Введение в аналитическую химию.

Аналитическая химия – наука о методах качественного и количественного изучения состава веществ или их смесей.

Вопросы решаемые аналитической химией:

1. Что представляет собой вещество?

2. Каковы компоненты вещества?

3. Количество и распределение компонентов вещества.

Значение аналитической химии: связь с биологией, геологией, минералогией, металлургией, медициной. Имеет огромное значение при исследовании почв, растений, удобрений, продуктов сельского хозяйства и полезных ископаемых.

По цели анализа аналитическая химия делится на:

1. Качественный анализ (всегда предшествует количественному), отвечает на вопрос «Что это?»

2. Количественный анализ, отвечает на вопрос «сколько?»

По природе обнаруживаемых (определяемых частиц):

1. Элементный;

2. Вещественный;

3. Молекулярный;

4. Изотопный;

5. Фазовый;

6. Структурно-групповой.

Стадии анализа. Методы аналитической химии.

Решение аналитических задач включает следующие стадии:

1. Постановка задачи;

2. Выбор метода;

3. Отбор образца;

4. Подготовка образца к анализу;

5. Измерение;

6. Интеграция результатов.

Метод – это совокупность принципов, положенных в основу анализа безотносительно к определенному элементу и определенному объекту. Внутри метода выбирают методику – детальное описание операций анализа данного объекта.

В аналитической химии используют различные группы методов:

1. Физические;

2. Химические;

3. Физико-химические.

Физические методы позволяют устанавливать состав вещества на основании его физических свойств, не прибегая к химическим реакциям.

Классификация физических методов анализа:

1. Спектральный анализ;

2. Люминесцентный анализ;

3. Рентгено-структурный анализ;

4. Масс-спектральный анализ;

5. Денсиметрический анализ (плотность).

Химические методы – методы при которых анализируемое вещество сначала превращается в новое вещество, которое может быть визуально обнаружено по своим внешним признакам (при качественном анализе) или количественно измерено (количественный анализ).

Недостатки такого метода: не всегда чувствительность определения «следов» элементов и низкая скорость реакции.

Специфические методы – методы, при помощи которого определяется только конкретное вещество.

Физико-химические методы основаны на изучении физических явлений, происходящих при химических реакциях:

1. Колориметрические (сравнение цвета);

2. Кондуктометрические (изменение электропроводности);

3. Потенциометрические (значение рН);

4. Хроматографические (изменение цвета в адсорбентах).

В зависимости от количества используемых при анализе веществ выделяют:

1. Макроколичества: 50-500 мг;

2. Полумикроколичества: 10-50 мг;

3. Микроколичества: 0,1-10 мг;

4. Ультрамикроколичества: 10-100 мкг;

5. Субмикроколичества: менее 10 мкг.

Подготовка образца к анализу. Если количественные измерения проводят в растворе, образец растворяют в пределах применимости метода.

Измерения. Для определения количества или состава анализируемого вещества, измеряют какую-либо физическую величину:

· Количество вещества;

· Интенсивность поглощения, испускания или рассеяния света;

· Количество выделившегося или поглощенного тепла;

· Ток и т.д.

Сравнив эти результаты со стандартами, устанавливают количество определяемого вещества и его состав.

Интерпретация результатов. Когда результаты уже получены, может возникнуть ряд вопросов: «Решена ли поставленная задача?», «Как проводить дальнейшие исследования?»

Не исключено, что для получения более точных результатов нужно усовершенствовать методику анализа.

Химический анализ

Макроанализ («пробирочный анализ») выполняется в пробирках, стаканах, колбах.

Микроанализ использует высокочувствительные реакции, выполняемые микрокристаллоскопическим (на предметном стекле под микроскопом оценивают форму образовавшихся кристаллов) или капельным путем на фильтровальной бумаге (последовательно нанося исследуемый раствор и реагенты), на часовом стекле или стеклянной пластинке.

Способы выполнения аналитических реакций.

Сухой путь – анализируемые вещества берут в твердом состоянии.

Мокрый путь – реакции протекают в растворах.

Реакции сухим путем.

1) Реакции окрашивания пламени:

Na⁺ - желтый;

К⁺ - фиолетовый;

Са²⁺ - красный;

Ва²⁺ - желто-зеленый;

Cu²⁺ - зеленый.

2) Образование окрашенных перлов (стёкол): при сплавлении буры (Na₂B₄O₇×H₂O) с солями некоторых металлов. Используется в полевых условиях, при исследовании минералов и руд.

3) Метод растирания порошков (Ф.М. Флавицкий)

KCNS + FeCl₃ – красное окрашивание.

Соль аммония + Ca(OH)₂ = запах аммиака.

Реакции сухим путем играют вспомогательную роль и употребляются при предварительных испытаниях.

В основе качественного анализа лежат качественные реакции:

А+В=АВ,

где А – исследуемое вещество; В – реагент; АВ – продукт реакции.

4) Требования к реактивам.

Отсутствие примесей.

По степени чистоты:

т. – техническая чистота;

ч. – чистые;

ч.д.а. – чистые для анализа (подходят для большинства реакций);

х.ч. – химически чистые.

Абсолютно чистыми реактивы не бывают, но количество примесей должно быть минимальным.

Требования к качественным реакциям.

1) Характерный внешний эффект:

a. Образование осадка;

b. Газообразного продукта;

c. Окрашивание соединений;

2) Легкая выполнимость;

3) Специфичность (избирательность);

4) Чувствительность (способность открывать малые количества определенного компонента); Чувствительность реакции – способность к обнаружению иона при его малой концентрации в растворе.

Количественно характеризуется с помощью открываемого минимума и минимальной концентрации. Открываемый минимум – наименьшее количество иона, которое удается обнаружить с помощью данной реакции (в мкг). Минимальная концентрация – при каком разбавлении раствора реакция еще дает положительный результат.

Условия выполнения аналитических реакций.

1) Среда (ион Ca²⁺ не обнаружить оксалатом аммония в присутствии сильной кислоты, т.к. оксалат кальция растворим в сильной кислоте);

2) Температура. Большинство аналитических реакций выполняется при комнатной температуре.

3) Достаточная концентрация открываемого иона.

a. Специфические (частные) реакции на ионы – реакции, позволяющие обнаружить их в смеси с другими ионами;

b. Общие реакции – реагент реагирует с несколькими ионами (Ba²⁺ реагирует с CO₃^2-, SO₄^2-,PO₄^3-; есть возможность выделить группу ионов).

Дробный анализ.

Обнаружение ионов с помощью специфических реакций в отдельных порциях анализируемого вещества, производимые в любой последовательности.

Fe³⁺ + 3SCN^- = [Fe(SCN)₃] – кроваво-красный;

Co²⁺ + 4SCN^- = [Co(SCN)₄] – синий.

Используют в случаях, когда состав известен и требуется проверить отсутствие примесей.

Систематический анализ.

Определяет последовательность выполнения аналитических реакций, при которой каждый ион обнаруживают после того, как будут обнаружены и удалены мешающие ионы.

Например: Ca²⁺ и Ba²⁺ присутствуют вместе.

Ca²⁺ + C₂O₄^2- = CaC₂O₄ ↓ (белый).

Ba²⁺ + C₂O₄^2- = BaC₂O₄ ↓ (белый).

1) Ba²⁺ + CrO₄^2- = BaCrO₄ ↓ (желтый)

(CaCrO₄ ↓ - растворим в воде);

2) Ca²⁺ + C₂O₄^2- = CaC₂O₄ ↓.

Аналитическая группа – группа ионов, которая с определенным реактивом при определенных условиях дает тождественные химические реакции.

Разделение исследуемых ионов на группы проверяется под действием групповых реагентов.

Групповой реагент – реактив, позволяющий выделить из раствора группу ионов.

Требования к групповым реагентам.

1. Количественно полно осаждать ионы;

2. Полученный осадок должен легко растворяться в кислотах, чтобы был возможен дальнейший анализ;

3. Избыток реактива не должен мешать обнаружить оставшиеся в растворе ионы.

Групповые реагенты дают возможность упростить процесс обнаружения ионов.

Классификация катионов.

Наиболее распространенная кислотно-щелочная классификация катионов, в ее основе лежит отношение катионов к важнейшим минеральным кислотам (соляная, серная), щелочам и аммиаку.

Согласно кислотно-щелочной классификации, все катионы делятся на 6 аналитических групп.

Кислотно-щелочная классификация катионов.

	Состав группы	Групповой реагент	Характеристика группы
	Na2+, K+, NH4+	нет	хлориды, сульфаты и гидроксиды, растворимые в воде
	Ag+, Pb2+, Hg22+	HCl (разб.)	хлориды, не растворимые в воде
	Ca2+, Sr2+, Ba2+	H2SO4 (разб.)	сульфаты, нерастворимые в воде и кислотах
	Al3+, Cr3+, Zn2+, As (III, V), Sb (III, V)	избыток щелочи	гидроксиды, растворимые в избытке щелочи
	Mg2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Bi3+	щелочь	гидроксиды, нерастворимые в избытке щелочи
	Cu2+, Cd2+, Hg2+, Co2+, Ni2+	избыток раствора аммиака	гидроксиды, растворимые в избытке аммиака

Аналитическая классификация анионов

	Состав группы	Групповой реагент	Характеристика группы
	SO42-, SO32-, PO43-, S2O32-, CO32-, C2O42-	BaCl2 в нейтральной или слабощелочной среде	соли бария не растворимы в воде
	Cl-, Br-, I-, CN-, S2-	AgNO3 в присутствии HNO3	соли серебра не растворимы в воде
	NO3-, NO2-, CH3COO-	нет	соли бария и серебра растворимы в воде

Анализ катионов всегда предшествует анализу анионов.