химия лабораторный практикум

10

В зависимости от вида сорбции (адсорбция, абсорбция, хемосорбция, капиллярная конденсация) подразделяют и методы хроматографического анализа.

3. Общие представления о качественном анализе

Цель качественного анализа – обоснование метода определения качественного состава анализируемой пробы (вещества или смеси веществ) по аналитическому сигналу. Качественный анализ может использоваться для идентификации в исследуемом объекте атомов (элементный анализ), молекул (молекулярный анализ), простых или сложных веществ (вещественный анализ), фаз гeтepoгеннoй системы (фазовый анализ). Задача качественного неорганического анализа обычно сводится к обнаружению катионов и анионов, присутствующих в анализируемой пробе. Качественный анализ необходим для обоснования выбора метода количественного анализа того или иного материала или способа разделения смеси веществ.

В аналитической работе обычно используют химические реакции, протекающие достаточно быстро и полно. Выбирая реакции для химического анализа, руководствуются законом действующих масс и представлениями о химическом равновесии в растворах.

Выполняя аналитическую реакцию, соблюдают условия, которые определяются свойствами получающегося продукта. При несоблюдении этих условий результат не может считаться достоверным.

Например:

1.Одним из условий является среда. Нельзя обнаружить ион Са2+ действием оксалата аммония (NH4)2С2О4 в присутствии сильной кислоты, так как оксалат кальция СаС2О4 растворим в сильных кислотах. Осадок хлорида серебра AgCl, растворимого в NH4OH, не может быть получен в аммиачной среде.

2.Другим условием выполнения реакций является поддержание необходимой температуры раствора. Большинство аналитических реакций выполняют при комнатной температуре или при охлаждении пробирки водой под краном. Такое охлаждение необходимо при осаждении гекса-

гидроксостибиата (V) натрия Na[Sb(OH)6]. Некоторые реакции требуют нагревания. Так, обнаружение иона NH4+ действием щелочи на исследуемый раствор выполняют при нагревании.

11

3.Важна достаточно высокая концентрация обнаруживаемого иона в растворе. Если образующееся соединение малорастворимо и выпадает в осадок при очень небольшой концентрации обнаруживаемого иона, то говорят, что реакция высокочувствительна. Если же образующееся соединение заметно растворимо в воде, то реакцию считают малочувствительной. Понятие о чувствительности распространяют не только на реакции, связанные с выпадением осадков, но и на все другие аналитические реакции, каким бы внешним эффектом они не сопровождались.

Помимо чувствительности, большое значение имеет селективность реак-

ции. Селективные или избирательные реакции дают сходный внешний эффект с несколькими ионами. Например, оксалат аммония образует осадки с катионами Са2+, Ва2+, Sr2+ и др. Чем меньше таких ионов, тем более выражена избирательность (селективность) реакции.

Специфической называют такую реакцию, которая позволяет обнаружить ион в присутствии других ионов. Например, специфичная реакция обнаружения иона NH4+ действием щелочи при нагревании, так как в этих условиях аммиак может выделяться только из солей аммония:

NH4Cl + NaOH NH3 + Н2О + NaCI.

Специфична реакция на йод с крахмалом (синий цвет).

В зависимости от количества исследуемого вещества, объема раствора и техники выполнения операции аналитические методы подразделяют на макро-, микро-, полумикро- и ультрамикрометоды (табл.1).

12

В случае макрометода реакции выполняют в обычных пробирках. При анализе микрометодом реакции выполняют микрокристаллоскопическим или капельным методом (или просто на стеклянной пластинке). Микрокристаллоскопический анализ состоит в oбнapyжeнии ионов по форме и цвету образующихся при реакции кристаллов, которые рассматривают под микроскопом. Промежуточное положение между макро- и микроанализом занимает полумикрометод качественного химического анализа. Полумикроанализ позволяет уменьшить расход реактивов, ускорить выполнение определений, избежать загрязнений воздуха лаборатории вредными газами.

Микроаналитические методы: ультрамикроанализ, субмикроанализ и субультрамикроанализ стали интенсивно развиваться в связи с потребностями радиохимии и получением изотопов лабораторным синтезом.

4. Общие представления о количественном анализе

Количественный анализ позволяет измерить интенсивность аналитического сигнала, т.е. найти численное значение оптической плотности pacтвopа, расход раствора на титрование, массы прокаленного осадка и т.д. По результатам количественного измерения сигнала можно рассчитать содержание определенного компонента в пробе.

Количественный анализ используется при оценке месторождений полезных ископаемых для металлургии и химической промышленности, имеет значение для медицины, биологии и агрохимии, почвоведения, физиологии растений и др.

Количественный анализ имеет большое значение в решении проблем охраны окружающей среды. Интенсивное загрязнение окружающей среды объясняется быстрым ростом промышленного производства. Природные воды загрязняются применяемыми в сельском хозяйстве пестицидами, гербицидами, минеральными удобрениями, опасными для здоровья человека. Промышленные предприятия сбрасывают технические воды, содержащие ядовитые тяжелые металлы. Чаще всего в сточных водах предприятий и в природных водах определяют ртуть, свинец, калий, оловo, цинк и другие токсичные ионы. В последнее время из-за повышенного содержания нитратов в почвах, питьевой воде и продуктах растениеводства возникла необходимость контроля пищевых продуктов. Кроме того, экологические объекты исследуют на содержание радионуклидов.

13

Современные методы количественного анализа классифицируют по измеряемым свойствам, таким как масса вещества, объем раствора реактива, интенсивность спектральных линий элементов, вращение плоскости поляризации, электродный потенциал и т.п.

В табл. 2 приведены важнейшие методы количественного анализа. При этом, несмотря на условность градации, макроколичествами определяемого элемента считают 0,05…0,5 г, полумикроколичествами 0,01…0,05 г, микроколичествами - 0,1…10 мг, ультрамикроколичествами 10…100 мкг, субмикроколичествами - менее 10 мкг.

14

Количественные методы анализа разделяют на три класса: химические, физические и физико-химические. К химическим методам относят гравиметрический (весовой), титриметрический и газоволюметрический (объемный). Однако химические методы не всегда удовлетворяют требованиям контроля производства. Так, они недостаточно чувствительны для определения некоторых примесей в исследуемых материалах. Помимо этого, гравиметрические определения слишком длительны, а титриметрические имеют ограниченную область применения. Поэтому в настоящее время много внимания уделяют разработке новых, более чувствительных и быстрых «экспрессных» методов анализа. Наиболее перспективны в этом отношении физические и физикохимические методы, которые условно называют инструментальными. В физи-

15

ческих методах измеряют непосредственно определяемое физическое свойство без проведения химических реакций. Например, для определения содержания различных веществ (кислот, щелочей и др.) иногда достаточно измерить их плотность.

Экспериментальная часть

Опыт 1. Качественные реакции на некоторые катионы и анионы

Цель опыта: ознакомиться с качественными реакциями на некоторые катионы

ианионы

1.Проба на окрашивание пламени

Все летучие соли Na+ (например, NaCl) окрашивают бесцветное пламя в интенсивно желтый цвет.

Летучие соли К+ (например, КСl) окрашивают пламя в фиолетовый цвет. Летучие соли Sr2+ (например, SrCl2) окрашивают пламя в красный цвет. Соли Са2+ (например, CaCl2) - в кирпично-красный цвет.

Техника выполнения: стеклянную палочку с впаянной в нее проволочкой погрузить в раствор соли или захватить петлей немного сухой соли и внести в пламя горелки, наблюдать окраску пламени.

2. Действие красной и желтой соли на катионы Fe3+ и Fe2+

Гексацианоферрат (II) калия K4[Fe(CN)6] (желтая кровяная соль) дает с ионом Fe3+ темно-синий осадок берлинской лазури:

4 FeCl3 + 3 K4[Fe(CN)6] = Fe4[Fe(CN)6]3 + 12 KCl.

берлинская лазурь

Гексацианоферрат (III) калия K3[Fe(CN)6] (красная кровяная соль) дает с ионом Fe2+ темно-синий осадок турнбулева соль:

3 FeSO4 + 2 K3[Fe(CN)6] = Fe3[Fe(CN)6]2 + 3 K2SO4.

турнбулева соль

3. Действия йодида калия на соли Pb2+

Йодид калия KI выделяет из раствора солей Pb2+ желтый осадок йодида свинца (II):

PbCl2 + 2KI = PbI2 + 2KCl.

1 мл 1 мл

16

Йодид свинца растворяется в горячей воде, а при охлаждении раствора образует золотистые кристаллы (реакция «золотого дождя»). С избытком KI йодид свинца дает растворимое комплексное соединение тетрайодоплюмбат (II) калия:

PbI2 + 2KI = K2 [PbI4].

избыток

4. Действие раствора аммиака на соли Cu2+

Гидроксид аммония NH4OH дает с ионами Cu2+ зеленоватый осадок основной соли (CuOH)2SO4:

2CuSO4 + 2 (NH4)2 SO4 = (CuOH)2SO4 + (NH4)2 SO4.

по каплям

В избытке водного раствора аммиака осадок растворяется с образованием тетраамино-купро(II)сульфата ярко-синего цвета:

(CuOH)2SO4 + (NH4)2 SO4 + 6(NH4)2 SO4 = 2[Cu(NH3)4] SO4 + 8H2O.

избыток ярко-синий цвет

белый кристаллический осадок,

хороно растворимый в HNO3 с выделением CO2

в) 2 PO43- + 3BaCl2 = Ba(PO4)2 + 6Cl-.

белый кристаллический осадок, плавно растворимый в HNO3

6.Действия нитрата серебра (I) AgNO3 на анионы Cl-, Br -, S2-

К2…3 каплям раствора соли, содержащей ион Cl-, Br- или S2- прибавьте 1…2 капли AgNO3 :

а) Cl- + AgNO3 = Ag Cl + NO3-.

белый творожистый осадок, хорошо растворимый в NH4OH

Ag Cl + 2 NH4OH = [Ag(NH3)2] Cl + 2H2O.

17

б) Br - + AgNO3 = AgBr + NO3-.

желтый осадок, нерастворимый в HNO3 плохо растворимый в NH4OH

в) S2- + 2AgNO3 = AgS + 2NO3-.

черный осадок

Вопросы для самоконтроля и повторения:

1.В чем суть качественного химического анализа?

2.С помощью каких реагентов можно обнаружить катионы Fe+3 и Fe+2?

3.С помощью какого реагента можно различить растворы солей, содержащих анионы Cl-, Br-, S2-?

Опыт 2. Определение жесткости воды титриметрическим методом

Цель опыта: ознакомиться с титриметрическим методом определения общей и временной жесткости воды

Общая жесткость воды показывает концентрацию в ней катионов двухвалентных щелочноземельных металлов, прежде всего кальция и магния. Общая жесткость складывается из временной и постоянной жесткости. Временная жесткость вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2 и называется карбонатной. Удаляют временную жесткость кипячением. Гидрокарбонаты кальция и магния переходят в малорастворимые карбонаты и таким образом выводятся из воды.

Постоянная жесткость сохраняется при кипячении воды. Обычно постоянную жесткость характеризуют содержанием сульфатов CaSO4 и MgSO4 и называют сульфатной.

Общую жесткость можно устранить, например, введением в воду карбоната натрия, ортофосфата натрия, тетрабората натрия, гидроксида кальция и других реагентов, способных образовывать с ионами кальция и магния малорастворимые соединения.

CaSO4 + Na2CO3 CaCO3 + Na2SO4;

18

Количественно жесткость воды характеризуют суммарным содержанием ионов Ca2+ и Mg2+, выраженным в ммоль/л.

По шкале жесткости все природные воды делятся на мягкие (общая жесткость менее 2 ммоль/л), средней жесткости (2…10 ммоль/л) и очень жесткие (более 10 ммоль/л).

Общую и временную жесткость воды можно определить титриметрическим методом. Метод основан на определении объема реагента-титранта точно известной концентрации, расходуемого на взаимодействие с определяемым веществом. Методика титрования заключается в следующем: раствором титранта заполняют бюретку, точный объем анализируемого раствора наливают в коническую колбу. В ту же колбу добавляют индикатор. Затем к определяемому раствору в колбе приливают по каплям раствор титранта из бюретки до тех пор, пока не изменится цвет раствора в колбе. По затраченному объему титранта и его концентрации вычисляют концентрацию анализируемого вещества.

Определение временной жесткости воды

Временную жесткость воды определяют методом кислотно-основного титрования. Титрование исследуемой воды осуществляют раствором соляной кислоты известной концентрации. При этом происходят реакции:

Ca(HCO3)2 + 2HCl = CaCl2 + 2CO2 + 2H2O;

Mg(HCO3)2 + 2HCl = MgCl2 + 2CO2 + 2H2O.

Ход определения

Для проведения титрования заполняют бюретку раствором соляной кислоты известной концентрации. В две конические колбы с помощью мерной посуды отмеряют по 100 мл водопроводной воды, добавив в них по 2…3 капли индикатора метилового оранжевого. Одна из колб будет служить контрольной.

Затем титруют исследуемую пробу воды раствором соляной кислоты из бюретки до тех пор, пока от одной капли кислоты окраска перейдет из желтой в слабо-оранжевую. Записывают объем соляной кислоты, израсходованной на титрование. Титрование повторяют с новой порцией воды 3-4 раза до результатов, разница между которыми не превышает 0,2 мл, и определяют среднее арифметическое значение.

19

Величину временной жесткости воды вычисляют по формуле

где Жвр.– временная жесткость воды, ммоль/л; Сн(HCl) – нормальная концентрация соляной кислоты, моль/л; V(HCl) – объем кислоты, израсходованный на титрование, мл; – объем исследуемой пробы воды, мл.

Определение общей жесткости воды

Общую жесткость воды определяют комплексонометрическим титрованием. Метод основан на применении специального реактива - трилона Б (двузамещенная натриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты):

В основе метода лежит способность трилона Б образовывать прочные комплексы с катионами многих металлов, в том числе с кальцием и магнием.

Схематически данное взаимодействие может быть выражено уравнением:

Ca2+ + Na2H2R = Na2(CaR) + 2H+ ,

где R – радикал этилендиаминтетрауксусной кислоты.

Течению реакций благоприятствует слабощелочная среда, которая создается прибавлением аммиачного буферного раствора. Он представляет собой смесь слабого основания NH4OH c его солью NH4Cl и обладает способностью поддерживать рН раствора практически постоянным.

Если в раствор, содержащий ионы кальция или магния, ввести индикатор, дающий цветные соединения с этими ионами, то при добавлении трилона Б к такому окрашенному раствору произойдет изменение окраски в эквивалентной точке.

В качестве индикатора применяют хромоген черный.