Основы количественного анализа. Учебно-методическое пособие

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЧИТИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

ОБЩАЯ ХИМИЯ ОСНОВЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА

Учебно-методическое пособие

Чита - 2010

1

УДК 543

Коцюржинская Н.Н., Бондаревич Е.А., Фатьянова Л.А., Самойленко Г.Ю.

Основы количественного анализа: учебно-методическое пособие. – Чита : ИИЦ ЧГМА,

2010. – с.

В учебно-методическом пособии рассматриваются вопросы, составляющие основу аналитической химии, посвященные титриметрическому (объёмному) анализу.

Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной (аудиторной и внеаудиторной) работы студентов первого курса медицинских вузов изучающих общую химию.

Табл. 3. Ил. 12. Библиогр. : 14.

Рецензенты:

Заведующий кафедрой биохимии ЧГМА, проф., д.м.н. Б.С. Хышиктуев Доцент кафедры химии ЗабГГПУ, к.б.н. Лескова О.А.;

© Коцюржинская Н.Н., Бондаревич Е.А., Фатьянова Л.А., Самойленко Г.Ю. 2010

© ЧГМА, 2010

2

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

I. РАСТВОРЫ ……………………………………………………

Основные понятия и теории растворов …………………….

Способы выражения концентрации растворов …………….

Эталоны решения задач ……………………………………...

Вопросы и задачи для самоконтроля ……………………….

II. ОБЪЁМНЫЙ АНАЛИЗ ………………………………………

Основные понятия объемного (титриметрического) метода анализа….. Классификация методов титриметрического анализа …………………..

Лабораторная посуда для титриметрического анализа ………………….

Реактивы, применяемые в объёмном анализе ……………………………

Расчёты в объемном анализе ………………………………………………

Способы стандартизации растворов ………………………………………

Эталоны решения задач ……………………………………………………

Вопросы и задачи для самоконтроля ……………………………………..

III. КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ ТИТРОВАНИЕ (МЕТОД НЕЙТРАЛИЗАЦИИ) Диссоциация воды. Водородный показатель………………………………

Среда водных растворов электролитов …………………………………….

Вычисление рН в водных растворах …………………………………………

Кислотно-основные индикаторы ……………………………………………

Кривые титрования ……………………………………………………………

Классификация методов кислотно-основного титрования ………………….

Эталоны решения задач ……………………………………………………….

Вопросы и задачи для самоконтроля …………………………………………

IV. ОКСИДИМЕТРИЯ …………………………………………………………….

Перманганатометрия ……………………………………………………..

Эталоны решения задач ………………………………………………….

Вопросы и задачи для самоконтроля ……………………………………..

Йодометрическое титрование …………………………………………….

3

Эталоны решения задач …………………………………………………..

Вопросы и задачи для самоконтроля …………………………………..

V. МЕТОДЫ ОСАЖДЕНИЯ И КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ ………….

Комплексометрия …………………………………………………………

Эталоны решения задач ……………………………………………………

Вопросы и задачи для самоконтроля ………………………………………

VI. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ОБЪЁМНОГО АНАЛИЗА ……………….

Лабораторная работа № 1 ………………………………………………….

Лабораторная работа № 2 ………………………………………………….

Лабораторная работа № 3 ………………………………………………….

Лабораторная работа № 4 …………………………………………………..

Лабораторная работа № 5 ………………………………………………….

VII. ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ по разделу «Основы количественного анализа» …………………………………

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

Аналитической химией называют науку о методах определения качественного и количественного состава веществ и их смесей. Основной задачей качественного анализа является обнаружение компонентов в анализируемом веществе или смеси веществ. С помощью количественного анализа определяют содержание компонентов. Для количественного анализа используют разнообразные методы, которые подразделяются на химические, физико-химические, физические.

К химическим методам относятся гравиметрический (весовой) и титриметрический (объёмный) анализ.

Гравиметрические методы основаны на точном измерении массы определяемого компонента пробы.

4

Титриметрические методы основаны на измерении объема или массы реагента (титранта), затраченного на реакцию с определяемым веществом.

К физико-химическим и физическим относятся оптические, хроматографические, электрохимические и некоторые другие методы их условно называют инструментальными.

Настоящее методическое пособие посвящено вопросам титриметрического анализа, который обладает простотой, высокой точностью и воспроизводимостью. Данный метод используют для определения неорганических и органических веществ в водных и неводных растворах.

I. РАСТВОРЫ Основные понятия и теории растворов

Растворы – однородные (гомогенные) системы, состоящие из двух и более компонентов. Любой раствор состоит из растворенных веществ и растворителя, т.е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов. Обычно растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в таком же агрегатном состоянии, что и полученный раствор. Если же оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии, то растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве.

Понятия растворитель и растворенное вещество не применяют по отношению к твердым растворам и газовым смесям, независимо от того, в каких соотношениях находятся в этих системах компоненты.

Растворы представляют собой дисперсные системы, в которых частицы одного вещества равномерно распределены в другом. Свойства дисперсных систем зависят от размеров распределенных частиц. В зависимости от степени дисперсности различают взвеси, коллоиды и истинные растворы.

5

Частицы взвесей имеют размер 10-3 – 10-5 см. Их характерной особенностью является неустойчивость во времени: взвешенные частицы либо оседают, либо всплывают на поверхность в зависимости от соотношения плотностей.

Истинные растворы содержат частицы размером менее 10-7 см. Распределенное вещество в таких растворах находится в виде отдельных молекул или ионов, система является устойчивой и не разделяется при длительном стоянии.

Промежуточными между истинными растворами и взвесями являются коллоидные растворы. Размеры частиц коллоидных растворов лежат в интервале 10-5 – 10-7 см.

Из определения растворов следует, что они как минимум, являются двухкомпонентными системами. Если компоненты при равномерном распределении образуют жидкую гомогенную систему, то такие растворы называются жидкими. Примерами жидких растворов служат технические растворы, водопроводная вода и т.д.

Если же равномерное распределение индивидуальных веществ приводит к образованию твердой однофазной системы, то такую систему называют твердым раствором. Твердые растворы составляют основу большинства применяемых в технике сплавов металлов, они так же распространены среди природных минералов.

Гомогенные системы, состоящие из двух и более индивидуальных веществ, находящихся в газообразном состоянии, обычно называют газовыми смесями. Примерами служат воздух, карбоген (смесь СО2 и О2) и др.

В медицине наибольшее значение имеют жидкие растворы, которые играют исключительную роль в жизнедеятельности организмов. Важнейшим неорганическим растворителем (а в случае биологических систем – единственным) является вода. Это обусловлено такими свойствами воды, как

6

полярность, низкая вязкость, склонность молекул к ассоциации, относительно высокие температуры кипения и плавления.

Процесс растворения в равной степени зависит от природы растворителя и растворенного вещества и определяется простым эмпирическим правилом: подобное растворяется в подобном. Вещества с ионной или ковалентной полярной связью хорошо растворяются в полярных растворителях, например, в воде.

Степень сродства к тому или иному растворителю можно оценить с помощью анализа природы функциональных групп входящих в состав вещества, среди которых выделяют гидрофильные (притягивающие воду, например, гидроксильная, карбоксильная, аминогруппы) и гидрофобные (отталкивающие воду, например, углеводородные радикалы алифатического и ароматического рядов). Соединения, имеющие в своем составе как гидрофильные, так и гидрофобные группы, называют дифильными (например, аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты).

В настоящее время для характеристики процесса растворения используются две теории физическая (была предложена С.Аррениусом в 1883 г. и Я.Г.Вант-Гоффом в 1885 г.) и химическая (была предложена Д.И. Менделеевым в 1887 г.). Согласно физической теории растворитель – это инертная среда, в которой равномерно распределены частицы растворенного вещества, при этом между частицами отсутствует какое-либо взаимодействие. Растворы, соответствующие данной модели называются идеальными, к ним можно отнести газовые смеси или сильно раз бавленные растворы неэлектролитов. Согласно химической теории, в реальных растворах, присутствуют не только компоненты раствора, но и продукты их взаимодействия – сольваты (если растворителем является вода, то такие соединения называются гидраты). Главную роль в образовании гидратов (сольватов) играют не прочные межмолекулярные взаимодействия, в том числе водородная связь.

7

Таким образом, растворение – это сложный физико-химический процесс. Он зависит от внешних факторов: температуры и давления (для газообразных веществ). Влияние температуры связано с тепловым эффектом растворения. Для большинства твердых веществ с увеличением температуры растворимость увеличивается, а для газов – уменьшается.

Количественной характеристикой растворимости является коэффициент растворимости, который показывает, сколько грамм вещества может раствориться в одном литре или в 100 г растворителя (г/л или г/100 г) при данной температуре. Раствор, который содержит максимально возможное количество растворенного вещества при данной температуре,

называется насыщенным раствором.

Количественный состав раствора чаще всего оценивают при помощи понятия концентрации.

Способы выражения концентрации растворов

Концентрация – это количественная характеристика раствора, которая показывает, сколько растворенного вещества содержится в определенной массе или объеме раствора либо растворителя.

Существует несколько способов выражения концентрации растворов: 1. Массовая доля растворенного вещества представляет собой

отношение массы растворенного вещества к массе раствора, она выражается в долях единицы (ω) или процентах (ω %):

2. Молярная (или мольная) доля растворенного вещества определяется как отношение количества вещества данного компонента к общему количеству всех веществ, образующих раствор, она выражается в долях единицы (χ) или процентах (χ%):

8