950

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Воронежская государственная лесотехническая академия»

Методические указания к лабораторным работам по теме

«Химическая идентификация веществ»

для студентов 1 курса всех специальностей (с элементами УИРС)

Воронеж 2007

2

УДК 543

Мезенцева, В. Т. Химия [Текст] : Методические указания к лабораторным работам по теме «Химическая идентификация веществ» для студентов 1 курса всех специальностей (с элементами УИРС) / В. Т. Мезенцева, О. Ю. Стрельникова, Л. А. Новикова ; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2007. – 16 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ГОУ ВПО «ВГЛТА»

Под редакцией д-ра техн. наук, проф. Л.И. Бельчинской

Рецензент канд. хим. наук, доц. П. Т. Суханов

Мезенцева Валентина Тихоновна Стрельникова Ольга Юрьевна Новикова Людмила Анатольевна

Х и м и я Методические указания к лабораторным работам

по теме «Химическая идентификация веществ» для студентов 1 курса всех специальностей (с элементами УИРС)

ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

3

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Идентификация веществ с помощью химических соединений

Идентификация (identifico) в переводе с латинского означает отождествление объектов, их опознание, создание оптимальной модели объекта, отображающей закономерности, присущие реальному объекту оригиналу.

С помощью различных методов aналитичеcкoй химии проводят идентификацию веществ путем качественного и количественного методов анализа. В последнее время для идентификации веществ все шире используются физические и физико-химические методы анализа, при этом проводится определение различных физических характеристик (величин преломления, плотности, температуры кипения, плавления и т.д.). Полученные экспериментальные величины сравнивают с табличными и таким образом устанавливают природу веществ.

1Предмет и задачи аналитической химии

Любое вещество состоит из одного или нескольких химических элементов. Установить состав вещества – значит определить, какие химические элементы образуют это вещество. Такая задача решается методами химического анализа.

Аналитическая химия – это наука о методах определения качественного и количественного состава веществ или их смесей по интенсивности аналитического сигнала.

Задача качественного анализа – обнаружение компонентов (или ионов), содержащихся в анализируемом веществе.

Например:

1.В пробирке находится неизвестный раствор. Необходимо обнаружить, какое конкретно вещество содержится в растворе. Используя методы и приемы качественного анализа, определяют, что в растворе находятся ионы К и Сl, т.е. в пробирке находится хлорид калия КС1.

2.В камере находится смесь газов. Необходимо определить, какие газы находятся в камере. Используя методы и приемы качественного анализа, определяют что в камере находится углекислый газ, метан, пары спирта.

Для анализа используют только такие реакции, которые сопровождаются наглядным внешним эффектом, например, изменением окраски раствора, выделением газов, выпадением и растворением осадков и т.п. Эти внешние эффекты и будут в данном случае аналитическими сигналами. Происходящее химические изменения называют аналитическими реакциями, а вещества, вызывающие эти реакции – химическими реагентами.

Цель количественного анализа заключается в определении содержания составных частей сложного материала. Количественный анализ, используя

4

присущие ему методы и приемы, позволяет ответить не только на вопрос «какой» состав, но и «сколько» в смеси или веществе составных частей. Результаты количественного анализа обычно выражают в массовых долях (%).

Например:

1.Методами количественного анализа установлено, что в состав воды входит 11,11% водорода и 88,89% кислорода.

2.Методами количественного анализа установлено, что в состав соснового скипидара входит α-пинена 73,7%; камфена 1,4%, β-пинена 6,3 %,

3-карена 6,5 %; лимонена 4,3 % и высококипящих веществ 7,8 %. Исследуя новое соединение, прежде всего устанавливают, из каких

компонентов (или ионов) оно состоит, а затем находят их количественные соотношения. Поэтому качественный анализ вещества предшествует количественному.

2Методы аналитической химии

Внастоящее время аналитическая химия пользуется многочисленными

иразнообразными методами, которые подразделяются на химические, физические и физико-химические. Химические методы основаны на химических реакциях, протекающих в растворах с образованием осадков, окрашенных соединений или газообразных веществ. Многие химические методы стали классическими и хорошо проверены. Тем не менее они не всегда удовлетворяют современным требованиям, особенно при проверке чистоты веществ. Этим требованиям в значительной степени удовлетворяют некоторые физические и физико-химические (инструментальные) методы.

При использовании химического метода анализируемые вещества могут находиться в твердом, жидком или газообразном состояниях, поэтому качественные химические реакции выполняют «сухим» или «мокрым» путем.

Если реакцию проводят в растворе, то такой способ выполнения называют «мокрым путем». Способ выполнения анализа с твердыми веществами без использования растворителей называют «сухим путем». Это пирохимический анализ и анализ методом растирания. При пирохимическом анализе исследуемое вещество нагревают в пламени газовой горелки. При этом летучие соли (хлориды, нитраты, карбонаты) ряда металлов придают пламени характерную окраску. Например, соли натрия окрашивают пламя в желтый цвет, кальция – в кирпично-красный, меди – в ярко-зеленый, калия – в фиолетовый, бария – в желто-зеленый, бора – в ярко-зеленый, свинца и мышьяка

– в бледно-голубой, стронция – в карминово-красный. Другой прием пиротехнического анализа – получение окрашенных перлов (стекол). Для получения перлов соли и оксиды металлов сплавляют с тетраборатом натрия

(Na2B4O7×10 H2O) или гидрофосфатом натрия-аммония (NaNH4HPO4 × 4 Н2О) и наблюдают окраску образующихся стекол (перлов). Хром дает изумруднозеленые перлы, кобальт – интенсивно-синие, железо – желто-бурые.

Метод растирания предложил в 1898 году Ф.М.Флавицкий. Твердое исследуемое вещество растирают с твердым реагентом и наблюдают внеш-

5

ний эффект. Например, соли кобальта с тиоциантом аммония дают синее окрашивание.

При анализе физическими методами не прибегают к химическим реакциям, а изучают физические свойства вещества с помощью приборов. Физические методы анализа основаны на существовании определенных зависимостей между физическими свойствами вещества и его химическим составом. Из них большое значение имеют оптические методы анализа: спектральный, люминесцентный и рефрактометрический.

а) Спектральный анализ.

О присутствии того или иного элемента судят по наличию в спектре линий, характерных для этого элемента. Количественное определение элемента производят по интенсивности этих линий. Этот метод позволяет обнаружить элементы при содержании их около 10-6 – 10-8 г. С помощью этого метода открыт ряд элементов в составе солнца и звезд.

б) Люминесцентный (флуоресцентный) анализ использует свечение исследуемого объекта, возникающее под действием ультрафиолетовых лучей, источником которых служит ртутная кварцевая лампа или другой вид лучей. Однако он применим для обнаружения не всех элементов, так как не все вещества люминесцируют. Этот метод позволяет обнаруживать очень маленькие количества примесей – порядка 10-10 – 10-13 г.

в) Рефрактометрический анализ основан на зависимости между показателем преломления, концентрацией растворенного вещества и его молекулярным составом.

К физическим методам относят также:

Радиометрический анализ основан на измерении радиоактивного излучения.

Рентгеноструктурный анализ – использует рентгеновские лучи для изучения строения вещества.

Масс-спектрометрический анализ позволяет определить массу атомов, молекул, ионов, радикалов.

С помощью физико-химических методов изучают физические явления, которые происходит при химических реакциях.

К физико-химическим методам относят:

а) Колориметрический анализ – основан на сравнении интенсивности окраски исследуемого и стандартного растворов, при этом интенсивность окраски находится в зависимости от концентрации вещества.

б) Кондуктометрический анализ – основан на измерении электрической проводимости растворов в зависимости от их концентрации и состава.

в) Потенциометрический метод – измеряют потенциал электрода, находящегося в исследуемом растворе.

г) Полярографический метод – учитывает измерение силы тока с ростом напряжения при электролизе анализируемого раствора (прибор полярограф).

6

д) Хроматографичский метод – позволяет разделять смеси веществ на отдельные компоненты. Метод основан на использовании сорбционных процессов в динамических и статистических условиях. Вследствие различной сорбируемости компонентов смеси происходит их разделение по длине колонки, заполненной сорбентом, за счет многократного повторения сорбции, десорбции и других процессов.

В зависимости от вида сорбции (адсорбция, абсорбция, хемосорбция, капиллярная конденсация) подразделяют и методы хроматографического анализа.

3 Общие представления о качественном анализе

Цель качественного анализа – обоснование метода определения качественного состава анализируемой пробы (вещества или смеси веществ) по аналитическому сигналу. Качественный анализ может использоваться для идентификации в исследуемом объекте атомов (элементный анализ), молекул (молекулярный анализ), простых или сложных веществ (вещественный анализ), фаз гeтepoгеннoй системы (фазовый анализ). Задача качественного неорганического анализа обычно сводится к обнаружению катионов и анионов, присутствующих в анализируемой пробе. Качественный анализ необходим для обоснования выбора метода количественного анализа того или иного материала или способа разделения смеси веществ.

В аналитической работе обычно используют химические реакции, протекающие достаточно быстро и полно. Выбирая реакции для химического анализа, руководствуются законом действующих масс и представлениями о химическом равновесии в растворах.

Выполняя аналитическую реакцию, соблюдают условия, которые определяются свойствами получающегося продукта. При несоблюдении этих условий результат не может считаться достоверным.

Например:

1.Одним из условий является среда. Нельзя обнаружить ион Са2+ дейст-

вием оксалата аммония (NH4)2С2О4 в присутствии сильной кислоты, так как оксалат кальция СаС2О4 растворим в сильных кислотах. Осадок хлорида серебра AgCl, растворимого в NH4OH, не может быть получен в аммиачной среде.

2.Другим условием выполнения реакций является поддержание необходимой температуры раствора. Большинство аналитических реакций выполняют при комнатной температуре или при охлаждении пробирки водой под краном. Такое охлаждение необходимо при осаждении гек-

сагидроксостибиата (V) натрия Na[Sb(OH)6]. Некоторые реакции требуют нагревания. Так, обнаружение иона NH4+ действием щелочи на исследуемый раствор выполняют при нагревании.

3.Важна достаточно высокая концентрация обнаруживаемого иона в растворе. Если образующееся соединение малорастворимо и выпадает в осадок при очень небольшой концентрации обнаруживаемого иона, то

7

говорят, что реакция высокочувствительна. Если же образующееся соединение заметно растворимо в воде, то реакцию считают малочувствительной. Понятие о чувствительности распространяют не только на реакции, связанные с выпадением осадков, но и на все другие аналитические реакции, каким бы внешним эффектом они не сопровождались. Помимо чувствительности, большое значение имеет селективность ре-

акции. Селективные или избирательные реакции дают сходный внешний эффект с несколькими ионами. Например, оксалат аммония образует осадки с катионами Са2+, Ва2+, Sr2+ и др. Чем меньше таких ионов, тем более выражена избирательность (селективность) реакции.

Специфической называют такую реакцию, которая позволяет обнаружить ион в присутствии других ионов. Например, специфичная реакция обнаружения иона NH4+ действием щелочи при нагревании, так как в этих условиях аммиак может выделяться только из солей аммония:

NH4Cl + NaOH → NH3↑ + Н2О + NaCI Специфична реакция на йод с крахмалом (синий цвет).

Взависимости от количества исследуемого вещества, объема раствора

итехники выполнения операции аналитические методы подразделяют на макро-, микро-, полумикро- и ультрамикрометоды (табл.1).

В случае макрометода реакции выполняют в обычных пробирках. При анализе микрометодом реакции выполняют микрокристаллоскопическим или капельным методом (или просто на стеклянной пластинке). Микрокристаллоскопический анализ состоит в oбнapyжeнии ионов по форме и цвету образующихся при реакции кристаллов, которые рассматривают под микроскопом. Промежуточное положение между макро- и микроанализом занимает полумикрометод качественного химического анализа. Полумикроанализ позволяет уменьшить расход реактивов, ускорить выполнение определений, избежать загрязнений воздуха лаборатории вредными газами.

Микроаналитические методы: ультрамикроанализ, субмикроанализ и субультрамикроанализ стали интенсивно развиваться в связи с потребностями радиохимии и получением изотопов лабораторным синтезом.

8

4 Общие представления о количественном анализе

Количественный анализ позволяет измерить интенсивность аналитического сигнала, т.е. найти численное значение оптической плотности pacтвopа, расход раствора на титрование, массы прокаленного осадка и т.д. По результатам количественного измерения сигнала можно рассчитать содержание определенного компонента в пробе.

Количественный анализ используется при оценке месторождений полезных ископаемых для металлургии и химической промышленности, имеет значение для медицины, биологии и агрохимии, почвоведения, физиологии растений и др.

Количественный анализ имеет большое значение в решении проблем охраны окружающей среды. Интенсивное загрязнение окружающей среды объясняется быстрым ростом промышленного производства. Природные воды загрязняются применяемыми в сельском хозяйстве пестицидами, гербицидами, минеральными удобрениями, опасными для здоровья человека. Промышленные предприятия сбрасывают технические воды, содержащие ядовитые тяжелые металлы. Чаще всего в сточных водах предприятий и в природных водах определяют ртуть, свинец, калий, оловo, цинк и другие токсичные ионы. В последнее время из-за повышенного содержания нитратов в почвах, питьевой воде и продуктах растениеводства возникла необходимость контроля пищевых продуктов. Кроме того, экологические объекты исследуют на содержание радионуклидов.

Современные методы количественного анализа классифицируют по измеряемым свойствам, таким как масса вещества, объем раствора реактива, интенсивность спектральных линий элементов, вращение плоскости поляризации, электродный потенциал и т.п.

В табл. 2 приведены важнейшие методы количественного анализа. При этом, несмотря на условность градации, макроколичествами определяемого элемента считают 0,05…0,5 г, полумикроколичествами 0,01…0,05 г, микроколичествами - 0,1…10 мг, ультрамикроколичествами 10…100 мкг, субмикроколичествами - менее 10 мкг.

Количественные методы разделяют на три класса: химические, физические и физико-химические. К химическим методам относят гравиметрический (весовой), титриметрический и газоволюметрический (объемный). Однако химические методы не всегда удовлетворяют требованиям контроля производства. Так, они недостаточно чувствительны для определения некоторых примесей в исследуемых материалах. Помимо этого, гравиметрические определения слишком длительны, а титриметричесние имеют ограниченную область применения. Поэтому в настоящее время много внимания уделяют разработке новых, более чувствительных и быстрых «экспрессных» методов анализа. Наиболее перспективны в этом отношении физические и физико-химические методы, которые условно называют инструментальными. В физических методах измеряют непосредственно определяемое физическое свойство без проведения химических реакций. Например, для определения содержания различных веществ (кислот, щелочей и др.) иногда достаточно измерить их плотность.

9

10

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Опыт 1. Качественные реакции на некоторые катионы и анионы

1. Проба на окрашивание пламени

Все летучие соли Na+ (например, NaCl) окрашивают бесцветное пламя в интенсивно желтый цвет.

Летучие соли К+ (например, КСl) окрашивают пламя в фиолетовый

цвет.

Летучие соли Sr2+ (например, SrCl2) окрашивают пламя в красный цвет. Соли Са2+ (например, CaCl2) - в кирпично-красный цвет.

Техника выполнения: стеклянную палочку с впаянной в нее проволочкой погрузить в раствор соли или захватить петлей немного сухой соли и внести в пламя горелки, наблюдать окраску пламени.

2. Действие красной и желтой соли на катионы Fe3+ и Fe2+

Гексацианоферрат (II) калия K4[Fe(CN)6] (желтая кровяная соль) дает с ионом Fe3+ темно-синий осадок берлинской лазури:

4 FeCl3 + 3 K4[Fe(CN)6] = Fe4[Fe(CN)6]3 ↓ + 12 KCl

берлинская лазурь

Гексацианоферрат (III) калия K3[Fe(CN)6] (красная кровяная соль) дает с ионом Fe2+ темно-синий осадок турнбулева соль:

3 FeSO4 + 2 K3[Fe(CN)6] = Fe3[Fe(CN)6]2 ↓ + 3 K2SO4

турнбулева соль