ГБПОУ ПО «Великолукский механико-технологический колледж»
Аналитическая химия
опорный конспект лекций
для специальности:
Технология продукции общественного питания
2016-17
Опорный конспект лекций составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования к минимуму содержания по дисциплине «Аналитическая химия» для специальности: Технология продукции общественного питания.
Работа с опорным конспектом лекций способствует переходу от обычного описательного восприятия физико-химических данных к количественным представлениям, т.е. приводит к глубокому и правильному их пониманию. Это помогает профессионально разрабатывать, используя научные основы аналитической химии, подходы к технологии получения, хранения и переработки продуктов питания.
Пособие предназначено для организации аудиторной и внеаудиторной работы студентов по дисциплине «Аналитическая химия».
Аналитическая химия, её задачи и значение. Методы количественного и качественного анализа. Теория электролитической диссоциации.
Аналитическая химия – раздел химической науки, теоретически обосновывает методы качественного и количественного анализа, с помощью которых можно судить о качественном составе вещества и устанавливать количественные соотношения элементов и химических соединений данного вещества; является базой для технохимического контроля на предприятиях общественного питания.
Анализ вещества, т.е. определение химического состава вещества (или смесей веществ) проводят методами качественного и количественного исследования. Методами аналитической химии определяют качество сырья, полуфабрикатов, готовой продукции, норм вложения сырья и т.д., что позволяет наиболее рационально использовать сырье, предупреждать возникновение брака и получать продукцию наилучшего качества.
Задачей качественного анализа является выяснение качественного состава вещества, т. е. из каких элементов или ионов состоит данное вещество.
Методы качественного анализа по способу исследования делятся на химические, физико-химические и физические.
Физические методы основаны на изучении физических свойств анализируемого вещества. К этим методам относятся спектральный, рентгеноструктурный, масс- спектрометрический анализы и др. В физико-химических методах течение реакции фиксируется измерением определенного физического свойства исследуемого раствора. К этим методам относятся полярография, хроматография и др. К химическим методам относятся методы, основанные на использовании химических свойств исследуемых веществ.
Реакции химических методов могут проводиться «сухим» и «мокрым» путем.
Анализ сухим путем – химические реакции, происходящие при накаливании, сплавлении и окрашивании.
Анализ мокрым путем – химические реакции, происходящие в растворах электролитов.
Методы качественного и количественного анализа в зависимости от количества анализируемого вещества делят на : макрометод (1-2 мл раствора или 0,1 гр. вещества); полумикрометод (0,05-0,1 мл раствора или 0,1 гр. вещества); микрометод (1-2 капли раствора или 0,001 гр. вещества). Аналитическая реакция – химический процесс, направленный на определение исследуемых веществ на наличие заданных частиц.
Признаками аналитической реакции являются: выпадение или растворение осадка, изменение цвета раствора, выделение газообразного вещества, изменение окраски индикатора. При проведении аналитической реакции необходимо придерживаться определенных условий: концентрации реагирующих веществ, реакции среды, температуры. Специфическими называют аналитические реакции, аналитический эффект которых характерен только для одного иона в присутствии других ионов.
Ионы аммония, к примеру, можно обнаружить в смеси ионов, действуя на анализируемые образцы избытком раствора щелочи:
NH4Cl + KOH = NH3^ + KCl + H2O.
Выделяющийся аммиак легко обнаружить по изменению цвета индикаторной бумаги или органолептически (по запаху).
Чувствительная реакция – реакция, при помощи которой можно открыть наименьшее количество вещества или иона из наименьшего объема раствора.
При помощи специфических реакций можно открывать соответствующие ионы непосредственно в отдельных порциях исследуемого вещества. Такой способ называют «дробным».
Систематический ход анализа - это определенная последовательность выполнения аналитических реакций, при которой каждый ион обнаруживают после того, как будут обнаружены и удалены мешающие ионы.
Теория электролитической диссоциации.
Растворы всех веществ можно разделить на две группы: электролиты- проводят электрический ток, неэлектролиты- проводниками не являются. Это де-ление является условным, потому что все растворы веществ проводят электриче-ский ток, все они в той или иной мере растворяются в воде и распадаются на катионы (положительно заряженные ионы) и анионы (отрицательно заряженные ионы). Диссоциация кислот, оснований и солей в водных растворах
С помощью теории электролитической диссоциации дают определения и описывают свой-ства кислот, оснований и солей.
Кислотами называются электролиты, при диссоциации которых в качестве катионов образуются только катионы водорода
Основаниями называются электролиты, при диссоциации которых в качестве анионов образуются только гидроксид-ионы. Например:
Солями называются электролиты, при диссоциации которых образуются катионы металлов а также катион аммония ( NH+ 4) и анионы кислотных остатков Например:
Так диссоциируют средние соли. Кислые же и основные соли диссоцируют ступенчато. У кислых солей вначале отщепляются ионы металлов, а затем катионы водорода. Например:
У основных солей вначале отщепляются кислотные остатки, а затем гидроксидионы.
Различают сильные и слабые электролиты. Сильные электролиты при растворении в воде диссоциируют на ионы.
1) почти все соли;
2) многие минеральные кислоты, например Н2SO4, HNO3, НСl, HBr, HI, НМnО4, НСlО3, НСlО4;
3) основания щелочных и щелочноземельных металлов.
Слабые электролиты при растворении в воде лишь частично диссоциируют на ионы. К ним относятся:
1) почти все органические кислоты;
2) некоторые минеральные кислоты, например H2СО3, Н2S, НNO2, HClO, H2SiO3;
3) многие основания металлов (кроме оснований щелочных и щелочнозе-мельных металлов), а также NH4OH, который можно изображать как гидрат аммиака NH3•H2O.
К слабым электролитам относится вода.
Слабые электролиты не могут дать большой концентрации ионов в растворе.
Качественный анализ.
С помощью групповых реактивов (определенных химических веществ) из общей смеси катионов можно выделить отдельные группы катионов со сходными аналитическими свойствами – аналитические группы.
При систематическом анализе принято деление катионов и анионов на аналитические группы. В настоящее время принята классификация катионов, разработанная Н.А. Меншуткиным в 1871 г. Все существующие ныне классификации предусматривают разделение катионов на 5 или 6 аналитических групп на основании следующих их свойств:
1. На различии растворимости хлоридов, карбонатов, сульфатов или гидроксидов.
2. На амфотерных свойствах некоторых гидроксидов.
3. На способности ряда гидроксидов образовывать комплексные аммиакаты.
Вопросы для самопроверки:
1. В чем заключается задача качественного анализа?
2. Что такое аналитическая реакция? Признаки аналитической реакции.
3. Назвать способы проведения аналитической реакции.
4. Перечислить методы анализа в зависимости от количества и состояния ана-лизируемого вещества.
5. Какие условия необходимо соблюдать при проведении аналитической реакции?
6. Какие реакции называют чувствительными, какие- специфическими?
7. В чем отличие ионов от атомов и молекул?
8. Назвать сильные электролиты класса кислот и оснований.
9. Какие ионы характеризуют свойства кислот, оснований?
Лекция 2. Закон действия масс. Классификация катионов. Первая аналитическая группа катионов.
Закон действия масс. Каждая химическая реакция протекает в течение некоторого промежутка времени и имеет определенную скорость. Скорость реакции характеризуется количеством вещества, вступившего в реакцию в единицу времени, или изменением концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени. Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ, от их концентрации, температуры и катализатора.
Зависимость скорости реакции от концентрации выражается законом действия масс: скорость химической реакции при данной температуре прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ.
При систематическом анализе принято деление катионов и анионов на аналитические группы. В на-стоящее время принята классификация катионов, разработанная Н.А. Меншуткиным в 1871 г. Все существующие ныне классификации предусматривают разделение катионов на 5 или 6 аналитических групп на основании следующих их свойств:
1. На различии растворимости хлоридов, карбонатов, сульфатов или гидроксидов.
2. На амфотерных свойствах некоторых гидроксидов.
3. На способности ряда гидроксидов образовывать комплексные аммиакаты.
Таблица1. Классификация катионов на аналитические группы
Первая аналитическая группа катионов: К+, Na+, NН4+, Mg2+
Почти все соли калия, натрия, аммония и большинство солей магния хорошо растворимы в воде. Поэтому группового реактива, осаждающего все четыре катиона, нет.
Калий и натрий относятся к 1 группе периодической системы элементов и образуют сильные щелочи. Гидроксид аммония является слабым основанием, но катион аммония близок по свойствам к катиону калия и образует несколько аналогичных малорастворимых солей. Соли аммония разлагаются при нагревании и могут быть удалены прокаливанием. Гидроксид магния - слабое основание, плохо растворимое в воде. Труднорастворимы также фосфат магния и карбонат. Гидроксокарбонат магния растворяется в избытке солей аммония и при действии карбонатом аммония в присутствии хлорида аммония в осадок не выпадает. Поэтому при систематическом анализе ион магния остается в растворе с катионами 1 группы. По этой причине он и отнесен к этой группе.
При систематическом анализе катионы калия, натрия и магния обнаруживают в последнюю оче-редь, так как катионы других групп мешают их обнаружению и должны быть удалены. В водных растворах катионы 1 группы бесцветны, образуемые ими соли имеют окраску только в тех случаях, когда в их состав входят окрашенные анионы. Соли натрия окрашивают пламя в ярко- желтый, а калия- в фиолетовый цвет, соли лития окрашивают пламя в карминно- красный цвет. Соли аммония при нагревании разлагаются с выделением аммиака NH3, который чувствуется по запаху или окрашиванию влажной индикаторной бумаге в сине- зеленый цвет.
Натрий входит в состав поваренной соли, калий – морской. Ионы калия и магния являются важ-нейшими микроэлементами для нормализации сердечной деятельности.
Оценка качества природных вод включает пробы на присутствие ионов аммония. Наличие в воде аммиака и солей аммония служит признаком загрязненности, так как эти соединения образуются при гниении белков. По этой же причины реакции на ионы аммония проводят для оценки свежести мясных и рыбных продуктов.
Продукты детского и диетического питания также подвергаются обязательному исследованию на содержание натрия, калия и магния.
Вопросы для самопроверки:
1. Сформулировать закон действия масс. Какие факторы и как влияют на скорость химической реакции?
2. Можно ли каким- либо реактивом осадить все катионы первой аналитической группы? Ответ обосновать.
3. На каком свойстве аммонийных солей основано отделение иона аммония от других ионов?
4. Можно ли «сухим» методом распознать соли натрия, калия, лития? Ответ обосновать.
5. Почему при анализе питьевой воды проводят аналитические реакции на присутствие иона аммония?
6. Почему диетологи в последнее время рекомендуют заменять поваренную соль на морскую?
Лекция 3. Гидролиз солей. Вторая аналитическая группа катионов.
Вода незначительно диссоциирует по уравнению: Н2О - Н++ОН-
При этом концентрация катионов водорода и гидроксид- ионов равны и составляют 10-7 моль/ л; такую среду называют нейтральной.
Кислотную среду имеет раствор, в котором концентрация катионов водорода превышает коли-чество анионов гидроксогрупп [Н+] > [ОН-] > 10-7моль/л;
Щелочной называют среду, в которой концентрация катионов водорода меньше концентрации гидроксид- ионов: [Н+] < [ОН- ] < 10-7моль/л.
Гидролиз- процесс обменного взаимодействия веществ с водой, приводящий к их разложению.
Гиролиз может быть обратимым и необратимым процессом.
Необратимый гидролиз происходит, если один или несколько продуктов реакции удаляются из сферы реакции в виде газа или осадка.
Обратимый гидролиз – это процесс обменного взаимодействия ионов вещества с молекулами воды. В результате такого взаимодействия образуется малодиссоциирующие вещество, а водном растворе возможно появление избытка катионов водорода или гидроксид- анионов, обуславли-вающие кислотную или щелочную реакцию среды.
Любую соль можно представить как продукт взаимодействия кислоты и основания. В зависимо-сти от силы основания и кислоты как электролитов все соли можно разделить на четыре группы
1 группа- соли, образованные сильной кислотой и сильным основанием.
Такие соли гидролизу не подвергаются, т.к. взаимодействия ионов солей с молекулами воды не происходит.
Реакция среды в водных растворах таких солей будет нейтральной.
2 группа- соли, образованные слабой кислотой и сильным основанием.
Анионы кислотных остатков гидролизуются молекулами воды, накапливаются гидроксид- ионы, такой гидролиз называется гидролиз по аниону.
Реакция среды водных растворов будет щелочной.
3 группа- соли, образованные сильной кислотой и слабым основанием.
Гидролизу подвергается ион слабого основания, данная соль гидролизуется по катиону. В рас-творе происходит накопление катионов водорода, что указывает на кислотную среду.
4 группа- соли, образованные слабой кислотой и слабым основанием.
Такие соли подвергаются гидролизу полностью по катиону и аниону, проявляя нейтральную среду водного раствора
Катионы 2 группы, в отличии от катионов 1 группы, образуют малорастворимые в воде карбонаты. Поэтому их осаждают действием карбоната аммония (NН4)2СО3, который является групповым реактивом.
Осадки карбонатов кальция, бария и стронция могут быть получены и при действии на раствор карбонатами натрия и калия. Но при систематическом анализе пользоваться этими реактивами невозможно, так как вместе с ними в исследуемый раствор вводятся ионы Na+ и К+. Использование карбоната аммония оправдано тем, что ион NH4+ можно предварительно открыть дробным методом.
Из солей кальция, бария и стронция также не растворимы сульфаты, фосфаты и оксалаты. Суль-фиды этих элементов, в отличие от катионов 3,4 и 5 групп, хорошо растворимы в воде. В водных растворах катионы 2 группы бесцветны. Соли катионов 2 группы окрашивают пламя: кальция- в кирпично- красный, бария- в желто- зеленый, стронция- в карминово- красный цвета.
Соли кальция участвуют в образовании костной ткани, регулирует работу нервной системы, препятствует возникновению в организме чужеродных образований и вирусов, необходим для формирования зубной эмали, зубов, ногтей, волос; обладает противовоспалительным и антиаллергическим действием; регулирует деятельность многих ферментов; способствует выведению из организма солей тяжелых металлов.
Много кальция в молочных продуктах, рыбе, морепродуктах, в капусте, орехах, в бобовых, се-мечках. Кальций содержится в яичных желтках, в горохе, чечевице, инжире, меде, яблоках, абрикосах, черной смородине, малине, изюме, кураге, черносливе, капусте, чесноке, моркови, ежевике, вишне, апельсине, персиках, клубнике, укропе, апельсинах, сельдерее.
Барий способствует расслаблению сердечной мышцы, но в большом количестве способен вы-звать отравление организма. В организм человека поступает в водой и такими продуктами, как морепродукты, томаты, соя.
Вопросы для самопроверки:
1. Что называется гидролизом? Какие соли подвергаются гидролизу?
2. Написать уравнения гидролиза и указать среду водного раствора для солей: KBr, Li2SO3, FeI2, (NH4)SiO3.
3. Почему из всех катионов второй аналитической группы кальций играет важную роль в пита-нии? Ответ обосновать.
4. Написать уравнения реакций открытия катионов бария, кальция и магния в молекулярной и ионной формах.
Лекция 4. Комплексные соединения.
Комплексные соединения – это вещества определенного состава, состоящие из более простых, способных к самостоятельному существованию соединений. Комплексные соединения существуют как в твердом состоянии, так и в растворе, причем их образование не связано с возникновением новых электронных пар. Координационная теория комплексных соединений создана Альфредом Вернером (1839). Последователем Вернера был Лев Чугаев. Учитель проводит демонстрационный опыт образования осадка гидроксида меди(II) и растворения его в водном аммиаке. Учащиеся записывают уравнения реакций:
На примере данного соединения рассмотрим строение комплексных соединений.
Схема превращений:
Запишите уравнения реакций, укажите части комплексного соединения. Учащиеся проводят опыты и записывают уравнения реакций:
АlCl3 + 3NаОН = 3NаСl + Al(ОН)3 ,
Al(ОН)3 + 3NaOH = Na3[Al(OH)6].
Координационное число (КЧ), показывающее число лигандов вокруг комплексообразователя, зависит от радиуса атома комплексообразователя и его заряда. Координационные числа обычно четные. В таблице показаны КЧ, в скобках – встречающиеся реже.
Названия комплексных соединений
Формула комплексного соединения читается справа налево. Ионы лигандов внутренней сферы в названии приобретают суффикс «о»: Cl– – хлоро, ОН– – гидроксо, СN– – циано. Для координированной молекулы воды используют название «аква», для молекулы аммиака – «аммин» (с двумя м).
Если комплексный ион является анионом, то его название имеет окончание «ат».
Примеры:
(NH4)2[PtCl4] – тетрахлороплатинат(II) аммония,
[Co(NH3)6]Cl3 – хлорид гексаамминкобальта(III).
Степень окисления центрального атома обозначают римской цифрой в круглых скобках.