Основы качественного химического анализа. Методическое пособие с элементами практикума

Дано белое кристаллическое вещество (например, NaNO3). По внешнему виду можно предположить, что это вещество не содержит окрашенных катионов и анионов. Следовательно, в растворе нет ионов меди, железа, никеля, марганца, хрома, а из анионов - хромата или бихромата.

Предварительные наблюдения.

О к р а ш и в а н и е п л а м е н и . Если испытуемое вещество окрашивает пламя горелки в интенсивно жёлтый цвет, то можно предположить, что это соль натрия. При действии кислот на вещество газы не выделяются. Следовательно, анализируемое соединение не является карбонатом.

вещества имеет рН=7. Следовательно, можно предположить, это соль равных по силе кислоты и основания.

Обнаружение катиона. Так как предварительное испытание окрашивания пламени указало на натрий, то к трём-четырём каплям раствора необходимо прибавить несколько капель 2н раствора Na2HPO4. Осадок не образуется. Следовательно, искомый катион действительно принадлежит к "растворимой" группе. Реактив Несслера не обнаруживает присутствия иона NH4+. Реакция с Na3[Co(NO2)6] также не даёт положительного эффекта.

Обнаружение аниона. На водный раствор анализируемого вещества действуем раствором BaCl2. Осадок не образуется, следовательно, нет анионов I-й группы. При добавлении AgNO3 + HNO3 осадок не образуется, следовательно, нет Cl--иона. Проводят реакцию на анионы III группы. Найден нитрат-ион.

Вывод: анализируемое вещество натрий азотнокислый -

NaNO3.

Для примера рассмотрим анализ электролита гальванической ванны железнения. Раствор слегка окрашен в желтовато-зеленоватый цвет. При анализе положительные результаты дали пробы на присутствие I-й группы анионов (добавление BaCl2 приводило к обильному осадку в нейтрализованном растворе, который лишь частично растворился в 2н HNO3).

Проба на восстановители была также положительной. В растворе присутствует Fe2+, так как при действии K3[Fe(CN)6] образовался синий осадок. Проба с реактивом Несслера даёт светло- коричневый осадок - есть NH4+. Ca(NO3)2 даёт белый осадок, растворимый в 2н HNO3 и нерастворимый в 2н CH3COOH. Наблюдаемые эффекты приводят к выводу о том, что в пробе содержатся ионы Fe2+, NH4+, SO42-, C2O42-. Таким образом можно заключить, что состав ванны, вероятно, представлен соединениями:

1)FeSO4, (NH4)2SO4, (NH4)2C2O4, FeC2O4;

2)FeSO4, (NH4)2C2O4.

Возможны и другие варианты. Ответ об истинном качественном составе ванны можно дать только после количественного определения содержания ионов.

8.3.2. Анализ металлов и сплавов

Если анализируемый объект представляет собой металл или сплав металлов, то анализ сводится к их растворению и обнаружению в растворе присутствующих катионов. Перед анализом следует по возможности определить тип сплава по внешнему виду образца.

1. Чугуны и стали. Основным компонентом чугунов и сталей является железо. Эти сплавы имеют серый или серебристый цвет и растворяются в хлороводородной и серной кислотах.

Обнаружение железа. Несколько крупинок сплава растворяют при нагревании в нескольких каплях концентрированной HCl. Перед окончанием растворения прибавляют каплю концентрированной азотной кислоты. После остывания раствора добавляют каплю раствора NH4SCN, при этом появляется интенсивное кроваво-красное окрашивание.

2. Латуни и бронзы. Основным компонентом латуни и бронзы является медь. Эти сплавы имеют жёлтый или золотистый цвет и растворяются в HNO3.

Обнаружение меди. Несколько крупинок сплава растворяют в концентрированной азотной кислоте (1:1), затем приливают избыток концентрированного раствора аммиака. Имеет место интенсивно синее окрашивание раствора.

3.Сплавы на алюминиевой основе. Эти сплавы в качестве основного компонента содержат алюминий; они имеют серебристо- белый цвет и растворяются в NaOH.

Обнаружение алюминия. Несколько крупинок сплава растворяют в 6н растворе NaOH. В случае присутствия алюминия наблюдается интенсивное выделение водорода. Подтвердить наличие алюминия можно проведением капельной реакции с ализарином. Появление ярко-красной окраски капельной пробы свидетельствует о наличии алюминия.

4.Сплавы на магниевой основе.

Обнаружение магния. Образец обрабатывают каплей слабокислого раствора Fe(SO4)3. Появление бурого осадка Fe(OH)3 свидетельствует о присутствии магния.

Для полного анализа сплавы растворяют в кислотах или щелочах, а полученные растворы анализируют как неизвестный объект, содержащий несколько катионов.

9. Современные варианты химических методов анализа

Последние десятилетия характеризуются стремительным развитием физических и физико-химических методов анализа, усовершенствованием известных методов и созданием новых. Многие из них - масс-спектрометрические, радиохимические и активационные, рентгено-спектральные в различных вариантах, люминесцентные и другие спектроскопические методы, разнообразные электрохимические методы - пригодны для определения или обнаружения малых (≤ 1·10-6 г) количеств веществ. Они экспресcны и избирательны, а некоторые позволяют выполнять анализ без разрушения образца. Все это и является характерными особенностями химических методов анализа, поэтому возникает вопрос о их месте среди других методов анализа.

Области и объекты химического анализа в настоящее время во многомопределяются особенностями капельных или тест-методов: несложной техникой выполнения анализа, требующей примитивного химического оборудования, применением малых количеств химикалий, что позволяет иметь их большой набор, возможностью выполнения анализа в широко варьируемых условиях (рН, маскирующие ленты) и на разнообразных подложках (часовое стекло, фарфоровые пластинки, бумага, поверхность ионообменников, пластиков). Это позволило разработать избирательные методы обнаружения почти для каждого элемента в присутствии других сопутствующих элементов и многих веществ в молекулярной форме; эти методы характеризуются высокой чувствительностью и экспрессностью.

Данные особенности определяют области рационального применения химических методов анализа. В первую очередь, это

качественный или полуколичественный анализ материалов в полевых условиях: минералов и руд в геологических партиях, почв, природных вод. Быстрый контроль технологических процессов (химических, металлургических), переработка минерального сырья, в тех случаях, где имеет значение констатация наличия или отсутствия какого-либо элемента или соединения. Химические методы могут оказаться полезными при контроле загрязнений окружающей среды, при выполнении не массовых, отдельных пли специальных анализов для обнаружения веществ или элементов в воде, воздухе.

Избирательность, чувствительность и возможность выполнения капельных реакций многих элементов определяются природой используемого реагента. Наибольшее значение имеют реагенты, образующие окрашенные соединения с определяемыми ионами или изменяющие свою окраску при взаимодействии с ними. Только применение органических реагентов позволило подобрать почти для каждого элемента избирательную, высокочувствительную цветную реакцию.

Практическое значение имеет надежность выполнения капельной реакции. Под надежностью реакции можно понимать индифферентность результатов к изменениям условий реакции (рН, температура), а также слабое влияние примесей-окислителей, восстановителей, влияние солевого состава раствора. До недавнего времени возникали претензии к воспроизводимости и надежности результатов при определении редких и других, преимущественно тяжелых, элементов. В первую очередь это связано с легкостью гидролиза некоторых ионов и образованием полимерных цепочечных структур в недостаточно кислых растворах, в которых протекают цветные реакции. Однако цветные реакции, как правило, имеют место только при взаимодействии органического реагента с ионами соответствующих элементов и не возникают или почти не возникают

при взаимодействии реагента с гидролизованными формами ионов, с полимерными молекулярными образованиями, и тем более, с коллоидными частицами.

Положение улучшилось после того, как были синтезированы органические реагенты, образующие с элементами высокопрочные комплексы и пригодные для определения элементов в сильнокислых средах (реагенты трифенилметанового ряда, арсеназо III и аналоги, антипирин и многочисленные его производные). При работе в сильнокислых средах кроме улучшения воспроизводимости и надежности результатов возрастает избирательность, особенно в случае элементов, образующих в растворах многозарядные катионы: Th, Zr, U, Pt, Nb, Ра. Влияние анионов при этом сводится к минимуму, отпадает необходимость тщательного поддержания рН, техника работы упрощается, что особенно важно для выполнения быстрых анализов.

Важнейшие критерии, положенные в основу выбора реагента - чувствительность, стабильность продукта реакции, контрастность реакции и избирательность. Последний критерий является наиболее важным.

Химические тест-методы анализа

Достижения классической аналитической химии (реакции и реагенты) стали в последние десятилетия широко использоваться для разработки так называемых тест-методов и тест-систем анализа.

Тестирование (тест) в химическом анализе означает быструю и простую оценку присутствия и/или содержания химического компонента в образце.

Тест-методы - это экспрессные, простые и дешевые приемы обнаружения и определения веществ на месте (on site). Они не

требуют сложных приемов подготовки пробы к анализу (например, разделения и концентрирования), а также использования сложного лабораторного оборудования и самих аналитических лабораторий. При анализе на месте требования к квалификации исполнителя снижаются. Однако, главное заключается в том, что часто анализ в стационарной лаборатории вообще невыполним или не имеет никакого смысла, например в случаях, когда изменяются формы существования компонентов. Анализ «на месте» осуществляется почти или точно в режиме реального времени; это позволяет без промедления начать действия по устранению источников и/или последствий происшествий, не дожидаясь проведения анализа в лаборатории.

В числе областей, где применение тест-систем уже зарекомендовало себя:

-экспресс-контроль технологических процессов;

-оперативный анализ воды, в том числе питьевой, непосредственно потребителем;

-анализ воздуха в рабочей зоне и на улицах;

-космические исследования (Луна, другие планеты).

Общий принцип почти всех химических тест-методов - использование аналитических реакций и реагентов в условиях и в формах, которые обеспечивают получение визуально наблюдаемого и легко измеряемого эффекта, например, интенсивность окраски бумаги или длину окрашенной части трубки. Реагенты и различные добавки используют в виде заранее приготовленных растворов (в ампулах или капельницах) или иммобилизованными на твердом носителе - бумаге, силикагеле, пенополиуретане. В качестве средств для тест-методов химического анализа могут быть использованы индикаторные бумаги, индикаторные порошки и трубки, таблетки (рис.5.1). Большинство

используемых тест-методов служат измерительным средством однократного применения.

Примером тест-метода, нашедшего широкое применение даже в школьных лабораториях, служит универсальная индикаторная бумага для определения рН растворов, которую по традиции называют лакмусовой.

Рис. 9.1. Тест-системы для анализа воды Для проведения в полевых условиях не только качественного,

но и полуколичественного анализа применяют простые устройства - компараторы (рис.9.2), снабженные наборами дисков с нанесенными на них цветными шкалами.

Рис. 9.2. Компаратор и диски Palintest для анализа питьевой воды

Различают также:

Тест-средства - компактные, легкие и обычно дешевые единичные устройства или приспособления для тестирования, наборы или системы таких единичных устройств (приспособлений).

Тест-системы для химического анализа представляют собой простые, портативные, легкие и дешевые аналитические средства и соответствующие экспрессные методики для обнаружения и определения веществ без существенной пробоподготовки, использования сложных стационарных приборов, лабораторного оборудования и без сложной обработки результатов, а также подготовленного персонала; в большинстве случаев применяют автономные средства однократного использования.

Тест-системы для химического анализа различаются в зависимости от выбранного классификационного признака.

Тест-методика описывает процедуру проведения теста, включая пробоотбор, обнаружение и определение компонента или параметра.