Физико-химические методы анализа веществ
Введение
В практической деятельности часто возникает необходимость идентификации (обнаружения) того или иного вещества, а также количественной оценки (измерения) его содержания.
Химическая идентификация (качественный анализ) и измерения (количественный) анализ являются предметом специальной химической науки – аналитической химии.
1. Качественный анализ
Качественный анализ может использоваться для идентификации в исследуемом объекте атомов (элементарный анализ), молекул (молекулярный анализ), простых или сложных веществ (вещественный анализ), фаз гетерогенной системы (фазовый анализ). Задача качественного неорганического анализа обычно сводится к обнаружению катионов и анионов, присутствующих в аналитической пробе. Качественный анализ необходим для обоснования выбора метода количественного анализа того или иного материала или способа разделения веществ по аналитическому сигналу.
Аналитическими являются те реакции, которые сопровождаются каким-нибудь внешним эффектом, позволяющим установить, что химический процесс связан с выпадением или растворением осадка, изменением окраски анализируемого раствора, выделением газообразных веществ.
В аналитической работе используют химические реакции, протекающие достаточно быстро и полно. Выбирая реакции для химического анализа, руководствуются законом действующих масс и представлениями о химическом равновесии в растворах.
Выполняя аналитическую реакцию, соблюдают условия, которые определяются свойствами определяемого продукта. Анализируемое вещество должно быть устойчиво в среде, в которой ведется определение и температуре. Реакция должна быть чувствительной по отношению к определяемому веществу (определение вещества даже при очень малой его концентрации). Порог чувствительности реакций характеризуют количественно при помощи обнаруживаемого минимума.
Обнаруживаемый минимум – это наименьшее количество вещества, которое удается обнаружить с помощью данной реакции (при соблюдении необходимых условий) [миллионные доли грамма – микрограммы, 1мкг=10-6г]. В качественном анализе применяют только те реакции, обнаруживаемый минимум которых не превышает 50 мкг.
Помимо чувствительности большое значение имеют селективность реакции. Селективные или избирательные, реакции, дают схожий внешний эффект с несколькими ионами. Например, оксалат аммония образует белый осадок с катионами Ca2+, Sr2+, Ba2+ и др. Чем меньше таких ионов, тем более выражена избирательность (селективность) реакции. Специфической называют такую реакцию, которая позволяет обнаружить ион (вещество) в присутствии других ионов (веществ). Например, специфична реакция обнаружения иона аммония действием щелочи при нагревании, так как в этих условиях аммиак может выделяться только из солей аммония:
NH4Cl + NaOH = NH3↑ + H2O + NaCl
Обнаружение ионов с помощью специфических и селективных реакций в отдельных порциях анализируемого раствора, производимое в любой последовательности, называют дробным анализом. Для этого групповой реагент ступенчато приливают к анализируемому раствору, первыми выпадают в осадок соединения с наименьшими значениями ПР.
2. Качественное определение ионов неорганических веществ
Методы качественного анализа базируются на ионных реакциях, которые позволяют идентифицировать элементы в форме тех или иных ионов. В ходе реакций образуются труднорастворимые соединения, окрашенные комплексные соединения, происходит окисление или восстановление с изменением цвета раствора.
Для идентификации с помощью образования труднорастворимых соединений используют как групповые, так и индивидуальные осадители. Групповыми осадителями для ионов Ag+, Pb2+, Hg2+ служит NaCl; для катионов Ca2+, Sr2+, Ba2+ - (NH4)2CO3, для ионов Al3+, Cr3+, Fe3+, Fe2+, Mn2+, Co2+, Ni2+, Zn2+ - (NH4)2S.
Имеется много органических и неорганических реагентов, образующих осадки или окрашенные комплексные соединения с катионами (табл. 1).
| Реагент | Формула | Катион | Продукт реакции |
| АлизаринБензидинГексагидроксостибиат калияГексанитрокобальтат натрияГексацианоферат (II) калияα-ДиметилглиоксимДипикриламинДитизон в хролоформеДихромат калияМагнезон ИРЕАМурексидРодамин БХромоген черный | C14H6O2(OH)2C12H8(NH2)2K[Sb(OH)6]Na3Co(NO2)6K4[Fe(CN)6]С4N2H8O2[C6H2(NO2)3]2NHC13H12N4SK2Cr2O7C16H10O5N2SClNaC8H6N6O6C24H21O3N2ClC20H13O7N3S | Al3+Cr6+, Mn7+Na+K+Fe3+Cu2+Ni2+, Fe2+, Pb2+K+Zn2+Ca2+Mg2+Ca2+Sr2+, Ba2+[SbCl6]-Mg2+ | Ярко-красный осадокСоединение синего цветаБелый осадокЖелтый осадокТемно-синий осадокКрасно-бурый осадокЯрко-красный осадокОранжево-красный осадокМалиново-красный растворОранжевый осадокЯрко-красный растворКрасный растворФиолетовый растворСиний растворВино-красный раствор |
Летучие соединения металлов окрашивают пламя горелки в тот или иной цвет. Поэтому, если внести изучаемое вещество на платиновой или нихромовой проволоке в бесцветное пламя горелки, то происходит окрашивание пламени в присутствии в веществе тех или иных элементов, например, в цвета: ярко-желтый (натрий), фиолетовый (калий), кирпично-красный (кальций), карминово-красный (стронций), желто-зеленый (медь, бор), бледно-голубой (свинец, мышьяк).
Анионы обычно классифицируют по растворимости солей, либо по окислительно-восстановительным свойствам. Так многие анионы (SO42-, SO32-, CO32-, SiO32-, F-, PO43-, CrO42- и др.) имеют групповой реагент BaCl2 в нейтральной или слабо кислой среде, так как соли бария и этих анионов мало растворимы в воде. Групповым реагентом в растворе HNO3 на ионы Cl-, Br-, I-, SCN-, S2-, ClO-, [Fe(CN)6]4- и др. служит AgNO3. Как и для катионов, имеются реагенты на те или иные анионы (табл. 2).
| Реагент | Формула | Ион | Продукт реакции |
| Антипирин 5-%-ный в H2SO4Дифениламин в H2SO4Паромолибдат аммония в HNO3Родоизонат бария | C6H5С3HON2(CH3)2(C6H5)2NH(NH4)6Mo7O24·4H2O | NO2-, NO3-NO3-PO43-PO43- | Ярко-зеленый растворЯрко-красный растворТемно-синий растворОбесцвечивание раствора |
Классификация анионов по окислительно-восстановительным свойствам приведена в таблице 3.
| Групповой реагент | Анионы | Групповой признак |
| KMnO4 + H2SO4 + I2,крахмал + H2SO4KI + H2SO4 + крахмалMnCl2 + HCl(конц.) | ВосстановителиCl-, Br-, I-, SCN-, C2O42-, S2-, SO32-, NO2-S2-, SO32-, S2O32-ОкислителиCrO42-, MnO4-, ClO-, ClO3-, NO2-, BrO3-NO3-, CrO42-, NO2-, ClO3-, [Fe(CN)6]3-, ClO-, MnO4-ИнертныеSO42-, CO32-, SiO32-, F-, PO43-, BO2- | Обесцвечивание раствораОбесцвечивание раствораОкрашивание раствораОкрашивание раствора |
Химическая идентификация вещества базируется в основном на реакциях осаждения, комплексообразования, окисления и восстановления, нейтрализации, при которых происходит выпадение окрашенного осадка, изменение цвета раствора или выделение газообразных веществ.
3. Количественный анализ
Определение содержания (концентрации, массы и т.п.) компонентов в анализируемом веществе называется количественным анализам. При количественном анализе измеряют интенсивность аналитического сигнала, т.е. находят численное значение оптической плотности раствора, расхода раствора на титрование, массы прокаленного осадка и т.п. По результатам количественного измерения сигнала рассчитывают содержание определенного компонента в пробе. Результаты определений обычно выражают в массовых долях, %.
Количественный анализ проводят в определенной последовательности, в которую входит отбор и подготовка проб, проведения анализа, обработка и расчет результатов анализа.
4. Классификация методов количественного анализа
Все методы количественного анализа можно разделить на две большие группы: химические и инструментальные. Это разделение условно, так как многие инструментальные методы основаны на использовании химических законов и свойств веществ. Обычно количественные методы анализа классифицируют по измеряемым физическим или химическим свойствам.
| Измеряемая величина (свойство) | Название метода | Масса вещества, доступная измерению |
| МассаОбъемПлотностьПоглощение или испускание инфракрасных лучейКолебания молекулПоглощение или испускание видимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей.Колебания атомов.Рассеяние светаДиффузионный ток на электродеЭлектродный потенциалКоличество электричестваЭлектрическая проводимостьРадиоактивностьСкорость реакцииТепловой эффект реакцииВязкостьПоверхностное натяжениеПонижение температуры замерзанияПовышение температуры кипения | ГравиметрическийМасс-спектрометрическийТитриметрическийГазоволюметрическийДенсиметрическийИнфракрасная спектроскопияКомбинационное рассеяниеСпектральный и рентгеноспектральныйФотометрический (колориметрия, спектрофотомерия и другие) Атомно-адсорбционная спектроскопияЛюминесцентныйПолярография и вольтамперометрияПотенциометрическийКулонометрическийКондуктометрическийРадиоактивных индикаторовКинетическийКаталитическийТермометрияКалориметрияВискозиметрическийТензометрическийКриоскопическийЭбуллиоскопический | От макро- (0,5-1г, 10-100 мл) до ультра микроколичеств (>1мг, 0,1мл)Микроколичества (1-5мг, 01-0,5мл)От макро- до ультрамикроколичеств>> Макро- и микроколичества>> >> Полумикро- (10-50 мг, 1-5мл) и микроколичества>> Микроколичества>> Полумикро- и микроколичестваМакро- и микроколичестваМикро- и ультрамикроколичестваМакро- и микроколичестваОт макро- до ультрамикроколичествМакро и микроколичества>> Макроколичества>> >> >> >> >> >> |
5. Гравиметрический метод