Анализ лаба 2. 2. Лабораторный практикум_АХ_Качественный анализ. Практикум санктпетербург 2019
 Скачать 2.2 Mb.
|
|
ЛОБАЧЕВА О.Л., ДЖЕВАГА Н.В., КУЖАЕВА А.А. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ Лабораторный практикум САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2019 УДК 543 ББК 24.4 Л 68 В лабораторном практикуме рассматриваются основные разделы каче- ственного анализа дисциплины «Аналитическая химия»: классифика- ция химических методов анализа, теоретический материал качествен- ного химического метода анализа. Приведены теоретические основы проведения и методики выполнения лабораторных работ по дисци- плине «Аналитическая химия» для студентов специальности 21.05.04 «Горное дело», бакалавриата направлений подготовки 05.03.06 «Эко- логия и природопользование», «18.03.01 Химическая технология», «29.03.04 Технология художественной обработки материалов», «15.03.04 Автоматизация технологических процессов и производств». Лобачева О.Л., Джевага Н.В., Кужаева А.А. Л 68 Аналитическая химия. Качественный анализ: Лабораторный практикум / Лобачева О.Л., Джевага Н.В., Кужаева А.А. – СПб: ЛЕМА, 2019. – 101 с. Научный редактор: проф. Коган В.Е. Рецензенты: Санкт-Петербургский государственный университет, Институт химии, кафедра Химической термодинамики и кинетики, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой Тойкка А.М. Санкт-Петербургский государственный университет, Институт химии, кандидат химических наук, доцент, Приходько И.В. Библиогр.: 7 назв. ISBN УДК 543 ББК 24.4 © Лобачева О.Л., 2019 г. © Джевага Н.В., 2019 г. © Кужаева А.А., 2019 г. 3 ВВЕДЕНИЕ Задачей качественного анализа является определение ионного состава анализируемого вещества без определения количественного содержания соответствующих элементов. Эта задача может быть решена с помощью химических, физико-химических, спектральных и других методов. В данном лабораторном практикуме рассматривается кис- лотно-основной метод качественного химического анали- за. Качественный химический анализ неорганических ве- ществ обычно проводят из их водных растворов. Если ана- лизируемое вещество представлено твердыми образовани- ями, то предварительно все его компоненты переводят в водный раствор с использованием специальных методик. Для усвоения методики кислотно-основного метода си- стематического анализа и приобретения необходимой ла- бораторной практики студентам в индивидуальном поряд- ке предлагается выполнение ряда лабораторных работ. Ла- бораторный практикум делится на две части. В первой ча- сти рассматриваются теоретические основы качественного анализа, действие групповых реагентов, качественные ре- акции отдельных катионов и разделение элементов на ана- литические группы и внутри группы соответствующих ка- тионов. Во второй части практикума представлены лабора- торные работы качественного анализа. Каждая лаборатор- ная работа выполняется по определенной схеме анализа. 4 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ 1.1. Предмет и задачи аналитической химии Аналитическая химия имеет своей главной задачей установление химического состава веществ, поэтому ана- литическую химию определяют как науку, изучающую свойства и процессы превращения веществ с целью уста- новления их химического состава. Химические и физиче- ские свойства веществ являются основой соответствующих методов анализа, поэтому нередко говорят об аналитиче- ской химии как науке о методах установления химическо- го состава веществ. Аналитическая химия – это наука о способах иденти- фикации химических соединений, о принципах и методах определения химического состава веществ и их структуры. Она является научной основой химического анализа. Хи- мический анализ – это получение опытным путем данных о составе и свойствах объектов. В соответствии с задачами установления химического состава различают два вида анализа ‒ качественный и ко- личественный. Задача качественного анализа ‒ обнару- жить, какие именно элементы или их соединения входят в состав анализируемого материала. Качественный анализ обычно предшествует количественному; цель последнего ‒ найти количественные соотношения между компонентами, найденными при качественном исследовании. 5 Рис. 1. Схема, поясняющая качественный и количественный анализ Основная цель аналитической химии - обеспечить в зависимости от поставленной задачи точность, высокую чувствительность, экспрессность и (или) избирательность анализа. Разрабатывают методы, позволяющие анализиро- вать микрообъекты (микрохимический анализ), проводить локальный анализ (в точке, на поверхности), анализ без разрушения образца (неразрушающий анализ), на расстоя- нии от него (дистанционный анализ), непрерывный анализ (в потоке), а также устанавливать в виде какого химиче- ского соединения и в составе какой фазы существует в об- разце определяемый компонент (фазовый анализ). Важные тенденции развития аналитической химии - автоматизация анализов, особенно при контроле технологических процес- сов (автоматизированный анализ), и математизация, в частности широкое использование ЭВМ. Можно выделить три крупных направления аналити- ческой химии: общие теоретические основы; разработка методов анализа; аналитическая химия отдельных объек- тов. В зависимости от цели анализа различают качествен- 6 ный анализ и количественный анализ. Задача первого - об- наружение и идентификация компонентов анализируемого образца, второго - определение их концентраций или масс. В зависимости от того, какие именно компоненты нужно обнаружить или определить, различают изотопный анализ, элементный анализ, структурно-групповой (в т. ч. функци- ональный анализ), молекулярный анализ, фазовый анализ. По природе анализируемого объекта различают анализ не- органических и органических веществ. В теоретических основах аналитической химии суще- ственное место занимает метрология химического анализа, в том числе статистическая обработка результатов. Теория аналитической химии включает также учение об отборе и подготовке аналитических проб, о составлении схемы ана- лиза и выборе методов, принципах и путях автоматизации анализа, применения ЭВМ, а также основы народнохозяй- ственного использования результатов химического анали- за. Особенность аналитической химии – изучение не об- щих, а индивидуальных, специфических свойств и харак- теристик объектов, что обеспечивает избирательность многих аналитических методов. Благодаря тесным связям с достижениями физики, математики, биологии и различных областей техники (это особенно касается методов анализа) аналитическая химия превращается в дисциплину на стыке наук. В аналитической химии различают методы разделения, определения (обнаружения) и гибридные, сочетающие ме- 7 тоды первых двух групп. Методы определения подразде- ляют на химические методы анализа (гравиметрический анализ, титриметрия), физико-химические методы анализа (электрохимический, фотометрический, кинетический), физические методы анализа (спектральные, ядерно- физические) и биологические методы анализа. Иногда ме- тоды определения делят на химические, основанные на химических реакциях, физические, базирующиеся на фи- зических явлениях, и биологические, использующие от- клик организмов на изменения в окружающей среде. Практически все методы определения основаны на за- висимости каких-либо доступных измерению свойств ве- ществ от их состава. Поэтому важное направление анали- тической химии - отыскание и изучение таких зависимо- стей с целью использования их для решения аналитиче- ских задач. При этом почти всегда необходимо найти уравнение связи между свойством и составом, разработать способы регистрации свойства (аналитического сигнала), устранить помехи со стороны других компонентов, исклю- чить мешающее влияние различных факторов (например, флуктуации температуры). Величину аналитического сиг- нала переводят в единицы, характеризующие количество или концентрацию компонентов. Измеряемыми свойства- ми могут быть, например, масса, объем, светопоглощение. Большое внимание уделяется теории методов анализа. Теория химических и частично физико-химических мето- дов базируется на представлениях о нескольких основных 8 типах химических реакций, широко используемых в ана- лизе (кислотно-основных, комплексообразования, окисли- тельно-восстановительных), и нескольких важных процес- сах (осаждения, растворения, экстракции). 1.2. Классификация методов определения состава ве- щества Существуют физические и химические методы анали- за. Это деление несколько условно, между методами обеих групп нет резкой границы. В обоих случаях качественное обнаружение и количественное определение составных частей анализируемого материала основано на наблюдении и измерении какого-либо физического свойства системы. Рис. 2. Классификация методов анализа 9 В химических методах пробу подвергают сначала дей- ствию какого-либо реагента, т. е. проводят определенную химическую реакцию, и только после этого наблюдают и измеряют физическое свойство. В химических методах анализа главное внимание уделяют правильному выполне- нию химической реакции. Химический анализ сложных материалов состоит в большинстве случаев из следующих этапов. 1. Отбор пробы для анализа. Лабораторная проба обычно составляет от 10 до 50 г материала. 2. Разложение пробы и переведение ее в раствор. 3. Проведение химической реакции, которую называ- ют в данном случае аналитической. Это важный этап ана- лиза и его правильному выполнению должно быть уделено основное внимание. Аналитические реакции должны удо- влетворять следующим требованиям: 1) определяемое вещество должно полностью превра- щаться в продукт реакции; 2) реагент не должен вступать во взаимодействие с по- сторонними веществами, находящимися в растворе, или не должен давать продуктов реакции, физические свойства которых были бы сходными с физическими свойствами. 4. Измерение какого-либо физического параметра про- дукта реакции, реагента или самого определяемого веще- ства. На основе этого измерения судят о количестве или о содержании определяемого компонента в анализируемом материале. 10 При анализе физическими методами наблюдение и из- мерение выполняют непосредственно с анализируемым материалом, причем химические реакции либо совсем не проводят, либо они играют вспомогательную роль. В фи- зических методах основной упор делается на соответству- ющее аппаратурное оформление измерения и определение физических свойств. При анализе физико-химическими методами проводят химическую аналитическую реакцию, но за ее ходом наблюдают при помощи измерительного прибора, одно- временно выполняя измерения конкретного физического параметра: массы, объема, электропроводности, разности потенциалов. В зависимости от характера поставленной задачи раз- личают следующие виды анализа. Рис. 3. Классификация видов анализа 11 1. Элементный анализ установление наличия и со- держания отдельных элементов в данном веществе, т. е. нахождение его элементного состава. 2. Фазовый анализ установление наличия и содержа- ния отдельных фаз исследуемого материала. 3. Молекулярный анализ (вещественный анализ, его иногда неправильно называют фазовым анализом) уста- новление наличия и содержания молекул различных ве- ществ (соединений) в материале. 4. Функциональный анализ установление наличия и содержания функциональных групп в молекулах органиче- ских соединений, например, карбоксильных (- СООН) и других групп. 5. Фракционный анализ – установление наличия и со- держания отдельных фракций компонентов смеси. 1.3. Чувствительность, точность, предел обнаружения Для решения задачи качественного анализа – надежно- го доказательства наличия или отсутствия компонента в пробе – необходим объективный критерий. Таковым мо- жет служить предел обнаружения компонента данным ме- тодом или чувствительность метода. Предел обнаружения ‒ это наименьшее количество компонента, которое может быть обнаружено с помощью данной методики. Если, к примеру, в ходе систематическо- го качественного анализа при действии сероводорода не наблюдается черного осадка, это не свидетельствует о том, 12 что меди в образце нет вообще. Это означает лишь, что ее содержание ниже, чем предел обнаружения для данной ме- тодики. Для обнаружения более низких содержаний можно использовать, например, методы атомной спектроскопии. Но и в этом случае отрицательный результат по-прежнему свидетельствует не об абсолютном отсутствии меди, а лишь о невозможности ее обнаружить выбранным мето- дом. На практике применение той или иной методики ка- чественного анализа зависит от конкретной задачи. При этом никогда не ставится вопрос о доказательстве полного отсутствия некоторого элемента или соединения, а лишь о том, превышает ли его содержание ту или иную границу. В соответствии с этим и выбирают конкретную методику. При выборе способа количественного анализа следует учитывать чувствительность и точность метода и состав анализируемого вещества. Чувствительность – минимальная концентрация рас- твора или минимальное содержание определяемого веще- ства, до которого применяют данный метод. Точность метода характеризуется средней ошибкой определения. Точность метода зависит как от случайных ошибок (воспроизводимость), так и от систематических ошибок (правильность). Любой инструментальный метод анализа подразуме- вает наличие верхнего предела обнаружения, т.е. макси- мальной концентрации вещества в пробе, для которой применим данный метод или методика количественного 13 анализа. Наличие верхнего предела обнаружения следует всегда учитывать при выборе метода анализа. Например, верхний предел обнаружения для метода атомной абсорб- ции не превышает сотых долей процента, следовательно, его нельзя применять для анализа макроколичеств какого- то компонента. Рис. 4. Иллюстрация чувствительности, точности и верхнего предела обнаружения 2 МЕТОДЫ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ И РАЗДЕЛЕНИЯ Под разделением подразумевается любой процесс или операция, в результате которых из исходной смеси ве- ществ получается несколько фракций ее компонентов, присутствующих или в индивидуальном виде, или в виде смесей с новым количественным или качественным соста- вом. 14 Концентрирование в аналитическом понимании – это процесс или операция повышения содержания определяе- мого вещества или группы веществ по отношению к мат- рице или матричным компонентам. Матрица – среда, в ко- торой находятся целевые компоненты. Чаще всего это рас- твор. Несмотря на разные задачи физико-химические осно- вы методов разделения и концентрирования одинаковы. Концентрирование даже можно назвать частным случаем разделения. К количественным характеристикам концентрирова- ния и разделения относят степень выделения i i k i i q q R и коэффициент разделения j i R R K , где q i k и q j k количество выделяемого (q i ) и примесного (q j ) компонентов в конечном продукте и исходном веще- стве. Для случая концентрирования индекс j будет отно- сится к матрице или макрокомпоненту. Классификация методов разделения Под понятием метод имеют в виду физико-химические основы процесса. Под понятием методика – практическое приложение метода для решения конкретных аналитиче- ских задач (пример – про хроматографию – методик много, 15 а суть – одна: процессы молекулярной или ионообменной адсорбции, экстракционные процессы). С точки зрения процессов, лежащих в основе концен- трирования и разделения можно выделить большую груп- пу методов, основанных на различии в физических свой- ствах разделяемых веществ и большую группу методов, основанных на различии в химических свойствах. Рис. 1. Классификация методов концентрирования и разделения по типу протекающих процессов Физические методы основаны на различии в физиче- ских свойствах: плотность, размер частиц, магнитные свойства. Здесь можно назвать фильтрацию, разделение в тяжелых жидкостях, основанное на различной плотности веществ, центрифугирование, магнитную сепарацию. Осаждение Эффект разделения достигается в результате образова- ния одним или несколькими компонентами раствора осад- 16 ков при введении в раствор или генерировании в нем соот- ветствующих реагентов. Коэффициент разделения превы- шает 10 3 . Чаще всего этот метод используют с одновре- менным проведением гравиметрического (весового) анали- за. Метод простой. Недостатки: возможность загрязнения осадка примесями (совместное осаждение, соосаждение, наложение процессов сорбции), потери при образовании и промывании осадка, трудоемкость. Электроосаждение Представляет собой осаждение вещества из жидкой фазы на электроде за счет окислительно- восстановительных реакций с гетерогенным переносом электронов. Различают: электролитическое выделение, вызванное воздей- ствием разности потенциалов, задаваемой от внешнего ис- точника тока. Процесс представляет собой электролитиче- ское выделение катионных форм элементов по реакции: M n+ + ne M 0 . Потенциал данной реакции вычисляется по уравнению Нернста и называется потенциалом выделения. Возможности разделения веществ данным методом и бу- дут определяться величиной потенциала выделения. Метод применим для концентрирования элементов природных и сточных вод. Недостаток: плохое разделение, получение «грязного» продукта; химическое выделение продуктов окислительно- восстановительных реакций, происходящих на электродах, 17 под воздействием приложенной разности потенциалов. В систему добавляют реагент, способный образовывать оса- док с окисленной или восстановленной формой элемента. Целевой компонент в виде осадка с реагентом собирается соответственно на катоде или аноде. Схема процесса: от- деляемый компонент в виде иона идет на электрод, там изменяет степень окисления, реагирует с осадителем, оса- ждается на электроде; электролитическое выделение на одном из электро- дов гальванического элемента (т.н. внутренний электро- лиз); самопроизвольное осаждение на поверхности более электроотрицательного металла (цементация). |