Учебное пособие 2150
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
А.В. Звягинцева
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ АНАЛИЗА: КУРС ЛЕКЦИЙ
Утверждено учебно-методическим советом университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2017
1
УДК 543:543.5(075.8) ББК 24.4:24.46я7
З 454
Звягинцева А.В. Аналитическая химия и физикохимические методы анализа: курс лекций: учеб. пособие / А.В. Звягинцева. Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017. 249 с.
Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов при подготовке к лекционным, практическим и лабораторным занятиям по дисциплине «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа».
Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению 20.03.01 «Техносферная безопасность» (направленности «Защита окружающей среды»), дисциплине «Аналитическая химия и физикохимические методы анализа».
Табл. 25. Ил. 65. Библиогр. 12 назв.
Рецензенты: ООО «Георесурс» (главный научный
сотрудник д-р техн. наук, проф. Ю.Н. Шалимов); д-р техн. наук, проф. В.А. Небольсин
©Звягинцева А.В., 2017
©ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017
2
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие соответствует программе по дисциплине «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа» для инженерно-технических вузов. Аналитическая химия – наука о способах идентификации химических соединений, о принцапах и методах определения химического состава и их структуры. Особую актуальность аналитическая химия приобрела в настоящее время, поскольку основным фактором неблагоприятного антропогенного воздействия на природу являются химические загрязнения. Определение их концентрации в различных прородных объектах становится важной задачей.
Учебное пособие по аналитической химии и физикохимическим методам анализа составлено в соответствии с программой курса «Аналитическая химия и физикохимические методы анализа» для направления 20.03.01 «Техносферная безопасность» (направленность «Защита окружающей среды») для студентов 3 курса очной формы обучения. Данное учебное пособие рекомендовано для подготовки к лекционным, практическим и лабораторным занятиям по данной дисциплине и составлено в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта по «Аналитической химии и физико-химическим методам анализа». Предназначено для самостоятельного изучения теоретических основ курса.
Целью пособия является формирование у студентов целостного представления об аналической химии и ясного понимания взаимосвязи между общехимическими теоретическими концепциями и принцимами химического анализа. Изучение основ теории в сочетании с лабораторным практикумом позволяет студентам получить базовые сведения и навыки, необходимые для практического освоения методик анализа конкрентых природных и технологических объектов.
3
«Аналитическая химия чутко реагирует на запросы производства и черпает для себя в этом силу и импульсы для дальнейшего роста».
Николай Семенович Курнаков
(1860-1941)
Лекция № 1 Понятие об аналитической химии и химическом анализе.
Элементарный молекулярный, фазовый анализ. Контроль производства. ГОСТы
Аналитическая химия – это наука о методах качественного и количественного (атомного, ионного, изотопного, молекулярного) определения состава веществ и их смесей. В соответствии с определением аналитическая химия подразделяется на качественный и количественный анализ. Наряду с общей, органической, неорганической, коллоидной и физической химией аналитическая химия является частью химической науки.
Предметом аналитической химии как науки является теория и практика разнообразных методов анализа. Сюда относится:
–изучение форм существования элементов и их соединений в различных средах и агрегатных состояниях;
–определение состава устойчивости координационных
соединений, оптических, электрохимических и других характеристик вещества;
– исследование скоростей химических реакций, определение метрологических характеристик, методов.
Целью аналитической химии как учебной дисциплины является формирование у студентов знаний теоретических основ химического анализа и практических навыков его выполнения.
Задачами аналитической химии являются:
1) всестороннее развитие теории методов анализа;
4
2)усовершенствование и научное обоснование существующих методов аналитического анализа;
3)научная разработка новых методов анализа,
отвечающих требованиям развивающейся науки и современного производства;
4) анализ природных веществ и окружающей среды (атмосферы, гидросферы, литосферы), а также технических материалов;
5) поддержка химико-технологических и физикохимических процессов производства на заданном оптимальном уровне на основе систематического химикоаналитического контроля всех звеньев промышленного производства;
6) создание методов автоматического контроля технологических процессов, сочетающихся с системами дистанционного управления на основе использования электронных вычислительных, регистрирующих, сигнализирующих, блокирующих и управляющих машин, приборов и аппаратов.
Аналитическая химия является дисциплиной на стыке наук, так как широко использует достижения физики, математики, биологии и прикладных технических дисциплин.
Теоретическую основу аналитической химии составляют различные физические и химические законы, в частности:
–закон сохранения массы,
–закон постоянства состава,
–периодический закон,
–закон действующих масс.
А также теоретические концепции общей химии, описывающие важнейшие химические явления, такие как:
–электролитическая диссоциация,
–химическое равновесие,
–комплексообразование,
–окислительно-восстановительные реакции.
5
Понятие о структуре анализа. Элементный, молекулярный, фазовый анализ
Исследуя неизвестный объект, прежде всего, устанавливают, из каких компонентов он состоит, а затем находят их количественные соотношения. Поэтому качественный анализ вещества предшествует количественному анализу. Если объект исследования не является новым, то есть его качественный состав уже известен, то сразу приступают к количественному анализу. Итак, при анализе решают следующие аналитические задачи –
установить:
1.Какие компоненты входят в анализируемый объект;
2.В каких количествах;
3.В каком порядке они располагаются;
4.Каков характер взаимосвязи между отдельными компонентами.
Решить эти задачи можно с помощью анализа, понятие о котором впервые было введено в 1661 г. английским химиком Робертом Бойлем. По определению Международного союза химиков ИЮПАК: анализ – процедура получения опытным путем данных о химическом составе вещества.
Анализ – это решение сложной задачи путем ее дробления на серию более простых, с последующим суммированием найденных решений. В зависимости от решаемых задач анализ подразделяют на качественный, количественный, структурный и системный.
Основная задача химического анализа – определить,
какие компоненты содержит исследуемый образец, и
каково их количественное соотношение. Задача химического анализа – произвести идентификацию вещества в смесях.
Химический анализ включает два основных этапа:
1 Этап: Ответ на вопрос, какие вещества находятся в смеси (растворе)? Эта задача качественного анализа.
6
2 Этап: Ответ на вопрос, сколько вещества находится в смеси (растворе)? Эта задача количественного анализа.
В соответствии с этой задачей в аналитической химии выделяют качественный и количественный анализ.
Цель качественного анализа – обнаружение компонентов анализируемого образца, а также идентификация тех или иных соединений. Для неорганических веществ качественным анализом открывают катионы и анионы, в органических соединениях – элементный состав, функциональные группы.
Цель количественного анализа – определение количественного содержания компонентов в образце.
Цель структурного анализа – исследование структуры вещества, установление порядка расположения атомов и их химических связей в молекуле вещества.
Цель системного анализа – определение характера взаимосвязи в системе между молекулами или ионами.
В практических целях не всегда требуется проведение полного химического анализа. Нередко ограничиваются определением двух-трех или четырех-пяти компонентов, от содержания которых зависят качество материала, его технологические характеристики, эксплуатационные свойства. Теоретическую основу аналитической химии составляют фундаментальные законы естествознания, такие как, периодический закон Д.И. Менделеева, законы сохранения массы вещества и энергии, постоянства состава вещества действующих масс и другие законы. Аналитическая химия тесно связна с физикой, неорганической, органической, физической и коллоидной химией, электрохимией, химической термодинамикой, теорией растворов, метрологией, теорией информации и многими другими науками.
Понятие анализа ассоциируется обычно с разделением вещества на составные части, но химически анализ часто основывается на синтезе соединений, имеющих характерную
7
окраску, малую растворимость, специфическую форму кристаллов.
В зависимости от объекта исследования различают неорганический и органический качественный анализ. Разделяемый, в свою очередь, на элементный,
функциональный и молекулярный анализы.
Элементный анализ позволяет установить содержание элементов (ионов).
Функциональный анализ – содержание функциональных (реакционноспособных) атомов и групп в анализируемом объекте.
Молекулярный – предусматривает анализ индивидуальных химических соединений, характеризующихся определенной молекулярной массой.
Большое значение имеет так называемый фазовый анализ – совокупность методов разделения и анализа отдельных структурных (фазовых) составляющих гетерогенных систем.
По объектам анализа химический анализ подразделяют на:
1.Технический (руды, металлы, техническое сырье);
2.Сельскохозяйственный (корма, почва, удобрения);
3.Пищевой (продукты питания);
4.Биохимический (кровь, моча, желудочный сок,
желчь);
5.Токсикологический (растительные и животные объекты);
6.Судебно-химический (выделения, органы людей);
7.Санитарно-химический (воздух, вода, почва);
8.Фармацевтический (лекарства, лекарственное сырье).
Химический анализ включает в себя следующие стадии:
1.Отбор пробы для анализа;
2.Подготовка пробы к анализу;
3.Оценка качества;
8
4.Измерение интенсивности аналитического сигнала;
5.Обработка результатов;
6.Анализ осуществляется посредством методов.
Основные этапы развития аналитической химии
Многие практические приемы аналитической химии и аналитические методики были известны в глубокой древности. Это, прежде всего, пробирное искусство, или пробирный анализ, который выполнялся «сухим» путем, без растворения пробы и использования растворов. Методами пробирного анализа контролировали чистоту благородных металлов и устанавливали их содержание в рудах, сплавах (пробаэто масса драгоценного металла в сплаве). Техника выполнения пробирного анализа воспроизводила в лабораторных условиях производственный процесс получения драгоценных металлов. Эти методы анализа применялись в Древнем Египте и Греции, были они известны и в Киевской Руси. В Древней Индии и Китае использовались методы анализа лекарственных трав с целью обнаружения их лечебного действия.
В14 веке Иван Грозный открывает первую на Руси аптеку. Именно аптеки стали местом рождения алхимии.
В17 веке Санкт-Петербурге Петр I открывает первую
лабораторию, которая занималась изучением свойств Уральских самоцветов.
Однако развитие промышленности и различных производств к середине XVII в. Потребовало новых методов анализа и исследования, поскольку пробирный анализ уже не мог удовлетворить потребностей химического и многих других производств.
Р. Бойль (1627-1691) разработал общие понятия о химическом анализе. Он заложил основы современного качественного анализа «мокрым путем», проведением реакции в растворе, привел и систему известные в то время качественные реакции и предложил несколько новых (на
9
аммиак, хлор и другие компоненты), применил лакмус для обнаружения кислот и щелочей и сделал другие важные открытия. Именно с этого времени аналитическая химия превращается из искусства в науку.
М.В. Ломоносов (1711-1765) впервые стал систематически применять весы при изучении химических реакций. В 1765 г. Он экспериментально установил один из первых законов природы – закон сохранения массы вещества, составивший основу количественного анализа и имеющий огромное значение для сей науки.
А.Л. Лавуазье (1743-1794) определил состав воздуха, воды и других веществ и разработал кислородную теорию горения. Опираясь на аналитические данные, Д. Дальтон (1766-1844) развил атомистическую теорию вещества и установил законы постоянства состава и кратных отношений.
Ж.Л. Гей-Люссак (1778-1850) и Авогадро (1776-1856)
сформулировали газовые законы. Аналитическая химия, обогащаясь новыми методами, продолжали развиваться и совершенствоваться.
В конце XVIII в. Т.Е. Ловиц (1757-1804), развивая идеи М.В. Ломоносова, микрокристаллоскопический анализ – метод качественного анализа солей по форме их кристаллов, М.В. Севегин (1765-1826) предложил колориметрический анализ, основанный на зависимости интенсивности окраски раствора от концентрации вещества, Ж.Л. Гей-Люссак разработал титриметрический метод анализа. Эти методы вместе с гравиметрическим анализом составили основу классической аналитической химии и сохранили свое значение до настоящего времени.
В конце XVIII и в XIX вв. трудами многих ученых – Т.
У. Бергмана (1735-1784), Л.Ж. Тенара (1777-1857), К.К.
Клауса (1796-1864) и другими учеными был создан систематический качественный анализ. В соответствии с разработанной схемой из анализируемого раствора действием групповых реактивов осаждали определенные группы
10