Введение

Дисциплина «Современная аналитическая химия» относится к базовой части профессионального цикла учебного плана направления подготовки бакалавров «Химия, физика и механика материалов». Осуществление качественного и количественного анализа, использование синтетических и приборо-аналитических навыков позволяют экспериментально работать в различных областях материаловедения и современной технологии, использовать в материаловедении базовые положения современной аналитической химии, метрологические основы химического анализа, классические и современные комплексные методики анализа газов, жидкостей, пленок, керамики, монокристаллов, наноразмерных и микроразмерных структур и композитов.

Учебное пособие «Аналитическая химия» состоит из 6 глав, в которых освещаются теоретические основы качественного и количественного химического анализа, разнообразные виды титрования при определении многих составляющих строительных и композиционных материалов и наноматериалов, физико-химические (спектральные, электрохимические, микроскопические) методы анализа веществ. После изучения теоретических основ каждой главы предлагается выполнить лабораторные работы, в результате чего студенты приобретают практические навыки работы с химической посудой, реактивами, установками, приборами, могут определять химический, минеральный и фазовый состав композитов.

Глава 1 основы качественного анализа

В практической деятельности исследователей часто возникает необходимость идентификации (обнаружения) того или иного вещества, а также количественной оценки (измерения) его содержания. С помощью химического анализа проводят: 1) оценку качества сырья; 2) контроль процесса производства; 3) определение качества выпускаемой продукции; 4) анализ отходов производства с целью их утилизации; 5) мероприятия по охране окружающей среды.

Научной основой химического анализа веществ является аналитическая химия. Методы аналитической химии основаны на получении и измерении аналитического сигнала. Аналитический сигнал – это любое проявление химических или физических свойств вещества, которые можно использовать для установления его качественного или количественного состава.

Анализ того или иного вещества или смеси веществ с целью установления его качественного состава называют качественным анализом в аналитической химии. Задачи качественного анализа сводятся к качественному обнаружению (открытию):

1) химических элементов, входящих в состав данного вещества элементный анализ;

2) ионов, образующихся при растворении исследуемого вещества в воде или других растворителях;

3) групп атомов или сложных ионов, составляющих исследуемые вещества – функциональный анализ;

4) молекул в смеси веществ – молекулярный анализ;

5) фаз, входящих в анализируемую систему – фазовый анализ.

Методы анализа

Различные химические элементы и их соединения могут быть обнаружены по их физическим признакам (агрегатному состоянию, цвету, блеску, запаху, способности плавиться или возгоняться, светиться и окрашивать пламя при прокаливании, твердости, хрупкости, растворимости и т.д.) и по их химическим свойствам (отношению к действию кислот, щелочей, солей, окислителей, восстановителей, и других соединений).

Химические методы анализа – это методы определения состава анализируемых веществ (или смесей), основанные на использовании химических свойств определяемых элементов, ионов, групп атомов (или компонентов смеси). В качественном химическом анализе к анализируемому объекту добавляют вещества, вызывающие химические превращения, в результате которых образуются соединения, обладающие специфическими свойствами: определенным физическим состоянием (газ, жидкость или осадок), цветом, запахом, кристаллической или аморфной структурой и т.д.

Физические методы анализа – это методы анализа, основанные на изучении физических свойств анализируемых веществ: оптических, электрических, магнитных, тепловых и др.

Физико-химические методы анализа - это методы анализа, основанные на изучении физических явлений, которые происходят при химических реакциях.

Часто четкой границы между физическими и физико-химическими методами не проводят, объединяют их в инструментальные методы анализа и дают общее определение - это методы, основанные на использовании зависимостей между измеряемыми физическими свойствами веществ (или смесей) и их составом.

Классификация химических методов анализа

Химические методы анализа по количеству исследуемого вещества разделяют на макро-, полумикро- и микрометоды.

При выполнении анализа макрометодом для проведения реакции берут 1-2 мл раствора, содержащего не менее 0,1 г вещества, и к испытуемому раствору добавляют не менее 1 мл раствора реактива. Реакции проводят в пробирках. Получаемые осадки можно отделить фильтрованием через бумажные фильтры.

Полумикрохимический метод анализа отличается тем, что для выполнения анализа требуется в 10-20 раз меньше вещества (до 0,01 г), чем по макрометоду. Реакции проводят в микропробирках. Получаемые осадки можно отделить с помощью центрифугирования или микрофильтрования под вакуумом при помощи маленьких воронок.

При выполнении анализа микрометодом для проведения реакции берут в 100 раз меньший объем раствора, содержащего в 100 раз меньшее количество вещества.

Дня анализа очень малых количеств веществ (10^-6 – 10^-12 г) и малых объемов растворов (10^-3 – 10^-6 мл) прибегают к ультрамикрохимическим методам анализа. В двух последних случаях часто используют механические приспособления, а наблюдения проводят под микроскопом.

Химические методы анализа по технике проведения разделяют на несколько видов:

1. Анализ мокрым путем – анализ исследуемых веществ в растворах. Анализируемое вещество сначала растворяют (в воде, уксусной или минеральных кислотах, растворе аммиака, органических растворителях и др.), а затем действуют на полученный раствор соответствующими реактивами.

Чаще всего анализ мокрым путем проводят в пробирках – пробирочный анализ. Для этого небольшое количество испытуемого раствора помещают в пробирку и по каплям добавляют к нему реактив.

При капельном анализе отдельные реакции проводят на фарфоровых или стеклянных пластинах или на фильтровальной бумаге. Использование капель исследуемого вещества и реактива позволяет проводить микроанализ. Капиллярно-адсорбционные свойства бумаги повышают чувствительность метода.

Микрокристаллоскопический анализ основан на обнаружении тех или иных элементов при помощи реакций, в результате которых образуются соединения, обладающие характерной формой кристаллов, которые наблюдают под микроскопом. Метод используется в качественном, микрохимическом анализе и его капельном варианте.

2. Анализ сухим путем проводят без перевода вещества в раствор.

Метод окрашивания пламени. Соединения некоторых элементов можно распознать по окрашиванию ими бесцветного пламени горелки. Для проведения испытания порошок анализируемого вещества на платиновой проволоке вносят в пламя и следят за изменением окраски.

Метод образования окрашенных перлов. Некоторые соли и оксиды при сплавлении в петле платиновой проволоки с тетраборатом натрия Na₂В₄О₇∙10Н₂О (бурой) или фосфатами NaNН₄НPO₄∙4Н₂О («фосфорной солью») и последующем охлаждении полученного плава образуют характерные окрашенные перлы. Однако метод не слишком надежен, так как окраска перлов меняется в зависимости от концентрации вещества и температуры пламени.

Метод растирания порошков. Для обнаружения некоторых элементов иногда применяют метод растирания в фарфоровой ступке порошкообразного анализируемого вещества с твердым реагентом. Присутствие того или иного элемента обнаруживают по цвету или запаху образующихся соединений. Данный метод дает возможность проводить опыты с микроколичествами веществ.

Пирохимический анализ. При нагревании испытуемых веществ одни плавятся при определенной температуре, другие возгоняются, третьи разлагаются. При этом возможно появление запаха, изменение цвета плава, появление конденсата или осадка на стенках плавильной трубки. Наблюдение этих эффектов позволяет проводить качественный анализ.

Аналитические реакции в качественном химическом анализе

Для проведения качественного анализа в аналитической химии используют специальные реакции, называемые качественными.

Реакции, в которых при добавлении к анализируемому веществу других веществ возникает какой-либо характерный внешний эффект (изменение цвета, выпадение осадка, выделение газа, появление запаха) называют качественными реакциями. Вещества, вызывающие характерные превращения исследуемых веществ, называют реактивами или реагентами.

Требования, которым должны удовлетворять качественные реакции: 1) протекает быстро, практически мгновенно; 2) сопровождается характерным внешним эффектом; 3) практически необратима, т.е. протекает преимущественно в одном направлении; 4) по возможности специфична и отличается высокой чувствительностью.

Различают общие и частные аналитические реакции. Общими реакциями называют реакции, при которых реактив реагирует с несколькими ионами. Частными реакциями называют реакции, при которых различные реактивы образуют характерные соединения с одним (частным) ионом.

Различают реакции обнаружения (распознавания) и отделения (разделения). Реакции обнаружения позволяют доказать наличие данного иона в системе. Реакции отделения позволяют отделить одни ионы от других. Часто реакции обнаружения являются реакциями отделения.

Выделяют специфические (избирательные) реакции - это реакции, которые в определенных условиях позволяют обнаружить одни ноны в присутствии других по специфическому внешнему эффекту.

Чувствительность реакции определяется наименьшим количеством искомого вещества, которое может быть обнаружено данным реактивом в капле раствора (1 мм³). Чувствительность реакции выражают рядом взаимно связанных величин: открываемым минимумом, минимальной (предельной) концентрацией и предельным разбавлением.

Открываемым минимумом называют наименьшее количество вещества (m, г), содержащееся в исследуемом растворе и открываемое данным реактивом при определенных условиях выполнения реакции.

Минимальная или предельная концентрация – величина, при которой в растворе данная реакция дает возможность еще открывать обнаруживаемое вещество из определенного объема (одной капли) (m/V, г/мл) анализируемого раствора.

Предельное разбавление выражается числом миллилитров водного раствора, содержащего 1 г определяемого вещества (V/1 г, мл/г), которое открывают при помощи данной реакции. Предельное разбавление есть величина обратная предельной концентрации.

Таким образом, аналитическая реакция тем чувствительнее, чем меньше открываемый минимум, чем меньше предельная концентрации анализируемого вещества, чем больше предельное разбавление.

Повышение чувствительности возможно за счет:

- повышения концентрации определяемого иона (выпаривание, осаждение в виде трудно растворимого соединения);

- очистки от примесей и мешающих агентов (химическими и физико-химическими методами);

- маскировки мешающих ионов (взаимодействие с маскирующими комплексообразователями).

Понижение чувствительности реакции возможно за счет:

- нагревания, способствующего растворению осадка;

- добавления избытка реактива (приводит к повышению чувствительности, но иногда приводит к растворению осадка);

- неверная величина рН раствора (реакция может пойти в другом направлении или не идти совсем).

Понятие о дробном и систематическом методах анализа

Для обнаружения отдельных ионов в смеси не всегда сразу удается подобрать специальный реактив, который дает характерный осадок или окраску с открываемыми ионами. Задача значительно затрудняется, если в системе присутствуют ионы, дающие тот же внешний эффект с реагентом, что и искомый ион, особенно при высоких концентрациях мешающего агента. Поэтому качественный анализ включает не только реакции обнаружения ионов, но и методы их разделения.

Существует два подхода к анализу сложной смеси ионов, называемые дробным и систематическим анализом.

Дробный анализ основан на применении реакций, позволяющих обнаруживать искомые ионы в отдельных порциях сложной смеси при условии устранения влияния посторонний ионов. Такие реакции называются дробными. Метод заключается в том, что отдельные небольшие пробы раствора обрабатывают реактивами или смесями реактивов, устраняющими влияние посторонних ионов. Затем обнаруживают искомые ионы при помощи характерных реакций. При этом порядок обнаружения катионов и анионов не имеет особого значения, метод не требует длительного времени на отделение ионов друг от друга, используют высокочувствительные избирательные реактивы.

Систематический анализ заключается в строго определенном порядке разделения и последующего открытия искомых ионов. Для исследования берут одну большую пробу анализируемого раствора. Разделение ионов на группы проводят, используя сходства или различия свойств ионов в отношении действия группового реактива. Группы ионов разделяют на подгруппы, а затем в пределах данной подгруппы обнаруживают отдельные ионы при помощи характерных реакций. То есть к обнаружению ионов приступают лишь после ряда последовательных операций удаления всех мешающих ионов.