Аналитическая химия

Введение

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.

Методы решения задач  аналитической химии.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Качественный анализ.

В аналитической химии  все ионы делят на аналитические  группы.  Классификация катионов основана на растворимости  их солей или других соединений. На основании различных классификаций катионов разработаны  разные методы систематического анализа кати онов.

Методы систематического хода анализа катионов.

Наиболее распространенными  являются сероводородный,  аммиачно-фосфатный,  кислотно-основной.  Исторически первым был сероводородный  метод , (1871 г. Предложен  русским  ученым  М. О. Меншуткиным). В основу положена разная растворимость сульфидов катионов  в зависимости от  рН среды  (табл. 1.1). Аммиачно-фосфатный метод -  основан на разной растворимости  фосфатов катионов (табл. 1.2),  кислотно-основной  -   на  разной растворимости  гидроксидов и солей  (табл. 1.3).

Таблица   1.1

Классификация катионов  по сероводородному методу

Группа	Катионы	Групповой реагент	Растворимость соед.
І	К+, Na+, Lі+, NH+, Мg2+	Нет	Сульфиды, карбонаты*, хлориды  гидроксиды* растворяются в воде
II	Ва2+, Sг2+, Са2+	(НН4)2С0 3 , NH3•Н2О+ NН4Cl, рН - 9,25	Карбонаты не  растворяются в воде
III	Fе2+, Fе3+, Сг3+, А13+, Мn2+, Ni2+ , Zn2+, Со2+	(НН4)2S, NH3 • Н2О+NH4С1, рН = 9,25	Сульфиды  не растворяются в воде **, но растворяются в разб. кислотах
IV	Сu2+, Нg2+, Ві3+, Sn2+, Sn (IV), 5Ь (III), SЬ (V), Аs (III), Аs (V)	Н2S, НС1, рН = 0,5	Сульфиды  не растворяются в воде ** и  разб. кислотах
V	Аg+, РЬ2+, Нg2+	HCl	Хлориды не растворяются в воде  и  разб. кислотах

*—За исключ.  Mg2+   

**—сульфиды    Сг3+, А13+    разлагаются водой  

Таблица   1.2

Классификация катионов по аммиачно-фосфатному  методу

Группа	Катионы	Групповой реагент	Растворимость соед.
І	Аg+, РЬ2+, Нg2+2	HCl	Хлориды не растворяются в воде
11	Sn2+, Sn (IV), SЬ (III), SЬ (V)	НNО3	Метастанатная и метастибатная кислоты не растворяются в воде
III	Ва2+, Sг2+, Са2+, Мg2+, Li+, Мn2+, Fе2+, А13+, Сг3+, Fе3+	(NН4)2НРО4, конц. NH3 • Н2О	Фосфаты не  растворяются в воде   и в избытке  раствора аммиака
IV	Сu2+, Сd2+, Нg2+, Со2+, Nі2+, Zп2+	(NН4)2НРО4, конц. NH3 • Н2О	Фосфаты не  растворяются в воде   но растворяются в избытке  раствора аммиака
V	Na+, К+, NН4+	Нет	Хлориды, нитраты и фосфаты растворяются в воде

Таблица   1.3

Классификация катионов по кислотно-основному методу

Группа	Катионы	Групповой реагент	Растворимость соед.
І	К+, Na+, Lі+, NН4+	Нет	Хлориды, сульфаты, гидроксиды растворяются в воде
II	Аg+,  РЬ2+, Нg2+2	HCl	Хлориды не растворяются в  воде
III	Ва2+, Sг2+, Са2+	Н2SО4 + +С2Н5ОН	Сульфаты не растворяются в воде
IV	А13+, Zn2+, Сг3+, Sn (II), Sn (IV), Аs (III), Аs (V)	Избыток конц. NaОН +        3 %-ый раствор Н2О2	Гидроксиды не  растворяются в воде,   но растворяются в избытке  щелочи
V	Fе2+, Fе3+, Мg2+, Мn2+, Ві3+, SЬ (III), SЬ (V)	Избыток  конц.  NН3*Н2О	Гидроксиды не  растворяются в воде   избытке  щелочи, растворе аммиака
VI	Cо2+, Ni2+, Cd2+, Сu2+, Нg2+	Избыток  конц. NH3*Н2О	Гидроксиды не  растворяются в воде   и избытке  щелочи, но растворяются в избытке раствора аммиака

Количественный анализ.  

Количественный анализ предназначен для установления количественного состава компонентов в анализируемой пробе. Ему предшествует качественный анализ, устанавливающий, какие компоненты (элементы, ионы, молекулы) присутствуют в анализируемой пробе.     

 Количественный анализ бывает  трех видов: полный, частичный,  общий.               При полном количественном анализе устанавливается полный количественный состав всех компонентов, присутствующих в анализируемой пробе. Например,  для полного количественного анализа крови необходимо определить содержание 12 компонентов: натрия, калия, кальция, глюкозы, билирубина и  т. д. Полный анализ требует больших затрат времени и труда.

При выполнении частичного анализа  определяется содержание лишь за-

данных компонентов. Общий анализ устанавливает содержание каждого  элемента в анализируемом образце независимо от того, в состав каких соединений они входят. Такой анализ обычно называют элементным.

Классификация методов количественного  анализа. 

Методы количественного анализа  можно разделить на три большие  группы: химические, физические, физико-химические.     

Химические методы основаны на использовании количественно протекающих, различных по типу химических реакций: обменных, осадительных, окислительно-восстановительных и реакций комплексообразования. К химическим относятся гравиметрический и титриметрический (объемный) методы анализа.   

 Гравиметрический метод анализа основан на измерении массы определяeмoгo компонента после его выделения в виде гравиметрической формы. Метод характеризуется высокой точностью, но длителен и трудоемок. В фармацевтическом анализе его применяют в основном для определения влажности и зольности лекарственных препаратов.     

Титриметрический метод анализа основан на введении в точно измеренный объем раствора анализируемого вещества точно отмеренного объема раствора известной концентрации - титранта. Титрант вводится до тех пор, пока анализируемое вещество полностью прореагирует с ним. Этот момент называют конечной точкой титрования и устанавливают с помощью специaльныx химических индикаторов или инструментальными методами. Среди

химических методов количественного  анализа это - самый распространенный метод.    

 Химические методы анализа,  хотя и являются в настоящее  время основными в химических лабораториях, во многих случаях не отвечают возросшим требованиям к анализу, таким как высокая чувствительность, экспрессность, селективность, автоматизация и др. Этих недостатков лишены инструментальные методы анализа, которые можно разделить на три большие группы: оптические, электрохимические, хроматографические.

Гравиметрический анализ. 

Гравиметрический метод основан на точном измерении массы вещества известного состава, химически связанного с определяемым компонентом и выделенного в виде соединения или в виде простого вещества. Классическое название метода - весовой анализ. Гравиметрический анализ основан на законе сохранения массы вещества при химических превращениях и является наиболее точным из химических методов анализа: предел обнаружения составляет  0,10 %; правильность (относительная ошибка метода)   ±0,2 %.    

 В гравиметрическом анализе  используют методы осаждения, отгонки (прямой и косвенной), выделения, термогравиметрию, электрогравиметрию.    

 В методе осаждения определяемый компонент вступает в химическую реакцию с реагентом, образуя малорастворимое соединение. После проведения ряда аналитических операций твердый осадок известного состава взвешивают и проводят необходимые вычисления.  

В термогравиметрическом анализе фиксируют изменение массы вещества в процессе нагревания, что позволяет судить о про исходящих превращениях и установить состав образующихся промежуточных продуктов. Термогравиметрический анализ осуществляют при помощи приборов дериватографов. В ходе эксперимента фиксируют изменение массы анализируемого образца (ось ординат) в зависимости от времени или температуры (ось абсцисс) и представляют в виде термогравиметрической кривой - термоrравиграммы. Термогравиметрия широко используется для исследования изменения состава вещества и выбора условий высушивания или прокаливания осадков.