Тема 16. «Химическая идентификация. Качественный анализ»

16.1 Содержание программы

Понятие химической идентификации, ее задачи и принципы аналитических определений. Классификация аналитических методов. Стадии аналитического процесса. Условия выполнения аналитических реакций, их чувствительность, специфичность и селективность. Дробный и систематический анализ. Анализ катионов и анионов.

Уровень теоретической и практической подготовки Студент должен знать понятие аналитических реакций, их виды и способы проведения. Основные аналитические реакции катионов и анионов. Студент должен уметь осуществлять идентификацию ионов. Студент должен владеть навыками выполнения основных операций качественного анализа.

16.2 Методические рекомендации к теме

Аналитическая химия − это наука о способах идентификации химических соединений, о принципах и методах определения химического состава веществ и их структуры. Она является научной основой химического анализа. Под химической идентификацией понимают установление идентичности (тождества) исследуемого химического соединения с уже известным веществом путем сравнения их физических и химических свойств. Обнаружение – проверка присутствия в анализируемом объекте тех или иных основных компонентов, примесей, наличие функциональной группы и т.п. В соответствии с определением аналитической химии как науки, занимающейся разработкой методов определения химического состава вещества, можно выделить следующие аналитические задачи: 1.Установление химического состава анализируемого объекта. 2. Определение структуры соединения, то есть установление взаимного расположения и связей элементарных составных частей в молекулах (структурный анализ). 3. Обнаружение неоднородностей на поверхности или в объеме твердых тел, распределение элементов в поверхностных слоях осуществляют методом локально-распределительного анализа. 4. Исследование процессов во времени в ходе производственного процесса. Для решения перечисленных задач разрабатывают различные методы, основанные на зависимости свойств вещества от его состава, и составляют методики анализа. Методом анализа называют принципы, положенные в основу анализа вещества, то есть вид и природу энергии, вызывающей возмущение химических частиц вещества. Методика анализа − подробное описание выполнения аналитических реакций с указанием условий их выполнения. Методы аналитической химии основаны на различных принципах. В основе анализа лежит зависимость между фиксируемым аналитическим сигналом от наличия или концентрации определяемого вещества. Аналитический сигнал – это фиксируемое и измеряемое свойство объекта. В аналитической химии методы анализа классифицируют по характеру определяемого свойства и по способу регистрации аналитического сигнала: 1) химические; 2) физические; 3) физико-химические. Физико-химические методы называют инструментальными или измерительными, так как они требуют применения приборов, измерительных инструментов. Рассмотрим полную классификацию химических методов анализа. Химические методы анализа - основаны на измерении энергии химической реакции. В ходе реакции изменяются параметры, связанные с расходом исходных веществ или образованием продуктов реакции. Эти изменения можно либо наблюдать непосредственно (осадок, газ, цвет), либо измерять такие величины, как расход реагента, массу образующегося продукта, время реакции и т.д. По цели проведения методы химического анализа подразделяют на две группы: I. Качественный анализ – заключается в обнаружении отдельных элементов (или ионов), из которых состоит анализируемое вещество. Методы качественного анализа классифицируются: 1) анализ катионов; 2) анализ анионов; 3) анализ сложных смесей. II. Количественный анализ – заключается в определении количественного содержания отдельных составных частей сложного вещества. Количественные химические методы классифицируют: 1) Гравиметрический (весовой) метод анализа основан на выделении определяемого вещества в чистом виде и его взвешивании; 2) Титриметрические (объемные) методы анализа основаны на измерении объема реагента, израсходованного на взаимодействие с определяемым веществом. В зависимости от типа химической реакции выделяют методы объемного анализа: – протолитометрия – метод, основанный на протекании реакции нейтрализации; – редоксометрия – метод, основанный на протекании окислительно-восстановительных реакциях; – комплексонометрия – метод, основанный на протекании реакции комплексообразования; – методы осаждения – методы, основанные на протекании реакций образования осадков. Независимо от выбранного метода проведение каждого анализа складывается из следующих стадий: отбор пробы (пробоотбор); подготовка пробы (пробоподготовка); измерение (определение); обработка и оценка результатов измерений. Рассмотрим основные правила отбора проб:

• Результат может быть правильным только в том случае, если проба достаточно представительна, то есть точно отражает состав материала, из которого она была отобрана. Чем больше материала отобрано для пробы, тем она представительней. Однако с очень большой пробой трудно работать, это увеличивает время анализа и расходы на него. Таким образом, отбирать пробу нужно так, чтобы она была представительной и не очень большой.

• Оптимальная масса пробы обусловлена неоднородностью анализируемого объекта, размером частиц, с которых начинается неоднородность, и требованиями к точности анализа.

• Для обеспечения представительности пробы необходимо обеспечить однородность партии. Если сформировать однородную партию не удается, то следует использовать расслоение партии на однородные части.

• При отборе проб учитывают агрегатное состояние объекта.

• Должно выполняться условие по единообразию способов отбора проб: случайный отбор, периодический, шахматный, многоступенчатый отбор, отбор «вслепую», систематический отбор.

• Один из факторов, который нужно учитывать при выборе способа отбора пробы – возможность изменения состава объекта и содержания определяемого компонента во времени. Например, переменный состав воды в реке, изменение концентрации компонентов в пищевых продуктах и т.д.

Подготовка пробы к анализу состоит в усреднении и растворении пробы: – начальную пробу (генеральную) гомогенизируют и усредняют методом квартования до такого количества, которое используется для анализа (лабораторная проба); – растворение пробы, сопровождается переводом определяемого компонента в раствор. Различают „мокрое” и „сухое” озоление. В основе аналитических методов лежит получение и измерение аналитического сигнала, т.е. любого проявления химических и физических свойств вещества в результате протекания химической реакции. Аналитические реакции можно проводить "сухим" и "мокрым" путем. Так, реакции окрашивания пламени (Na⁺− желтый; Sr²⁺− красный; Ba²⁺− зеленый), образование окрашенных "перлов" буры осуществляются "сухим" путем, который используют главным образом в полевых усло­виях для качественного или полуколичественного исследования мине­ралов и руд. В лабораторных условиях обычно применяют анализ „мокрым” пу­тем, который основан на реакциях в растворах. Естественно, что при этом исследуемое вещество должно быть сначала переведено в раствор. Если оно не растворяется в дистиллированной воде, то используют уксусную, соляную, азотную и другие кислоты. В полученном растворе обнаруживают те или иные ионы. Все аналитические реакции можно классифицировать: 1. Специфические реакции позволяют обнаруживать данное вещество или ион в присутствии других веществ или ионов. Пример: диметилглиоксим + Ni²⁺ → образование ало-красного осадка диметилглиоксимата никеля. 2. Селективные реакции позволяют обнаруживать несколько веществ или ионов. 3. Групповые реакции (частный случай селективных), когда один и тот же реактив реагирует с группой ионов, давая одинаковый сигнал. Так для отделения группы ионов (Ag⁺, Pb²⁺+, Hg₂²) используют реакцию их с Cl⁻-ионами, при этом образуются белые осадки, AgCl, PbCl₂, Hg₂Cl₂. Специфические реакции позволяют обнаруживать ион в отдельной порции анализируемого раствора, не считаясь с присутствием других ионов. При этом последовательность обнаружения ионов может быть произвольной. Дробным анализом называют обнаружение ионов с помощью специфических реакций в отдельных порциях анализируемого раствора, производимое в любой последовательности. Дробный анализ применяют агрохимические и заводские лаборато­рии, особенно в тех случаях, когда состав исследуемого материала до­статочно хорошо известен и требуется только проверить отсутствие некоторых примесей. Если же используемые реакции не специфичны, а мешающее дейст­вие посторонних ионов устранить не удается, то проведение дробного анализа невозможно. В этом случае применяют систематический ход анализа. Сисmемаmическим ходом анализа называется определенная последовательность выполнения аналитических реакций, при которой каждый ион обнаруживают после того, как будут обнаружены и удалены другие ионы, мешающие его обнаружению. При систематическом анализе принято деление катионов и анионов на аналитические группы (таб.14, 15).

Таблица 14 – Кислотно-основная классификация катионов

Группа	Катионы	Групповой реагент
I	Li+, Na+, K+, NH4+	Группового реагента нет
II	Ag+, Hg22+, Pb2+	Растворы НCl
III	Ca2+, Sr2+, Ba2+	Растворы H2SO4
IV	Zn2+, Al3+, Sn2+, Sn4+, As(III), As(V), Cr3+	Раствор NaOH в присутствии Н2О2
V	Mg2+, Sb(III), Sb(V), Bi(III), Mn2+, Fe2+, Fe3+	Раствор NaOH или раствор аммиака (25%)
VI	Cu2+, Cd2+, Hg2+, Co2+, Ni2+	Раствор аммиака (25%)

После разделения ионов на аналитические группы приступают к обнаружению конкретных ионов в растворе с помощью частных реакций (приложения 8-16 ).

Таблица 15 – Классификация анионов, основанная на образовании малорастворимых солей бария и серебра

Группа	Анионы	Групповой реагент
I	SO42-, SO32-, S2O32-, C2O42-, CO32-, B4O72- (BO2-), PO43-, AsO43-, AsO33-, F-	Раствор BaCl2 в нейтральной или слабощелочной среде
II	Cl-, Br-, I-, BrO3-, CN-, SCN-, S2-	Раствор AgNO3 в разбавленной (2 моль/л) азотной кислоте
III	NO2-, NO3-, CH3COO- и др.	Отсутствует

Схема анализа по идентификации неизвестного вещества 1. Окраска сухого вещества черная: FeS, PbS, Ag₂S, HgS, NiS, CoS, CuO, MnO₂ и др.; оранжевая: Cr₂O₇^2- и др.; желтая: CrO₄^2-, HgO, CdS; красная: Fe(SCN)₃, Co²⁺; синяя: Сu²⁺. 2. Окраска пламени. 3. Проверка на кристаллизационную воду. 4. Действие кислот на сухую соль (газ?). 5. Подбор растворителя (при комнатной температуре, при нагревании) Н₂О, СН₃СООН, HCl, H₂SO₄, «царская водка», сплавление с Na₂CO₃ и последующее выщелачивание. Следует помнить, что практически все нитраты, все соли калия, натрия и аммония растворимы в воде! 6. Контроль рН раствора (только для растворимых в воде объектов). 7. Предварительные испытания (Fe²⁺, Fe³⁺, NH₄⁺). 8. Обнаружение группы катионов, анионов. 9. Обнаружение катиона. 10. Обнаружение аниона.

16.3 Лабораторная работа №6 «Идентификация неизвестного вещества» Цель работы: исследование качественного состава вещества. Приборы и оборудование: штатив с пробирками, стеклянная палочка с впаянной платиновой проволокой, горелка (спиртовка). Выполнение работы. Приступая к исследованию химического состава данного вещества, необходимо сначала его рассмотреть и подготовить соответствующим образом к анализу и лишь после этого приступить к установлению его химического состава. Сначала проводят предварительные испытания, а затем переходят к систематическому анализу катионов и анионов.

Опыт 1. Предварительные испытания I Внешний вид вещества. Обратите внимание на следующие свойства вещества: а) сухое вещество, раствор или раствор с осадком дан для анализа; б) цвет вещества. Большинство солей катионов металлов, расположенных в I и II группах периодической системы, бесцветны. Голубая окраска раствора или твердого вещества свидетельствует о наличии ионов меди (II), зеленая никеля (II), розовая - кобальта (II) и т.д.; в) структура (кристаллическое или аморфное вещество). Рекомендуется исследовать вещество под микроскопом. II Окрашивание пламени. Помните, что окрашивание пламени - весьма чувствительная реакция, но по одному положительному эффекту окрашивания пламени нельзя судить о присутствии обнаруживаемого иона. III Определение рН раствора. Кислая среда исходного раствора свидетельствует о наличии кислот, кислых солей или солей, гидролизующихся по катиону, щелочная - о наличии гидроксидов или солей, гидролизующихся по аниону. IV Действие на анализируемое вещество разбавленными растворами кислот. Выделение газа без запаха (в случае твердого вещества, сопровождающееся шипением) свидетельствует о наличии СО₃^2-- ионов, выделение удушливого газа SО₃^2--ионов. V Отношение вещества к растворяющим агентам: воде, уксусной кислоте, соляной кислоте. Определение растворимости веществ проводите с малыми количествами исследуемого вещества. Для определения количественного состава вещества по растворимости в воде используйте таблицу растворимости. Нерастворимы в воде, но мало растворяются в уксусной и соляной кислотах, карбонаты кальция, стронция и бария. Хроматы стронция и бария нерастворимы в уксусной кислоте, но хорошо растворимы в соляной кислоте. Сульфаты бария и стронция нерастворимы в кислотах. Если вещество частично растворимо в воде, то определите рН водной вытяжки. Опыт 2. Систематический ход анализа вещества Приготовьте раствор исследуемого вещества в воде, уксусной или соляной кислоте (в зависимости от того, в чем вещество растворяется) и приступайте к анализу раствора. Анализ начинайте с обнаружения катионов.

Обнаружение катионов. а) К исследуемому раствору прилейте 3 см³ раствора нитрата аммония и 1 - 2 см³ раствора сульфида аммония. Если образуется осадок, то в растворе присутствуют катионы: Zn²⁺, Aq⁺, Сu²⁺, Pb²⁺, Hq²⁺, Mn²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Cr³ +Fe2⁺, Fe³⁺. В этом случае в отдельных пробах раствора частными реакциями, установите наличие того или иного катиона (см. приложения 8-16). Если осадка с сульфидом аммония не образовалось, раствор исследуйте по п. б. б) К другой части исследуемого раствора прилейте 1-2 см³ раствора карбоната натрия; если образуется осадок, то в растворе присутствуют катионы: Са²⁺, Sr²⁺, Ва²⁺. Докажите присутствие этих катионов частными реакциями. Если при добавлении карбоната натрия осадок не образуется, то в растворе могут находиться, лишь ионы Na⁺ или K⁺. в) Катионы Na⁺ и K⁺ откройте частными реакциями в отдельных порциях раствора. В случае если катионы не обнаружены, а реакция раствора кислая, то исследуемое вещество представляет собой кислоту.

Обнаружение анионов. Для обнаружения анионов в отдельных порциях раствора проведите реакции на Сl-, I-, NО3^-, SО4^2-, СO3² . На основании проделанных реакций сделайте вывод о наличии того или иного аниона в растворе. Если указанных выше анионов не обнаружено и реакция среды щелочная, то в растворе присутствуют ОН^- - ионы. Сделайте вывод о составе анализируемого вещества, учитывая результаты предварительных испытаний. Например, если найдены катионы Na⁺ и анионы NО₃^-, то анализируемая соль имеет формулу NaNО₃.

Пример. Дано кристаллическое вещество зеленого цвета. Требуется определить, какие элементы входят в состав исследуемого вещества. По внешнему виду можно предположить, что в состав вещества входят ионы Ni (II). Предварительные испытания: а) окрашивание пламени. Исследование вещества по п. 1б не дало положительных результатов, следовательно, вещество не содержит солей, окрашивающих пламя в характерные цвета; б) получение окрашенных перлов буры. Соли и оксиды некоторых металлов при сплавлении в петле платиновой проволоки с бурой (Na₂B₄О₇·10H₂О) и последующем охлаждении полученного сплава образуют характерно окрашенные перлы. Систематический ход анализа. в) Обнаружение катионов. К небольшой части полученного раствора прилейте раствор нитрата аммония и по каплям раствор сульфида аммония. Выпадает черный осадок, следовательно, в растворе присутствует один из катионов, осаждаемых сульфидом аммония. В отдельной порции раствора проведите реакцию на ионы Ni²⁺ (реактив Чугаева). Выпадение ало-красного осадка подтверждает наличие ионов никеля (II) в растворе; г) Обнаружение анионов. Для обнаружения анионов в отдельных порциях раствора проведите реакции на ионы Сl^-, NО₃^-, SО₄^2-. При действии на анализируемый раствор раствором хлорида бария выпадает кристаллический осадок, нерастворимый в минеральных кислотах, следовательно, в растворе присутствуют SO₄^2- - ионы. На основании проведенных исследований сделайте заключение, что анализируемое вещество представляет собой сульфат никеля (II) (NiSО₄). Контрольная задача. Получите у преподавателя исследуемое вещество. Проведите анализ вещества и сдайте преподавателю отчет по следующей форме: 1. Номер анализируемой соли ... 2. Методика анализа... 3. Обнаружены: катион ... анион ... 4. Состав соли (солей)….. Вопросы к защите: 1. Какие реакции называются аналитическими? Что такое аналитический сигнал? 2. В чем состоят «сухой» и «мокрый» способы выполнения аналитических реакций? 3. Какие реакции являются специфическими? Групповыми? Селективными? 4. В чем сущность качественного анализа? Количественного? 5. В чем разница между макро-, микро- и полумикроанализом? 6. Что называется методом анализа? Методикой? 7. В чем состоит сущность дробного анализа? Систематического? 8. В чем состоит подготовка проб к анализу? 9. Перечислите способы проведения аналитических реакций. 10. Приведите классификацию катионов по аналитическим группам. 11. Приведите классификацию анионов по аналитическим группам.