Аналитическая химия

Цель работы: изучение различных аналитических методов.

Теоретическая часть

Аналитическая химия – наука о методах изучения состава вещества. Она состоит из двух основных разделов: качественного и количественного анализа. Качественный анализ – это совокупность методов установления качественного химического состава тел – идентификации атомов, ионов, молекул, входящих в состав анализируемого вещества. Важнейшими характеристиками каждого метода качественного анализа являются: специфичность и чувствительность. Специфичность характеризует возможность обнаружения искомого элемента в присутствии других элементов, например, железа в присутствии никеля, марганца, хрома, ванадия, кремния и др.

Задача количественного анализа – определение количественных отношений между элементами, ионами, молекулами. Обычно результаты количественного анализа выражают в процентах.

При исследовании нового соединения качественный анализ обычно предшествует количественному. Однако в агрохимической практике нередко отступают от этого правила. Когда качественный состав анализируемого материала (почвы, растения, удобрения) достаточно известен, можно сразу приступить к количественному анализу, выбрав наиболее подходящий метод.

Теоретические основы химического анализа составляют физико-химические законы и, прежде всего, периодический закон Д.И.Менделеева. Аналитическая химия располагает многочисленными и разнообразными методами, которые подразделяют на химические, физические и физико-химические. Первые основаны на химических превращениях, протекающих в растворах и приводящих к появлению осадков, изменению окраски, выделению газообразных веществ. Существуют также методы фазового разделения смесей веществ (или ионов): хроматография, соосаждение, экстракция и другие.

Решение задач количественного анализа включает несколько стадий:
постановка задачи; выбор метода; отбор образца; подготовка образца к анализу; обработка результатов.

Методы количественного анализа классифицируют по измеряемым показателям (свойствам), таким, как масса вещества, объем раствора, интенсивность спектральных линий элементов, поглощение видимого инфракрасного или ультрафиолетового излучения, рассеивание света, вращение плоскости поляризации, адсорбционные свойства сорбентов, электропроводность раствора, электродный потенциал, величина диффузионного тока, число радиоактивных импульсов.

В количественном анализе есть несколько методов, основанных на определении положения химического равновесия. К ним относятся, в частности, гравиметрия и титриметрия.

Гравиметрия (весовой метод). В гравиметрии определяемое вещество переводят в химически чистое состояние или превращают в весовую форму – соединение с точно известным постоянным составом, которое можно легко выделить и взвесить. Количество анализируемого вещества рассчитывают исходя из массы весовой формы и уравнения реакции, связывающей это вещество с весовой формой. Весовые методы анализа очень точны, но гравиметрия – продолжительная процедура, поскольку и перевод определяемого вещества в весовую форму, и выделение ее из смеси требуют времени. Одно из основных преимуществ весовых определений заключается в том, что не нужно калибровать приборы или готовить стандартные растворы. Результат получают, взвесив осадок и зная состав участвующих в реакции соединений.

Титриметрия (объемный метод). В титриметрии концентрацию определяют, измеряя объем стандартного или титрованного реагента (титранта), израсходованного в химической реакции с определяемым веществом в растворе (или газовой фазе). Измерение проводят с помощью процедуры титрования. Это простой, относительно быстрый, универсальный и точный метод. При титровании титрант добавляют порциями или непрерывно с небольшой постоянной скоростью и измеряют его объем до тех пор, пока не будет достигнута точка эквивалентности, отвечающая объему титранта, при котором в реакцию вступает все определяемое вещество. Точку эквивалентности находят, непрерывно следя за изменением тех или иных свойств титруемого раствора (цвета, оптической плотности, электрохимических свойств и т.д.) при помощи специальных приборов или визуально. Чтобы данную химическую реакцию можно было использовать в титровании, участвующие в ней вещества должны находиться в строго определенных количественных (стехиометрических) соотношениях. Реакция должна протекать быстро и практически до конца, а точка эквивалентности точно фиксироваться. Чаще всего используют реакции нейтрализации (кислотно-основные), комплексообразования и окислительно-восстановительные.

Качественный анализ проводят с помощью специальных реагентов, которые специфически взаимодействуют только с определяемым веществом. Различают индивидуальные и групповые реактивы. Индивидуальный реактив образует специфические соединения только с одним элементом, ионом или молекулой, например, гексацианоферрат(II) калия образует синий осадок только при взаимодействии с катионом Fe⁺³. Групповой реагент образует характерные соединения с группой элементов, ионов или молекул, например, карбонат-анион образует белый осадок с металлами II группы – Ca, Sr, Ba и является реактивом на катионы II аналитической группы. Чувствительность определяет наименьшее количество иона, которое может быть обнаружено данным методом; чувствительность выражается для современных методов значениями порядка 1 мкг (одной миллионной доли грамма).

К катионам I-ой аналитической группы относятся ионы K⁺, Na⁺, Мg⁺², Li⁺, Rb⁺, Cs⁺ и ион аммонния NH₄⁺. Эти ионы образуют растворимые соли, гидроксиды (кроме Mg(OH)₂) и при отделении катионов других групп остаются в растворе. Поэтому эти катионы не имеют группового реагента. Определитьих в растворе можно только после полного удаления из раствора всех других катионов. Водные растворы катионов I группы бесцветны.

К катионам II-ой аналитической группы относятся ионы Са²⁺, Sr²⁺, Ва²⁺. Сульфаты, фосфаты, оксалаты, карбонаты этих металлов трудно растворимы, что отличает их от катионов I группы. Сульфиды этих металлов растворимы в воде, что отличает катионы II группы от катионов III, IV и V аналитических групп. Групповым реагентом катионов II группы служит карбонат аммония (NН₄)₂СО₃. Наи­более полное осаждение карбонатов СаСО₃, SrСО₃, ВаСО₃ достигается в присутствии ам­миака и хлорида аммония (рН»9,2) из нагретого до 80 °C раствора. Полученные осадки отфильтровывают и растворяют в соляной или уксусной кислоте.

К катионам III-ей аналитической группы относятся ионы Zn²⁺, А1³⁺, Сr³⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Ni²⁺, Со²⁺. От I и II групп катионы этой группы отличаются тем, что их сульфиды практически нерастворимы в воде, но растворяются в разбавленных кислотах. Сульфиды алюминия и хрома (III) разлагаются водой вследствие гидролиза с образованием гидроксидов. Групповым реагентом катионов III группы является сульфид аммония (NH₄)₂S. Наи­лучшая полнота осаждения достигается при рН³7,2; поэтому на практике используют аммонийную буферную смесь с рН»8..9.

К анионам I-ой аналитической группы относятся сульфаты SO₄^2-, сульфиты SO₃^2–, тиосульфаты S₂O₃^2–, карбонаты СО₃^2–, фосфаты РO₄^3–, арсенаты AsO₄^3–арсениты AsO₃^3-, бораты ВО₂^- или тетрабораты В₄О₇^2–, хроматы СrO₄^2–, фториды F^–,силикаты SiO₃^2–, оксалаты С₂O₄^2–. Эти анионы образуют с ионами бария трудно растворимые в воде соли, которые (исключение BaSО₄) растворимы в кислотах. Поэтому групповым реагентом анионов I группы является ВаСl₂ в нейтральном или слабощелочном (рН=7…9) растворе. Соли, образуемые анионами I группы с ионом Ag⁺, в отличие от солей, образуемых анионами II группы, растворимы в разбавленной азотной кислоте или даже в воде (Ag₂SO₄, AgF). Водные растворы анионов I группы бесцветны, кроме хромат-иона СrO₄^2–, который имеет желтый цвет.

К анионам II-ой аналитической группы относятся хлориды Сl^–; иодиды J^– бромиды Вr^–; сульфиды S^2–; роданиды CNS^–; ферроцианиды [Fe(CN)₆]^4–; ферицианиды [Fe(CN)₆]^3–. Эти анионы осаждаются ионом Ag⁺ в азотнокислом растворе, т.к. образуемые ими соли серебра нерастворимы в разбавленной азотной кислоте (сульфид серебра Ag₂S растворяется в HNO₃ при нагревании). Следовательно, групповым реагентом II группы анионов является AgNO₃, подкисленный разбавленной азотной кислотой (при подкислении исследуемого раствора ион S^2- может окислиться до серы или даже до иона SO₄^2–). Соли бария анионов II группы растворимы в воде. В водных растворах анионы II груп­пы бесцветны, кроме ферроцианид-иона [Fе(СN)₆]^{4– -}(зеленовато-желтый цвет) и феррицианид-иона [Fе(СN)₆]^3– (желтовато-бурый цвет).

К анионам III-ей аналитической группы относятся перманганаты МnO₄^–, ацетаты СН₃СОО^–, нитраты NO₃^–, нитриты NO₂^–. Соли бария и серебра этой группы анионов растворимы в воде, поэтому ни AgNO₃, ни BaCl₂ не осаждают их из раствора. Группового реагента анионов III группы нет.

Водные растворы анионов NO₂^–, NO₃^–, СН₃СОО^– – бесцветны, перманганаты МnO₄^– имеют малиново-фиолетовый цвет.

Экспериментальная часть

Качественные реакции катионов I аналитической группы

Окрашивание пламени Na⁺ и К⁺ . Стеклянную палочку опустить в раствор ионов Na⁺ и затем поместить в пламя горелки. Палочку вымыть, опустить в раствор ионов К⁺ и поместить в пламя горелки.

Качественная реакция на Na⁺. В пробирку налить 5 мл цинк-уранилацетата и добавить 2-3 капли раствора, содержащего катионы Na⁺.

Качественная реакция на К⁺. В пробирку налить 5 мл раствора, содержащего катионы К⁺, и добавить 5 мл свежеприготовленного 0,1н раствора кобальтнитрита натрия Na₃[Со(NO₂)₆].

Качественная реакция на NH ₄⁺. В пробирку налить 5 капель раствора NH₄Cl и 5 капель 1н NaOH. Поверх пробирки положить универсальную индикаторную бумагу и пробирку подогреть на пламени горелки.

Дата добавления: 2015-07-11