Аналитическая химия качественный и количественный анализ. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
А. И. АПАРНЕВ, Т. П. АЛЕКСАНДРОВА, О. Н. НОВГОРОДЦЕВА
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
КАЧЕСТВЕННЫЙ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2024
1
УДК 543(075.8) А761
Рецензенты:
д-р хим. наук, профессор Ю. М. Юхин канд. хим. наук, доцент Е. В. Тимакова
Работа подготовлена на кафедре химии и химической технологии для студентов, обучающихся по техническим направлениям
Апарнев А. И.
А761 Аналитическая химия: качественный и количественный анализ: учебное пособие / А. И. Апарнев, Т. П. Александрова, О. Н. Новгородцева. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2024. – 80 с.
ISBN 978-5-7782-5246-2
Пособие является практическим руководством к занятиям по аналитической химии и включает в себя основные разделы: химический качественный и количественный анализ. Разделы содержат краткие теоретическиесведенияиметодикувыполненияработ. Крометого, пособие имеет приложение, содержащее справочный материал.
Пособие предназначено для студентов НГТУ всех форм обучения.
|
УДК 543(075.8) |
ISBN 978-5-7782-5246-2 |
Апарнев А. И., Александрова Т. П., |
|
Новгородцева О. Н., 2024 |
|
Новосибирский государственный |
|
технический университет, 2024 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение................................................................................................................... |
5 |
КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ................................................................................. |
7 |
1. Качественные реакции катионов и анионов................................................ |
7 |
Работа № 1. Действие групповых реагентов кислотно-щелочного метода |
|
анализа на катионы I-VI аналитических групп............................................... |
11 |
Работа № 2. Дробный метод анализа. Качественные реакции катионов.... |
14 |
Работа № 3. Дробный метод анализа. Качественные реакции анионов. |
|
Идентификация неизвестного вещества в растворе....................................... |
19 |
КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ.......................................................................... |
23 |
2. Гравиметрический (весовой) анализ............................................................ |
23 |
Работа № 4. Определение массовой доли кристаллизационной воды |
|
в кристаллогидрате хлорида бария.................................................................. |
25 |
Работа № 5. Определение массовой доли бария в кристаллогидрате |
|
хлорида бария.................................................................................................... |
27 |
3. Титриметрические методы анализа............................................................. |
31 |
3.1. Метод кислотно-основного титрования (метод нейтрализации) ........... |
35 |
Работа № 6. Определение содержания веществ методом кислотно- |
|
основного титрования....................................................................................... |
37 |
3.2. Методы окислительно-восстановительного титрования |
|
(редоксометрия)................................................................................................. |
42 |
3.2.1. Перманганатометрия............................................................................ |
43 |
Работа № 7. Перманганатометрическое определение железа(II) |
|
в растворе соли Мора........................................................................................ |
43 |
3.2.2. Дихроматометрия................................................................................. |
48 |
3 |
|
Работа № 8. Дихроматометрическое определение железа(II) |
|
в растворе соли Мора........................................................................................ |
49 |
3.2.3. Иодометрия........................................................................................... |
52 |
Работа № 9. Иодометрическое определение меди(II) в растворе |
|
медного купороса.............................................................................................. |
52 |
3.3. Комплексонометрическое титрование ..................................................... |
57 |
Работа № 10. Комплексонометрическое определение жесткости воды |
|
и свинца(II) в растворе...................................................................................... |
59 |
3.4. Осадительное титрование.......................................................................... |
64 |
Работа № 11. Аргентометрическое определение хлорид-ионов |
|
(метод Мора)..................................................................................................... |
65 |
Библиографический список.................................................................................. |
69 |
Приложения.......................................................................................................... |
71 |
Приложение 1. Константы ионизации Kд и рK слабых электролитов.......... |
71 |
Приложение 2. Константы нестойкости Кнест некоторых |
|
комплексных ионов........................................................................................... |
73 |
Приложение 3. Произведение растворимости ПР некоторых |
|
малорастворимых соединений......................................................................... |
74 |
Приложение 4. Стандартные окислительно-восстановительные |
|
потенциалы Е0 (редокс-потенциалы) в водных растворах при 25 С........... |
76 |
Приложение 5. Интервал перехода окраски и показатель титрования рТ |
|
некоторых кислотно-основных индикаторов ................................................. |
79 |
4
ВВЕДЕНИЕ
Предлагаемое учебное пособие является составной частью учебнометодического комплекса по дисциплине «Аналитическая химия»
исоставлено в соответствии с примерной программой по дисциплине
иФедеральным образовательным стандартом высшего образования. Данное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 18.03.01 Химическая технология и 18.03.02 Энерго-
иресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии.
Пособие состоит из двух частей: «Качественный анализ» и «Количественный анализ». В первой части изложены основные понятия аналитической химии и особенности качественного анализа: приведены классификация катионов и анионов по аналитическим группам, методики определения отдельных ионов с использованием дробного метода анализа. Во второй части пособия описаны краткие теоретические основы химического количественного анализа: гравиметрического и титриметрического методов анализа.
Каждый раздел включает в себя малый лабораторный практикум. Задачейданного курсаявляетсяусвоениестудентамитеоретических основ, методов и методик исследований, применяемых при решении за-
дач в профессиональной деятельности.
Врезультате изучения материалов данного учебного пособия студент должен:
знать
теоретические основы качественного и количественного анализа, методов и способов его выполнения;
5
уметь
выбирать оптимальные условия проведения анализа;
проводить лабораторные опыты, объяснять суть аналитических реакций и их эффекты,
проводить расчёты по результатам анализа;
владеть
навыками работы с химической посудой и оборудованием;
основными приёмами и техникой выполнения химических экспериментов,
навыками выполнения основных аналитических операций при качественном и количественном анализе веществ.
Процесс изучения дисциплины «Аналитическая химия» направлен на формирование следующих общепрофессиональных компетенций (в соответствии с требованиями ФГОС ВО по направлению подготовки 18.03.01 Химическая технология, утверждённого приказом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации
№922 от 7 августа 2020 г.:
ОПК-1: способен изучать, анализировать, использовать механизмы химических реакций, происходящих в технологических процессах
иокружающем мире, основываясь на знаниях о строении вещества, природехимическойсвязи и свойствах различных классовхимических элементов, соединений, веществ и материалов;
ОПК-2: способен использовать математические, физические, фи- зико-химические, химические методы для решения задач профессиональной деятельности;
ОПК-5: способен осуществлять экспериментальные исследования
ииспытания по заданной методике, проводитьнаблюденияиизмерения с учетом требований техники безопасности, обрабатывать и интерпретировать экспериментальные данные.
6
КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ
1.КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ КАТИОНОВ
ИАНИОНОВ
Современная аналитическая химия состоит из трех разделов: качественныйхимическийанализ, количественныйхимическийанализиинструментальные (физические и физико-химические) методы анализа.
Качественный химический анализ – это определение (открытие)
химических элементов, ионов, атомов, функциональных групп или молекул в анализируемом объекте. Он включает в себя дробный и систе-
матический анализ.
Дробный анализ – обнаружение иона или вещества в анализируемой пробе с помощью специфического реагента (специфическая реакция)
в присутствии всех компонентов пробы. Реакции, с помощью которых можно обнаружитьнебольшоечисло ионов, называютсяселективными. Эти реакции присущи определенной группе ионов, близких по химическимсвойствам. Дробныйанализпроводитсявлюбойпоследовательности, нетребуетмноговременииприменяетсядляисследованияпростых объектов, содержащих ограниченное число ионов.
Для полного качественного анализа сложных объектов используют систематический анализ, который предусматривает разделение смеси анализируемых ионовпоаналитическимгруппамспоследующимобнаружением каждого иона. В систематическом анализе применяют определенную систему последовательных операций по разделению ионов на группы и подгруппы, характеризующиеся общими свойствами. Реагенты, позволяющие отделять группы близких по свойствам ионов от других ионов, называют групповыми реагентами. В качестве групповых реагентов используют вещества, образующие малорастворимые или комплексные соединения с целой группой ионов.
7
8
Кислотно-основная система анализа катионов
|
|
|
Аналитические группы |
||
|
I |
II |
III |
IV |
|
|
K+, Na+, |
Ag+, Pb2+, |
Ca2+,Sr2+, |
Al3+, Cr3+, Zn2+, |
|
|
+ |
2+ |
Ba2+, Pb2+ |
Sn2+, Sn4+, As5+, |
|
|
NH4 |
Hg2 |
As3+ (Sb3+, Pb2+) |
||
|
Хлориды, |
Хлориды |
Сульфаты |
Гидроксиды |
|
Характери- |
сульфаты |
не растворимы |
амфотерны: |
||
не растворимы |
|||||
стика групп |
и гидроксиды |
в воде и в раз- |
в воде |
растворимы |
|
растворимы |
бавленных |
в избытке |
|||
|
в воде |
кислотах |
и в кислотах |
щелочи |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Групповой |
|
2 н. раствор |
2 н. раствор |
Избыток |
|
Не имеют |
4 н. раствора |
||||
реагент |
HCl |
H2SO4 |
|||
|
NaOH |
||||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Раствор |
Осадок |
Осадок |
Раствор |
|
|
K+, |
AgCl |
CaSO4 |
[Al(OH)4]– |
|
|
Na+, |
PbCl2 |
SrSO4 |
[Cr(OH)6]3– |
|
Продукты |
NH4 |
Hg2Cl2 |
BaSO4 |
[Zn(OH)4]2– |
|
аналитиче- |
|
|
PbSO4 |
[Sn(OH)4]2– |
|
ских реакций |
|
|
|
[Sn(OH)6]4– |
|
|
|
|
|
AsO34 , AsO33 |
|
|
|
|
|
( SbO3 , [Pb(OH)4]2–) |
|
|
|
|
|
3 |
|
8
V
Mg2+, Mn2+,
Fe2+, Fe3+, Bi3+,
Sb3+, Sb5+
Гидроксиды не растворимы в избытке щелочи
Избыток
25 %-го раствора
NH4ОН или 4 н. NaOH
Осадок
Mg(OH)2
Mn(OH)2
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Bi(OH)3
HSbO2
HSbO3
VI
Cu2+, (Zn2+),
Cd2+, Hg2+,
Co2+, Ni2+
Гидроксиды
образуют
растворимые
аммиакаты
Избыток
25 %-го раствора
NH4ОН
Раствор
[Cu(NH3)4]2+ [Zn(NH3)4]2+ [Cd(NH3)4]2+ [Hg(NH3)4]2+ [Co(NH3)6]2+ [Ni(NH3)6]2+
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
|
|
|
|
|
|
Система анализа анионов |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Аналитические группы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
II |
III |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
SO2 , SO2 |
, S |
O2 , CO2 |
, |
|
|
||||
|
|
3 |
4 |
|
|
2 |
3 |
3 |
|
Cl–, Br–, I–, BrO , S2–, |
NO3 , NO2 , СН3СОО– |
|
|
PO3 , |
С |
|
|
O2 , AsO3 |
, |
|
|||
|
|
2 |
|
3 |
|
||||||
|
|
4 |
|
4 |
4 |
|
|
SCN–, CN– |
( ClO3 , MnO4 ) |
||
|
|
AsO3 , |
B |
|
O2 |
, SiO2 , F– |
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
3 |
4 |
|
7 |
3 |
|
|
|
|
|
|
Характери- |
Соли бария малорастворимы |
Соли серебра малорастворимы |
Соли бария и серебра |
|||||||
|
в воде, но растворимы |
|
|
в воде иразбавленной HNO3, |
|||||||
|
стика групп |
в кислотах (HCl, H2SO4), |
|
растворимы в воде |
|||||||
9 |
|
за исключением AgBrO3 |
|||||||||
|
за исключением BaSO4 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Групповой |
BaCl2 в нейтральной |
|
|
Раствор AgNO3 |
Отсутствует |
|||||
|
|
|
в разбавленной |
||||||||
|
реагент |
или слабощелочной среде |
|
||||||||
|
|
2 н. азотной кислоте |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Осадки |
|
|
Осадки |
Растворы |
||||
|
Продукты |
ВаSO3, BaSO4, BaS2O3, |
|
AgCl, AgBr, AgI, |
NO3 , NO2 , |
||||||
|
аналитиче- |
BaCO3, Ba3(PO4)2, BaC2O4, |
|
AgBrO3, Ag2S, AgSCN, AgCN |
СН3СОО– |
||||||
|
ских реакций |
Ba3(AsO4)2, Ba3(AsO3)2, |
|
|
|||||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
Ba(BO2)2, BaSiO3, BaF2 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
Существуют различные аналитические классификации катионов по группам – сульфидная, аммиачно-фосфатная и кислотно-основная.
Каждая классификация основана на химических свойствах катионов, связана с положением соответствующих элементов в периодической системе и их электронным строением.
Влабораторном практикуме чаще всего используется кислотно-ос- новная классификация катионов (табл. 1).
Ванализе анионов также используются реактивы, действие которых основано на образовании малорастворимых соединений (табл. 2).
При проведении и описании результатов качественного анализа используютаналитическиепризнакивеществианалитическиереакции.
Аналитические признаки – такие свойства анализируемого вещества или продуктов его превращения, которые позволяют судить о наличии
внем тех или иных компонентов. Характерные аналитические при-
знаки – цвет, запах, осадок, угол вращения плоскости поляризации света, радиоактивность и т. д.
Аналитическая реакция – химическое превращение анализируемого вещества при действии аналитического реагента с образованием продуктов с заметными аналитическими признаками. В качестве аналитических реакций чаще всего используют реакции образования окрашенных соединений, газов, выделение или растворение осадков, образование кристаллов характерной формы, окрашивание пламени газовой горелки, образование соединений, люминесцирующих в растворах.
При этом на результаты проведения аналитических реакций влияют температура, концентрация растворов, рН среды, присутствие мешающих или маскирующих веществ и веществ, катализирующих процессы.
Требования к аналитическим реакциям:
1) реакция должна проходить достаточно быстро и в одном направлении;
2) сопровождаться заметным аналитическим эффектом;
3) быть высокочувствительной и высокоселективной.
10