Лабораторные работы. ЛР_1_Химич.методы_Кач.анализ. Отчет по лабораторной работе 1 по дисциплине Аналитическая химия

• Название: Отчет по лабораторной работе 1 по дисциплине Аналитическая химия
• Анкор: Лабораторные работы
• Дата: 06.01.2022
• Размер: 92 Kb.
• Имя файла: ЛР_1_Химич.методы_Кач.анализ.doc
• Тип: Отчет; #325005

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

И нститут природных ресурсов

Направление (специальность) – 130100

«Геология и разведка полезных ископаемых»

Кафедра - _____________________________


ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

КАЧЕСТВЕННОГО ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

ОБНАРУЖЕНИЕ ИОННЫХ ФОРМ ЭЛЕМЕНТОВ
В ПРОБЕ ВЕЩЕСТВА РУДЫ



Отчет по лабораторной работе № 1_____




по дисциплине Аналитическая химия
Исполнитель(и)

Студент(ы), И. О. Фамилия(и)

(дата)
Руководитель

(доцент, к.х.н.) Н.Н.Чернышова

А.А.Воронова

(дата)




Томск –2011

Тема: ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КАЧЕСТВЕННОГО ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Введение
Выполнение лабораторной работы по теме «Химические методы качественного химического анализа. Обнаружение ионных форм элементов в пробе вещества руды (минерала)» способствует углубленному освоению студентами теоретических положений изучаемой дисциплины «Аналитическая химия», раздел «Химические методы качественного химического анализа проб вещества объекта анализа». При выполнении данной лабораторной работы студенты также получат практические навыки проведения эксперимента в качественном химическом анализе пробы вещества химическим методом, а именно, освоения приемов и способов выявления и наблюдения аналитических эффектов при проведении аналитических реакций и усвоения способов представления и интерпретации результатов проведенных исследований.
Вопросы итогового контроля по теме
«Химические методы качественного химического анализа»

1. Какие методы могут быть использованы для проведения качественного химического анализа вещества?

2. На каком способе сравнения с эталоном основаны химические методы качественного химического анализа пробы вещества объекта анализа? Приведите пример

3. На каком способе сравнения с эталоном основаны физические методы качественного химического анализа вещества объекта анализа? Приведите пример

4. Что такое аналитический сигнал определяемого компонента в пробе вещества объекта анализа? Какую информацию несет аналитический сигнал? Приведите пример.

5. Что является аналитическим сигналом в химических методах качественного химического анализа? Приведите пример.

6. Что такое идентификация компонентов вещества?

7. Что такое аналитическая реакция и как их подразделяют согласно рекомендации ИЮПАК?

8. Какие реакции и реагенты называют специфическими? Приведите пример.

9. Какие реакции и реагенты называют избирательными? Приведите пример.

10. Почему качественный химический анализ вещества относится к трудным аналитическим задачам?

11. Чем отличается систематический ход качественного химического анализа пробы вещества на содержание ионов от дробного обнаружения ионов?

12. Как Вы понимаете, что такое предел обнаружения? Поясните на примере.

13. Является ли утверждение об отсутствии данного компонента («не обнаружен») абсолютным после проведения качественного анализа конкретным методом анализа?

14. Перечислите приемы выполнения качественных химических реакций.

15. В чём иногда проявляется принципиальное отличие качественных реакций, проводимых с растворами в пробирке, и растиранием порошков?

16. Как проводят микрокристаллоскопические реакции? Для решения каких задач такой приём при изучении геохимических проб обязательно используется?

17. Какой приём перевода химических соединений элементов в необходимую аналитическую форму для проведения качественных реакций путём растирания порошков предложен для полевых условий? Что при этом образуется? Приведите пример.
Рекомендуемая литература

1. 
   Ушакова Н.Н. Пособие по аналитической химии: Качественный анализ. Методы обнаружения и разделения элементов / Н.Н. Ушакова, Е.Р. Николаева, С.А. Моросанова; под ред. И.П. Алимарина. – М.: Изд-во МГУ, 1981. – 149 с.
   
2. 
   Основы аналитической химии: практическое руководство: учебное пособие для вузов / под ред. Ю.А. Золотова. – М.: Высшая школа, 2001. – 463 с.
   
3. 
   Аналитическая химия: учебн. для студ. средн. проф. учебн. заведений/ Глубоков Ю.М. и др. / под ред. А.А. Ищенко – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 320 с.
   
4. 
   Аналитическая химия и физико-химические методы анализа: учебное пособие / М.А. Иванова [и др.]. – М.: РИОР, 2006. – 289 с.
   
5. 
   Исаков П.М. Качественный анализ руд и минералов методом растирания порошков. – М.: Госгеолиздат, 1953. – 103 с.
   
6. 
   Файгль Ф., Ангер В. Капельный анализ неорганических веществ. – Т. 1. – М.: Мир, 1976. – 390 с.
   
7. 
   Файгль Ф., Ангер В. Капельный анализ неорганических веществ. – Т. 2. – М.: Мир, 1976. – 320 с.
   

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ИОННЫХ ФОРМ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРОБЕ ВЕЩЕСТВА РУД (МИНЕРАЛОВ)
Цель работы: Провести качественный химический анализ пробы вещества руды (минерала) на содержание в нём ионных форм железа, меди, свинца, вольфрама, молибдена, никеля, кобальта, серы и фосфора, используя аналитические твердофазные реакции, проводимые путём растирания порошков, сопровождающиеся изменением цвета веществ
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Основные понятия
Обнаружение (есть или нет), идентификация (как называется) компонентов в пробе вещества объекта химического анализа относится к виду химического анализа – к качественному анализу состава вещества. При этом утверждение об отсутствии искомого компонента («не обнаружен») подразумевает, что его содержание ниже некоторого предела (предела обнаружения).

Качественный химический анализ может быть проведен различными химическими и физическими методами.

При использовании физических методов в качественном химическом анализе аналитическим сигналом, несущим информацию о наличии определяемого компонента, является конкретное физическое свойство этого компонента, которое измеряют с помощью специальных средств измерений.

Из физических методов широкое распространение для обнаружения компонентов в веществе объекта химического анализа получили атомно-эмиссионный спектральный и рентгено-флуоресцентный методы (элементный анализ), масс-спектрометрический и хроматографические методы химического анализа (молекулярный, функциональный, элементный анализ).

При использовании химических методов в качественном химическом анализе аналитический сигнал, несущий информацию о наличии определяемого компонента, наблюдают визуально, проводя химическую реакцию, сопровождающуюся аналитическим эффектом.

К аналитическим эффектам химических реакций (аналитическим сигналам) относятся изменение цвета или запаха вещества, окрашивание пламени горелки, образование люминесцирующих соединений, выделение газообразных продуктов, выпадение или растворение осадка. В случае образования осадка, кроме самого факта его выпадения, аналитическим сигналом может служить его цвет, форма (кристаллическая или аморфная), а также характерная форма кристаллов.

Например:

∆T

1. Pb²⁺ + 2KJ → PbJ₂↓ + 2K⁺ → PbJ₂↓ + 2K⁺

Желт.осадок желт.золотист.

кристаллы
2. СаСО₃ ↓ + 2НСl = СаСl₂ + Н₂O + СО₂↑

(Кальцит)
3. Fe³⁺ + 4KSCN^- = K[Fe(SCN)₄] + 3К⁺

Раствор кирпично-красного

цвета
4. Окрашивание бесцветного пламени горелки в бледно-фиолетовый цвет ионами К⁺ или в желтый цвет ионами Na⁺ или в зелено-голубой цвет ионами Cu²⁺ при внесении соли калия или натрия или меди в пламя горелки
Химическое превращение определяемого компонента при действии на него аналитического реагента называют аналитической реакцией, частной реакцией или реакцией обнаружения, если образуется продукт с визуально наблюдаемым аналитическим эффектом (аналитическим сигналом). Химическое соединение, которым действуют на обнаруживаемый компонент, называют аналитическим реагентом или реагентом на обнаруживаемый компонент.

Исходную информацию об аналитических эффектах получают, проводя аналитические реакции с веществами сравнения, содержащими определяемые компоненты в конкретной форме нахождения. При проведении качественного анализа проб анализируемых веществ необходимо перевести определяемый компонент в аналитическую форму, соответствующую форме нахождения элементов в веществе сравнения для повышения достоверности результата анализа.

Аналитические реакции и реагенты, согласно рекомендации международной химической организации ИЮПАК, подразделяют на специфические и избирательные (селективные).

Специфическими называют те реагенты, реакции и, следовательно, методы, с помощью которых в данных условиях можно обнаружить только один компонент в присутствии других компонентов; избирательными – реагенты, реакции и методы, позволяющие обнаружить совокупность из небольшого числа компонентов на фоне других компонентов. Избирательных реагентов и реакций известно существенно больше, чем специфических.

Избирательность реакции достигается правильным выбором и установлением соответствующих условий для проведения химической реакции. К факторам, определяющим условия протекания реакции, относят кислотность (рН) раствора, температурау, концентрации обнаруживаемого и сопутствующих компонентов, природу растворителя (вода, органические или водно-органические среды). Реакции или реагент можно сделать более избирательными, или даже специфичными, варьируя условия протекания реакции.

В качественном анализе проб неорганических веществ реагенты по их избирательности разделяют на три группы:

1. Специфические реагенты – например, крахмал для обнаружения J₂; КОН для обнаружения NH₄⁺; миндальная кислота в 7 М НСl для обнаружения Zr(IV).

2. Избирательные (селективные) реагенты – например, диметил-глиоксим в аммиачной среде реагирует с Fe(II), Co(II), Ni(II), Zr(IV) и Th(IV); перекись водорода в кислой среде реагирует с Ti(lV), V(V), Mo(VI); фениларсоновая кислота в сильнокислой среде – с Zr(IV), Nb(V), Ta(V) с изменением цвета раствора.

3. Групповые реагенты. Это может быть хлороводородная кислота, HCl, котораяосаждает группу ионов Ag(I), Hg(I), Tl(I), Pb(II) в форме нерастворимых хлоридов; серная кислота, H₂S0₄, которая осаждает группу ионов Ca(II), Sr(II), Ba(II), Pb(II), Ra(II) в форме нерастворимых сульфатов; сероводород, H₂S, который в кислой среде осаждает группу ионов Cu(II), Zn(II), Cd(II), Sn(II, IV), Sb(III, V), Hg(II), Bi(III) в форме нерастворимых сульфидов. Последовательное разделение ионов на отдельные аналитические группы методом осаждения групповыми реагентами (или иным образом) называют систематическим ходом анализа пробы неорганического вещества.

Вещество объектов химического анализа всегда многокомпонентно, часто оно многофазно по агрегатному состоянию.

Качественный химический анализ вещества – трудная аналитическая задача, поскольку сопутствующие компоненты могут препятствовать обнаружению искомого компонента. Такие сопутствующие компоненты называют мешающими. Помехи со стороны сопутствующих компонентов начинают проявляться при определенном количественном соотношении обнаруживаемых и мешающих компонентов и усиливаются с увеличением концентрации последних.

Для обнаружения каждого компонента необходимо создать условия протекания аналитической реакции, устранить мешающее влияние сопутствующих компонентов и зарегистрировать аналитический сигнал.

Возможны два пути для обнаружения неорганических ионов в пробе конкретного неорганического вещества объекта анализа – проведением систематического качественного химического анализа или дробным обнаружением ионов.

Дробное обнаружение ионов основано на применении специфических и селективных реагентов без разделения на группы. Мешающее влияние сопутствующих ионов устраняют, используя приемы маскирования, либо применяя более селективные или специфические реагенты.

Аналитические реагенты и аналитические реакции позволяют обнаруживать определяемый компонент в пробе вещества, если его содержание превышает некоторый минимальный предел (предел обнаружения). Если концентрация определяемого компонента ниже этого предела, то и содержание аналитической формы (например, окрашенного соединения) окажется настолько незначительной, что визуально невозможно будет зарегистрировать аналитический сигнал.

Предел обнаружения – наименьшее содержание определяемого компонента, при котором он может быть обнаружен по данной методике химического анализа пробы вещества объекта анализа с заданной доверительной вероятностью, например с вероятностью 0,95. Предел обнаружения в качественном химическом анализе раньше называли открываемым минимумом.

В настоящее время в качественном химическом анализе используется большое число реагентов и частных реакций с низкими пределами обнаружения. Обычно для обнаружения ионов применяют реакции с пределом обнаружения 10^–7 г (0,1 мкг) в 1 см³ раствора пробы анализируемого вещества. Физические методы позволяют обнаружить элементы в пробах твердого вещества с пределом обнаружения менее 10^–15 г.

Предел обнаружения, наряду с избирательностью, является важнейшей характеристикой аналитической реакции и методов качественного химического анализа. Однако, предел обнаружения не является постоянной характеристикой химической реакции, используемой для анализа. Значение предела обнаружения в значительной степени зависит от условий протекания реакции: кислотности среды, концентрации реагентов, присутствия сопутствующих компонентов, температуры, времени наблюдения и др.


Приемы и техника выполнения качественных реакций
Химические реакции обнаружения различаются по технике их выполнения и способу наблюдения. Реакции можно выполнять «мокрым» и «сухим» путем. Например, качественный анализ проб неорганических веществ чаще всего проводят «мокрым» путем. Исследуемую пробу вещества предварительно растворяют в воде, кислоте или щелочи. Если вещество нерастворимо, его сплавляют, например, со щелочью, а затем уже полученный плав растворяют в воде или кислоте. Реакции «сухим» путем иногда используют для анализа проб твердых неорганических веществ при проведении предварительных испытаний.

Используют следующие техники выполнения качественных химических реакций.

Реакции в пробирке – реакции проводят в маленьких пробирках, добавляя несколько капель раствора анализируемой пробы вещества капиллярной пипеткой. Соблюдая условия проведения реакции, прибавляют 2–3 капли раствора реагента. Наблюдают аналитический эффект реакции. Для отделения осадков используют центрифугирование.

Капельные реакции проводят на полосках фильтровальной бумаги (пористого материала). Сначала концом капилляра с раствором реагента касаются несколько раз бумаги до тех пор, пока не образуется пятно диаметром около 3 мм. В центр полученного пятна аналогичным образом наносят каплю раствора пробы анализируемого вещества. Наблюдают аналитический эффект реакции.

Люминесцентные реакции обычно проводят на фильтровальной бумаге или на предметном стекле. Свечение (флуоресценция или фосфоресценция) продукта реакции существенно зависит от присутствия в пробе анализируемого вещества сопутствующих компонентов, концентрации реагирующих соединений, природы растворителя, температуры. Поэтому при выполнении люминесцентных реакций обязательно проводят холостой опыт, для этого каплю раствора, содержащего все компоненты, кроме определяемого, наносят на фильтровальную бумагу рядом с анализируемым раствором. Влажные пятна высушивают на воздухе и наблюдают люминесценцию при освещении бумаги ультрафиолетовым светом.

Каталитические реакции проводят обычно в пробирках, наблюдая резкое увеличение скорости протекания реакции в присутствии определяемого компонента.

Микрокристаллоскопические реакции проводят на предметном стекле. Капли раствора пробы анализируемого вещества и раствора реагента помещают рядом и стеклянной палочкой образуют между ними перемычку. Наблюдают образование осадка и под микроскопом в
75-кратном увеличении фиксируют наличие характерной формы кристаллов. Образование осадка происходит в результате взаимной диффузии реагента и определяемого иона, что обеспечивает формирование правильных относительно крупных кристаллов.

Обнаружение с использованием экстракции. В пробирку с притертой пробкой помещают по несколько капель анализируемого раствора, раствора реагента и органического растворителя. Для понижения предела обнаружения соотношение объемов органической и водной фазы обычно берут равным 1:4. В закрытой пробирке смесь взбалтывают 1–2 мин и после расслаивания наблюдают окраску органической фазы. При встряхивании некоторые соединения переходят в органический растворитель, окрашивая его.

Обнаружение с использованием флотации. Использует те же операции, что и при проведении экстракции. Предел обнаружения может быть существенно понижен, если продукт реакции флотируется к поверхности раздела органической и водной фаз. Так, например, пределы обнаружения Ni²⁺ по реакции с диметилглиоксимом составляют при обнаружении его в пробирке – 1,4 мкг; капельным способом – 0,16 мкг; флотацией на границе вода – эфир – 0,002 мкг.

Реакции способом растирания порошков. Небольшое количество пробы твердого вещества растирают на фарфоровой пластинке или в ступке с примерно равным количеством твердого реагента. Растертая смесь приобретает характерную окраску продукта взаимодействия обнаруживаемого иона элемента с реагентом. Например, при растирании минерала, содержащего ионы Fe(III), и соли NH₄SCN, вследствие образования соединения (NH₄)_mFe(SCN)_n смесь приобретает красно-кирпичную окраску. Если реакция при растирании твердых веществ идет с участием воды, то часто достаточно воды, адсорбированной из воздуха, или кристаллизационной воды, содержащейся в химических соединениях.

Способ растирания порошков – самый простой и доступный приём выполнения качественных химических реакций при обнаружении главных минералообразующих элементов в пробах вещества руд и минералов в полевых условиях. Некоторые из них обнаруживают весьма просто: растирают в фарфоровой чашке маленький кусочек минерала или руды с несколькими кристалликами реактива, дающего с обнаруживаемым элементом окрашенный продукт реакции. Характерная окраска, такая же, как и у вещества сравнения при растирании его с тем же реактивом, говорит о наличии искомого элемента или его иона в пробе вещества объекта анализа.

Например, для качественного определения сурьмы в пробе вещества минерала антимонита крупинка минерала растирается с крупинкой реактива КОН. После растирания сразу же появляется слабая желтая окраска, которая на воздухе постепенно переходит в красно-оранжевую. Другим примером может служить обнаружение никеля. Диметилглиоксимат никеля, обладающий красно-розовой окраской и образующийся при растирании солей никеля с диметилглиоксимом, является наиболее прочным из известных комплексных соединений никеля. Поэтому при растирании с диметилглиоксимом крупинки даже таких силикатов никеля, как гарниерита или ревдинскита, наблюдается появление красно-розовой окраски. Так же просто обнаруживают и другие элементы: мышьяк с нитратом серебра в арсенатах, молибден с роданидом аммония и хлоридом олова в молибдите, свинец с иодидом калия в галените и англезите, бор с хлоридом двухвалентной ртути в боратах и т. д.

Качественный химический анализ минералов и руд путём растирания порошков часто требует перевода форм нахождения элементов в аналитическую форму – либо в сернокислую, либо в азотнокислую соль. В 1951 году геолог П.М. Исаков предложил способ перевода в сернокислую соль других форм нахождения определяемых элементов в пробах анализируемых веществ объектов химического анализа. Для этого необходимо растереть пробу твердого вещества минерала или руды с аналитическим реагентом – кислым сернокислым калием (гидросульфатом калия) KHS0₄. Применение гидросульфата калия для получения аналитической формы элементов в минералах и рудах имеет ту же цель, что и обработка их серной кислотой, то есть перевод обнаруживаемых химических элементов в сернокислые соли. В результате растирания порошка минерала или руды с гидросульфатом калия какие-то небольшие, но вполне достаточные для качественных реакций количества обнаруживаемых элементов переходят в сернокислые соли, которые затем и вступают в специфическую или избирательную химическую реакцию с аналитическими реагентами.

Например, при растирании порошка минерала сидерита, основной компонент которого FеСО₃, реакция протекает по схеме:
FеСО₃ + 2KHS0₄ = FeS0₄ + K₂S0₄ + Н₂О + СО₂↑

В процессе растирания галенита, основной компонент которогоPbS, реакция также протекает с переводом соединений свинца в сернокислую соль и выделением сероводорода, который ощущается по запаху:

PbS + 2KHS0₄ = PbS0₄ + K₂S0₄ + H₂S ↑

При выполнении аналитических реакций путём растирания порошков важное значение имеет степень размола руды и минералов – чем мельче растёрта проба, тем больше будет образовываться соединения в необходимой аналитической форме определяемого элемента, следовательно, ярче будет окраска пробы анализируемого вещества.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Обоснование работы

В экспериментальной части студенту предлагается освоить технику выполнения качественных реакций способом растирания порошков, используя приёмы дробного обнаружения ионных форм элементов, основанные на применении специфических и избирательных реагентов, без разделения вещества на аналитические группы. Систематический ход анализа пробы неорганического вещества руд и минералов требует затрат значительно большего времени, чем стандартное время аудиторного лабораторного занятия. Кроме того, из всех известных реакций дробного обнаружения ионных форм элементов выбраны простейшие, не требующие операций нагревания веществ и устранения мешающего влияния сопутствующих компонентов. Каждый студент выполняет четыре качественных реакции из приведенных в таблице «Специфические и избирательные химические реакции при растирании порошков. Аналитический эффект (аналитический сигнал)», Приложение.
Оборудование и реактивы:

• 
  фарфоровые тигельки;
  
• 
  стеклянные палочки для растирания пробы;
  
• 
  вещества сравнения – соли, содержащие ионные формы обнаруживаемых элементов, химические реактивы квалификации х.ч.
  
• 
  специфические и избирательные реагенты на искомые элементы, химические реактивы квалификации х.ч.
  

Порядок выполнения работы

1. Для обнаружения ионных форм элементов, указанных преподавателем, выполните соответствующие твердофазные аналитические реакции с веществами сравнения (эталонами) – с химическими реактивами квалификации х.ч., содержащими эти ионные формы элементов, путём растирания порошков. Для этого выполните все операции в последовательности, описанной в Таблице «Специфические и избирательные химические реакции при растирании порошков», Приложение, для соответствующих ионных форм элементов. Зафиксируйте наблюдаемые аналитические эффекты в соответствующей строке таблицы. Сравните наблюдаемые аналитические эффекты с табличными.

2. Проведите те же аналитические реакции с пробой вещества руды (минерала) для обнаружения искомых ионных форм элементов. Для этого выполните все операции в последовательности, описанной в таблице. Зафиксируйте наблюдаемые аналитические эффекты в соответствующей строке таблицы.

3. Сравните окраски продуктов аналитических реакций в двух тигельках – с веществом сравнения и с пробой вещества руды (минерала). Проанализируйте полученные результаты наблюдений и примите решение с определённой долей уверенности (с уверенностью в 100, 90, 80, 70 %) о присутствии искомых ионных форм элементов в пробе вещества руды (минерала).

4. Сформулируйте выводы по выполненной лабораторной работе.

Выводы по выполненной лабораторной работе:
4.1. Объект химического анализа –
4.2. Определяемые компоненты –.
4.3. Выполненные виды химического анализа –
4.4. Примененный метод химического анализа –

4.4.1. Принцип химического анализа –.
4.4.2. Способ сравнения с эталоном –
4.4.3. Средства измерения –
4.4.4. Аналитический сигнал –
4.4.5. Способ получения результата анализа –.
4.5. Результат химического анализа пробы вещества руды –