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 CO32-, SO42-,PO43-; 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+ + C2O42- = CaC2O4 ↓ (белый).
Ba2+ + C2O42- = BaC2O4 ↓ (белый).
1) Ba2+ + CrO42- = BaCrO4 ↓ (желтый)
(CaCrO4 ↓ - растворим в воде);
2) Ca2+ + C2O42- = 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.