Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Аналитическая химия и физико-химические методы анализа. Задачник
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Казанский национальный исследовательский
технологический университет
Н. И. Мовчан, Е. Ю. Ситникова, Е. В. Петрова
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Задачник
Казань
Издательство КНИТУ
2025
1
УДК 543(075)
ББК Г4я7
М74
Печатается по решению редакционно-издательского совета
М74
Мовчан Н. И.
Аналитическая химия и физико-химические методы анализа : задачник /
Н. И. Мовчан, Е. Ю. Ситникова, Е. В. Петрова; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2025. – 184 с.
ISBN 978-5-7882-3588-2
ISBN 978-5-7882-3588-2
©
Мовчан Н. И., Ситникова Е. Ю.,
Петрова Е. В., 2025
©
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2025
УДК 543(075)
ББК Г4я7
Казанского национального исследовательского технологического университета
Рецензенты:
д-р хим. наук, проф. Э. П. Медянцева
канд. хим. наук Т. Ю. Дудникова
Содержит задания по основным разделам дисциплины «Аналитическая хи-
мия и физико-химические методы анализа», а также задачи, требующие проведения элементарных расчетов, с примерами решения и необходимыми пояснениями.
Предназначен для студентов бакалавриата и специалитета, изучающих дис-
циплину «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа».
Подготовлен на кафедре аналитической химии, сертификации и менедж-
мента качества.
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................... 6
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ.
КЛАССИФИКАЦИЯ АНАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ........................................... 8
2. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ. СПОСОБЫ
ВЫРАЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ........................................................................... 11
2.1. Основные понятия ........................................................................................... 11
2.2. Расчет молярной концентрации раствора ..................................................... 16
2.3. Расчет молярной концентрации эквивалента раствора ............................... 19
2.4. Расчет массовой концентрация (титра) раствора ......................................... 25
2.5. Расчет массовой доли (процентной концентрации) раствора ................... 26
2.6. Пересчет одной концентрации вещества в другую...................................... 30
2.6.1. Взаимосвязь молярной концентрации и молярной концентрации
эквивалента вещества ...................................................................................... 30
2.6.2. Взаимосвязь между массовой концентрацией (титром)
вещества и его молярной концентрацией (молярной концентрацией
эквивалента) ....................................................................................................... 32
2.6.3. Взаимосвязь между массовой долей вещества в растворе и его
молярной концентрацией (молярной концентрацией эквивалента) ............ 35
2.6.4. Взаимосвязь между массовой долей вещества и его массовой
концентрацией (титром) ................................................................................. 37
3. МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА .................... 39
3.1. Гравиметрические методы .............................................................................. 39
3.1.1. Основные термины и классификация методов. Равновесия
в гетерогенных системах ................................................................................. 39
3.1.2. Расчет молярной растворимости вещества по известному
значению константы (произведения) растворимости ................................. 44
3.1.3. Расчет массы вещества в его насыщенном растворе
по известному значению константы (произведения) растворимости ....... 46
3.1.4. Расчет массовой доли вещества (компонента) по результатам
гравиметрического анализа .............................................................................. 48
3
3.2. Титриметрические методы анализа ............................................................... 51
3.2.1. Основные термины и определения. Классификация методов ............ 51
3.2.2. Кислотно-основное титрование. Кислотно-основные
равновесия. Вычисление рН растворов ........................................................... 57
3.2.3. Окислительно-восстановительное титрование. Расчет
окислительно-восстановительного потенциала ......................................... 105
3.2.4. Комплексонометрическое титрование .............................................. 129
3.2.5. Осадительное титрование и расчеты по его результатам ............ 132
4. МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ .................................... 139
4.1. Основные понятия ......................................................................................... 139
4.2. Выпаривание .................................................................................................. 139
4.3. Экстракция ..................................................................................................... 140
4.4. Сорбция .......................................................................................................... 142
4.5. Электролиз ..................................................................................................... 143
5. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА .............................................. 144
5.1. Основные понятия. Классификация методов ............................................. 144
5.2. Хроматографические методы анализа ......................................................... 146
5.2.1. Основные понятия и термины ............................................................. 146
5.2.2. Классификация хроматографических методов ................................. 148
5.2.3. Теоретические основы хроматографии .............................................. 149
5.2.4. Высокоэффективная жидкостная хроматография ......................... 156
5.2.5. Планарная хроматография ................................................................... 159
5.3. Спектроскопические методы анализа ......................................................... 160
5.3.1. Классификация спектроскопических методов анализа .................... 160
5.3.2. Молекулярная абсорбционная спектроскопия .................................... 161
5.3.3. Основы атомной абсорбционной спектроскопии .............................. 165
5.3.4. Основы эмиссионной спектроскопии .................................................. 166
5.3.5. Основы методов люминесценции, турбидиметрии,
нефелометрии, рентгеновской спектроскопии и рефрактометрии ......... 168
4
5.4. Электрохимические методы анализа ........................................................... 170
5.4.1. Электроды и электрохимическая ячейка ............................................ 170
5.4.2. Потенциометрия ................................................................................... 173
5.4.3. Вольтамперометрия (полярография) .................................................. 176
5.4.4. Кулонометрия ........................................................................................ 177
5.4.5. Кондуктометрия ................................................................................... 179
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 181
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ................................................... 182
5
В В Е Д Е Н И Е
Дисциплина «Аналитическая химия и физико-химические методы
анализа» относится к обязательной части основной образовательной
программы. Ее изучение способствует формированию у обучающихся
набора знаний, умений, навыков и компетенций, необходимых для их
дальнейшей профессиональной деятельности.
Аналитическая химия как наука имеет междисциплинарный харак-
тер, поскольку в ней прослеживается взаимосвязь знаний по общей, неорганической и органической химии, физике, метрологии, стандартизации, сертификации и управлению качеством. Вместе с тем аналитическая химия имеет свою специфику, способствуя развитию общей методологии, созданию методов и средств получения информации о химическом составе вещества и разработке способов анализа различных объектов.
Необходимость изучения дисциплины «Аналитическая химия
и физико-химические методы анализа» обусловлена тем, что на любом
предприятии результаты аналитического контроля производства составляют основу управления качеством выпускаемой продукции. Этот
контроль должен охватывать все этапы ее жизненного цикла, начиная
от входного контроля закупаемого сырья и материалов, анализа технологических смесей и полуфабрикатов в процессе производства и заканчивая контролем качества готовых изделий. Любая недостоверная информация, полученная при проведении аналитического контроля в результате неправильного отбора образцов для анализа, неправомочного
использования методики или средств измерения, нарушения правил выполнения аналитических операций или алгоритма обработки результатов, в итоге приведет к экономическим потерям для предприятия. Поэтому будущие специалисты должны:
– знать основные аналитические методы установления качествен-
ного и количественного состава веществ и материалов, их метрологические характеристики, возможности и ограничения для применения;
– иметь представление о видах и типах лабораторного оборудова-
ния и средств измерений, используемых в аналитической практике;
– уметь выбрать оптимальный метод анализа в зависимости от объ-
екта и поставленной задачи, а при необходимости – провести измерение
аналитического сигнала (различными методами), рассчитать массу или
6
7
концентрацию анализируемых веществ и оценить метрологические характеристики полученных результатов.
Пособие содержит более 600 заданий, сгруппированных по пяти основным разделам дисциплины «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа», в числе которых:
1. Основные понятия аналитической химии. Классификация анали-
тических методов.
2. Количественный химический анализ. Способы выражения кон-
центраций.
3. Методы количественного химического анализа.
4. Методы разделения и концентрирования;
5. Инструментальные методы анализа.
Разделы (темы) делятся на подразделы, объединяющие несколько
аспектов, и пункты, включающие конкретные аспекты темы. Причем
каждый из этих пунктов может содержать несколько блоков однородных заданий, которые, как правило, носят теоретический характер
и расположены по порядку возрастания сложности. Указанные задания
сопровожда.тся пояснениями для самостоятельного нахождения студентами правильных ответов на предложенные вопросы. С целью закрепления теоретических знаний в каждом блоке приводятся также несложные типовые задачи, требующие проведения элементарных расчетов, и соответствующие примеры их решения.
8
1 . О С Н О В Н Ы Е П О Н Я Т И Я А Н А Л И Т И Ч Е С К О Й Х И М И И .
К Л А С С И Ф И К А Ц И Я А Н А Л И Т И Ч Е С К И Х М Е Т О Д О В
1.1. Как называется наука, разрабатывающая теоретические основы, методы и средства получения информации о химическом составе
вещества?
Пояснения к заданию 1.1
Согласно определению Международного союза по чистой и при-
кладной химии (IUPAC), аналитическая химия – наука, развивающая
общую методологию, методы и средства получения информации о химическом составе вещества и разрабатывающая способы анализа различных объектов (в пространстве и времени).
1.2. Назовите группу методов анализа, устанавливающих факт
наличия или отсутствия в пробе того или иного компонента.
1.3. Назовите группу методов анализа, использующихся для определения количественного содержания всех или отдельных компонентов
в составе анализируемого объекта.
Пояснения к заданиям 1.2, 1.3
В настоящее время известно большое количество методов химиче-
ского анализа, которые классифицируются в соответствии с различными признаками. В соответствии с поставленными целями выделяются методы качественного и количественного анализа. Качественный
анализ позволяет установить компонентный состав исследуемого образца, в то время как количественный анализ дает информацию о количественном содержании всех или отдельных компонентов (а также их
соотношениях) в составе анализируемого объекта.
1.4. Каким образом регистрируется аналитический сигнал в ин-
струментальных методах анализа?
Пояснения к заданию 1.4
По происхождению и способу регистрации аналитического сигнала
методы классифицируются на химические (ХМА), физико-химические
(ФХМА) и физические (ФМА). Совокупность методов ФХМА и ФМА
объединяется под названием инструментальные методы анализа
(ИМА).
Под аналитическим сигналом понимается сигнал, функционально
связанный с химическим составом анализируемого вещества и измеряе-
9
мый в ходе проведения анализа. Наличие аналитического сигнала свидетельствует о качественном составе вещества, а интенсивность сигнала
дает информацию о количестве того или иного компонента в составе
анализируемой пробы. В инструментальных методах анализа аналитический сигнал представляет собой изменение какого-либо физического
свойства системы, измеряемого с помощью специальных приборов (инструментов).
1.5. Назовите методы анализа, в основе которых лежат процессы
взаимодействия физического поля с исследуемым объектом без протекания химического взаимодействия.
Пояснения к заданию 1.5
Аналитический сигнал может возникать в системе в результате фи-
зического явления, не связанного с протеканием химической реакции.
Подобные методы получили название физических методов анализа
(ФМА). В данном случае аналитическим сигналом является измеряемое
физическое свойство, величина которого характеризует интенсивность
сигнала.
1.6. Как называются методы анализа, основанные на протекании
химической реакции определяемого вещества, приводящей к изменению определенного физического параметра среды?
Пояснения к заданию 1.6
Аналитический сигнал может возникать в системе в результате
протекания химической реакции, сопровождающейся изменением какого-либо физического свойства системы, измеряемого с помощью
приборов (инструментов). Методы анализа, которые основаны на измерении физического свойства системы при проведении химической реакции, называют физико-химическими (ФХМА). Фактором интенсивности аналитического сигнала в данном случае является какая-либо физическая величина (сила тока, разность потенциалов, электропроводность, оптическая плотность раствора и др.).
1.7. Перечислите величины, которые могут выступать в качестве
аналитического сигнала в химических методах анализа.
Пояснения к заданию 1.7
Под аналитическим сигналом понимается сигнал (физическая ве-
личина), функционально связанный с химическим составом анализируемого вещества и измеряемый в ходе выполнения методики анализа.
10
Аналитический сигнал возникает в анализируемой системе в результате взаимодействия определяемого компонента с добавленным реагентом и протекания химической реакции:
Х + R → Р,
где Х – определяемый компонент; R – реагент; Р – продукт реакции.
При проведении качественного химического анализа аналитический сигнал фиксируется с помощью органов чувств человека и проявляется изменением цвета, выпадением осадка или выделением газа
(с характерным запахом).
В количественном химическом анализе под аналитическим сигналом понимаются следующие измеряемые величины: масса образовавшегося осадка, объем выделившегося газа или объем раствора реагента
известной концентрации (титранта), прореагировавшего с определяемым веществом.
В инструментальных методах аналитический сигнал представляет
собой одно из физических свойств системы, измеряемое с помощью соответствующих приборов (инструментов), таких как сила тока, электрохимический потенциал, оптическая плотность раствора и др.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]