ТЕМА: Правила работы и техники безопасности в химической лаборатории. Аналитические свойства веществ и аналитические реакции. Методы систематического хода анализа катионов.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1

ТЕМА: Правила работы и техники безопасности в химической лаборатории. Аналитические свойства веществ и аналитические реакции. Методы систематического хода анализа катионов.

Задачи и цели лабораторных занятий по качественному анализу:

1. Расширение и закрепление знаний, полученных студентами по общей и неорганической химии, демонстрирующих связь аналитических свойств соединений с положением элементов в периодической системе Д.И. Менделеева

2. Приобретение практических навыков работы по качественному химическому анализу

3. Применение основных теоретических положений аналитической химии при решении конкретных задач химического анализа

Умения и навыки, приобретаемые студентами при проведении лабораторных занятий по качественному анализу

1. Решение конкретных практических задач по определению качественного состава анализируемого вещества

2. Овладение техникой выполнения основных операций в качественном анализе (центрифугирование, промывание осадка, осаждение и растворение осадка, фильтрование, пробы на окрашивание пламени и т. д.)

3. Составление схемы качественного анализа в пределах использования основных приемов и методов, предусмотренных программой

4. Самостоятельная работа с учебной и справочной литературой

5. Приобретение практических навыков выполнения качественных реакций (пробирочный способ, микрокристаллоскопический анализ, капельный анализ и др.) и навыков работы с основными типами приборов, используемых в качественном анализе

6. Применение полученных знаний для анализа лекарственных средств и биологически активных веществ.

ИНФОРМАЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

Качественный анализ – идентификация (обнаружение) атомов, молекул или ионов в анализируемом объекте.

Аналитическая реакция – это химическая реакция, при которой анализируемое вещество при взаимодействии с аналитическим реагентом образует продукт с заметными аналитическими признаками.

Аналитические реакции могут быть проведены с веществами, находящимися в твердом (анализ «сухим» способом) или в растворенном состоянии (анализ «мокрым» способом).

К аналитическим признакам реакции относятся: образование окрашенных соединений, выделение или растворение осадков, образование газов, кристаллов характерной формы, соединений, люминесцирующих в растворах, окрашивание пламени газовой горелки в соответствующий цвет.

В зависимости от аналитического признака (сигнала) реакции подразделяются следующие типы:

По технике выполнения реакции с веществами в растворенном состоянии делят на пробирочные, капельные, экстракционные и микрокристаллоскопические.

Пробирочные реакции проводят в цилиндрических или конических пробирках, добавляя к 2-3 каплям исследуемого раствора после создания необходимых условий реакции (рН, температура, катализатор и т. д.) 3-4 капли реагента. Растворы вносят пипеткой так, чтобы ее носик не касался стенок пробирки. Наблюдают за аналитическим сигналом реакций.

Капельные реакции (Тананаев Н.А., Файгль Ф.) проводят на фарфоровых или стеклянных пластинках или фильтровальной бумаге. На полоску фильтровальной бумаги наносят капиллярной пипеткой каплю раствора реагента диаметром 2-3 мм. В центр полученного пятна аналогичным образом наносят каплю исследуемого раствора.

Экстракционные реакции проводят в пробирке, извлекая продукт реакции в слой органического растворителя, в котором наблюдают окрашивание.

Микрокристаллоскопические реакции (Ловиц Т.Е., 1804) проводят, помещая на сухое и чистое предметное стекло рядом капли анализируемого раствора и реагента(ов) диаметром 5-10 мм. Капли соединяют стеклянной палочкой, иногда проводят легкое нагревание предметного стекла. Аналитический сигнал реакции наблюдают через 2-3 минуты под микроскопом, регистрируя форму кристаллов.

В зависимости от наблюдаемого аналитического сигнала реакции в растворах делят на осадочные, пирохимические, газовыделительные, цветные, люминесцентные и микрокристаллоскопические.

Реакции	Аналитический сигнал
Осадочные	Растворение или выделение осадка
Газовыделительные	Выделение газа
Цветные	Появление окраски или обесцвечивание окрашенного раствора
Люминесцентные	Свечение раствора после проведения реакции или гашение люминесценции
Микрокристаллоскопические	Кристаллы определенной формы, цвета и размера, наблюдаемые под микроскопом

Аналитические реакции с твердыми веществами делят на механохимические (порошковый анализ, или растирание сухих солей) и пирохимические (проба на окрашивание бесцветного пламени горелки, образование окрашенных перлов). Применяется также анализ в газовой фазе.

Пирохимические реакции – реакции проводят сплавлением, нагревом на древесном угле, в пламени газовой горелки или паяльной лампы.

Протекающие в этих реакциях процессы окисления-восстановления приводят к образованию окрашенных продуктов (оксидов или металлов).

Наиболее употребимой пирохимической реакцией является окрашивание пламени.

При внесении соединений некоторых металлов в пламя газовой горелки наблюдается окрашивание пламени в тот или иной цвет в зависимости от природы металла (табл.1).

Таблица 1

Окрашивание пламени соединениями некоторых элементов

Элемент	Цвет пламени	Элемент	Цвет пламени
Литий Натрий Калий Рубидий Кальций Стронций Барий Бор	Карминово – красный Желтый Фиолетовый Розово – фиолетовый Кирпично – красный Карминово – красный Желто – зеленый Зеленый	Индий Таллий Свинец Мышьяк Сурьма Селен Медь Молибден	Сине – фиолетовый Изумрудно – зеленый Бледно – синий Бледно – синий Бледно – синий Бледно – синий Зеленый, голубой Желто - зеленый

Это явление объясняется следующим. При высокой температуре соли в пламени разлагаются с образованием нейтральных атомов металлов. Атомы в пламени поглощают энергию, возбуждаются, и, возвращаясь в невозбужденное состояние, испускают свет определенной длины волны. Если излучение лежит в видимой области спектра, глаз фиксирует ту или иную окраску пламени. Окрашивание пламени газовой горелки солями металлов используется в качественном анализе для предварительного открытия катионов этих металлов, которое впоследствии должно быть подтверждено химическими реакциями.

Образование соединений, люминесцирующих в растворах.

Иногда в качественном анализе используются аналитические реакции, продукты которых люминесцируют при облучении их ультрафиолетовым или видимым светом. При этом наблюдается окрашенное свечение раствора.

Примером может служить взаимодействие катиона натрия Na⁺ c уранилацетатом в уксуснокислой среде (желто - зеленая люминесценция) или реакция катиона Li⁺ с 8-оксихинолином (излучение голубого цвета).

Качественный анализ катионов включает дробный и систематический анализ.

В дробном анализе (Тананаев Н.А., 1950) обнаружение анализируемых ионов в отдельных порциях исследуемого раствора проводят с использованием специфических или селективных реакций в любой последовательности.

Систематический анализ предусматривает последовательное разделение смеси катионов по аналитическим группам с помощью групповых реагентов и последующее обнаружение отдельных катионов. Деление катионов на аналитические группы основано на различной растворимости соединений катионов с групповыми реагентами. В связи с применением различных групповых реагентов сформировались аналитические классификации катионов, наибольшее распространение из которых получили сульфидная (сероводородная, Меншуткин Н.А., 1871), аммиачно-фосфатная и кислотно-основная (Бесков С.Д., Слизковская О.А., 1947, усовершенствованная Коренманом И.М.). В соответствие с действующей программой по аналитической химии для студентов фармацевтических вузов и факультетов на кафедре используется метод анализа, основанный на кислотно-основной классификации катионов, обладающий рядом преимуществ по сравнению с другими классификациями: он исключает использование токсичного сероводорода, более прост и экономичен в исполнении и т. д.

Таблица 2

Кислотно-основная классификация катионов

Аналитичес- кая группа катионов	Катионы	Групповой реагент	Продукты взаимодействия с групповым реагентом, аналитический сигнал
I	К^+, Na^+, NH	–	–
II (хлоридная)	Ag^+, Pb^2+, Hg	2 моль/л pаствор НCl	AgCl, PbCl2, Hg2Cl2 – осадки белого цвета
III (сульфатная)	Ba^2+, Ca^2+, Sr^2+	1 моль/л раствор Н2SO4	BaSO4, CaSO4, SrSO4 – осадки белого цвета
IV (амфолитная)	Al^3+, Sn^2+, Sn^IV, As^III, As^V, Cr^3+, Zn^2+	Избыток 2 моль/л раствора щелочи в присут­- ствии H2O2	Гидроксокомплексы: [Al(OH)6]^3–, [Sn(OH)6]^2-, [Sn(OH)4]^2–, [Zn(OH)4]^2- – бесцветные растворы, [Сr(OH)6]^3– – изумрудно- зеленый раствор, AsO
V (гидро­- ксидная)	Mg^2+, Mn^2+, Fe^2+, Fe^3+, Bi^3+, Sb^III, Sb^V	избыток 2 моль/л раствора NaOH	Mn(OH)2, Fe(OH)2 – осадки белого цвета, буреющие на воздухе; MnO2, Fe(OH)3 – осадки бурого цвета; Mg(OH)2, Bi(OH)3, Sb(OH)3, НSbO3 – осадки белого цвета
VI (аммиа- катная)	Cu^2+, Cd^2+, Ni^2+, Co^2+, Hg^2+	избыток NH3, конц.	Аммиакатные комплексы: [Cu(NH3)4]^2+-ярко-синий [Ni(NH3)6]^2+-сиреневый [Co(NH3)6]^2+-желтый [Cd(NH3)4]^2+ и [Hg(NH3)4]^2+ – бесцветные растворы

В химическом анализе катионов используют специфические (характерные), селективные (избирательные), групповые реакции и реагенты.

Техника выполнения основных операций химического анализа

Осаждение

К нескольким каплям исследуемого раствора прибавляют необходимое количество капель реагента, создав предварительно условия реакции. Содержимое пробирки тщательно перемешивают, нагревая при необходимости на водяной бане. Если реакция осаждения используется для отделения иона от других ионов в растворе, то ее проводят в пробирке для центрифугирования, добиваясь полноты осаждения от­деля­емого иона. Для проверки полноты осаждения после центрифугирования выделившегося осадка к надосадочной жидкости добавляют каплю осадителя. Осаждение считается полным, если раствор при этом остается прозрачным. При неполном осаждении реакцию осаждения повторяют.

Отделение раствора от осадка методом центрифугирования

Осадок от раствора чаще всего отделяют с помощью электрических центрифуг.

· Для центрифугирования используют конические пробирки, одинаковые по размеру и форме.

· Уровень жидкости в пробирки для центрифугирования должен быть на 6-8 мм ниже края пробирки во избежание ее попадания в гильзу центрифуги.

· Каждая пробирка, помещенная в гильзу центрифуги, должна быть уравновешена другой пробиркой, содержащей приблизительно равный объем воды, для сохранения баланса.

· Предохранительную крышку нельзя поднимать до полной остановки центрифуги.

· Прозрачный раствор после центрифугирования сливают с осадка (декантируют) или удаляют пипеткой.

Промывание осадка

Осадок после отделения раствора пропитан им и содержит имевшиеся в растворе ионы. Для полноты разделения необходимо проводить промывание осадка.

· Обычно осадок промывают дистиллированной водой

· Если осадок способен переходить в коллоидное состояние, его необходимо промывать раствором электролита – коагулятора

· Часто осадок промывают горячей жидкостью

Для промывания осадка к нему в пробирку добавляют 10-15 капель промывной жидкости, тщательно перемешивают стеклянной палочкой и помещают на водяную баню. После нагревания в течение 1 минуты центрифугируют и отделяют осадок от промывной жидкости декантацией. Для полной очистки осадка процедуру повторяют 2-3 раза.

Химическая посуда и приемы, используемые в химии.

В химии применяют разную химическую посуду: мерную (градуированная) и обычная (неградуированная).

Мерная посуда – пипетки, бюретки, мерные колбы – позволяет измерять объемы используемых в ходе анализа растворов с требуемой точностью. Например, погрешность измерения объемов с помощью пипетки вместимостью 10 мл составляет ±0,04 мл, с помощью бюретки вместимостью 25 мл – ±0,06 мл, с помощью мерных колб вместимостью 100 мл, 200 мл, 250 мл – ±0,20 мл. Погрешности приведены для посуды 2-го класса. Посуда 1-го класса имеет примерно вдвое меньшие погрешности.

Мерные колбы – плоскодонные сосуды шарообразной или грушевидной формы с узким и длинным горлом. На горлышке нанесена метка в виде тонкой кольцевой черты, до которой нужно налить воду, чтобы вместимость ее была равна обозначенной на колбе (по нижнему краю мениска). Ёмкость колбы указана в надписи на ней, а также температура, при которой эта ёмкость измерена. Мерные колбы снабжаются притертой стеклянной пробкой или их закрывают резиновой или корковой пробкой. Наиболее часто применяют мерные колбы емкостью 1000, 500, 250, 200, 100 и 50 мл.

Мерные колбы применяют для измерения объемов и приготовления растворов с точной концентрацией, в них не разрешается хранить растворы в течение продрлжительного времени, а также нагревать их или проводить в них какие – либо реакции, так как при этом стекло колбы выщелачивается и ёмкость колбы может измениться.

Конические колбы применяются для титрования.

Пипетки используются для отбора определенного объема жидкости. Обычная пипетка представляет собой стеклянную трубку с расширением посередине. Нижний конец пипетки оттянут в капилляр. Пипетки бывают двух видов - неградуированные и градуированные. Неградуированные пипетки имеют метку на верхнем конце, до которой необходимо заполнить пипетку, и расширение, увеличивающее её ёмкость. Такие пипетки предназначены для точного измерения выливаемой жидкости. Если пипетку заполнить точно до метки, а затем вылить из нее жидкость, то объем вылитой жидкости будет равен обозначенному на пипетке. Наиболее часто применяют пипетки емкостью 10, 20, 25 и 50 мл. Градуированные пипетки представляют собой цилиндрические трубки с оттянутым концом. По всей длине измерительной пипетки нанесены деления, указывающие емкость в долям миллилитра.

Для хранения пипеток предназначены специальные штативы. Заполняют пипетку раствором с помощью резиновой или автоматической груши, втягивать раствор в пипетку ртом запрещается, так как возможно засасывание жидкости в рот.

Бюретка представляет собой длинную стеклянную трубку, калиброванную по длине на миллилитры и их доли, снабженную на нижнем конце запорным приспособлением в виде стеклянного крана; либо с расширением, к которому посредством резиновой трубки присоединена стеклянная трубка, оттянутая в капилляр, просвет резиновой трубки закрыт с помощью стеклянного шарика или используют зажим Мора. Бюретки изготавливают ёмкостью 25, 50 или 100 мл. Заполнение бюреток производят с помощью воронки или через специальные устройства, после заполнения бюретки до нулевого деления (по нижнему мениску) воронка обязательно удаляется. Бюретки применяются при титровании для измерения точных объемов жидкости.

Мерные (измерительные) цилиндры используются для приблизительных измерений объемов растворов. При использовании этими цилиндрами следует учитывать, что абсолютная точность измерения зависит от диаметра: чем шире цилиндр, тем меньше его точность. Поэтому при одинаковой абсолютной ошибке измерения различных объемов одним и тем же цилиндром относительная ошибка тем больше, чем меньше измеряемый объем. Следовательно, нельзя измерять большим цилиндром малые объемы. Для точного измерения объемов мерные цилиндры не используются. Очень удобны в лаборатоной практике цилиндры, калиброванные одновременно на вливание (снизу – вверх) и на выливание (сверху – вниз).

Химические стаканы с носиком вместимостью от 50 до 1000 мл предназначены для проведения различных химических операций, например осаждения, титрования с использованием магнитной мешалки, приготовления растворов, переливания жидкостей.

Воронки применяются для заполнения мерных колб, бюреток, а также операции фильтрования в гравиметрическом (весовом) анализе. В воронку вкладывают фильтр, сложенный определенным образом, изготовленный из специальной беззольной бумаги. Беззольные фильтры практически не дают золы. Масса остатка после сжигания беззольного фильтра обычно не превышает допустимых норм (не более 0,0001 г) и указывается на обертке пачки дисков.

Эксикаторы предназначены для охлаждения горячих тиглей и бюксов до комнатной температуры и хранения гигроскопических веществ. Эксикатор представляет собой цилиндрический сосуд с крышкой, дно которого переходит в коническое расширение.

На дно эксикатора помещают вещество, поглощающее влагу из воздуха, - концентрированную серную кислоту, безводный хлорид кальция.

Промывалки применяются для промывания посуды, а также для смывания осадков. Промывалка представляет из себя пластиковый или стеклянный сосуд, закрытый крышкой в которую вставлена трубка.

Пробирки представляют собой запаянный с одного конца стеклянный цилиндр. Пробирки бывают нескольких видов – плоскодонные, круглодонные, с притертой пробкой, центрифужные, а также мерные пробирки с нанесенными на стенках делениями. Пробирки хранят в специальных штативах. Мерные пробирки не предназначены для точного отмеривания объема жидкости.

Бюксы применяют для хранения и взвешивания навески веществ на аналитических весах. Бюкс представляет собой стаканчик с пришлифованной крышкой высотой 25 – 50 мм.

Тигли предназначены для сжигания и прокаливания навески веществ. Прокаливания и сжигания навески проводят в муфельных и тигельных печах, где создается высокая температура (800 - 1000ºС).

Фарфоровые чашки предназначены для выпаривания небольших объемов растворов. Внутренняя поверхность глянцевая.

Фарфоровые ступки используются для измельчения твердых веществ. В отличии от фарфоровой чашки внутренняя поверхность шершавая.

Дата добавления: 2015-10-21