Программа учебной дисциплины
«Аналитическая химия»
ОПДФ.00 подготовки химиков по направлению – 011000 - 1 поток
Разработчик: доцент, к.х.н. А. В. Булатов
Рецензенты: профессор, д.х.н. А.В. Суворов
Санкт-Петербург
2009 г.
Структура программы дисциплины
I. Организационно-методический раздел.
1. Цель курса – освоение обучаемым основополагающих знаний в области аналитической химии (в общем) и о химических методах анализа (в частности) в приложении к решению общехимических задач, приобретение практических навыков в использовании полученных знаний при проведении химических анализов.
2. Задачи курса – систематизированное изложение сведений об известных на момент чтения курса видов химических методов анализа, о лежащих в их основе принципах и физико-химических законах, о важнейших областях аналитического применения этих методов, а также их применение в решении общехимических проблем.
3. Место курса в профессиональной подготовке выпускника. Для успешного освоения курса студенты должны быть знакомы с основами общей и неорганической химии.
4. Требования к уровню освоения содержания курса. Содержание курса входит в обязательный минимум профессиональных знаний химика любой специальности. Знание основ аналитической химии является необходимым условием успешной профессиональной деятельности в любой области приложения химии.
II Содержание курса
1. Разделы курса: Характеристика аналитическая химии как научной дисциплины. Обработка результатов анализа. Теоретические основы химических методов анализа: современные представления о кислотах и основаниях, координационные соединения, равновесие в гетерогенной среде, основные представления о реакциях окисления-восстановления. Титриметрические методы анализа: титриметрия на основе реакций нейтрализации, комплексообразования, окисления-восстановления, осаждения малорастворимых соединений. Гравиметрический метод.
2. Темы и краткое содержание.
2.1. Общие представления. Аналитическая химия как научная дисциплина. Становление аналитической химии как науки (исторический обзор). Место аналитической химии среди других аналитических дисциплин. Специфические особенности аналитической химии. Аналитическая химия как наука, изучающая химические и физические явления, лежащие в основе распознавания и определения химических веществ. Аналитическая химия и химический анализ. Общность и различие их целей и задач. Элементный, молекулярный, фазовый, функциональный, вещественный и изотопный анализы. Химические, физико-химические, физические и биологические методы анализа. Понятие о характеристических свойствах веществ, рассматриваемых как проявление индивидуальных особенностей атомов и молекул в условиях определенных внешних воздействий. Процессы, инициирующие проявление характеристических свойств: химические и электрохимические реакции, взаимодействие вещества с электромагнитным излучением и корпускулярными потоками. Аналитический сигнал как регистрируемая величина проявления характеристических свойств определяемых веществ. Инструментальные методы анализа.
2.2. Основные характеристики методов анализа. Селективность, диапазон определяемых концентраций, предел обнаружения. Выбор метода анализа. Основные критерии этого выбора. Предварительная информация об объекте анализа. Макрокомпоненты и микрокомпоненты. Химическое состояние определяемых веществ в анализируемом объекте. Метрологические требования, предъявляемые к конечному результату анализа. Экономические аспекты выбора метода анализа. Схема химического анализа. Пробоотбор и пробоподготовка. Представительность пробы. Способы отбора представительных проб и способы гомогенизации гетерогенных проб. Пробоподготовка. Классификация химического анализа по методам пробоотбора.
2.3. Обработка результатов анализа. Основные ошибки, сопровождающие измерение аналитического сигнала. Систематические и случайные ошибки. Пути оценки и устранения систематических погрешностей анализа. Способы оценки случайной ошибки. Правильность и прецизионность (воспроизводимость и повторяемость). Неопределенность. Бюджет неопределенности. Стандартные образцы свойств и состава веществ. Иерархия методологических понятий химического анализа.
2.4. Теоретические основы химических методов анализа. Основные требования, предъявляемые к аналитической реакции. Условность понятий реагент и определяемое вещество в химических методах анализа. Классификация аналитических реагентов по характеру их воздействия (групповые, селективные и специфические). Константа равновесия реакции. Основные факторы, влияющие на химическое равновесие: изменение концентрации реагирующих веществ, температура, ионная сила раствора, природа растворителя; конкурирующие (побочные) реакции. Общая (аналитическая) и равновесная концентрации. Константа равновесия, уравнение материального баланса и уравнение электронейтральности — основа для расчета степени протекания реакции, равновесных концентраций начальных и конечных продуктов реакции. Основные типы реакций, лежащие в основе химических методов анализа: кислотно-основное взаимодействие, реакции комплексообразования, окислительно-восстановительные реакции, реакции образования малорастворимых соединений.
2.5. Современные представления о кислотах и основаниях. Основные представления о теориях Аррениуса, Льюиса и Усановича. Теория Бренстеда—Лоури. Кислотно-основные сопряженные пары. Равновесие в системе кислота — сопряженное основание и растворитель. Ионизация и диссоциация протолита. Константы кислотности и основности. Кислотные и основные свойства растворителей; константа автопротолиза. Вода, ее строение и химические свойства. Константа диссоциации воды, ионное произведение, влияние температуры; рН растворов. Пролитическое равновесие в неводных растворителях. Влияние природы растворителя на силу кислот и оснований. Нивелирующие и дифференцирующие свойства растворителей. Формы существования слабых протолитов. Расчет равновесных концентраций различных форм протолита при заданной их исходной концентрации и величины рН растворов. Построение диаграмм форм существования протолита в координатах “доля формы—рН”. Буферные растворы.
2.6. Титриметрические методы анализа: основные понятия. Титрование, титруемое вещество и титрант. Виды титриметрических определений (прямое и обратное титрование, титрование заместителя, обращенное титрование), выбор способа титрования в зависимости от решаемой задачи. Способы выражения концентраций, наиболее часто используемые в титриметрическом анализе; переход от одних концентраций к другим. Расчеты результатов титрований. Точка эквивалентности (стехиометричности) и точка конца титрования. Индикаторы. Титрованные растворы и их приготовление. Первичные стандартные вещества, основные требования, предъявляемые к ним. Вторичные стандартные вещества. Фиксаналы. Способы определения массы вещества в титриметрических методах анализа. Мерная посуда, используемая в титриметрии, ее калибровка. Кривые титрования — критерий для выбора и обоснования условий титрования; оценка принципиальной возможности использования того либо иного метода титрования. Кривые титрования. Степень оттитрованности, скачок титрования, положение точки эквивалентности. Уравнение кривой титрования. Использование уравнения кривой титрования для априорной оценки возможности выполнения того или иного титрования, оценки точностных возможностей выбранного метода, выбора способа установления точки титрования. Классификация титриметрических методов по типу используемых реакций.
2.7. Титриметрия на основе реакций нейтрализации. Титрование однопротонных протолитов. Общее уравнение кривой титрования. Частные случаи: титрование сильной кислоты сильным осованием (и наоборот), слабой кислоты сильным основанием (и наоборот), слабой кислоты слабым основанием (и наоборот). Построение кривых титрования в координатах “рН — объем титранта”. Вид кривых титрования в зависимости от констант диссоциации протолитов и их концентрации. Расчет положения точки эквивалентности и величины скачка титрования; индекс крутизны, оценка ошибки титрования. Отображение буферных свойств протолитической системы на кривых титрования, расчет буферных свойств системы. Основные способы установления точки конца титрования в методах протолитометрии. Титрование смеси однопротонных протолитов. Общее уравнение кривой титрования. Титрование смеси сильной и слабой кислот сильным основанием (и наоборот). Расчет положения первой и второй точек эквивалентности. Вид кривой титрования в зависимости от концентрации компонентов титруемой смеси и констант диссоциации слабого протолита. Титрование смеси двух слабых кислот (оснований). Условие раздельного титрования компонентов смеси. Титрование многопротонных электролитов. Вид кривых титрования в зависимости от концентрации протолитов и ступенчатых констант диссоциации. Условия возможности ступенчатого титрования. Титрование солей слабых одно- и многоосновных кислот. Титрование смеси многоосновной кислоты и ее кислой соли или двух солей разной степени замещения. Особенности титрования в неводных растворителях. Кислотно-основные индикаторы. Слабые органические протолиты как кислотно-основные индикаторы. Кислотная и основная окраски индикатора. Основные положения теории цветности органических кислотно-основных индикаторов. Связь между константой диссоциации и интервалом перехода окраски индикатора. “Смешанная” и “переходная” окраски индикатора. Показатель титрования, его отличие от рКинд. Влияние экспериментальных условий (температура, солевой фон и др.) на изменение окраски индикатора. Принципы действия смешанных индикаторов. Индикаторная ошибка. Характеристика наиболее часто используемых индикаторов. Выбор индикатора в зависимости от типа титрования на основании данных о кривых титрования. Приготовление титрованных растворов кислот и щелочей. Характеристика наиболее часто используемых первичных стандартных веществ. Основные требования, применяемые к первичным стандартным веществам.
2.8. Координационные соединения: общие определения и терминология. Классификация лигандов: монодентатные, полидентатные и амбидентатные. Хелатный эффект. Теория ЖМКО и её применение к подбору лигандов для селективного комплексообразования.
2.9. Титриметрические методы на основе реакций комплексообразования. Принцип ступенчатости в комплексообразовании; ступенчатые и полная константы устойчивости. Условные константы образования. Расчет концентраций различных форм комплексных соединений на основе констант образования, аналитических концентраций металла и лиганда и условий протекания побочных реакций. Комплексометрия и комплексонометрия. Комплексоны — как частный случай полидентатных хелатных лигандов — и комплексонаты. Химические принципы комплексонометрии. ЭДТА — этилендиаминотетрауксусная кислота и ее двунатриевая соль. Диссоциация ЭДТА, зависимость содержания различных протолитических форм от кислотности среды. Приготовление титрованных растворов ЭДТА. Кривая комплексонометрического титрования; расчет положения точки эквивалентности и скачка титрования. Влияние концентрации реагирующих веществ, кислотности среды, наличия посторонних комплексонатов на форму кривой титрования, величину скачка титрования и положения точки эквивалентности. Индикаторы, используемые в комплексонометрии: специфические и универсальные (металлохромные). Основные условия выбора индикаторов. Примеры наиболее часто используемых специфических и универсальных индикаторов. Основные способы повышения селективности комплексонометрических титрований; возможность последовательного титрования нескольких катионов. Методы прямого и обратного титрований, основные случаи использования. Основные ошибки при комплексонометрическом титровании.
2.10. Основные представления о реакциях окисления-восстановления: окислительно-восстановительный потенциал, уравнение Нернста. Стандартный и реальный окислительно-восстановительный потенциалы. Стандартный вдородный электрод. Направление протекания реакций окисления-восстановления, априорная оценка с использованием стандартных потенциалов. Зависимость окислительно-восстановительного потенциала от концентрации реагирующих веществ, кислотности среды, природы растворителя, наличия процессов осадко- и комплексообразования. Расчет равновесных концентраций и долей окисленной и восстановленной форм. Скорость окислительно-восстановительных реакций. Основные факторы, оказывающие влияние на скорость окислительно-восстановительных процессов.
2.11. Титриметрические методы на основе реакций окисления-восстановления. Основные условия, необходимые для выполенения титрования с использованием реакций окисления-восстановления. Реагенты, используемые для окислительно-восстановительного титрования. Классификация методов окислительно-восстановительных титрований. Цериметрия, перманганатометрия, бихроматометрия, броматометрия, иодиметрия и иодометрия. Кривые титрования. Построение кривых титрования. Симметричные и несимметричные кривые титрования. Расчет потенциала точки эквивалентности (случаи сохраняющихся и несохраняющихся стехиометрических коэффициентов) и величины скачка титрования. Влияние концентрации компонентов, величины стандартных потенциалов, кислотности среды, наличия осадко- и комплексообразования на параметры кривой титрования. Окислительно-восстановительные обратимые и необратимые индикаторы, специфические индикаторы. Условия титрования смеси окислителей или восстановителей. Построение кривых титрования смеси окислителей или восстановителей. Основные ошибки методов окислительно-восстановительного титрования. Приготовление рабочих растворов. Первичные стандартные вещества.
2.12. Равновесие в гетерогенной среде. Растворимость и произведение растворимости. Основные условия образования и растворения осадков. Влияние наличия одноименных ионов, ионной силы раствора, комплексообразования и кислотности среды на растворимость осадков. Факторы, определяющие растворимость веществ.
2.13. Гравиметрический метод. Общая схема гравиметрического анализа. Осадки и их свойства; кристаллические и аморфные осадки. Схема образования осадка. Образование центра кристаллизации, рост кристаллов, старение осадков. Зависимость формы кристаллов от скорости образования первичных частиц и скорости их роста. Растворимость осадка в зависимости от размера частиц. Основные причины загрязнения осадков (совместное осаждение, соосаждение, последующее осаждение). Классификация различных видов загрязнения осадка: адсорбция, окклюзия, инклюзия, изоморфизм. Особенности загрязнения кристаллических и аморфных осадков. Получение аналитических осадков. Коагуляция и пептизация. Форма осаждения и форма взвешивания; предъявляемые к ним требования. Условия получения чистых осадков (перекристаллизация, переосаждение, промывание осадков). Метод возникающих реагентов (осаждение из гомогенного раствора). Неорганические и органические реагенты; предъявляемые к ним требования. Селективность и точность гравиметрических методов. Основные задачи, решаемые методами гравиметрии; преимущества и недостатки метода.
2.14. Титриметрические методы на основе реакций осаждения малорастворимых соединений. Сущность метода осадительного титрования; основные условия, необходимые для выполнения титрования. Аргентометрия. Основные методы аргентометрии (методы Мора, Фольгарда, Фаянса). Адсорбционные индикаторы в методе Фаянса. Кривая осадительного титрования. Расчет положения точки эквивалентности и величины скачка титрования. Выбор условий выполнения титрования. Индикаторы в методах осадительного титрования.
2.15. Примеры практического применения химических методов анализа. Определение азота в органических соединениях методом Кьельдаля. Определение воды в органических растворителях методам Карла Фишера. Определение растворенного в воде кислорода методом Винклера. Йодные, кислотные и щелочные числа, число омыления. Химические методы определения серы в органических соединениях. Жесткость и окисляемость воды.
3. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы.
Формируется преподавателем, исходя из содержания новых монографий и обзоров по тематике курса.
Примерная тематика рефератов, курсовых работ. По данному курсу не проводится курсовых работ, а также не предполагается написание рефератов.
4. Лабораторный практикум.
1. Качественный анализ катионов I-III аналитических групп.
2. Качественный анализ катионов IV-VI аналитических групп
3. Качественный анализ анионов.
4. Качественный анализ смеси неизвестного состава.
5. Титриметрические методы анализа (5 задач).
6. Гравиметрическое определение сульфат-ионов (2 задачи).
5. Примерный перечень вопросов к экзамену по всему курсу.
Перечень вопросов к экзамену по всему курсу определяется преподавателем, исходя из тем, включенных в данную программу.