Лекция "Аналитическая химия"

Аналитическая химия - лекция №1

Аналитическая химия: предмет, цель и задачи, основные понятия, принципы

Анализ - это метод исследования, основанный на разложении данного сложного вещества на более простые составные части и последующее определение этих составных частей особыми способами. Противоположностью анализа в химии является синтез - получение сложного вещества из более простых.

Аналитическая химия -- это наука, разрабатывающая теоретические основы и практические методы химического анализа.

Аналитическая химия позволяет решать многие задачи:

1. Выяснить природу вещества (органическое или неорганическое).

2. Установить формы нахождения отдельных составляющих (ионы, молекулы, атомы) и степени окисления элементов.

3. Определить состав и содержание главного (основного) компонента и посторонних в нем примесей, а также микропримесей в особо чистых технических объектах.

4. Установить формулу неизвестного соединения.

5. Установить структурные элементы и строение соединения.

Аналитическая химия состоит из двух больших разделов - качественного и количественного анализа.

Качественный анализ - обнаружение или «открытие» отдельных элементов или ионов, входящих в состав веществ.

Количественный анализ - определение количественного содержания отдельных составных частей исследуемого вещества.

Задачи аналитической химии могут быть решены с помощью различных методов: химических, физических и физико-химических.

В химических методах качественного анализа определяемый элемент или ион переводят в какое-либо соединение химическим путем, обладающее теми или иными свойствами, на основании которых можно установить, что образовалось именно это соединение. Про-исходящее химическое превращение называется аналитической реакцией, а вещество, его вызывающее, -- реагентом. Примером аналитической реакции может быть реакция взаимодействия хлорид -ионов с катионами серебра, в результате которой образуется белый творожистый осадок AgClv. При этом можно сказать, что хлориды являются реагентом на катионы серебра, и наоборот.

Cl ? + Ag + = AgClv

Физические методы анализа - это методы, которые позволяют определить состав вещества, не прибегая к использованию химических реакций. Физические методы основаны на измерении каких-либо параметров системы (оптических, электрических, магнитных, тепловых), которые являются функцией состава. К физическим методам анализа относятся спектральный, люминесцентный, рентгеноструктурный, масc-cпектрометрический методы анализа. Например, в спектральном анализе исследуют спектры излучения, возникающие при внесении вещества в пламя горелки, электрической дуги и др. По наличию в спектре линий, характерных для данных элементов, судят о присутствии этих элементов в исследуемом веществе, а по яркости линий -- об их количественном содержании.

Физико-химические методы анализа основаны на изучении физических явлений, которые происходят при химических реакциях. Например, колориметрия - использует явление изменения цвета раствора в ходе хим. реакции, кондуктометрия - изменение электропроводности и т.д.

Между физическими и физико-химическими методами не всегда можно провести строгую границу. Иногда их объединяют под общим названием «инструментальные» методы, так как для выполнения тех или иных измерений нужны «инструменты» -- приборы, позволяющие с большой точностью измерять значения определенных параметров, характеризующих те или иные свойства вещества.

В зависимости от того, с какими количествами вещества оперируют при выполнении аналитических реакций, различают: макро-, полумикро-, микро- и ультрамикрометоды качественного анализа.

При макроанализе исследуют сравнительно большие количества вещества (0,5--1 г) или 20--50 мл растворов. Реакции проводят в обычных пробирках (емкостью 10--20 мл), химических стаканах.

При микроанализе обычно имеют дело с примерно в 100 раз меньшими количествами исследуемого вещества, т.е. с несколькими миллиграммами твердого вещества или с несколькими десятыми долями миллилитра раствора. При этом пользуются высокочувствительными реакциями, позволяющими обнаружить присутствие отдельных составных частей даже при малом содержании их в исследуемом веществе. Реакции выполняют либо микрокристаллоскопическим, либо капельным методом.

При анализе микрокристаллоскопическим методом реакции обычно проводят на предметном стекле и о присутствии обнаруживаемого иона (элемента) судят по форме образующихся кристаллов, рассматриваемых под микроскопом. аналитический химия реакция

В капельном методе применяют реакции, сопровождающиеся изменением окраски раствора или образованием окрашенных осадков. Реакции чаще всего выполняют на полоске фильтровальной бумаги, нанося на нее в определенной последовательности по каплям исследуемый раствор и реагенты. В результате реакции на бумаге получается окрашенное пятно, по цвету которого судят о наличии в исследуемом растворе обнаруживаемого иона.

Полумикроанализ занимает промежуточное положение между макро- и микроанализом. Количество исследуемого вещества составляет в этом методе приблизительно 50 мг твердого вещества или 1 мл раствора.

При работе по полумикрометоду, в основном, сохраняется вся система работы макроанализа с последовательным разделением и обнаружением ионов, но операции выполняются с малыми количествами вещества при помощи специальных методов и аппаратуры.

При ультрамикроанализе исследованию подвергают количе-ства вещества меньше 1 мг. Почти все операции анализа проводят под микроскопом.

Способы выполнения аналитических реакций

Аналитические реакции могут выполняться «сухим» и «мокрым» путем. В первом случае исследуемое вещество и реагенты берут в твердом состоянии и обычно осуществляют реакцию, нагревая их до высокой температуры; во втором случае наблюдают взаимодействие исследуемого вещества и соответствующих реагентов в растворе.

К реакциям, выполняемым сухим путем, относятся реакции окрашивания пламени солями металлов, а также реакции окрашивания плава, полученного при нагревании вещества с тетраборатом калия или фосфатом натрия в ушке платиновой проволоки.

Большинство аналитических реакций проводят мокрым путем, т.е. в растворах, а в процессе растворения многие вещества распадаются (диссоциируют) на ионы - положительно и отрицательно заряженные частицы.

В качественном анализе для установления состава вещества к нему прибавляют другие вещества, вызывающие химические превращения, сопровождающиеся образованием новых соединений, которые имеют характерные свойства, а именно:

- определенное физическое состояние (осадок, жидкость, газ)

- известную растворимость в воде, кислотах, щелочах

- характерный цвет, запах и т.п.



Требования к качественным реакциям:

1. Реакция должна протекать быстро, практически мгновенно,

2. Быть необратимой, т.е. протекать преимущественно в одном направлении,

3. Быть по возможности специфической,

4. Отличаться высокой чувствительностью.

Специфическими называются реакции, которые дают возможность обнаруживать (открывать) одни ионы в присутствии различных других ионов.

Чувствительность реакции определяется наименьшим количеством искомого вещества, которое может быть обнаружено данным реактивом в капле раствора.

Реакции, позволяющие обнаружить искомые ионы в отдельных порциях сложной смеси при условии устранения влияния других ионов, называют дробными реакциями, а метод анализа, основанный на применении дробных реакций, называют дробным анализом. При этом порядок обнаружения катионов и анионов не имеет особого значения. При систематическом анализе, в отличие от дробного, соблюдается определенный порядок разделения и последующего открытия ионов. К обнаружению ионов приступают лишь после удаления из раствора всех других ионов, мешающих открытию искомых.

КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ КАТИОНОВ

В аналитической химии все ионы делят на аналитические группы. Классификация катионов основана на растворимости их солей или других соединений. На основании различных классификаций катионов разработаны разные методы систематического анализа катионов.

Методы систематического хода анализа катионов.

Наиболее распространенными являются сероводородный, аммиачно-фосфатный, кислотно-основной. Исторически первым был сероводородный метод , (1871 г. Предложен русским ученым М. О. Меншуткиным). В основу положена разная растворимость сульфидов катионов в зависимости от рН среды (табл. 1.1). Аммиачно-фосфатный метод - основан на разной растворимости фосфатов катионов (табл. 1.2), кислотно-основной - на разной растворимости гидроксидов и солей (табл. 1.3).



Таблица 1.1

Классификация катионов по сероводородному методу

Группа	Катионы	Групповой реагент	Растворимость соед.
І	К+, Na+, Lі+, NH+, Мg2+	Нет	Сульфиды, карбонаты*, хлориды гидроксиды* растворяются в воде
II	Ва2+, Sг2+, Са2+	(НН4)2С0 3 , NH3*Н2О+ NН4Cl, рН - 9,25	Карбонаты не растворяются в воде
III	Fе2+, Fе3+, Сг3+, А13+, Мn2+, Ni2+ , Zn2+, Со2+	(НН4)2S, NH3 * Н2О+NH4С1, рН = 9,25	Сульфиды не растворяются в воде **, но растворяются в разб. кислотах
IV	Сu2+, Нg2+, Ві3+, Sn2+, Sn (IV), 5Ь (III), SЬ (V), Аs (III), Аs (V)	Н2S, НС1, рН = 0,5	Сульфиды не растворяются в воде ** и разб. кислотах
V	Аg+, РЬ2+, Нg2+	HCl	Хлориды не растворяются в воде и разб. кислотах

*--За исключ. Mg2+

**--сульфиды Сг3+, А13+ разлагаются водой



Таблица 1.2

Классификация катионов по аммиачно-фосфатному методу

Группа	Катионы	Групповой реагент	Растворимость соед.
І	Аg+, РЬ2+, Нg2+2	HCl	Хлориды не растворяются в воде
11	Sn2+, Sn (IV), SЬ (III), SЬ (V)	НNО3	Метастанатная и метастибатная кислоты не растворяются в воде
III	Ва2+, Sг2+, Са2+, Мg2+, Li+, Мn2+, Fе2+, А13+, Сг3+, Fе3+	(NН4)2НРО4, конц. NH3 * Н2О	Фосфаты не растворяются в воде и в избытке раствора аммиака
IV	Сu2+, Сd2+, Нg2+, Со2+, Nі2+, Zп2+	(NН4)2НРО4, конц. NH3 * Н2О	Фосфаты не растворяются в воде но растворяются в избытке раствора аммиака
V	Na+, К+, NН4+	Нет	Хлориды, нитраты и фос-фаты растворяются в воде



Таблица 1.3

Классификация катионов по кислотно-основному методу

Группа	Катионы	Групповой реагент	Растворимость соед.
І	К+, Na+, Lі+, NН4+	Нет	Хлориды, сульфаты, гид-роксиды растворяются в воде
II	Аg+, РЬ2+, Нg2+2	HCl	Хлориды не растворяются в воде
III	Ва2+, Sг2+, Са2+	Н2SО4 + +С2Н5ОН	Сульфаты не растворяются в воде
IV	А13+, Zn2+, Сг3+, Sn (II), Sn (IV), Аs (III), Аs (V)	Избыток конц. NaОН + 3 %-ый раствор Н2О2	Гидроксиды не растворяются в воде, но растворяются в избытке щелочи
V	Fе2+, Fе3+, Мg2+, Мn2+, Ві3+, SЬ (III), SЬ (V)	Избыток конц. NН3*Н2О	Гидроксиды не растворяются в воде избытке щелочи, растворе аммиака
VI	Cо2+, Ni2+, Cd2+, Сu2+, Нg2+	Избыток конц. NH3*Н2О	Гидроксиды не растворяются в воде и избытке щелочи, но растворяются в избытке раствора аммиака

КАТИОНЫ І -ой АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ

К+, Nа+, Li+, NН4+

Реакции катиона калия

1. *Действие натрия гидротартрата NaНС4Н4О6

образуется белый кристалл. осадок калия гидротартрата

К+ + NaHС4Н4О6 > КНС4Н4О6 v + Na+

Аналогично проводят реакцию с раствором тартратной кислоты



К+ + Н2С4Н4О6 > H+ + КНС4Н4О6 v

2.* Действие натрия гексанитрокобальтата (III) Na3[Со(NО2)6]

образуется желтый кристалл. осадок дикалийнатрия гексанитрокобальтата (III):

2К+ + Na+ + [Со(NO2)6]3- > К2Na[Со(NO2)6] v

3. Микрокристаллоскопическая реакция с динатрийплюмбума (II) гексанитрокупратом (II) Na2РЬ[Сu(NО2)6]

образуется черный осадок дикалийплюмбума (II) гексанитрокупрата (II):

2К+ + РЬ2+ + [Сu(NО2)6]4- > К2РЬ[Сu(NO2)6] v

4.* Действие натрия тетрафенилбората Na[В(С6Н5)4]

образуется белый кристалл. осадок калия тетрафенилбората:

К+ + [В(С6Н5)4] - > К[В(С6Н5)4] v

5.* Реакция окрашивания пламени

Соли калия окрашивают пламя горелки в фиолетовый цвет

Реакции катиона натрия

1.* Действие калия гексагидроксостибата (V) К[SЬ(ОН)6]

образуется белый кристалл. осадок:

Na+ + [SЬ(ОН)6]- = Na[SЬ(ОН)6] v



2. Действие цинктриуранилуоктаацетата Zn(UO2)3(СН3СОО)8

образуется желтый кристалл. осадок натрийцинктриуранила нонаацетат-вода:

Na+ + Zn2 + + ЗUO2 2+ + 8СН3СОО- 9Н2О + СН3СООН = NаZn(UO2)3(СН3СОО)9 * 9Н2Оv + H+

Под микроскопом кристаллы NаZn(UO2)3(СН3СОО)9 * 9Н2О имеют вид правильных октаэдров или тетраэдров.

3.* Реакция окрашивания пламени

Соли натрия окрашивают пламя горелки в желтый цвет

Реакции катиона аммония

1.* Действие щелочей

ионы аммония реагуют с NaОН и КОН при нагревании с выделением аммиака:

NН4+ + OH - = NН4OH = H2O + NН3 ^

Аммиак опр. по запаху или по окрашиванию влажной лакмусовой бумаги.

2.* Действие магния оксида МgО

Магния оксид реагует с водой :

MgO + H2O = Мg(ОН)2 Мg(ОН)2

NН4+ + Мg(ОН)2 = NН4OH = H2O + NН3 ^

МgO выделяет аммиак из солей, как и щелочи, но не разлагает летучие основания. Затем добавляют раствор Na3[Со(NО2)6].

2 NН4+ + Na+ + [Со(NO2)6]3- = ( NН4 )2Na[Со(NO2)6] v

образуется желтый осадок.

3.* Действие реактива Несслера К2[НgІ4] + КОН

образуется красно-бурый или желто-бурый осадок йодида основания Милона:

NН4+ + 2[НgІ4]2- + 4OH- = [Hg2NН2O]I v + 7I- + H2O

5. Реакция солей аммония при нагревании

Соли летучих кислот разлагаются полностью:

NН4Cl = NН3 ^ + НCl

Соли нелетучих кислот разлагаются частично:

(NН4) 2SO4 = NН3 ^ + NН4НSO4

Реакции катиона лития

І.* Действие фторида аммония NH4F

Образуется белый осадок LiF:

Li+ + F- = LiFv

2. Действие динатрия гидрофосфата Na2НРО4

Образуется белый осадок

3Li+ + НРО42- > H + + Li3 РО4 v



5.* Реакция окрашивания пламени

Соли лития окрашивают пламя горелки в красный цвет

Действие некоторых реагентов на катионы І аналитической группы

Реагент	Катионы
	К+	Na+	Lі+	NН4+
КОН, NaOН				Выделяется NН3 (при нагревании)
К2СО3, Nа2СО3			белый кристалл. осадок Lі2СО3, растворяется в кислотах	Выделяется NН3 (при нагревании)
NaНС4Н4О6	белый кристалл. осадок КНС4Н4О6, растворяется в кислотах и щелочах			белый кристалл. осадок NН4НС4Н4О6, растворяется в кислотах и щелочах
Nаз[Со(NО2)6]	Желтый кристалл. осадок К2Nа[Со(NО 2)6], растворяется в минеральных кислотах		Желтый кристалл. осадок Li3 [Со(NО 2)6], растворяется в минеральных кислотах	Желтый кристалл. осадок (NН4 ) 2Na[Со(NО 2)6], растворяется в минеральных кислотах
Nа2РЬ[Сu(NО2)6]	Черный кристалл. осадок К2РЬ[Сu(NО2)6]			Черный кристалл. осадок(NН4)2РЬ[Сu(NО2)6]
К[SЬ(ОН)6]		белый кристалл. осадок Na[SЬ(ОН)6]	белый кристалл. осадок (из конц растворов) Li[SЬ(ОН)6]	Белый аморфный осадок НSЬО3
Zn(UO2)3(СН3СОО)8 + СН3СООН		Желтый кристалл. осадок NаZn(UO2)3 (СН3СОО)9 9Н2О	Зеленый кристалл. осадок LiZn(UO2)3(СН3СОО)9
К2[НgІ4] + КОН				красно-бурый или желто-бурый осадок[Hg2NН2O]I

Схема систематического хода анализа катионов I аналитической группы

К+, Nа+, NН4+( катион Li+ отсутствует )

№ этапа Этапы исследования

1 Определение NН4 + в отдельной порции раствора

действием щелочью при нагревании

NН4+ + OH - > H2O +NН3 ^

2 Удаление NН4+ в отдельной порции раствора перед

определением ионов К+ действием NaOH или Na2CO3

NН4+ + OH - = H2O +NН3 ^

3 Нейтрализация раствора №2 уксусной кислотой

4 Определение К+ в растворе №3 реагентами

К+ + NaHС4Н4О6 > КНС4Н4О6 v + Na+

2К+ + Na+ + [Со(NO2)6]3- > К2Na[Со(NO2)6] v

2К+ + РЬ2+ + [Сu(NО2)6]4- > К2РЬ[Сu(NO2)6] v



5 Удаление NН4+ в отдельной порции раствора перед

определением ионов Na+ действием NaOH или K2CO3

NН4+ + OH - = H2O +NН3 ^

6 Нейтрализация раствора №5 уксусной кислотой

7 Определение Na+ в растворе №6 реагентами

Na+ + [SЬ(ОН)6]- = Na[SЬ(ОН)6Na+ + Zn2 + +ЗUO 22+ + 8СН3СОО + 9Н2О + СН3СООН = NаZn(UO2)3(СН3СОО)9 * 9Н2О v + H+

КАТИОНЫ ІI -ой АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ

Аg+ , Нg2 2+ , Pb2+

1. Действие 2М HCl

Катионы II АГ образуют белые осадки с HCl

Аg+ + Cl - = AgClv

Нg2 2+ + 2Cl - = Hg2Cl2v

Pb2+ + 2Cl - = PbCl2 v

Осадки частично растворяются в избытке HCl, поэтому не рекомендуется добавлять избыток реагента

AgClv + Cl - = AgCl2-

Hg2Cl2v + Cl - = Hg2Cl3-

PbCl2 v + Cl - = PbCl3-

2. Действие сульфид-ионов

образуются черные осадки сульфидов метал лов

2Аg+ + S 2- = Ag2Sv

Нg2 2+ + S2- = НgSv + Hg v

Pb2+ + S2- = РbSv

3. Действие щелочей

Аg+ + ОН = АgOНv белый

2 АgOНv = Аg2Оv + Н2О бурый

Pb2+ + 2ОН- = РЬ(ОН)2 v белый

РЬ(ОН)2 v + ОН- = РЬ(ОН)3- растворяется

Нg2 2+ + 2ОН- = Нg2Ov + Н2О черный

4. Действие хромат-ионов

Катионы II АГ образуют окрашенные осадки с хромат-ионами:

2Аg+ + СгО24- = Аg2СгO4 v кирпично-красный;

Нg2 2+ + СгO24- = Нg2СгO4 v красный;

Pb2+ + СгО24- = РЬСгО4v желтый

Аргентума (І) хромат легко легко растворяется в аммиаке:

Аg2СгО4 v + 4NН3 * Н2О = 2[Аg(NН3)2] + + СrO24- + 4Н2О

РЬСгО4 растворяется в NаОН или КОН:

РЬСгО4 v + ЗОН- = [РЬ(ОН)3]- + СгО24-

Хроматы катионов II АГ растворяются в нитрат-ной кислоте:

2Аg2СгО4 v + 2Н + = H2O + 4Ag + + Сг2О2-7

5. Действие меди

Медь вытесняет ртуть из ее солей:

Cu + Hg 22+ = 2Hg v + Cu 2+

6. Действие карбонат-ионов

2Аg+ + СО23- = Аg2СO3v желтый

Нg2 2+ + СO23- = Нg2СO3v желтый

2Pb2+ + СО23- + 2Н2О = ( РЬОН) 2СО3v+ 2НСО3- черный

7. Действие сульфат-ионов

Катионы II АГ образуют белые осадки с сульфат-ионами

2Аg+ + SО24- = Аg2SO4 v

Нg2 2+ + SO24- = Нg2SO4v

Pb2+ + SО24- = РЬSО4 v

РЬSО4 растворяется в щелочах и 30% р-ре ацетата аммония, что используется в систематическом ходе анализа катионов

РЬSО4 v + ЗОН- = [РЬ(ОН)3]- + SО24-

2РЬSО4 v + 2CHCOO- = [РЬ(CН3COO) 2 РЬSО4] + SО24-



Действие некоторых реагентов на катионы II аналитической группы

Реагент	Катионы
	Ag+	Нg2 2+	Pb2+
НCl	белый осадокAgCl, растворяется в воде	белый осадок Hg2Cl2	белый осадок PbCl2, растворяется в горячей воде
Nа2S	Черный осадок Ag2S, раств. в HNO3	Черный осадок НgS + Hg, раств. в царской водке	Черный осадок РвS, раств. в HNO3
NaОН или КОН	Бурый осадок Ag2О растворяется в аммиаке и HNO3	Черный осадок Нg2О, раств. в HNO3	Белый осадок Рв(ОН)2 растворяется в щелочах и HNO3
КI	Желтый осадок AgI не растворяется в аммиаке	Hg2l2, зеленый осадок раств. в избытке реагента	Золотисто-желтый садок РвI2 растворяется в горячей воде и избытке реагента
Н2SO4	белый осадок Аg2SO4 растворяется в горячей воде	белый осадок Нg2SO4, раствор. в царской водке	Белый осадок РЬSО4 раствор. в щелочах и конц. НCl и Н2SO 4

Схема систематического хода анализа катионов II-ой аналитическойгруппы

Аg+ Нg2 2+ Pb2+

№ этапа Этапы исследования

1 Осаждение катионов II АГ действием 2М НСl,

промывание осадка водой с НСl

Аg+ + Cl- = AgCl v

Нg2 2+ + 2Cl- = Hg2Cl2v

Pb2+ + 2Cl- = PbCl2 v

2 Отделение Pb2+ промыванием осадка №1 горячей водой

PbCl2v = Pb2+ + 2Cl-

3 Определение Pb2+ в центрифугате №2 действием К2СгO4

или КI

Pb2+ + СгО24- = РЬСгО4v

Pb2+ + 2I- = PbI2 v

4 Отделение Ag+ определение действием на осадок № 1раствора NН3

AgCl v + 2NН3 = Ag( NН3)2Cl раствор

Hg2Cl2v NН3 НgNН2Clv + Hg v

5 Определение Ag+ действием на раствор №4 конц. HNO3

Размещено на Allbest.ru

...