Курс общей химии. Спиридонов Б.А

созданы банки химических и физико - химических данных. При анализе многокомпонентных веществ все более используются универсальные приборы (спектрометры, спектрофотометры, хроматографы, полярографы и др.), снабженные компьютерами, в памяти которых имеется справочная химикоаналитическая информация. На базе этих универсальных установок создается автоматизированная система анализа и обработки информации.

Взависимости от вида идентифицируемых частиц различают элементный, молекулярный, изотопный и фазовый анализы. В настоящей главе будут рассмотрены в основном элементный и молекулярный анализы.

Взависимости от массы сухого вещества или объема рас-

твора анализируемого вещества различают макрометод (0,5 - 10 г или 10 - 100 мл), полумикрометод (10 - 50 мг или 1 - 5 мл), микрометод (1 - 5 мг или 0,1 - 0,5 мл) и ультрамикрометод (ниже 1 мг или 0,1 мл) идентификации.

Качественный анализ характеризуется пределом обнаружения (обнаруженным минимумом) сухого вещества, т.е. минимальным количеством надежно идентифицируемого вещества, и предельной концентрацией раствора cx,min .Эти две величины связаны друг с другом соотношением

Предел обнаружения (мкг) cx,min = Объем раствора (мл) 106

В качественном анализе применяются только такие реакции, пределы обнаружения которых не превышают 50 мкг.

Имеются некоторые реакции, которые позволяют обнаружить то или иное вещество или ион в присутствии других веществ или других ионов. Такие реакции называются специфическими. Примером таких реакций могут быть обнаружение

ионов NH 4 действием щелочи или нагреванием,

NH4Cl + NaOH = NH3↑ + Н2O + NaCl

363

Следует отметить, что определение степени чистотьг часто зависит от наименьшей суммарной концентрации примесей, которую удается обнаружить. Например, спектрально чистыми называют вещества, примеси в которых можно определить спектральными методами.

Особо чистым веществам присваиваются определенные марки, которыми характеризуют число видов и логарифм массовой доли лимитирующих примесей (%). Например, марка ОСЧ 8 - 6 означает, что вещества особой чисто ты содержат 8 лимитирующих видов примесей, причем сум-

марная их концентрация не превышает 10-6 % (масс. долей). При наличии органических примесей их обозначают индексом «ОП» и указывают логарифм их массовой доли (%). Например, марка ОП – 5 - ОСЧ означает, что суммарное содержание органических примесей не превышает 10-5 % (массовых долей).

Идентификация катионов неорганических веществ.

Методы качественного анализа базируются на ионных реакциях, которые позволяют идентифицировать элементы в форме тех или иных ионов. В ходе реакций образуются труднорастворимые соединения, окрашенные комплексные соединения происходит окисление или восстановление с изменением цвета раствора.

Для идентификации с помощью образования труднорастворимых соединений используют как групповые, так и инди-

видуальные осадители. Групповыми осадителями для ионов Ag+, Pb2+, Hg2+ служит NaCl; для ионов Са2+, Sr2+, Ва2+ -

(NH4)2CO3, для ионов А13+, Сr3+, Fе2+, Fe3+, Mn2+, Со2+, Ni2+, Zn2+ и др. - (NH4)2S

Если присутствует несколько катионов, то проводят дробный анализ, при котором осаждаются все труднорастворимые соединения, а затем обнаруживаются оставшиеся катионы тем или иным методом, либо проводят ступенчатое добавление реагента, при котором сначала осаждаются соединения с наименьшим значением ПР, а затем соединения с более высоким значением ПР.

365

Любой катион можно идентифицировать с помощью определенной реакции, если удалить другие катионы, мешающие этой идентификации.

Имеется много органических и неорганических реагентов, образующих осадки или окрашенные комплексные соединения с катионами (табл. 7).

Летучие соединения металлов окрашивают пламя горелки в тот или иной цвет. Поэтому, если внести изучаемое вещество на платиновой или нихромовой проволоке в бесцветное пламя горелки, то происходит окрашивание пламени в присутствии в веществе тех или иных элементов, например, в цвета: ярко - желтый (натрий), фиолетовый (калий), кирпично – крас-

ный (кальций), карминово - красный (стронций), желто - зеленый (медь или бор), бледно - голубой (свинец или мышьяк). Идентификация анионов. Анионы обычно классифицируют по растворимости солей, либо по окислительно - восстанови-

тельным свойствам. Так многие анионы (SO 24 , SO 32 , СО 32 , SiO 32 , F -, РО 34 , CrO 24 и др.) имеют групповой реагент ВаСl2

в нейтральной или слабо кислой среде, так как соли бария и этих анионов мало растворимы в воде.

Таблица 14

Некоторые реагенты для идентификации катионов

366

367

Групповым реагентом в растворе HNO3 на ионы Сl - , Вr -,

I -, SCN -, CN -, S 2-, ClO -, [Fe (CN)6] 4- и др. служит AgNO3.

Классификация анионов по окислительно - восстановительным свойствам приведена в табл. 8

Таблица 15

Классификация анионов по окислительно - восстановительным свойствам

368

[Fe (CN)6] 3-, СlO –, MnO 4

Инертные

СО 32 , SO 24 , SiO 32 , PO 34 , F-, BO 2

Анионы можно обнаружить дробным анализом. Для этого групповой реагент ступенчато приливают к анализируемому раствору, первыми выпадают в осадок соединения с наименьшими значениями ПР. Отдельные ионы могут быть обнаружены с помощью тех или иных специфических реакций или реа-

гентов. Например, при воздействии на анионы СО 32 с кисло-

той протекает реакция с выделением пузырьков диоксида углерода:

CO 32 + 2H+ H2CO3 H2O + CO2

Как и для катионов, имеются реагенты на те или иные анионы (табл. 9).

Таблица 16 Некоторые реагенты для идентификации анионов

369

Таким образом, химическая идентификация вещества базируется в основном на реакциях осаждения, комплексообразования, окисления и восстановления, нейтрализации, при которых происходит выпадение белого или окрашенного осадка, изменение цвета раствора или выделение газообразных веществ.

12.2. Количественный анализ

Задачей количественного анализа является определение количественного содержания элементов, ионов или химических соединений, входящих в состав исследуемых веществ и материалов.

Результаты анализа обычно выражают в процентах. Например, при анализе карбоната кальция указывают, сколько процентов кальция, углерода и кислорода в нем содержит содержится. Ввиду того, что CaCO3 можно рассматривать как продукт соединения окиси кальция CaO с угольным ангидридом CO2, состав этой соли часто выражают также в процентах окислов CaO и CO2.

Химический анализ является важнейшим методом исследования и широко применяется во всех областях науки, которые так или иначе соприкасаются с химией. Так, огромно его значение для минералогии, геологии, физиологии, микробиологии, медицинских, агрономических и технических наук. Не менее важное значение имеет химический анализ и в производстве. Инженер-технолог на любой стадии производственного процесса должен знать как качественный, так и количественный состав материалов, подвергающихся переработке. На-

370

пример, правильно составить шихту в чугунолитейном или стекольном производстве можно, только зная состав загружаемых в печь материалов, наилучшим образом провести процесс дубления кожи можно, только зная содержание дубильных веществ в применяемых экстрактах и т.д.

Методы количественного анализа. В количественном анализе обычно используют те же самые реакции ионов, которые применяются в качественном анализе. Так, для количественного определения хлора (вернее Cl - иона) его осаждают из раствора ионом серебра:

Cl- + Ag+ = AgCl

На основе этой реакции хлор можно определять различными способами. Можно, например, осадок AgCl, осторожно прокалить (или высушить) и точно взвесить. По весу осадка AgCl и его формуле нетрудно вычислить, сколько в нем содержится хлора. Так, например, при анализе 0,0536 г. NaCl осадок весил 0,1290 г.. Принимая во внимание, что грамм-моль (т.е. 143,3 г.) AgCl содержит г- атом (т.е. 35,45 г.) Cl, можно записать:

в143,3г. AgCl содержится 35,45 г. Cl

в0,1290 г. AgCl содержится. x г. Cl

х = 0,1290 35,45/143,3 г.

Учитывая, что весь найденный хлор содержался раньше во взятой навеске (т.е. в отвешенном для анализа количестве) NaCl легко вычислить процентное содержание хлора в последней.

в 0,0536 г. NaCl содержится. 0,03192 г. Cl

в 100 г. NaCl содержится уг. Cl

у = 0,03192·100 / 0,0536 = 69,6 %

Такой метод анализа называется весовым анализом, поскольку о количестве определяемого элемента судят по весу продукта реакции. Определить количество хлора в NaCl можно однако и иначе, а именно - при помощи так называемого титрования, т.е. измерения объема раствора реактива AgNO3 точно

371

известной концентрации, затрачиваемого на осаждение ионов Cl-. Этих двух величин - объема и концентрации раствора реактива - вполне достаточно для вычисления искомого содержания хлора в исследуемом веществе. Если, например, на осаждение всего хлора из раствора, полученного при растворении навески вещества в воде, потребовалось 18 мл раствора AgNO3, в 1 мл которого содержится 0,0085 г. этой соли, то всего на реакцию очевидно затрачено 18·0,0085, т.е. 0,1530 г. AgNO3.

Из уравнения реакции NaCl + AgNO3 = AgCl + NaNO3

видно, что на осаждение 1 г-иона (т.е. 35,45 г.) Cl затрачивает-

ся 1 г-моль (т.е. 169,9 г.) AgNO3

Поэтому можно написать:

на осаждение 35,45 г. Cl затрачивается 169,9 г. AgNO3 на осаждение х г. Cl затрачивается 0,1530 г. AgNO3

х = 0,1530·35,45/169,9 = 0,03192 г. Cl

После того, как и в предыдущем случае, остается рассчитать процентное содержание хлора во взятой навеске.

Метод анализа, основанный на точном измерении объема раствора реактива точно известной концентрации, затрачиваемого на реакцию, называется объемным анализом

Объемный анализ имеет в отношении скорости выполнения огромное преимущество перед весовым анализом. Ускорение определений достигается здесь благодаря тому, что вместо взвешивания продукта реакции при объемном анализе измеряют объем затрачиваемого на ее течение раствора реактива, концентрация (или, как говорят титр) которого всегда точно известна.

Титром называется число граммов растворенного вещества, содержащееся в 1 мл раствора. Например, выражение ―титр H2SO4 равен 0,0049 г./мл‖ означает, что каждый миллиметр данного раствора серной кислоты содержит 0,0049 г. H2SO4, титр обозначается буквой Т с указанием формулы соответствующего вещества. Так, в данном случае:

Т(H2SO4) = 0,0049 г/мл.

372