Основы качественного химического анализа. Методическое пособие с элементами практикума

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Казанский государственный технологический университете»

ОСНОВЫ

КАЧЕСТВЕННОГО ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Методическое пособие с элементами

практикума

Казань

КГТУ

2011

Составители: проф. А. Ф. Дресвянников, доц. Н. Н. Умарова, зав. лаб. С. Ю. Мамыкина

Основы качественного химического анализа: Метод. пособие с элементами практикума / Казан. гос. технол. ун-т; Сост.: А. Ф. Дресвянников, Н. Н. Умарова, С. Ю. Мамыкина. Казань, 2011, 98 с.

ISBN 978-5-7882-1067-4

Изложены основы классического качественного химического анализа неорганических веществ: указана цель анализа, рассмотрены основные понятия, методы и этапы проведения анализа, качественные реакции катионов и анионов. Приведены примеры идентификации индивидуальных неорганических соединений, а также природных и технических объектов. Показаны современные формы развития базовых подходов классического качественного химического анализа. Приведены примеры расчетов гетерогенных равновесий.

Предназначены для студентов химико-технологических специальностей всех форм обучения.

Подготовлены на кафедре аналитической химии, сертификации и менеджмента качества

Печатается по решению методической комиссии Казанского государственного технологического университета

Рецензенты: проф., д.х.н. Я.В. Ившин доц., к.т.н. С.Ю. Ситников

1.Основные понятия и определения в курсе качественного химического анализа

Аналитическая химия - это наука об определении химического состава веществ и отчасти их химического строения. По определению ИЮПАК: аналитическая химия – научная дисциплина, которая развивает и применяет методы, общие подходы и приборы для получения информации о составе и природе вещества в пространстве и времени.

Химический анализ представляет собой совокупность действий, имеющих целью получение информации о химическом составе анализируемого объекта. Основные этапы химического анализа: отбор пробы, подготовка образца к анализу, выбор метода, устранение мешающего влияния примесей, обнаружение (идентификация) и определение. Химический анализ вещества проводят с целью установления качественного и количественного его составов. При исследовании состава веществ качественный анализ всегда предшествует количественному.

Качественный анализ устанавливает, какие элементы, ионы, группы атомов или молекул входят в состав вещества. Основой методов качественного анализа является регистрация аналитического сигнала, возникающего при химическом или энергетическом воздействии на вещество.

Аналитический сигнал – это измеряемое свойство вещества, которое связано с его составом. Наличие аналитического сигнала свидетельствует о качественном составе вещества, интенсивность сигнала даёт информацию количественного характера. По происхождению аналитического сигнала различают химические, физико-химические и физические методы анализа.

Качественный химический анализ основан на использовании аналитической реакции.

Аналитическая реакция – это химическое превращение анализируемого вещества в какое-либо новое соединение, сопровождающееся внешним эффектом (аналитическим сигналом) - выпадением осадка, изменением цвета раствора, выделением газа. Вещество, вызывающее химическое превращение, называют реагентом. Основные характеристики аналитической реакции – это чувствительность и селективность.

Чувствительность – это отклик аналитического сигнала на содержание данного вещества. Математически оно выражается, как приращение интенсивности аналитического сигнала ( P), отнесённое к единице приращения концентрации вещества (ΔС). Чем больше эта величина, тем меньшее количество вещества можно обнаружить, получая один и тот же аналитический сигнал. В настоящее время чувствительность химической реакции принято называть нижним пределом определения (НПО). НПО - минимальная концентрация открываемого компонента, которую можно обнаружить с помощью данной реакции с надёжностью 0,3. Ошибка определения должна быть меньше 0,3 (30%). Для наиболее чувствительных аналитических реакций НПО составляет 10-3÷10-5 моль/л (10-4÷10-6 г/мл). Чувствительность химической реакции зависит от природы химического соединения и способа детектирования.

Под селективностью понимается избирательность аналитической реакции. При анализе сложных химических смесей ситуация осложняется тем, что различные ионы могут давать одинаковый аналитический сигнал при действии реагента. Устранить мешающие компоненты можно двумя способами: маскированием и разделением. Маскирование - это перевод посторонних компонентов в

такую форму, которая уже не оказывает мешающего влияния. Вещества, вводимые в систему с целью маскирования, называют маскирователями. Выделяют следующие группы маскирователей:

-вещества, образующие с мешающими ионами более устойчивые комплексы, чем с определяемыми ионами. Например, фторид аммония, связывающий железо (III) в бесцветный комплекс FeF63–, является маскирователем ионов железа (III);

-вещества, предотвращающие кислотно-основные реакции с образованием малорастворимых гидроксидов. Например, в

присутствии винной кислоты гидрат оксида железа (III) не осаждается аммиаком вплоть до pH ≈ 9-10;

- вещества, изменяющие степень окисления мешающего иона. Например, в присутствии тиосульфат-ионов, медь (II) восстанавливается до меди (I), не дающей устойчивых комплексов с комплексонами.

Разделение - это операция, в результате которой компоненты, составляющие реакционную смесь, отделяются один от другого. Разделение анализируемого и мешающего элементов может осуществляться с помощью следующих приёмов: осаждения, кристаллизации, выпаривания, дистилляции и т.д.

Идентификация – это определение качественного состава вещества путём сопоставления аналитического сигнала неизвестного вещества с соответствующей характеристикой известного. По тождественности аналитического сигнала устанавливают идентичность исследуемого неизвестного соединения известному. Идентификация неорганических соединений основана главным образом на обнаружении катионов и анионов с помощью аналитических химических реакций. По назначению аналитические реакции делят на групповые, селективные и специфические.

Групповые реакции – это реакции, в которых целая группа ионов даёт одинаковый аналитический сигнал с данным реагентом. Реагент в таких реакциях называют групповым.

Селективные реакции - это реакции, в которых ограниченное число ионов (2-3) даёт одинаковый аналитический сигнал с данным реагентом. Реагент называют селективным.

Специфические реакции - это реакции, в которых аналитический сигнал принадлежит одному иону. Реагент называют специфическим. Иногда специфичность достигается изменением условий опыта, для чего необходимо знать химические свойства всех компонентов, присутствующих в растворе.

Качественный химический анализ можно проводить систематически и дробно.

Систематический анализ предполагает систематическое, последовательное обнаружение и разделение компонентов с помощью групповых реагентов. Идентификацию ионов внутри группы проводят, используя селективные и специфические реакции. Для качественного анализа катионов применяют различные схемы систематического анализа, согласно которым разделение катионов на группы основано на различной растворимости сульфидов, фосфатов, гидроксидов.

В учебном практикуме кафедры АХСМК используется кислотно-основная классификация катионов.

Анионы обычно классифицируют по признаку растворимости солей бария (II) и серебра (I). Групповые реагенты в анализе анионов служат только для их обнаружения (в отличие от катионов, где такие реагенты служат и для их разделения). Полные схемы систематического качественного анализа осуществляются редко. Обычно их используют частично в соответствии с конкретным набором ионов. Химические методы качественного анализа имеют

практическое значение при необходимости обнаружения 1-2 элементов (ионов).

Дробный анализ состоит в обнаружение ионов данного элемента в отдельных порциях раствора без предварительного разделения смеси ионов на группы. Дробный анализ выполняется в произвольной последовательности. Для обнаружения ионов дробным способом используют наиболее характерные реакции, специфичность и чувствительность которых повышают созданием оптимальных условий анализа (рН, температура, маскировка мешающих ионов, экстракция и т.п.).

Дробный анализ проводят из раствора, используя специфические реакции. Мешающие компоненты обычно изолируют осаждением или маскированием. Основой для создания дробного анализа послужило получение большого количества органических реагентов и развитие капельного метода выполнения аналитической реакции.

По технике выполнения качественной аналитической реакции различают пробирочный, капельный, микрокристаллоскопический, пирохимический методы и метод растирания. В учебном практикуме в настоящее время используются пробирочный, капельный и пирохимический методы.

Пробирочный анализ - метод анализа, в котором аналитическую реакцию проводят в пробирке с использованием растворов исследуемого вещества и реагента.

Капельный анализ - метод микрохимического анализа, в котором реакцию проводят с использованием капли раствора. Применяют различные реакции, чаще всего протекающие с образованием окрашенных соединений. Реакции выполняют на фильтровальной бумаге (иногда пропитанной раствором реагента), фарфоровой или стеклянной пластинке. Благодаря различиям в

адсорбируемости продуктов аналитической реакции, они могут быть обнаружены при совместном присутствии по характерно окрашенным кольцам. Предел обнаружения веществ в этом случае составляет 0,1 - 0,001 мкг.

Пирохимический анализ включает наблюдение цвета пламени при внесении в него исследуемого вещества и получение окрашенных перлов сплавлением.

2. Техника безопасного проведения работ в

лаборатории химических методов анализа

Работа в лаборатории химических методов анализа связана с использованием ядовитых и легковоспламеняющихся веществ, нагреванием пробирок на водяной бане и поэтому является работой повышенной опасности, требующей предельной аккуратности и соблюдения правил личной гигиены.

Перед началом работы необходимо обязательно ознакомиться с инструкцией по технике безопасности и строго соблюдать все ее требования:

1.Работы, сопровождающиеся выделением ядовитых газов, проводить в вытяжном шкафу.

2.Работы, связанные с использованием легковоспламеняющихся веществ, проводить вдали от места их хранения и вдали от открытого огня.

3.При попадании любого раствора на кожные покровы промыть пораженное место большим количеством воды и поставить в известность преподавателя.

4.Строго запрещается:

- работасреактиваминеизвестногопроисхождения;

-опробованиевеществирастворовнавкус, наощупь;

-прием пищи и курение в лаборатории;

-использованиелабораторнойпосудыдлябытовыхцелей.

3. Очистка и подготовка химической посуды

Перед работой следует проверить чистоту химической посуды, которая необходима для проведения анализа. Использованную посуду нужно вымыть сразу же после окончания работы. С чистой поверхности стеклянного сосуда вода стекает ровным слоем, не образуя жирных пятен и капель. При мытье посуды стенки сосудов прежде всего смывают водой. Осадок, остающийся на стенках, удаляют потиранием деревянной палочки с резиновым наконечником, после чего сосуд снова моют водой. Если при этом загрязнение не удаляется, в сосуд наливают моющую жидкость и вращательным движением смачивают всю поверхность сосуда. Сосуд промывают 6-7 раз водопроводной и ополаскивают дистиллированной водой.

В качестве моющих жидкостей применяют одну из следующих смесей:

а) мыльная вода и растворы бытовых моющих смесей; б) щелочной раствор перманганата калия. Готовится

растворением 5 г KMnO4 в 100 мл горячего 10% раствора NaOH. Раствор повторно не используют;

в) хромовая смесь (5% раствор дихромата калия в концентрированной серной кислоте). Готовится растворением при нагревании 9,2 г K2Cr2O7 в 100 мл концентрированной серной кислоты. Хромовая смесь сильно разрушает растительные и животные ткани (кожу, одежду, обувь), поэтому работать с ней следует осторожно. При попадании на руки или одежду пораженное место следует обмыть большим количеством воды, затем слабым раствором

аммиака или соды, а затем снова водой. Все работы с хромовой смесью проводятся над раковиной;

г) кислоты и щелочи; д) органические растворители (спирт, эфир, ацетон, бензин,

скипидар, четыреххлористый углерод, дихлорэтан и др.);

Реакции в пробирке. Исследуемый раствор (2-3 мл) вносят в пробирку капиллярной пипеткой так, чтобы кончик пипетки не коснулся стенок пробирки. Соблюдая условия проведения реакции, прибавляют 2-3 мл раствора аналитического реагента. Наблюдают и описывают аналитический эффект реакции (выпадение осадка, выделение газа, изменение цвета или помутнение раствора).

Нагревание и выпаривание. При проведении многих реакций требуется нагревание. Нагревать растворы в пробирках на открытом пламени горелки запрещается. Поэтому пробирки с раствором нагревают на водяной бане, т.е. в сосуде, заполненном горячей дистиллированной водой. Если необходимо нагреть большой объем раствора в стакане или колбе, нагревание ведут, поставив стакан или колбу на асбестовую сетку электроплитки.

Выпаривание растворов с целью концентрирования или упаривания досуха проводят в фарфоровых чашках или тиглях. Рекомендуется выполнять эту операцию на песочных банях или электронагревателях в вытяжном шкафу. Растворение сухого остатка проводят после охлаждения чашки или тигля во избежание разбрызгивания.