Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 59 из 68)
Например, если мы хотим определить содержание хлористого бария в пробе, где он может быть загрязнен примесями других солей, нам следует растворить точно взвешенное количество пробы (навеску) в воде. Затем необходимо осадить барий в виде сульфата (а не карбоната, например, так как из всех нерастворимых соединений бария сульфат наименее растворим, и мы извлечем из раствора максимальное его количество), отфильтровать осадок, высушить его и взвесить на аналитических весах. Далее следует пересчитать сульфат бария на хлорид, используя следующее соотношение:
mBaCl2
BaSO4 , (16.1)где F- фактор пересчѐта сульфата бария на хлорид бария, определяемый отношением молярных масс соответствующих солей:
M BaCl2
F (16.2)M BaSO4
Весовой метод определения очень простой и дешевый, но к его недостаткам относятся следующие:
1. Не все элементы имеют нерастворимые соединения, которые могут использоваться в качестве весовой формы;
2. многие элементы соосаждаются в одинаковых условиях и мешают определению друг друга;
3. Весовой метод требует больших затрат времени;
4. Малая чувствительность анализа (около 0,01%)
Объемный анализ основан на соотношении, вытекающем из закона эквивалентов:
N1 V1 N2 V2 (16.3)где N1 и N2 – нормальные концентрации[20], а V1 и V2 – объемы реагирующих растворов.
В объѐмном методе анализа к известному объему известного вещества неизвестной концентрации добавляют из бюретки по каплям известное вещество известной концентрации до тех пор, пока индикатор не покажет, что реакция закончена. Этот процесс называется титрованием (от французского слова titre - содержание). Так как в соответствии с вышеприведенным равенством (16.3) вещества реагируют всегда в эквивалентных отношениях, можно определить нормальную концентрацию определяемого вещества.
N1V1
N2 (16.4)V2
Существует множество способов объемного анализа, в которых используются реакции различных типов: нейтрализации, осаждения, комплексообразования, окисления-восстановления и др.
Рассмотрим простейший случай, когда необходимо определить неизвестную концентрацию гидроксида натрия в растворе. Будем исследовать нашу пробу при помощи реакции нейтрализации – реакции гидроксида натрия с кислотой. В основе реакции нейтрализации лежит взаимодействие водородных ионов с ионами гидроксила с образованием воды:
H+ + OH- = H2O
Так как мы определяем содержание щелочи, то наш метод будет называться алкалиметрией (alkali означает щелочь); если бы нам нужно было определить содержание кислоты, мы бы воспользовались ацидиметрией (acid значит кислота). Будем добавлять к точно отмеренному объему щелочи с неизвестной концентраций по каплям соляную кислоту с концентрацией 0,1N (если концентрация кислоты не равна точно 1,000 моль-эквиваленту в литре, нужно определить ее поправочный коэффициент К). При титровании сильной щелочи сильной кислотой нейтрализация наступает, когда рН раствора равен 4 –5. При этом рН индикатор метиловый оранжевый меняет оранжевый цвет на красный, а индикатор фенолфталеин, окрашенный в малиновый цвет в щелочном растворе, обесцвечивается. Отберем мерной пипеткой три пробы анализируемого раствора гидроксида натрия по 5,0 мл в конические колбы, добавим по 3-4 капли индикатора и будем по капле добавлять к раствору в колбе кислоту из бюретки, постоянно перемешивая содержимое колбы. Под колбу рекомендуется подложить лист белой бумаги для того, чтобы точно заметить момент изменения окраски индикатора. В этот момент зафиксируем объем добавленной кислоты по показаниям бюретки, а затем добавим еще 2-3 капли кислоты, чтобы посмотреть, стала ли окраска раствора интенсивнее. Если это так, то прибавим к отмеченному расходу кислоты объем добавленных капель. Повторим опыт еще два раза, рассчитаем среднее значение объема израсходованной на титрование кислоты и вычислим нормальность раствора щелочи. Допустим, что на титрование 5 мл раствора щелочи израсходовано 10,0 мл кислоты. Тогда нормальность раствора щелочи равна: 0,110,0/5,0 = 0,2N. Это означает, что в 1 литре исследуемого раствора содержится 0,2 моль-эквивалента NaOH, или 40 
0,2 = 8г/л NaOH.Титрование значительно сокращает время определения по сравнению с весовым методом, этот процесс можно автоматизировать, заменив визуальное наблюдение за окраской индикатора электрохимическими методами, однако чувствительность объемного метода составляет всего 0,1%.
Развитие новой техники, в том числе радиоэлектроники, атомной энергетики, лазерной техники связано с применением веществ высокой чистоты. Самые незначительные примеси порядка 10-5 – 10-8 % делают материалы непригодными для использования их в новых технологиях. Бурно развивающаяся промышленность потребовала новых методов анализа, так как классические весовой и объемный методы вследствие малой чувствительности оказались совершенно непригодными для определения малых количеств примесей. Возникшая проблема была разрешена широким использованием разнообразных физических и физико-химических методов анализа.
16.3. Физические и физико-химические методы анализа
Определить состав разнообразных веществ можно, не прибегая к химическим реакциям. Физические методы анализа основаны на изучении таких физических свойств исследуемого вещества, как его спектры поглощения или испускания, электропроводности, потенциала электрода, опущенного в исследуемый раствор, показателя преломления света, флуоресценции, радиоактивности и т.п. Если для анализа состава вещества используются химические реакции, протекание которых сопровождается изменением физических свойств анализируемой системы, например, ее цвета, флуоресценции, электропроводности и пр., то такие методы анализа принято называть физико-химическими.
В аналитической практике, как правило, не разделяют физические и физико-химические методы анализа и объединяют их под общим называнием физико-химические методы анализа. По сравнению с классическими методами, физико-химические методы являются гораздо более чувствительными, то есть помогают определять очень малые количества вещества (до 10-9%). Однако по точности эти методы уступают классическим методам анализа. Точность весового и объемного метода достигает сотых долей процента, тогда как ошибка определения физико-химическими методами составляет 5-10%, а иногда и больше. Из этого вытекает важный вывод, что не следует прибегать к особо чувствительным методам анализа, когда в этом нет настоятельной необходимости. Ни один из аналитических методов не является универсальным. Выбирать метод анализа необходимо исходя из характера исследуемого объекта, его назначения, агрегатного состояния, концентрации, наличия примесей, а также учитывая цели анализа, требуемую точность, срок исполнения анализа и т.д. Химиканалитик может успешно разрешить любую стоящую перед ним задачу, только если он владеет самыми разнообразными методами анализа и умеет правильно их сочетать.
Не следует путать аналитические физико-химические методы анализа и физико-химический, или термический анализ, позволяющий изучать физические свойства систем в зависимости от их химического состава посредством фазовых диаграмм, или диаграмм плавкости (см. Лекцию 9). Термический анализ широко применяется для изучения свойств различных металлических сплавов и в данной главе не рассматривается.
К химическим методам анализа относятся весовой, объемный и газовый анализ. Физико-химические методы анализа делятся на следующие основные группы: электрохимические; спектральные (оптические); хроматографические; масс-спектрометрические. В основе всех этих методов анализа лежит количественная зависимость между концентрацией определяемого вещества (компонента) и аналитическим сигналом – измеряемой в данном методе физической характеристикой вещества.
К основным электрохимическим методам анализа относятся потенциометрический, кондуктометрический и основанные на законе Фарадея электровесовой, амперометрический, полярографический и кулонометрический методы анализа. Аналитическим сигналом в электрохимических методах анализа является изменение таких характеристик, как стандартный электродный потенциал; количество электричества, прошедшего через раствор; электропроводность раствора, сила тока в зависимости от концентрации анализируемого раствора или изменения ее в результате химических или электрохимических реакций.
Прямым потенциометрическим методом измеряют концентрацию различных ионов в растворе (например, Н+, NH4+, NO3-, CO32-). Аналитическим сигналом служит изменение потенциала так называемого селективного электрода, который реагирует только на определенный находящийся в растворе ион. Зависимость аналитического сигнала от концентрации определяемого иона выражается уравнением Нернста:
lgC (16.5) n
где
- электродный потенциал системы, а С – концентрация определяемого иона.