- •Міністерство освіти і науки України Харківський національний університет імені в. Н. Каразіна Теоретичні основи та способи розв’язання задач з аналітичної хімії
- •Вступне слово
- •Основні позначення
- •1. Величини, що визначають склад
- •1.1. Хімічний склад
- •Розв’язок. Масова концентрація дорівнює
- •1.2. Стехіометричні розрахунки за рівнянням реакції
- •1.3. Вправи
- •2. Закон дії мас. Алгебра хімічних реакцій
- •2.1. Загальні співвідношення
- •2.2. Активності та рівноважні концентрації
- •Позначення констант рівноваг
- •2.3. Лінійні комбінації реакцій
- •2.4. У який бік зміщено рівновагу реакції?
- •2.5. Як записувати реакції у лабораторних журналах?
- •2.6. Вправи
- •3. Концентраційно-логарифмічні діаграми (клд)
- •3.1. Клд для гетерогенних систем
- •3.2. Графіки логарифмів розчинності
- •3.3. Вправи із гетерогенних систем
- •3.4. Умови переважання в гомогенних системах
- •3.5. Ускладнення у визначенні областей переважання
- •3.6. Клд для систем із одноядерними комплексами
- •3.7. Зміна ядерності реагентів
- •3.8. Вправи із гомогенних систем
- •4. Баланс компонентів
- •4.1. Загальні принципи
- •4.2. Підстановка рівнянь здм у рівняння балансу
- •4.3. Одноядерні продукти
- •4.4. Фази постійного складу
- •4.5. Вправи Гомогенні системи
- •5. Розрахунки за балансом компонентів
- •5.1. Буферні розчини
- •5.2. Стехіометричні співвідношення концентрацій
- •Кислотно-основні рівноваги
- •5.3. Ієрархія макро- та мікрокомпонентів
- •5.4. Гетерогенні системи
- •5.5. Кількісний вимір буферних властивостей
- •5.6. Вправи Буферні розчини
- •Стехіометричне співвідношення концентрацій
- •Гетерогенні системи
- •Буферні властивості
- •Системи із комплексами
- •6. Розрахунки за балансом реакції
- •6.1. Умови балансу
- •6.2. Прості розрахунки
- •Добуваючи квадратний корінь з обох частин, маємо
- •6.3. Методи розрахунків
- •6.4. Вправи
- •7. Умовні константи рівноваги
- •7.1. Класи реагентів
- •7.2. Умовні константи рівноваги
- •7.3. Умовні константи в розрахунках рівноваг
- •7.4. Графіки залежностей часток та їх логарифмів
- •7.5. Графіки логарифмів умовних констант
- •Параметри графіка залежності
- •7.6. Вправи
- •8. Декілька фаз змінного складу
- •8.1. Розподіл речовини між фазами
- •Відношення об’ємів порцій фаз дорівнює
- •Тангенси кутів нахилу асимптот для логарифма умовної константи екстракції оксинату плюмбуму від pH, приклад 8.4
- •8.2. Іонний обмін
- •8.3. Вправи
- •9. Утворення певної рівноважної концентрації, розчинності або ступеня екстракції
- •9.1. Метод балансу компонентів
- •На кроці 5 (непотрібному для уточнення клд) використовуємо
- •9.2. Метод балансу реакцій
- •9.3. Концентрація реагенту, що забезпечує задані умови для іншої речовини
- •9.4. Відокремлення компонентів Графічний розв’язок цієї проблеми показано на прикладі 3.3. Тут розгляньмо типові розрахункові методи.
- •9.5. Вибір величини умовної константи
- •9.6. Вправи
- •Варіанти завдання для вправи 9.1
- •10. Визначення компонентів. Гравіметрія
- •10.1. Стехіометричні співвідношення у гравіметрії
- •10.2. Розрахунок результату аналізу
- •10.3. Похибки у гравіметрії
- •10.4. Вправи
- •11. Титриметрія: стехіометричні розрахунки
- •11.1. Загальні відомості про титриметрію
- •11.2. Результат кислотно-основного титрування
- •Аліквотне відношення, {Vк/Vп}, безрозмірне, бо величини Vк та Vп виражено у однакових одиницях.
- •Виводячи формулу, маємо (у процентах)
- •11.3. Визначення концентрації розчину титранту за титруванням зразкової речовини
- •Для еквівалентів коефіцієнти вживаємо неявно,
- •Стехіометричний множник 2 приховуємо, застосовуючи еквівалент, (1/2)h2c2o4, або (1/2)h2c2o4·2h2o.
- •11.4. Оцінка наважок та аліквот
- •Бюретці відповідає оптимальна витрата титранту 20 мл, отже nst(oh‑) 2·10‑3 моль, n(н2с4н4о4) nst(oh‑) / 2 1·10‑3 моль.
- •11.5. Окреме визначення декількох аналітів
- •За двома рівняннями,
- •11.6. Зворотне титрування
- •Титруванню надлишку реагенту відповідає реакція
- •Дія 4. Масова частка CaCo3(s) у мінералі дорівнює
- •11.7. Визначення продукту, в який перетворено аналіт
- •Бо при зворотному титруванні здобутий po43‑ знову переходить у hpo42‑. Надлишок реагенту титруємо за реакцією
- •Дія 5. Масова частка p2o5 у мінералі дорівнює
- •11.8. Окисно-відновне титрування
- •11.9. Комплексометричне титрування
- •Дія 4. Масова частка kAl(so4)2 12 h2o у технічному галуні ‑
- •11.10. Вправи
- •Окисно-відновне титрування
- •Комплексонометричне титрування
- •12. Титриметрія: розбіжність точок –стехіометрії та кінцевої
- •12.1. Загальні уявлення
- •12.2. Дослідження титрування безпосередньо за клд
- •12.3. Різні методи титрування
- •12.4. Класи та умовні константи у титруванні
- •12.5. Вибір умов титрування за графіками залежностей логарифмів умовних констант
- •Параметри асимптот для прикладу 12.10
- •Із здм реакції
- •Параметри асимптот графіків (приклад 12.11)
- •Параметри асимптот графіків (приклад 12.12)
- •12.6. Вправи
- •Кислотно-основне титрування
- •Окисно-відновне титрування
- •Комплексонометричне титрування
- •Теоретичні проблеми титрування
- •Цитована література
- •Відповіді до вправ
- •61077, М.Харків, пл. Свободи, 4 Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Організаційно-видавничий відділ нмц
Теоретичні
основи
та
способи розв’язання задач
з
аналітичної хімії
Міністерство освіти і науки України Харківський національний університет імені в. Н. Каразіна Теоретичні основи та способи розв’язання задач з аналітичної хімії
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів
За загальною редакцією доктора хімічних наук,
професора О. А. Бугаєвського
Харків
2003
УДК543(075.8)
ББК24.4я73-4
Т-34-о.т.
Теоретичні основи та способи розв’язання задач з аналітичної хімії: Навчальний посібник. / О. А. Бугаєвський, А. В. Дрозд, Л. П. Логінова, О. О. Решетняк, О. І. Юрченко; Заг. ред. О. А. Бугаєвський. – Х.: ХНУ, 2003. – 320 с.
ISBN 966-623-203-0
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів
(лист № 14/18.2-2004 від 30.10.2002 року)
Подано систему наближених методів теоретичного дослідження рівноважних систем, пов’язаних із різними кроками алгоритмів методик хімічного аналізу. Вона об’єднує найцікавіші досягнення світової практики із оригінальними розробками авторів (переважно О. А. Бугаєвського, якому належить також загальний план та теоретичні розділи посібника). Приклади пояснено із прагненням до розуміння проблеми, а не механічного відтворення певних прийомів. Вправи, складені за участю решти авторів – А. В. Дрозда, Л. П. Логінової, О. О. Решетняк, О. І. Юрченка – відповідають різним ступеням труднощів і розраховані на студентів з різною підготовкою.
Для студентів хімічного та біологічного факультетів університету.
Рецензенти: професор, заслужений діяч науки і техніки України, доктор хім. наук (Ін-т монокристалів НАН України) А. Б. Бланк;
доцент, канд. хім. наук (хімічний факультет ХНУ імені В. Н. Каразіна) Ю. М. Хорошевський.
ISBN 966-623-203-0
|
© Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, 2003 © О. А. Бугаєвський, А. В. Дрозд, Л. П. Логінова, О. О. Решетняк, О. І. Юрченко, 2003 © І. М. Дончик, макет обкладинки, 2003 |
Зміст
|
стор. |
|||
Вступне слово |
8 |
|||
Основні позначення |
10 |
|||
1. ВЕЛИЧИНИ, ЩО ВИЗНАЧАЮТЬ СКЛАД |
11 |
|||
1.1. Хімічний склад |
11 |
|||
Маса і кількість речовини |
11 |
|||
Масова частка, масове відношення й молярна частка |
12 |
|||
Концентрації |
13 |
|||
1.2. Стехіометричні розрахунки за рівнянням реакції |
14 |
|||
Змінна де-Донде |
14 |
|||
Схема Комаря |
15 |
|||
Реагенти в недоліку, у надлишку та в стехіометричному відношенні |
16 |
|||
1.3. Вправи |
17 |
|||
2. ЗАКОН ДІЇ МАС. АЛГЕБРА ХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ |
21 |
|||
2.1. Загальні співвідношення |
21 |
|||
Хімічна рівновага |
21 |
|||
Позначення констант у міжнародній довідковій літературі |
22 |
|||
Константи ЗДМ при температурі, що відрізняється від стандартної |
22 |
|||
2.2. Активності та рівноважні концентрації |
23 |
|||
Концентраційні константи |
24 |
|||
2.3. Лінійні комбінації реакцій |
27 |
|||
Лінійно незалежні реакції |
28 |
|||
Зворотна реакція |
28 |
|||
Співвідношення між загальними та ступінчатими константами стійкості |
29 |
|||
Реакції утворення гідроксокомплексів |
30 |
|||
Сполучення реакцій – гетерогенних та утворення комплексів |
31 |
|||
Окисно-відновні реакції |
32 |
|||
2.4. У який бік зміщено рівновагу реакції? |
33 |
|||
Великі та малі константи ЗДМ |
33 |
|||
Стехіометрія реакції та рівень концентрацій реагентів. Оцінки за схемою Комаря |
35 |
|||
2.5. Як записувати рівняння реакцій у лабораторних журналах? |
37 |
|||
2.6. Вправи |
41 |
|||
3. КОНЦЕНТРАЦІЙНО-ЛОГАРИФМІЧНІ ДІАГРАМИ (КЛД) |
48 |
|||
3.1. КЛД для гетерогенних систем |
48 |
|||
Алгоритм побудови КЛД |
53 |
|||
3.2. Графіки логарифмів розчинності |
54 |
|||
Розчинність |
54 |
|||
Умови відокремлення компонентів |
55 |
|||
3.3. Вправи із гетерогенних систем |
55 |
|||
3.4. Умови переважання в гомогенних системах |
57 |
|||
Нейтральне середовище |
58 |
|||
Колір індикаторів |
59 |
|||
3.5. Ускладнення у визначенні областей переважання |
59 |
|||
Нормальна й аномальна послідовність ступінчатих констант |
59 |
|||
Окисно-відновні рівноваги |
60 |
|||
Алгоритм побудови областей переважання |
60 |
|||
3.6. КЛД для систем із одноядерними комплексами |
60 |
|||
Алгоритм побудови КЛД для систем із одноядерними продуктами |
61 |
|||
Сполучення діаграм для гомогенних та гетерогенних систем |
65 |
|||
3.7. Зміна ядерності реагентів |
65 |
|||
Спряження на графіках |
68 |
|||
3.8. Вправи із гомогенних систем |
68 |
|||
4. БАЛАНС КОМПОНЕНТІВ |
73 |
|||
4.1. Загальні принципи |
73 |
|||
Окисно-відновні реакції |
78 |
|||
4.2. Підстановка рівнянь ЗДМ у рівняння балансу |
78 |
|||
Рівняння |
78 |
|||
Алгоритм розрахунку рівноваг |
79 |
|||
Різні варіанти вибору компонентів |
80 |
|||
4.3. Одноядерні продукти |
81 |
|||
4.4. Фази постійного складу |
82 |
|||
4.5. Вправи |
85 |
|||
5. РОЗРАХУНКИ ЗА БАЛАНСОМ КОМПОНЕНТІВ |
88 |
|||
5.1. Буферні розчини |
88 |
|||
Приклади |
89 |
|||
5.2. Стехіометричні співвідношення концентрацій |
93 |
|||
Мікрокомпоненти та КЛД |
93 |
|||
Кислотно-основні рівноваги |
94 |
|||
Утворення комплексів |
98 |
|||
Окисно-відновні рівноваги |
100 |
|||
5.3. Ієрархія макро- та мікрокомпонентів |
101 |
|||
5.4. Гетерогенні системи |
104 |
|||
5.5. Кількісний вимір буферних властивостей |
115 |
|||
Буферна ємність |
115 |
|||
Коефіцієнти чутливості |
116 |
|||
Буферні властивості та переважаючі компоненти |
117 |
|||
Графічне дослідження буферної ємності |
118 |
|||
Багатоядерні продукти |
121 |
|||
5.6. Вправи |
123 |
|||
6. РОЗРАХУНКИ ЗА БАЛАНСОМ РЕАКЦІЇ |
129 |
|||
6.1. Умови балансу |
129 |
|||
Вплив декількох реакцій |
129 |
|||
Граничний склад |
131 |
|||
6.2. Прості розрахунки |
132 |
|||
Кислотно-основні рівноваги |
132 |
|||
Утворення комплексів |
133 |
|||
Розчинність солі |
133 |
|||
Розчинність газу |
135 |
|||
Окисно-відновні реакції |
136 |
|||
6.3. Методи розрахунків |
137 |
|||
Повторення розрахунку за ЗДМ |
137 |
|||
Уточнення за методом Ньютона |
138 |
|||
Початкове наближення |
140 |
|||
Метод поділу інтервалу |
140 |
|||
Уточнення розв’язку для декількох реакцій |
142 |
|||
6.4. Вправи |
144 |
|||
7. УМОВНІ КОНСТАНТИ РІВНОВАГИ |
150 |
|||
7.1. Класи реагентів |
150 |
|||
Об’єднання доданків у рівняннях матеріального балансу |
150 |
|||
Рівноважна концентрація класу |
152 |
|||
Частка |
152 |
|||
7.2. Умовні константи рівноваг |
152 |
|||
Визначення |
152 |
|||
Незалежність умовної константи від вибору представника класу в реакції |
154 |
|||
7.3. Умовні константи в розрахунках рівноваг |
156 |
|||
Рівновага з мікрокомпонентами |
158 |
|||
7.4. Графіки залежностей часток та їх логарифмів |
161 |
|||
Графіки часток |
161 |
|||
Графіки логарифмів часток |
164 |
|||
Алгоритм побудови графіків логарифмів часток |
164 |
|||
7.5. Графіки логарифмів умовних констант |
165 |
|||
Вплив частки одного реагента |
165 |
|||
Загальний випадок |
169 |
|||
Стаціонарна область на наближеному графіку |
172 |
|||
7.6. Вправи |
174 |
|||
8. ДЕКІЛЬКА ФАЗ ЗМІННОГО СКЛАДУ |
176 |
|||
8.1. Розподіл речовини між фазами |
176 |
|||
Одна реакція розподілу |
176 |
|||
Повторні екстракції |
178 |
|||
Промивання осадів |
178 |
|||
Хімічні процеси у фазах |
179 |
|||
8.2. Іонний обмін |
185 |
|||
Основні поняття |
185 |
|||
Електронейтральність фаз |
186 |
|||
8.3. Вправи |
188 |
|||
9. УТВОРЕННЯ ПЕВНОЇ РІВНОВАЖНОЇ КОНЦЕНТРАЦІЇ, РОЗЧИННОСТІ АБО СТУПЕНЯ ЕКСТРАКЦІЇ |
193 |
|||
9.1. Метод балансу компонентів |
193 |
|||
Алгоритм |
193 |
|||
Системи із одноядерними продуктами |
193 |
|||
Системи із багатоядерними продуктами |
195 |
|||
9.2. Метод балансу реакцій |
196 |
|||
9.3. Концентрація реагенту, що забезпечує задані умови для іншої речовини |
198 |
|||
Доданок розчину |
199 |
|||
9.4. Відокремлення компонентів |
201 |
|||
9.5. Вибір величини умовної константи |
204 |
|||
9.6. Вправи |
208 |
|||
10. ВИЗНАЧЕННЯ КОМПОНЕНТІВ. ГРАВІМЕТРІЯ |
212 |
|||
10.1. Стехіометричні співвідношення у гравіметрії |
212 |
|||
Наважки |
212 |
|||
Вибір наважок |
213 |
|||
Аліквоти |
214 |
|||
Розчинник та осаджувач |
214 |
|||
10.2. Розрахунок результату аналізу |
215 |
|||
Стехіометричні множники (фактори) |
216 |
|||
10.3. Похибки у гравіметрії |
217 |
|||
Втрати аналіту через розчинність |
217 |
|||
Забруднення осаду |
217 |
|||
10.4. Вправи |
219 |
|||
11. ТИТРИМЕТРІЯ: СТЕХІОМЕТРИЧНІ РОЗРАХУНКИ |
230 |
|||
11.1 Загальні відомості про титриметрію |
230 |
|||
Титриметрія – компенсаційний метод вимірювання |
230 |
|||
Стехіометричні співвідношення |
231 |
|||
11.2. Результат кислотно-основного титрування |
232 |
|||
Еквіваленти в кислотно-основному титруванні |
234 |
|||
Масова концентрація за аналітом («титр» за речовиною, що визначають) |
235 |
|||
11.3. Визначення концентрації розчину титранту за титруванням зразкової речовини |
236 |
|||
11.4. Оцінка наважок та аліквот |
238 |
|||
11.6. Зворотне титрування |
242 |
|
||
11.7. Визначення продукту, в який перетворено аналіт |
244 |
|
||
11.8. Окисно-відновне титрування |
247 |
|
||
11.9. Комплексометричне титрування |
250 |
|
||
11.10. Вправи |
252 |
|
||
12. ТИТРИМЕТРІЯ: РОЗБІЖНІСТЬ ТОЧОК – СТЕХІОМЕТРІЇ ТА КІНЦЕВОЇ |
263 |
|
||
12.1. Загальні уявлення |
263 |
|
||
Зміна загальних концентрацій у титруванні |
263 |
|
||
Похибка титрування |
263 |
|
||
Крива титрування |
264 |
|
||
Індикатори |
264 |
|
||
Задачі теорії титриметрії |
265 |
|
||
12.2. Дослідження титрування безпосередньо за КЛД |
268 |
|
||
Титрування слабких електролітів |
271 |
|
||
Порівняння розрахункового та графічного дослідження |
274 |
|
||
12.3. Різні методи титрування |
276 |
|
||
Вибір головної змінної pX |
276 |
|
||
Алгоритм дослідження титрування за КЛД |
276 |
|
||
Розрахунок рХst |
277 |
|
||
12.4. Класи та умовні константи у титруванні |
282 |
|
||
Головна змінна й умовні константи |
288 |
|
||
12.5. Вибір умов титрування за графіками залежностей логарифмів умовних констант |
291 |
|
||
Вибір умов комплексонометричного титрування. Діаграми Рейлі – Шміда |
295 |
|
||
Діаграмa pH – pM |
295 |
|
||
Діаграмa pH – pY |
296 |
|
||
Окреме титрування |
299 |
|
||
12.6. Вправи |
304 |
|
||
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА |
310 |
|
||
ВІДПОВІДІ ДО ВПРАВ |
311 |
|
||