceux-ci se forment lorsque les cations réagissent avec l’ion hydroxyde NaOH()aq:Cationmétallique()+Anionhydroxyde()Hydroxydedemétal()aqaqs

Parmi les possibles options de réponse, le seul cation qui ne forme pas un précipité blanc est Cr3+. Lorsque les ions Cr3+ réagissent avec les ions d’hydroxyde provenant de la solution diluée de NaOH()aq, la réaction est la suivante:Cr()+3OH()Cr(OH)()3+3aqaqs

Le précipité d’hydroxyde de chrome (III) est de couleur gris-vert. Donc, la bonne réponse est l’option D, Cr3+.

Exemple 2: Rappel des observations lorsqu’un cation réagit avec une solution de NaOH diluée

Quelle est la couleur du précipité formé lorsque quelques gouttes de NaOH sont ajoutées à un sel ou à une solution contenant ce qui suit?

  1. Un cation Fe2+
    1. Gris-vert
    2. Rouge-brun
    3. Blanc
    4. Vert pâle
    5. Bleu pâle
  2. Un cation Fe3+
    1. Vert pâle
    2. Blanc
    3. Bleu pâle
    4. Gris-vert
    5. Rouge-brun

Réponse

Partie 1

Lorsque les cations Fe2+ réagissent avec les ions hydroxyde de la solution diluée NaOH()aq, la réaction suivante se produit:Fe()+2OH()Fe(OH)()2+2aqaqs

Le précipité d’hydroxyde de fer (II) qui se forme est de couleur vert pâle, et la bonne réponse est l’option D, vert pâle.

Partie 2

Lorsque les cations Fe3+ réagissent avec l’ion hydroxyde de la solution diluée NaOH()aq, la réaction suivante se produit:Fe()+3OH()Fe(OH)()3+3aqaqs

Le précipité d’hydroxyde de fer (III) formé est de couleur rouge-brun. Donc, la bonne réponse est l’option E, rouge-brun.

Nous pouvons voir que les deux ions différents de fer, Fe2+ et Fe3+, forment différents hydroxydes de métal, Fe(OH)2 et Fe(OH)3, de couleurs différentes.

Pour certains cations, l’ajout d’un excès de NaOH()aq à chaque solution peut entraîner une modification des précipités. Le tableau ci-dessous résume ces observations.

La réaction chimique entre le précipité et l’excès de NaOH()aq est complexe, mais on peut observer que certains précipités se dissolvent à nouveau après l’ajout d’un excès de NaOH()aq.

Les résultats pour Al3+ et Zn2+ sont identiques;leurs précipités blancs se dissolvent à nouveau en présence d’un excès de NaOH()aq. Si nous soupçonnons qu’une solution contient Al3+ ou Zn2+, le test avec NaOH()aq ne nous aidera pas à identifier ces solutions.

Cependant, nous pouvons observer que le précipité de Ca(OH)2 ne se dissoudra pas lors de l’ajout d’un excès de NaOH()aq. On peut donc conclure que, si on traite une solution de cations métalliques avec NaOH()aq et qu’un précipité blanc se forme, et que ce précipité ne se dissout pas à nouveau après l’ajout d’un excès de NaOH()aq, alors le cation inconnu pourrait être Ca2+.

Lorsque NaOH()aq dilué est ajouté à une solution contenant des cations NH4+, quelques petites bulles se formeront. Il peut être nécessaire de chauffer légèrement la solution pour faciliter la réaction entre NH4+ et les ions hydroxyde de NaOH()aq:NH()+OH()NH()+HO()4+32aqaqgl

Les bulles qui se forment sont des bulles d’ammoniac gazeux (NH()3g). Si suffisamment d’ammoniac sous forme de gaz se forme, nous pourrons le détecter par son odeur piquante. Cependant, NH()3g est toxique en grandes quantités, il est donc déconseillé de renifler directement le tube à essai. Un moyen plus sûr de tester la présence de NH()3g est de tenir un morceau de papier de tournesol rouge humide près de l’ouverture du tube à essai. Si le papier de tournesol devient bleu, alors nous savons que le gaz forme un alcali sur le papier. Lorsque NH()3g interagit avec l’eau sur du papier de tournesol humide, il forme l’alcali NHOH()4aq selon l’équation ci-dessous:NH()+HO()NHOH()NH()+OH()3244+glaqaqaq

Ceci est essentiellement la réaction inverse à la réaction précédente.

Nous pouvons également enregistrer les observations suivantes lorsque quelques gouttes de NHOH()4aq diluée puis un excès de NHOH()4aq sont ajoutés à une solution aqueuse de cations métalliques. Le tableau ci-dessous résume les résultats attendus.

Notez que le traitement des cations métalliques avec NHOH()4aq diluée donne le même précipité coloré pour chaque cation, sauf pour Ca2+. Cependant, nous pouvons utiliser ces deux tests pour identifier Ca2+ en solution, puisque seule la réaction avec NaOH()aq dilué produira un précipité.

Uniquement Al3+ et Zn2+ forment un précipité de la même couleur avec une solution diluée de NHOH()4aq. On peut différencier ces deux cations en les traitant avec un excès de NHOH()4aq. Si le précipité ne se dissout pas, il s’agit du cation Al3+. Cependant, si il se dissout, alors il s’agit du cation Zn2+.

Les équations de la formation de ces précipités sont les mêmes que celles avec NaOH()aq diluée. Il s’agit de la suivante:Cationmétallique()+anionhydroxyde()hydroxydedemétal()aqaqs

Cependant, cette fois, la source des ions hydroxyde n’est pas NaOH()aq, mais NHOH()4aq.

Nous ne pouvons pas identifier NH4+ en ajoutant NHOH()4aq, par conséquent, il n’y a pas de données pour cette observation dans le tableau ci-dessus.

Exemple 3: Rappel sur le produit formé à partir de la réaction entre NH 4+ et OH -

Lorsqu’il est mis à réagir avec de l’hydroxyde de sodium aqueux dilué et chauffé, le cation ammonium ne produit pas de précipité. Quel est le produit formé?Comment pourrait-on le détecter?

  1. L’ammoniac;il fait virer au bleu le papier de tournesol humide.
  2. Le dioxyde d’azote;il fait virer au rouge le papier de tournesol humide.
  3. L’hydrogène;il allume une allumette et émet un fort bruit sec.
  4. L’oxygène;il rallume une allumette rougeoyante.
  5. L’azote;il éteint une allumette allumée.

Réponse

Lorsque l’ion ammonium (NH4+) est traité avec de l’hydroxyde de sodium dilué (NaOH()aq), il réagit avec l’ion hydroxyde de NaOH()aq. La réaction est la suivante:NH()+OH()NH()+HO()4+32aqaqgl

De l’ammoniac gazeux (NH()3g) et de l’eau sont produits, et non un précipité. Le NH()3g produit peut être détecté de plusieurs façons. Premièrement, nous observons la formation de bulles dans le milieu réactionnel en solution, bien que cela ne soit pas une preuve suffisante pour NH()3g. Deuxièmement, nous pourrions sentir une odeur piquante émanant du milieu réactionnel en solution, ce qui pourrait suggérer la présence de NH()3g. Enfin, nous pourrions tenir un morceau humide de papier de tournesol rouge près de l’ouverture du tube à essai. S’il devient bleu, alors nous savons que le gaz qui se dégage est de l’ammoniac. C’est parce que, lorsque NH()3g réagit avec l’eau sur le papier de tournesol humide, de l’hydroxyde d’ammonium (NHOH()4aq) alcalin se forme selon l’équation suivante:NH()+HO()NHOH()NH()+OH()3244+glaqaqaq

Cet alcali fait virer au bleu le papier de tournesol humide rouge. Donc, la bonne réponse est l’option A, l’ammoniac, il fait virer au bleu le papier de tournesol humide.

Exemple 4: Rappel des observations lorsqu’un cation de chrome réagit avec de ammoniaque

Quelle est la couleur du précipité formé lorsque nous ajoutons quelques gouttes d’ammoniaque à un sel ou à une solution contenant des cations Cr3+?

  1. Un précipité orange.
  2. Un précipité jaune.
  3. Un précipité gris-vert.
  4. Un précipité blanc.
  5. Un précipité bleu pâle.

Réponse

Les ions Cr3+ en solution réagissent avec les ions hydroxyde de l’ammoniaque dilué, encore appelé hydroxyde d’ammonium (NHOH()4aq), selon l’équation générale suivante:Cationmétallique()+anionhydroxyde()hydroxydedemétal()aqaqs

L’équation spécifique de cette réaction est Cr()+3OH()Cr(OH)()3+3aqaqs

Un précipité solide insoluble de Cr(OH)3 de couleur gris-vert se forme.

La bonne réponse est option C, un précipité gris-vert.

Des tests moins courants existent également pour la détection de cations inconnus. Certains cations peuvent précipiter sous forme de sulfures en présence de solutions acides.

En utilisant le cuivre comme exemple, un sel de cuivre soluble est dissous dans de l’eau et acidifié avec de l’acide dilué. À ce stade, le sulfure d’hydrogène gazeux (HS2) se dégage sous forme de bulles dans la solution acidifiée, et un précipité noir de sulfure de cuivre (II) se forme:CuSO()+HS()HSO()+CuS()4224aqgaqs

Ce précipité de sulfure de cuivre noir est soluble dans l’acide nitrique chaud.

Un test complémentaire pour les cations calciques consiste à ajouter du carbonate d’ammonium. Lorsque nous mélangeons du carbonate d’ammonium avec un sel de calcium soluble, tel que le chlorure de calcium, il se forme un précipité blanc de carbonate de calcium insoluble:CaCl()+(NH)CO()CaCO()+2NHCl()242334aqaqsaq

L’identité du solide blanc peut être confirmée, car le carbonate de calcium réagit avec l’acide chlorhydrique dilué pour former du dioxyde de carbone, qui peut être identifié en utilisant de l’eau de chaux:CaCO()+2HCl()CaCl()+HO()+CO()3222saqaqlg

Les sels solides contenant du calcium peuvent également être utilisés dans le test de flamme, où la présence de calcium produira une flamme de couleur rouge brique.

Résumons les tests que nous avons appris permettant l’identification de cations inconnus.

Points clés

  • Les substances peuvent être identifiées par leurs propriétés physiques et chimiques.
  • Certains cations métalliques peuvent réagir avec les ions OH pour former un précipité MOH()s selon l’équation ci-dessous:Cationmétallique()+Anionhydroxyde()Hydroxydedemétal()aqaqs
  • NaOH()aq et NHOH()4aq en solutions diluées ou en excès peuvent être utilisées pour identifier Cu2+, Fe2+, Fe3+, Al3+, Zn2+, Ca2+ et Cr3+ ainsi que les cations polyatomiques NH4+.
  • Les résultats du traitement avec NaOH()aq diluée et en excès sont résumés ci-dessous.
  • Les résultats du traitement avec NHOH()4aq dilué et en excès sont résumés ici:

Nagwa utilise des cookies pour vous garantir la meilleure expérience sur notre site. En savoir plus sur notre Politique de Confidentialité.