налитическая химия - лекция №1

Аналитическая химия: предмет, цель и задачи, основные понятия, принципы

Анализ – это метод исследования, основанный на разложении данного сложного вещества на более простые составные части и последующее определение этих составных частей особыми способами. Противоположностью анализа в химии является синтез – получение сложного вещества из более простых.

 Аналитическая химия — это наука, разрабатывающая теорети­ческие основы и практические методы химического анализа.

Аналитическая химия позволяет решать многие задачи:

1.    Выяснить природу вещества (органическое или неорганическое).

2.    Установить формы нахождения отдельных составляющих (ионы, молекулы, атомы) и степени окисления элементов.

3.    Определить состав и содержание главного (основного) компонента и посторонних в нем примесей, а также микропримесей в особо чистых технических объектах.

4.    Установить формулу неизвестного соединения.

5.    Установить структурные элементы и строение соединения.

 Аналитическая химия  состоит из двух больших разделов – качественного и количественного анализа.

Качественный анализ - обнаружение или «открытие» отдельных элементов или ионов, входящих в состав веществ.

Количественный анализ - определение количественного содержания отдельных составных частей исследуемого вещества.

Задачи аналитической химии могут быть решены с помощью различных методов:   химических,  физических  и  физико-химических.

В химических методах качественного анализа определяемый элемент или ион переводят в какое-либо соединение химическим путем, обладающее теми или иными свойствами, на основании которых можно установить, что образовалось именно это соединение. Про­исходящее химическое превращение называется аналитической реакцией, а вещество, его вызывающее, — реагентом.  Примером аналитической реакции  может быть реакция взаимодействия хлорид -ионов с катионами серебра, в результате которой образуется белый   творожистый  осадок  AgCl↓. При этом можно сказать, что хлориды являются реагентом на катионы серебра, и наоборот.

Cl ˉ      +    Ag +    =    AgCl↓

Физические методы анализа  - это методы, которые позволяют определить состав вещества, не прибегая к использованию химических реакций. Физические методы основаны на измерении каких-либо параметров системы (оптических, электрических, магнитных, тепловых), которые являются функцией состава. К физическим методам анализа относятся спектральный, люминесцентный, рентгеноструктурный, масс-спектрометрический методы анализа. Например, в спектральном анализе исследуют спектры излучения, возни­кающие при внесении вещества в пламя горелки, электрической дуги и др. По наличию в спектре линий, характерных для данных элементов, судят о присутствии этих элементов в исследуемом веществе, а по яркости линий — об их количественном содержании.

Физико-химические методы анализа основаны на изучении физических явлений, которые происходят при химических реакциях. Например, колориметрия – использует явление изменения цвета раствора  в ходе хим. реакции,  кондуктометрия – изменение электропроводности и т.д.

 Между физическими и физико-химическими методами не всегда можно провести строгую границу. Иногда их объединяют под об­щим названием «инструментальные» методы, так как для выпол­нения тех или иных измерений нужны «инструменты» —  приборы, позволяющие с большой точностью измерять значе­ния определенных параметров, характеризующих те или иные свойства вещества.

 В зависимости от того, с какими количествами вещества опе­рируют при выполнении аналитических реакций, различают: макро-,  полумикро-,  микро-  и  ультрамикрометоды  качественного анализа.

При макроанализе исследуют сравнительно большие количества вещества  (0,5—1 г)  или 20—50 мл растворов. Реакции проводят в обычных пробирках (емкостью 10—20 мл), химических стаканах.

При микроанализе обычно имеют дело с примерно в 100 раз меньшими количествами исследуемого вещества, т. е. с несколь­кими миллиграммами твердого вещества или с несколькими де­сятыми долями миллилитра раствора. При этом пользуются высокочувствительными реакциями, позволяющими обнаружить присутствие отдельных составных частей даже при малом содержании их в исследуемом веществе. Реакции выпол­няют либо микрокристаллоскопическим, либо капельным ме­тодом.

При анализе микрокристаллоскопическим методом реакции обычно проводят на предметном стекле и о присутствии обнаруживаемого иона (элемента) судят по форме образующихся крис­таллов, рассматриваемых под микроскопом.

В капельном методе применяют реакции, сопровождающиеся изменением окраски раствора или образованием окрашенных осадков. Реакции чаще всего выполняют на полоске фильтровальной бумаги, нанося на нее в определенной последовательности по каплям исследуемый раствор и реагенты. В результате реакции на бумаге получается окрашенное пятно, по цвету которого судят о     наличии  в  исследуемом   растворе  обнаруживаемого  иона.

Полумикроанализ занимает промежуточное положение между макро- и микроанализом. Количество исследуемого вещества составляет в этом методе приблизительно 50 мг твердого вещества или 1 мл раствора.

При работе по полумикрометоду, в основном, сохраняется вся система работы макроанализа с последовательным разделением и обнаружением ионов, но операции выполняются с малыми количествами вещества при помощи специальных методов и аппаратуры.

При ультрамикроанализе исследованию подвергают количе­ства вещества меньше 1 мг. Почти все операции анализа проводят под микроскопом.

Способы выполнения аналитических реакций

   Аналитические реакции могут выполняться «сухим» и «мокрым» путем. В первом случае исследуемое вещество и реагенты берут в твердом состоянии и обычно осуществляют реакцию, нагревая их до высокой температуры; во втором случае наблюдают взаимодействие исследуемого вещества и соответствующих реагентов в растворе.

К  реакциям, выполняемым сухим путем, относятся реакции окрашивания пламени солями металлов, а также реакции окрашивания плава, полученного при нагревании вещества с тетраборатом калия или фосфатом натрия в ушке платиновой проволоки.

Большинство аналитических реакций проводят мокрым путем, т. е.  в растворах, а в процессе растворения многие вещества распадаются (диссоциируют) на ионы – положительно и отрицательно заряженные частицы.

В качественном анализе для установления состава вещества к нему прибавляют другие вещества, вызывающие химические превращения, сопровождающиеся  образованием новых соединений, которые имеют характерные свойства, а именно:

- определенное физическое состояние (осадок, жидкость, газ)

- известную растворимость в воде, кислотах, щелочах

- характерный цвет, запах и т.п. 

Требования к качественным реакциям:

1.    Реакция должна протекать быстро, практически мгновенно,

2.    Быть необратимой, т. е. протекать преимущественно в одном направлении,

3.    Быть  по возможности специфической,

4.    Отличаться высокой чувствительностью.

Специфическими называются реакции, которые дают возможность обнаруживать (открывать) одни ионы в присутствии различных других ионов.

Чувствительность реакции определяется наименьшим количеством искомого вещества, которое может быть обнаружено данным реактивом в капле раствора.

Реакции, позволяющие обнаружить искомые ионы в отдельных порциях сложной смеси при условии устранения влияния других ионов, называют дробными реакциями, а метод анализа, основанный на применении дробных реакций, называют дробным анализом. При этом порядок обнаружения катионов и анионов не имеет особого значения. При систематическом анализе, в отличие от дробного, соблюдается определенный порядок разделения и последующего открытия  ионов. К обнаружению ионов приступают лишь после удаления из раствора всех других ионов, мешающих открытию искомых.