Вводная часть. Основы качественного анализа

Основы качественного анализа

(фрагмент учебного пособия)

Вводная часть

1.1. Общие сведения о качественном и количественном анализе

Качественный анализ отвечает на вопрос, какие объекты (элементы, вещества, фазы, функциональные группы) присутствуют в исследуемой пробе. Соответственно, различают элементный, вещественный, фазовый и функциональный анализ. Обычно удаётся также дать полуколичественную оценку содержания объекта – на уровне «много», «средне», «мало», «следы». Количественный анализ отвечает на вопрос, сколько данного объекта содержится в исследуемой пробе. Состав твёрдых объектов чаще всего выражается в массовых долях, реже в мольных, но если анализируется жидкий раствор, то бывает удобнее выражать содержание веществ в моль/л. Разумеется, количественный анализ немыслим без качественного. Наши лабораторные работы будут ограничены качественным анализом, но нужно получить представление и о количественном.

Почти любой метод качественного анализа можно превратить в количественный, измеряя результат подходящим прибором.

Если качественная реакция состоит в выпадении осадка, соответствующий прибор – это аналитические весы с погрешностью 10^-4-10^-5 г. Осадок нужно отфильтровать, промыть, высушить, взвесить и, зная его формулу, вычислить содержание определяемого элемента или функциональной группы.

Если качественная реакция – это появление окраски раствора, то можно измерить его коэффициент ослабления в соответствующей области спектра специальным прибором – кОлориметром (не путать с кАлориметром!), сравнить со стандартными растворами и тем самым определить концентрацию.

То же самое и со спектральными и дифракционными методами (см. ниже). Пока спектры и дифрактограммы регистрировали на фотоплёнке или фотопластинке, интенсивность линий можно было оценивать лишь очень грубо – по их почернению. Но уже более полувека существуют спектрометры и дифрактометры, оснащённые счётчиками квантов, которые измеряют интенсивность с высокой точностью и выдают результат в цифровой форме, готовой для обработки компьютером.

Важнейшие характеристики аналитических методов:

– селективность (избирательность): специфические реагенты и методы чувствуют только один строго определённый объект, не замечая других; высокоселективные выделяют не один объект, но относительно узкую группу объектов (например, катионов), а низкоселективные охватывают широкий круг объектов;

– чувствительность – минимальное содержание объекта, которое можно обнаружить данным методом;

– точность – относительная или абсолютная погрешность количественного анализа;

– затраты времени и труда, возможность автоматизации, стоимость аппаратуры;

– является ли метод разрушающим, или проба после анализа остаётся неизменной;

– возможность дистанционного анализа.

1.2. Химические и физические методы анализа

1.2.1. Условность классификации

Природа не знает деления на физику и химию, поэтому классификация методов довольно условна. Обычно к химическим методам относят те, которые основаны на выпадении и растворении осадков, выделении газов, появлении или изменении окраски. Взвешивание и измерение объёма ещё относятся к химическим методам, а измерение других физических свойств – к физическим или физико-химическим. Классические химические методы не требуют сложной аппаратуры, но длительны и трудоёмки. Физические и физико-химические методы легче поддаются автоматизации, но требуют специальных приборов. Некоторые из них по цене вполне доступны почти любой лаборатории, но есть и очень дорогие, и уникальные, которые доступны лишь в центрах коллективного пользования.

Количество различных физических параметров неопределённо велико, и почти каждый из них можно использовать для анализа. Но обычно, чтобы установить чёткое соотношение между содержанием анализируемого объекта и измеряемым параметром, нужна химическая дозировка – чаще всего взвешивание.

В нашем практикуме будет использован лишь один физический метод - рентгенофазовый анализ (работа 5). Небольшое число других методов кратко рассматривается ниже в пп. 1.2.2-1.2.7.

1.2.2. Масс-спектрометрия

Это, вероятно, единственный физический метод, который не требует химической калибровки. Анализируемая проба подвергается ионизации (например, электронным пучком) в глубоком вакууме, образующиеся ионы ускоряются электрическим полем и отклоняются магнитным. По величине отклонения определяется с высокой точностью отношение массы к заряду. А поскольку заряды почти всегда равны +1, определяются массы, причем не средние массы смеси изотопов, как в химии, а реальные атомные и молекулярные массы изотопных разновидностей. Таким образом, определяется молекулярная масса вещества (или продуктов его разложения), изотопный состав и количество молекул. Очень высокая чувствительность и точность, дорогая аппаратура.

1.2.3. Нейтронно-активационный анализ

Проба облучается нейтронами, в ней возникают радиоактивные изотопы, и каждый из них распознаётся по характерным энергиям излучения. Таким образом определяется элементный состав пробы с исключительно высокой чувствительностью. Для этого метода нужно иметь ядерный реактор. Проба не разрушается, но становится радиоактивной, т.е. опасной.

1.2.4. Оптический спектральный анализ

Это тоже метод определения элементного состава. При очень высокой температуре – в плазме – все вещества распадаются на атомы, которые при столкновениях возбуждаются и испускают излучение, энергии и длины волн которого строго специфичны для каждого элемента. Мы будем в практикуме использовать этот метод для качественного открытия некоторых элементов – щелочных и щелочноземельных. По спектру испускания можно анализировать удалённый предмет, но лишь при условии, что он сам служит источником излучения. Так был открыт элемент гелий – сперва на Солнце, и лишь потом – на Земле. Если же объект сам не испускает, то его надо возбуждать (нагреванием или облучением), а для этого надо иметь его внутри прибора. Для измерения спектра поглощения тоже нужно поместить образец внутрь прибора – между излучателем и приёмником излучения.

1.2.5. Рентгеноспектральный анализ

Это тоже метод определения элементного состава. Рентгеновские спектры, как и оптические, строго специфичны для каждого элемента, но они возникают при переходах электронов между внутренними энергетическими уровнями атомов, и рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество. Поэтому для возбуждения рентгеновского спектра не нужно разрывать химические связи, испарять или растворять вещество – достаточно облучить его рентгеновскими лучами более высокой энергии. Это метод неразрушающий. При стандартной методике проба, как и в предыдущем случае, должна находиться внутри стационарного прибора. Но для анализа крупных конструкций, объектов искусства или археологии разработаны переносные аппараты, которые размещаются рядом с анализируемым предметом.

Два основных ограничения рентгеноспектрального анализа: лучи, испускаемые одним элементом, могут избирательно ослабляться другими элементами, поэтому для количественного анализа нужно использовать калибровку по стандартным образцам известного состава, близкого к составу анализируемых проб; трудно анализировать лёгкие элементы.

1.2.6. Методы колебательной спектроскопии

Инфракрасные спектры поглощения возникают в результате возбуждения в веществе колебаний, энергия которых специфична для определённых атомных групп. По положению пиков поглощения судят о наличии таких групп, т.е. это метод функционального анализа. Как и в оптической спектроскопии поглощения, пробу нужно располагать между излучателем и приёмником излучения, т.е. внутри прибора. Уникальную возможность дистанционногофункционального анализа даёт спектроскопия комбинационного рассеяния света (в западной литературе – Рамановская спектроскопия). Объект возбуждается лучом лазера, квантами малой энергии (в отличие от рентгеновских квантов или ионизации в электрической дуге), комбинационное рассеяние происходит в разные стороны, в том числе – в сторону излучателя, поэтому объект не обязательно должен находиться внутри прибора или близко к нему. Этим методом можно, например, обнаружить пары алкоголя в салоне движущегося автомобиля с закрытыми стёклами, или определить состав камня, образовавшегося в почке, без его извлечения, с помощью гибкого световода.

1.2.7. Газовая хроматография

Этот метод представляет собой замечательное сочетание методов разделения и количественного анализа, поддающееся полной автоматизации. Смесь газов или паров с газом-носителем (обычно водородом) проходит через колонку с твёрдым сорбентом (поглотителем). Различные вещества удерживаются сорбентом по-разному и потому появляются на выходе из колонки не одновременно. При достаточной длине колонки происходит полное разделение. Сперва на выходе – чистый водород. Потом – водород с примесью первого вещества. Потом опять чистый водород. Потом водород с примесью второго вещества и т.д. Количество вещества определяется по понижению теплопроводности газа (у водорода она максимальна), а природа вещества – по времени его появления. Если анализируются однотипные смеси в одинаковых условиях – этого достаточно для опознания вещества и полуколичественного анализа. Но для большей надёжности можно направить газ на масс-спектрометрию. Такие комбинированные приборы называются хромато-масспектрометрами.

Хроматография незаменима при анализе сложных органических объектов: пищевых продуктов, фармацевтических препаратов, в биохимии, при допинг-контроле и т.д. Но, разумеется, она неприменима в анализе малолетучих или трудно растворимых объектов: керамики, минералов, горных пород, металлов и сплавов. Тут более эффективны рентгенофазовый и рентгеноспектральный методы.

1.3. Общие рекомендации к лабораторному практикуму (работам 2-4)

Чтобы не исказить результаты опытов, пробирки нужно тщательно мыть водопроводной водой и затем ополаскивать небольшим количеством дистиллированной воды. Водопроводная вода содержит растворённые соли, поэтому в ней можно будет обнаружить ионы кальция, натрия, сульфата и хлорида, даже если их нет в Вашей пробе.

Растворы для опытов берите в таких количествах, чтобы после добавления всех реагентов суммарный объём не превышал 1/4 объёма пробирки. Иначе растворы будет трудно перемешать, внизу останется избыток одного реагента, вверху другого, а если начнётся выделение газа, то содержимое может выбросить из пробирки. Типичный объём пробирки – 20 мл, значит каждого раствора берите не более 1-2 мл. Этого вполне достаточно для наблюдений, а бОльшие количества только мешают.

Неиспользованные реактивы нельзя возвращать в исходную банку во избежание загрязнения. Приходится из выбрасывать.

Если пробирку с раствором нужно нагревать огнём, она снаружи должна быть сухой. Используйте пробиркодержатель и направляйте отверстие в сторону от себя и других людей на случай резкого вскипания. Концентрированные кислоты и растворы аммиака, другие сильно пахнущие вещества (растворы хлора, брома, сероводорода) находятся в вытяжном шкафу, и там же нужно делать все опыты с ними.

Не все, но многие используемые реактивы едкие или ядовитые, поэтому ни в коем случае нельзя их пробовать на вкус, нельзя допускать их попадания на кожу, на одежду, тем более в глаза, а если такое всё же произошло, то нужно немедленно промыть поражённое место водой и сообщить преподавателю или лаборанту.

Дата добавления: 2015-07-20