Химическая идентификация

Лекция № 18

1. Химическая идентификация.

2. Методы аналитической химии.

3. Теоретическая база и основные понятия титриметрии.

4. Способы определения ТЭ. Индикаторы.

5. Комплексонометрия.

1. Химическая идентификация. Это установление вида и состояния фаз, молекул, атомов, ионов и других составных частей вещества на основе сравнения экспериментальных и соответствующих справочных данных для известных веществ.

Химическая идентификация осуществляется методами аналитической химии.

Аналитическая химия — это наука о методах качественного распознавания (идентификации) и количественного определения химического состава веществ. При обнаружениикакого-либо компонента фиксируют появление аналитического сигнала (АС) – образование или растворение осадков, изменение окраски, выделение газа, образование характерных кристаллов, появление линии в спектре и т.д.

Курс аналитической химии подразделяется на качественный анализ и количественный анализ вещества. Кроме этого существует множество классификаций видов и методов анализа по масштабу работы и ее условиям, технике выполнения, объему или массе пробы, природе обнаруживаемых частиц и т.д.

2. Методы аналитической химии. В соответствии с этапами анализа методы делятся на методы пробоотбора, разложения проб, разделения компонентов, обнаружения (идентификации) и определения. Гибридные методы сочетают разделение и определение. Самым распространенным гибридным методом анализа является хроматография.

Хроматография – это физико-химический метод разделения и анализа смесей газов, паров, жидкостей или растворенных веществ сорбционными методами в динамических условиях. Она основана на различном распределении компонентов смеси между двумя фазами – неподвижной (сорбент) и подвижной (поток жидкости или газа, перемещающийся вместе с компонентами смеси через сорбент).

Методы обнаружения и определения имеют много общего и различаются по природе явлений, используемых для анализа.

Химические методы основаны на химических (в том числе электрохимических) реакциях, продукты которых обладают свойствами, легко поддающимися визуальному наблюдению (качественный анализ) или количественному определению (количественный анализ).

Физико-химические методы основаны на зависимости физических свойств от химического состава вещества. Примером физико-химических методов являются электрохимические, использующие процессы, протекающие на поверхности электродов или в приэлектродном пространстве. Электрические параметры (потенциал, сила тока, сопротивление и т.д.), связанные с концентрацией анализируемого раствора и поддающиеся правильному измерению, служат аналитическим сигналом.

Физические методы используют для аналитических целей физические явления и процессы (взаимодействие вещества с потоком энергии). Физические методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, называют спектральными (спектроскопическими).

Физико-химические и физические методы часто объединяют под названием инструментальные методы анализа.

Биологические методы основаны на применении живых организмов в качестве аналитических индикаторов. Живые организмы всегда обитают в среде строго определенного химического состава. Если его нарушить, например, исключив из питательной среды определяемый компонент или введя его дополнительно, организм через некоторое время подаст соответствующий сигнал.

3. Теоретическая база и основные понятия титриметрии. Теоретическая основа метода – закон эквивалентов: вещества реагируют между собой в эквивалентных количествах (n₁ = n₂). Так как n = CV, где С – молярная концентрация эквивалента, а V – объем, в котором растворено вещество, то для двух стехиометрически реагирующих веществ справедливо соотношение: C₁V₁ = C₂V₂.

Следовательно, можно найти неизвестную концентрацию одного из веществ, если известны объем его раствора и объем и концентрация прореагировавшего с ним вещества.

Эквивалент – это реальная или условная часть вещества, которая может быть замещена, присоединена или как-либо еще равноценна одному иону водорода в ионообменных реакциях (или одному электрону в О-В процессах). Фактор эквивалентности (f_экв) – это число, показывающее какая часть вещества эквивалентна одному иону водорода или электрону. Молярная масса эквивалента М_э = f_эквM.

В титриметрии используется молярная эквивалентная концентрация (которая чаще всего называется просто молярной) С = . Еще один способ выражения концентрации, давший название методу – титр: Т = , г/мл.

Чтобы зафиксировать конец реакции, который называют точкой стехиометричности или точкой эквивалентности (ТЭ), раствор с известной концентрацией вещества (его называют титрантом) постепенно, небольшими порциями добавляют к раствору определяемого вещества (его называют титруемым). Этот процесс называется титрованием. После добавления каждой порции титранта в растворе устанавливается равновесие реакции титрования. Реакция титрования должна отвечать следующим требованиям: 1) быть строго стехиометричной; 2) протекать быстро; 3) протекать количественно, поэтому константа равновесия должна быть высокой; 4) должен существовать способ фиксирования ТЭ.

Экспериментально конец титрования устанавливают по изменению цвета индикатора или какого-либо физико-химического свойства раствора. Эта точка, называемая конечной точкой титрования (КТТ), в общем случае не совпадает с теоретически рассчитанной ТЭ.

В титриметрии используют реакции всех типов и титриметрические методы классифицируют по названию реакции титрования. Различают: кислотно-основное титрование, О-В титрование или редоксиметрию, осадительное титрование, комплексометрию.

4. Способы определения ТЭ. Индикаторы. Различают несколько способов фиксирования ТЭ:

1. Самоиндикация. В ТЭ изменяется цвет раствора или выпадает осадок.

2. Использование специальных индикаторов.

3. Физико-химические способы применяют, когда отсутствует подходящий индикатор.

Индикаторами называются системы, изменяющиеся с изменением концентрации тех или иных ионов в растворе, причем изменение это должно быть легко наблюдаемо. В качестве аналитического сигнала используется изменение цвета (цветные индикаторы), появление или исчезновение флюоресценции (флюоресцентные) или осадка (турбидиметрические). Часто в раствор прибавляют вещества, адсорбируемые осадком и окрашивающие его при этом (адсорбционные индикаторы).

Как правило, индикаторы изменяют свою окраску не точно в ТЭ, а вблизи нее, в КТТ. Поэтому, даже при правильном выборе индикатора допускается погрешность, называемая индикаторной ошибкой титрования.

5. Комплексонометрия. Титриметрический метод анализа, основанный на образовании прочных внутрикомплексных соединений (хелатов) между катионами металлов и комплексонами.

Хелаты – это координационные (комплексные) соединения, содержащие циклические комплексы металлов с полидентатными лигандами, в которых центральный атом входит в один или несколько циклов.

Комплексоны – органические хелатообразующие соединения, содержащие в молекуле способные к координации атомы N, S и (или) Р, а также карбоксильные и другие группы. Это кристаллические вещества, как правило, растворимые в воде и не растворимые в этаноле и большинстве других органических растворителей.

В настоящее время в комплексонометрии применяются в качестве комплексообразующих веществ почти исключительно аминополикарбоновые кислоты. Среди них главное место принадлежит четырехосновной этилендиаминтетрауксусной кислоте (CH₂COOH)₂-N-CH₂-CH₂-N-(CH₂COOH)₂ (комплексон II, ЭДТА, H₄Y). Практически чаще всего применяется двунатриевая соль этой кислоты, имеющая названия Трилон Б, комплексон III, и обозначаемая Na₂H₂Y·2H₂O.

Индикаторы в комплексонометрии. Определение КТТ анализируемого раствора комплексоном осуществляется с помощью индикаторов, образующих окрашенные соединения с ионами металлов (металлиндикаторы, металлохромные). Чаще всего в этой роли применяются органические красители, дающие комплексы с ионами металлов. В настоящее время предложены многие десятки различных комплексонометрических индикаторов, например эриохром черный Т – хороший индикатор для слабощелочных (рН 7-10) растворов. В этой области рН комплексы с металлами окрашены в красный цвет, свободные анионы красителя – в синий цвет. Переход окраски четкий (красный – синий).

Применение комплексонометрии. Многообразие приемов комплексонометрии дает возможность определять практически все катионы и анионы. Метод широко применяют при анализе природных и промышленных объектов. Комплексонометрически определяют жесткость воды.