Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы аналитической химии. Химические методы анализа. Учебное пособие
.pdf
Качественный анализ
позволяет определить, какие
компоненты входят в состав
исследуемого образца
Количественный анализ
позволяет определить, в каком
По целям
МЕТОДЫ АНАЛИЗА
По задачам
Структурный анализ
позволяет у
расположение атомов или
молекул в кристалле
становить
Функциональный
Элементный анализ
позволяет установить, какие
элементы и в каком
количественном соотношении
входят в состав данного
образца
Молекулярный анализ
Фазовый анализ
позволяет определить отдельные
структурные составляющие гетерогенных
систем, различающиеся по свойствам,
физическому строению и ограниченные
друг от друга поверхностями раздела
Рисунок 1.5 – Схема к
лассификации аналитических методов по
целям и решаемым задачам
количестве (соотношении)
компоненты входят в состав
исследуемого образца
анализ позволяет
определить содержание
отдельных функциональных
групп в структуре вещества
позволяет установить наличие
индивидуальных химических
соединений,
характеризующихся
определенной молекулярной
массой
41
В зависимости от содержания примесей в составе, химические
вещества могут иметь разные квалификационные уровни.
Промышленностью выпускаются химические препараты
соответствующих марок: «ч», «хч», «осч» и др., степень очистки
которых отражена в табл. 1.4.
Таблица 1.4 – Классификация химических веществ по содержанию
примесей
Условное
обозначение
Содержание
примесей, %
Квалификация
вещества (марка)
вещества
А 1 10-1
А 2 10-2
Обычное вещество:
технической чистоты –
«тех. ч.» или чистое –
«ч»
В 3 10-3
Химически чистое
В 4 10-4
В 5 10-5
вещество - «хч» или
чистое для анализа -
«чда»
В 6 10-6
С 7 10-7
С 8 10-8
С 10 10
-10
Вещество особой
чистоты
«осч»
4. По происхождению аналитического сигнала (по способу
выполнения анализа)
Классификация методов аналитической химии по
происхождению аналитического сигнала является наиболее полной,
поскольку практически все методы анализа основаны на изучении
зависимости какого-либо свойства вещества от его состава, и в
наглядном виде представлена на рис. 1.6.
Под аналитическим сигналом (АС) – п
онимают физическую
величину, функционально связанную с содержанием анализируемого
вещества, и измеряемую в ходе выполнения методики анализа.
42
Классификация методов анализа
по происхождению аналитического сигнала
ИМА
ХМА ФХМА ФМА
Методы
качественного
анализа количественного анализа количественного анализа
Методы
. количественного
анализа
Гравиметрия
Фотометрические Радиохимические
Титриметрия
Люминесцентные Ядернофизические и др.
Газоволюмометрия Кинетические и др.
Методы установления
качественного и
лектрохимические
Э
Методы установления
качественного и
Спектроскопические
Рисунок 1.6 - Классификация методов по происхождению
аналитического сигнала
Наличие аналитического сигнала свидетельствует о
качественном составе вещества, а интенсивность сигнала (J) дает
информацию о количестве того или иного компонента в составе
анализируемой пробы.
Аналитический сигнал может возникать в системе в
результате:
а) протекания химической реакции, аналитический сигнал
при этом фиксируется с помощью органов чувств человека (главным
образом, визуально). На этом основаны химические методы анализа
(ХМА). Фактором интенсивности аналитического сигнала является
43
либо масса образовавшегося осадка, либо объем выделившегося газа
или объем раствора реагента известной концентрации,
прореагировавшего с определяемым веществом;
б) 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 преобразованная физическая величина (сила тока,
разность потенциалов, электропроводность, оптическая плотность
раствора и др.);
в) использования физического явления, не связанного с
протеканием химической реакции. Такие методы получили название
физических методов анализа (ФМА). Аналитическим сигналом в
данном случае, как и в предыдущем, является измеряемое физическое
свойство, величина которого характеризует интенсивность сигнала.
Совокупность методов ФХМА и ФМА объединяют под
названием инструментальные методы анализа (ИМА).
При сравнении ХМА, ФХМА и ФМА следует отметить, что ни
один из методов не является универсальным. Каждый из них обладает
достоинствами и недостатками. Основными достоинствами
химических методов являются простота выполнения анализа,
отсутствие сложного аппаратурного оформления и достаточно
высокая точность (0,10 – 0,01 %). К недостаткам химических методов
следует отнести большую продолжительность анализа (недостаточно
высокую экспрессность) и сравнительно высокий предел обнаружения
(10-1 – 10-2 %).
изико-химические методы анализа обладают рядом
Ф
преимуществ, это:
- высокая экспрессность;
- хорошая чувствительность;
- объективность результатов анализа;
- одновременное получение качественной и количественной
информации;
озможность автоматизации и использования компьютерной
- в
техники;
44
- возможность проведения неразрушающего и дистанционного
контроля.
Одновременно с этим физико-химические методы обладают и
недостатками, среди которых следует можно выделить:
- необходимость использования стандартных образцов и эталонов
для градуировки аналитического сигнала;
- наличие достаточно трудоемкой стадии предварительной
подготовки пробы, которая наиболее часто осуществляется с
помощью химических методов разделения и концентрирования.
Вопросы для самоконтроля к главе 1
Дайте определение науки «аналитическая химия». Какие
1.
задачи она решает?
2. Каковы цели и задачи функционирования аналитической
службы?
3. Что такое аналитический контроль? Для чего его проводят?
4. Какие существуют виды анализов в зависимости от объекта
аналитического контроля и каковы цели их проведения?
5. Поясните содержание основных этапов по организации
деятельности подразделений аналитической службы.
6. Какое положение занимает аналитический контроль в схеме
производственного процесса?
7. В чем заключается цель контроля технологических процессов?
8. В чем состоит отличие замкнутых и разомкнутых систем
контроля?
9. Объясните значение следующих терминов: принцип анализа,
метод анализа, методика анализа. Каково соотношение этих
понятий и их роль в аналитическом процессе?
Перечислите основные стадии аналитического процесса.
10.
Каково содержание этих стадий?
45
11. Что означает термин проба? Какие виды проб в зависимости от
способа их получения вам известны?
12. В чем заключается процедура отбора пробы? Какие
существуют способы пробоотбора ?
13. В чем заключается процедура подготовки пробы? Какие
существуют способы пробоподготовки?
14. Какова сущность процесса концентрирования? Какие способы
концентрирования вам известны?
15. Изложите суть таких способов концентрирования и разделения
как выпаривание, экстракция, сорбция, ионный обмен,
хроматографирование и электролиз.
16. Что такое аналитический сигнал?
17. Что понимают под измерением в ходе аналитического
процесса? Для чего его проводят?
Что означает термин погрешность измерения? Чем
18.
различаются случайная и систематическая погрешности?
19. Какие наиболее распространенные практические приемы
обнаружения систематической погрешности (проверки
правильности результатов аналитических определений) Вы
знаете?
20. Дайте определение следующих терминов: правильность,
прецизионность, сходимость (повторяемость),
воспроизводимость, достоверность, точность анализа.
Объясните их значение в аналитической химии.
21. Что включает в себя статистическая обработка результатов
измерений? Каков алгоритм расчета результата измерения?
22. В каком виде следует представлять результат анализа?
23. Каковы основные подходы к классификации методов анализа?
24. На какие основные классы (с точки зрения происхождения
аналитического сигнала) делятся методы анализа?
25. Каковы основные достоинства и недостатки ХМА, ФХМА и
ФМА (проведите сравнительный анализ методов)?
46
2 КАЧЕСТВЕННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
2.1 Основные понятия
Качественный химический анализ (идентификация) – анализ,
целью которого является установление факта наличия или отсутствия
в пробе одного или иного компонента. Такой анализ можно провести
как мокрым (в растворе), так и сухим (без переведения анализируемой
пробы в раствор) способами. Но оба способа основаны на проведении
аналитической реакции. Следует заметить, что наиболее часто
аналитические реакции проводятся в растворах, где соли
диссоциируют на ионы: катион и анион, которые являются более
реакционноспособными частицами и вступают в химическую реакцию
с аналитическими реагентами. В основу качественного химического
анализа положено проведение аналитической реакции.
Аналитическая реакция - это химическая реакция,
сопровождающаяся внешним эффектом или визуальным
аналитическим сигналом в виде выпадения или растворения осадка,
выделения газа или изменения цвета раствора (осадка или плава).
Примеры аналитических реакций, протекающих в растворах:
Ba2+ + SO
б
Cu2+ + 4[NH3·H2O] → [Cu(NH3)4]2+ + 4H2O
сине-фиолетовое
2-
→ BaSO4↓
4
елый осадок
окрашивание раствора
to
запах аммиака
+
NH
+ OH- → NH4OH → NH3↑ + H2O
4
По способу проведения качественные аналитические реакции
можно подразделить на пробирочные, капельные, микрокристаллоскопические, твердофазные и пирохимические.
Пробирочные реакции проводят в пробирках, приливая
раствор соответствующего реагента к раствору анализируемого
образца, и наблюдают визуальные признаки протекания химической
реакции.
Капельные реакции – осуществляют на пластинках или
фильтровальной бумаге: на полоску бумаги наносят каплю
анализируемого вещества, затем – каплю реагента и наблюдают
аналитический сигнал в виде пятна характерной окраски.
47
Твердофазные реакции проводят путем растирания в ступке
твердой анализируемой пробы с солью соответствующего реагента и
фиксируют происходящие при этом визуальные изменения.
Например, при растирании кристаллической пробы,
содержащей в своем составе соль кобальта (II), с твердым роданидом
калия происходит окрашивание порошка в синий цвет. Наблюдаемый
эффект связан с образованием роданида кобальта в результате
протекания реакции:
Со2+ + 4KCNS → K2[Co(SCN)4] + 2K+.
Метод растирания был разработан Флавианом Михайловичем
Флавицким, преподававшим с 1873 года в Казанском университете. В
1901 году им была изобретена карманная лаборатория,
запатентованная во многих странах мира. Портативный прибор
содержал 36 неорганических солей и позволял, работая с очень
малыми количествами веществ, определять не только 13 катионов и
анионов, но и выполнять качественный анализ многих веществ.
19
В основу микрокристаллоскопических реакций положено
изучение формы кристаллов, которые образуются в результате
проведения аналитической реакции.
Достаточно часто для иллюстрации микрокристаллоскопических
реакций используют реакцию взаимодействия серной кислоты с
солями кальция, что приводит к образованию кристаллов 2-водного
сульфата кальция, формирующегося в виде собранных в пучки игл
белого цвета. Форму кристаллов наблюдают с помощью микроскопа.
Пирохимические реакции основаны на наблюдении окраски
пламени или на получении окрашенных перлов или стекол при
сплавлении порошкового образца с бурой (Na2B4O2·10H2O) или
силикатом натрия. Следует уточнить, что, несмотря на свое название и
достаточно широкое применение таких реакций в практике
качественного химического анализа, происхождение аналитического
сигнала в данном случае связано не с химическими превращениями, а
с физическими явлениями.
В общем случае к аналитической реакции предъявляются
следующие требования:
рактическая необратимость;
- п
- быстрота протекания реакции (1-2 секунды);
- н
аличие внешнего визуального эффекта;
- достаточно высокая селективность и чувствительность.
48
Чувствительность – параметр, характеризующий изменение
интенсивности измеряемого сигнала Y при изменении концентрации
определяемого компонента. Для количественной оценки
чувствительности служит коэффициент чувствительности S: S = dY/dC
или S = ∆Y/∆C. Эти понятия наглядно иллюстрирует рис. 2.1, из
которого видно, что тангенс угла наклона функции Y = f(С)
представляет собой не что иное, как чувствительность аналитической
реакции.
Рисунок 2.1 – Графическая интерпретация понятия
«чувствительность аналитического сигнала».
Чувствительность химической реакции зависит от природы
образующихся соединений, от способа детектирования их и связана с
нижним пределом обнаружения или минимально определяемой
концентрацией. Чем выше чувствительность какой-либо
аналитической реакции (метода, методики), тем меньше определяемое
с ее помощью количество вещества.
Нижний предел обнаружения (НПО) – это наименьшее
содержание (C
), при котором по данной методике можно обнаружить
min
присутствие компонента с заданной доверительной вероятностью. Для
наиболее часто используемых аналитических реакций НПО составляет
10-5 – 10-3 моль/л или 10
-6
– 10-4 г/мл. В аналитической практике для
характеристики предела обнаружения нередко используют величину
pC
определяемой концентрации. Реакции, имеющие pC
реакциями с высоким пределом обнаружения, при pC
средним, а при pC
оторую вычисляют как отрицательный логарифм минимально
, к
min
= 3 - 4, с
min
= 5 - 6 – со
min
= 7 - 8 – с низким пределом обнаружения.
min
читаются
49
Из двух аналитических реакций при определении одного
компонента (иона) в пробе выбирают ту, которая имеет более низкий
предел обнаружения.
Например, обнаружить ионы меди (II) в растворе можно с
помощью:
а) водного раствора аммиака по появлению характерной синефиолетовой окраски раствора аммиаката меди:
Cu2+ + NH3 → [Cu(NH3)4]2+ НПО = 0.2 мкг;
б) с помощью раствора гексацианоферрата (II) калия, который
образует с ионами меди осадок коричневого цвета:
2Cu2+ + [Fe(CN)6]4- → Cu2[Fe(CN)6]↓ НПО = 0.02 мкг.
Исходя из значений НПО для определения ионов меди следует
предпочесть вторую реакцию.
Другой важной характеристикой аналитической реакции
является ее селективность. Селективность характеризует, насколько
посторонние компоненты пробы мешают определению данного
компонента. Опираясь на приведенное выше определение, под
селективностью аналитической реакции следует понимать ее
избирательность.
Вещество, при действии которого происходит химическое
превращение определяемого компонента, называют аналитическим
реагентом. По своей избирательности все реагенты, которые
используются в качественном химическом анализе, подразделяют на
групповые, селективные и специфические.
Групповые реагенты – реагенты, которые дают одинаковые
(сходные) аналитические признаки (эффекты) с группой ионов. Такие
реагенты используют для отделения одних групп ионов от других. Эти
группы называют аналитическими.
апример, если при действии хлороводородной кислоты на
Н
водный раствор анализируемого вещества выпадает осадок белого
цвета, то в составе пробы могут присутствовать ионы серебра (I),
ртути (I) и свинца (II), т.е. катионы первой аналитической группы в
соответствии с кислотно-основной классификацией (см. табл. 2.1).
Специфические реагенты – реагенты, которые дают
характерный аналитический эффект только с одним ионом,
независимо от наличия других ионов в составе пробы.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]