План лекции:
1. Общая характеристика физико-химических методов
2. Общие сведения о спектроскопических методах анализа.
3. Фотометрический метод анализа: фотоколориметрия, колориметрия, спектрофотометрия.
4. Общие сведения о нефелометрическом, люминесцентном, поляриметрическом методах анализа.
5. Рефрактометрический метод анализа.
6. Общие сведения о масс-спектральном, радиометрическом анализах.
7. Электрохимические методы анализа (потенциометрия, кондуктометрия, кулонометрия, амперометрия, полярография).
8. Хроматографический метод анализа.
Сущность физико-химических методов анализа. Их классификация.
Физико-химические методы анализа, как и химические методы, основаны на проведении той или иной химической реакции. В физических методах химические реакции отсутствуют или имеют второстепенное значение, хотя в спектральном анализе интенсивность линий всегда существенно зависит от химических реакций в угольном электроде или в газовом пламени. Поэтому иногда физические методы включают в группу физико-химических методов, так как достаточно строгого однозначного различия между физическими и физико-химическими методами нет, и выделение физических методов в отдельную группу не имеет принципиального значения.
Химические методы анализа были не в состоянии удовлетворить многообразные запросы практики, возросшие в результате научно-технического прогресса, развития полупроводниковой промышленности, электроники и ЭВМ, широкого применения чистых и сверхчистых веществ в технике.
Применение физико-химических методов анализа нашло свое отражение в технохимическом контроле пищевых производств, в научно-исследовательских и производственных лабораториях. Эти методы характеризуются высокой чувствительностью и быстрым выполнением анализа. Они основаны на использовании физико-химических свойств веществ.
При выполнении анализов физико-химическими методами точку эквивалентности (конец реакции) определяют не визуально, а при помощи приборов, которые фиксируют изменение физических свойств исследуемого вещества в точке эквивалентности. Для этой цели обычно применяют приборы с относительно сложными оптическими или электрическими схемами, поэтому эти методы получили название методов инструментального анализа.
Во многих случаях для выполнения анализа этими методами не требуется химическая реакция в отличие от химических методов анализа. Надо только измерить показатели каких-либо физических свойств анализируемого вещества: электропроводность, светопоглощение, светопреломление и др. Физико-химические методы позволяют вести в промышленности непрерывный контроль сырья, полуфабрикатов и готовых изделий.
Физико-химические методы анализа стали применять позднее, чем химические методы анализа, когда была установлена и изучена связь между физическими свойствами веществ и их составом.
Точность физико-химических методов сильно колеблется в зависимости от метода. Наиболее высокой точностью (до 0,001%) обладает кулонометрия, основанная на измерении количества электричества, которое затрачивается на электрохимическое окисление или восстановление определяемых ионов или элементов. Большинство физико-химических методов имеют погрешность в пределах 2-5 %, что превышает погрешность химических методов анализа. Однако такое сравнение погрешностей не вполне корректно, так как оно относится к разным концентрационным областям. При небольшом содержании определяемого компонента (около 10 -3 % и менее) классические химические методы анализа вообще непригодны; при больших концентрациях физико-химические методы успешно соперничают с химическими. К числу существенных недостатков большинства физико-химических методов относится обязательное наличие эталонов и стандартных растворов.
Среди физико-химических методов наибольшее практическое применение имеют:
1. спектральные и другие оптические методы (рефрактометрия, поляриметрия);
2. электрохимические методы анализа;
3. хроматографические методы анализа.
Кроме этого выделяют еще 2 группы физико-химических методов:
1. радиометрические методы, основанные на измерении радиоактивного излучения данного элемента;
2. масс-спектрометрические методы анализа, основанные на определении масс отдельных ионизированных атомов, молекул и радикалов.
Наиболее обширной по числу методов и важной по практическому значению является группа спектральных и других оптических методов. Эти методы основаны на взаимодействии веществ с электромагнитным излучением. Известно много различных видов электромагнитных излучений: рентгеновское излучение, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное, микроволновое и радиочастотное. В зависимости от типа взаимодействия электромагнитного излучения с веществом оптические методы классифицируются следующим образом.
На измерении эффектов поляризации молекул вещества основаны рефрактометрия, поляриметрия.
Анализируемые вещества могут поглощать электромагнитное излучение и на основе использования этого явления выделяют группу абсорбционных оптических методов.
Поглощение света атомами анализируемых веществ используется в атомно-абсорбционном анализе . Способность поглощать свет молекулами и ионами в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра позволила создать молекулярно-абсорбционный анализ (колориметрию, фотоколориметрию, спектрофотометрию).
Поглощение и рассеяние света взвешенными частицами в растворе (суспензии) привело к появлению методов турбидиметрии и нефелометрии .
Методы, основанные на измерении интенсивности излучения, возникающего в результате выделения энергии возбужденными молекулами и атомами анализируемого вещества, называются эмиссионными методами . К молекулярно-эмиссионным методам относят люминесценцию (флуоресценцию), к атомно-эмиссионным - эмиссионный спектральный анализ и пламенную фотометрию.
Электрохимические методы анализа основаны на измерении электрической проводимости (кондуктометрия ); разности потенциалов (потенциометрия ); количества электричества, прошедшего через раствор (кулонометрия ); зависимости величины тока от приложенного потенциала (вольт-амперометрия).
В группу хроматографических методов анализа входят методы газовой и газожидкостной хроматографии, распределительной, тонкослойной, адсорбционной, ионообменной и других видов хроматографии.
Спектроскопические методы анализа: общие сведения
Понятие о спектроскопическом методе анализа, его разновидности
Спектроскопические методы анализа - физические методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируют инструментально в виде поглощения излучения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения.
Классификация:
Эмиссионный спектральный анализ основан на изучении спектров испускания (излучения) или эмиссионных спектров различных веществ. Разновидностью этого анализа является фотометрия пламени, основанная на измерении интенсивности излучения атомов, возбуждаемого нагреванием вещества в пламени.
Абсорбционный спектральный анализ основан на изучении спектров поглощения анализируемых веществ. Если происходит поглощение излучения атомами, то абсорбция называется атомной, а если молекулами, то - молекулярной. Различают несколько видов абсорбционного спектрального анализа:
1. Спектрофотометрия - учитывает поглощение анализируемым веществом света с определенной длиной волны, т.е. поглощение монохроматического излучения.
2. Фотометрия – основана на измерении поглощения анализируемым веществом света не строго монохроматического излучения.
3. Колориметрия основана на измерении поглощения света окрашенными растворами в видимой части спектра.
4. Нефелометрия основана на измерении интенсивности света, рассеянного твердыми частицами, взвешенными в растворе, т.е. света, рассеянного суспензией.
Люминесцентная спектроскопия использует свечение исследуемого объекта, возникающее под действием ультрафиолетовых лучей.
В зависимости от того, в какой части спектра происходит поглощение или излучение, различают спектроскопию в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.
Спектроскопия - чувствительный метод определения более 60 элементов. Его применяют для анализа многочисленных материалов, включая биологические среды, вещества растительного происхождения, цементы, стекла и природные воды.
Фотометрические методы анализа
Фотометрические методы анализа основаны на избирательном поглощении света анализируемым веществом или его соединением с подходящим реагентом. Интенсивность поглощения можно измерять любым способом, независимо от характера окрашенного соединения. Точность метода зависит от способа измерения. Различают колориметрический, фотоколориметрический и спектрофотометрический методы.
Фотоколориметрический метод анализа.
Фотоколориметрический метод анализа позволяет количественно определить интенсивность поглощения света анализируемым раствором с помощью фотоэлектроколориметров (иногда их называют просто фотоколориметрами). Для этого готовят серию стандартных растворов и вычерчивают зависимость светопоглощения определяемого вещества от его концентрации. Эта зависимость называется градуировочным графиком. В фотоколориметрах световые потоки, проходящие через раствор, имеют широкую область поглощения - 30-50 нм, поэтому свет здесь является полихроматическим. Это приводит к потере воспроизводимости, точности и избирательности анализа. Достоинства фотоколориметра заключается в простоте конструкции и высокой чувствительности благодаря большой светосиле источника излучения – лампы накаливания.
Колориметрический метод анализа.
Колориметрический метод анализа основан на измерении поглощения света веществом. При этом сравнивают интенсивность окраски, т.е. оптическую плотность, исследуемого раствора с окраской (оптической плотностью) стандартного раствора, концентрация которого известна. Метод весьма чувствителен и применяется для определения микро- и полумикроколичеств.
Для проведения анализа колориметрическим методом требуется значительно меньше времени, чем химическим путем.
При визуальном анализе добиваются равенства интенсивности окрашивания анализируемого и окрашиваемого раствора. Этого можно достигнуть 2 путями:
1. уравнивают окраску, изменяя толщину слоя;
2. подбирают стандартные растворы разных концентраций (метод стандартных серий).
Однако визуально невозможно установить количественно, во сколько раз один раствор окрашен интенсивнее другого. В этом случае можно установить только одинаковую окраску анализируемого раствора при сравнении его со стандартным.
Основной закон поглощения света.
Если световой поток, интенсивность которого I 0 , направить на раствор, находящийся в плоском стеклянном сосуде (кювете), то одна часть его интенсивностью I r , отражается от поверхности кюветы, другая часть интенсивностью I а поглощается раствором и третья часть интенсивностью I t проходит через раствор. Между этими величинами имеется зависимость:
I 0 = I r + I а + I t (1)
Т.к. интенсивность I r отраженной части светового потока при работе с одинаковыми кюветами постоянна и незначительна, то в расчетах ею можно пренебречь. Тогда равенство (1) принимает вид:
I 0 = I а + I t (2)
Это равенство характеризует оптические свойства раствора, т.е. его способность поглощать ил пропускать свет.
Интенсивность поглощенного света зависит от числа окрашенных частиц в растворе, которые поглощают свет больше, чем растворитель.
Световой поток, проходя через раствор, теряет часть интенсивности – тем большую, чем больше концентрация и толщина слоя раствора. Для окрашенных растворов существует зависимость, называемая законом Бугера – Ламберта – Бера (между степенью поглощения света, интенсивностью падающего света, концентрацией окрашенного вещества и толщиной слоя).
По этому закону, поглощение монохроматографического света, прошедшего через слой окрашенной жидкости, пропорционально концентрации и толщине слоя его:
I = I 0 ·10 - kCh ,
где I – интенсивность светового потока, прошедшего через раствор; I 0 – интенсивность падающего света; С – концентрация, моль/л ; h – толщина слоя, см ; k – мольный коэффициент поглощения.
Мольный коэффициент поглощения k – оптическая плотность раствора, содержащего 1 моль/л поглощающего вещества, при толщине слоя 1 см. Он зависит от химической природы и физического состояния поглощающего свет вещества и от длины волны монохроматического света.
Метод стандартных серий.
Метод стандартных серий основан на получении одинаковой интенсивности окраски исследуемого и стандартного растворов при одинаковой толщине слоя. Окраску исследуемого раствора сравнивают с окраской ряда стандартных растворов. При одинаковой интенсивности окраски концентрации исследуемого и стандартного растворов равны.
Для приготовления серии стандартных растворов берут 11 пробирок одинаковой формы, размера и из одинакового стекла. Наливают из бюретки стандартный раствор в постепенно возрастающем количестве, например: в 1 пробирку 0,5 мл , во 2ую 1 мл , в 3ю 1,5 мл , и т.д. – до 5 мл (в каждую следующую пробирку на 0,5 мл больше, чем в предыдущую). Во все пробирки наливают равные объемы раствора, который дает с определяемым ионом цветную реакцию. Растворы разбавляют так, чтобы уровни жидкости во всех пробирках были одинаковы. Пробирки закрывают пробками, тщательно перемешивают содержимое и размещают в штативе по возрастающим концентрациям. Таким образом получают цветную шкалу.
К исследуемому раствору в одинаковой пробирке прибавляют столько же реактива, разбавляют водой до того же объема, как и в других пробирках. Закрывают пробкой, тщательно перемешивают содержимое. Окраску исследуемого раствора сравнивают с окраской стандартных растворов на белом фоне. Растворы должны быть хорошо освещены рассеянным светом. Если интенсивность окраски исследуемого раствора совпадает с интенсивностью окраски одного из растворов цветной шкалы, то концентрации этого и исследуемого растворов равны. Если же интенсивность окраски исследуемого раствора промежуточная между интенсивностью двух соседних растворов шкалы, то его концентрация равна средней концентрации этих растворов.
Применение метода стандартных растворов целесообразно только при массовом определении какого-нибудь вещества. Заготовленная серия стандартных растворов служит относительно короткое время.
Метод уравнивания интенсивности окраски растворов.
Метод уравнивания интенсивности окраски исследуемого и стандартного растворов производится путем изменения высоты слоя одного из растворов. Для этого в 2 одинаковых сосуда помещают окрашенные растворы: исследуемый и стандартный. Изменяют высоту слоя раствора в одном из сосудов до тех пор, пока интенсивность окраски в обоих растворах не станет одинаковой. В этом случае определяют концентрацию исследуемого раствора С иссл. , сравнивая ее с концентрацией стандартного раствора:
С иссл. = С ст ·h ст / h иссл,
где h ст и h иссл – высота слоя соответственно стандартного и исследуемого раствора.
Приборы, служащие для определения концентраций исследуемых растворов методом уравнивания интенсивности окраски, называются колориметрами.
Различают визуальные и фотоэлектрические колориметры. При визуальных колориметрических определениях интенсивность окраски измеряют непосредственным наблюдением. Фотоэлектрические методы основаны на использовании фотоэлементов-фотоколориметров. В зависимости от интенсивности падающего пучка света в фотоэлементе возникает электрический ток. Сила тока, вызванная воздействием света, измеряется гальванометром. Отклонение стрелки показывает интенсивность окраски.
Спектрофотометрия.
Фотометрический метод основан на измерении поглощения анализируемым веществом света не строго монохроматического излучения.
Если в фотометрическом методе анализа использовать монохроматическое излучение (излучение одной длины волны), то такой способ называют спектрофотометрией . Степень монохроматичности потока электромагнитного излучения определяют минимальным интервалом длин волн, который выделяется используемым монохроматором (светофильтром, дифракционной решеткой или призмой) из сплошного потока электромагнитного излучения.
К спектрофотометрии относят также область измерительной техники, объединяющую спектрометрию, фотометрию и метрологию и занимающуюся разработкой системы методов и приборов для количественных измерений спектральных коэффициентов поглощения, отражения, излучения, спектральной яркости как характеристик сред, покрытий, поверхностей, излучателей.
Стадии спектрофотометрического исследования:
1) проведение химической реакции для получения систем, удобных для проведения спектрофотометрического анализа;
2) измерения поглощения полученных растворов.
Сущность метода спектрофотометрии
Зависимость поглощения раствора вещества от длины волны на графике изображается в виде спектра поглощения вещества, на котором легко выделить максимум поглощения находящийся при длине волны света, максимально поглощаемой веществом. Измерение оптической плотности растворов веществ на спектрофотометрах проводят при длине волны максимума поглощения. Это позволяет анализировать в одном растворе вещества, максимумы поглощения которых расположены при разных длинах волн.
В спектрофотометрии в ультрафиолетовой и видимой областях используют электронные спектры поглощения.
Они характеризуют наиболее высокие энергетические переходы, к которым способен ограниченный круг соединений и функциональных групп. В неорганических соединениях электронные спектры связаны с высокой поляризацией атомов, входящих в молекулу вещества, и обычно появляются у комплексных соединений. У органических соединений возникновение электронных спектров вызывается переходом электронов с основного на возбужденные уровни.
На положение и интенсивность полос поглощения сильно влияет ионизация. При ионизации по кислотному типу в молекуле появляется дополнительная неподеленная пара электронов, что приводит к дополнительному батох-ромному сдвигу (сдвигу в длинноволновую область спектра) и повышению интенсивности полосы поглощения.
В спектре многих веществ имеется несколько полос поглощения.
Для спектрофотометрических измерений в ультрафиолетовой и видимой областях применяется два типа приборов - нерегистрирующие (результат наблюдают на шкале прибора визуально) и регистрирующие спектрофотометры.
Люминесцентный метод анализа.
Люминесценция - способность к самостоятельному свечению, возникающему под различными воздействиями.
Классификация процессов, вызывающих люминесценцию:
1)фотолюминесценция (возбуждение видимым или ультрафиолетовым светом);
2)хемилюминесценция (возбуждение за счет энергии химических реакций);
3)катодолюминесценция (возбуждение электронным ударом);
4)термолюминесценция (возбуждение нагреванием);
5)триболюминесценция (возбуждение механическим воздействием).
В химическом анализе имеют значение первые два вида люминесценции.
Классификация люминесценции по наличию послесвечения . Оно может прекращаться сразу при исчезновении возбуждения - флюоресценция или продолжаться определенное время после прекращения возбуждающего воздействия - фосфоресценция . В основном используют явление флюоресценции, поэтому метод назван флюориметрией .
Применение флюориметрии : анализ следов металлов, органических (ароматических) соединений, витаминов D, В 6 . Флюоресцентные индикаторы применяют при титровании в мутных или темно-окрашенных средах (титрование ведут в темноте, освещая титруемый раствор, куда добавлен индикатор, светом люминесцентной лампы).
Нефелометрический анализ.
Нефелометрия предложена Ф. Кобером в 1912 г. и основана на измерении интенсивности света, рассеянного суспензией частиц, с помощью фотоэлементов.
С помощью нефелометрии измеряют концентрацию веществ, нерастворимых в воде, но образующих стойкие суспензии.
Для проведения нефелометрических измерений применяются нефелометры , аналогичные по принципу колориметрам, с той лишь разницей, что при нефелометрии
При проведении фотонефелометрическогоанализа сначала по результатам определения серии стандартных растворов строят калибровочный график, затем проводят анализ исследуемого раствора и по графику определяют концентрацию анализируемого вещества. Для стабилизации получаемых суспензий добавляют защитный коллоид - раствор крахмала, желатина и др.
Поляриметрический анализ.
Электромагнитные колебания естественного света происходят во всех плоскостях, перпендикулярных к направлению луча. Кристаллическая решетка обладает способностью пропускать лучи только определенного направления. По выходе из кристалла колебания луча совершаются только в одной плоскости. Луч, колебания которого находятся в одной плоскости, называется поляризованным . Плоскость, в которой происходят колебания, называется плоскостью колебания поляризованного луча, а плоскость, перпендикулярная к ней, - плоскость поляризации .
Поляриметрический метод анализа основан на изучении поляризованного света.
Рефрактометрический метод анализа.
В основе рефрактометрического метода анализа лежит определение показателя преломления исследуемого вещества, т.к. индивидуальное вещество характеризуется определенным показателем преломления.
Технические продукты всегда содержат примеси, которые влияют на величину показателя преломления. Поэтому показатель преломления может в ряде случаев служить характеристикой чистоты продукта. Например, сорта очищенного скипидара различают по показателям преломления. Так, показатели преломления скипидара при 20° для желтого цвета, обозначенные через n 20 D (запись означает, что показатель преломления измерен при 20°С, длина волны падающего света равна 598 ммк), равны:
Первый сорт Второй сорт Третий сорт
1,469 – 1,472 1,472 – 1,476 1,476 – 1,480
Рефрактометрический метод анализа можно применять для двойных систем, например для определения концентрации вещества на водном или органическом растворах. В этом случае анализ основан на зависимости показателя преломления раствора от концентрации растворенного вещества.
Для некоторых растворов имеются таблицы зависимости показателей преломления от их концентрации. В других случаях анализируют методом калибровочной кривой: готовят серию растворов известных концентраций, измеряют их показатели преломления и строят график зависимости показателей преломления от концентрации, т.е. строят калибровочную кривую. По ней определяют концентрацию исследуемого раствора.
Показатель преломления.
При переходе луча света из одной среды в другую его направление меняется. Он преломляется. Показатель преломления равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления (эта величина постоянная и характерная для данной среды):
n = sin α / sin β,
где α и β – углы между направлением лучей и перпендикуляром к поверхности раздела обеих сред (рис. 1)
Показатель преломления – отношение скоростей света в воздухе и в исследуемой среде (если луч света падает из воздуха).
Показатель преломления зависит от:
1. длины волны падающего света (с увеличением длины волны показатель
преломления уменьшается);
2. температуры (с увеличением температуры показатель преломления уменьшается);
3. давления (для газов).
При обозначении показателя преломления указывают длины волны падающего света и температуру измерения. Например, запись n 20 D означает, что показатель преломления измерен при 20°С, длина волны падающего света равна 598 ммк. В технических справочниках показатели преломления приведены при n 20 D .
Определение показателя преломления жидкости.
Перед началом работы поверхность призм рефрактометра промывают дистиллированной водой и спиртом, проверяют правильность установления нулевой точки прибора и приступают к определению показателя преломления исследуемой жидкости. Для этого поверхность измерительной призмы осторожно протирают ваткой, смоченной исследуемой жидкостью, и наносят на эту поверхность несколько ее капель. Призмы закрывают и, вращая их, наводят границу светотени на крест нитей окуляра. Компенсатором устраняют спектр. При отсчете показателя преломления три десятичных знака берут по шкале рефрактометра, а четвертый – на глаз. Затем сдвигают границу светотени, снова совмещают ее с центром визирного креста и делают повторный отсчет. Т.о. производят 3 или 5 отсчетов, после чего промывают и вытирают рабочие поверхности призм. Исследуемое вещество снова наносят на поверхность измерительной призмы и проводят вторую серию измерений. Из полученных данных берут среднее арифметическое значение.
Радиометрический анализ.
Радиометрический анализ основан на измерении излучений радиоактивных элементов и применяется для количественного определения радиоактивных изотопов в исследуемом материале. При этом измеряют либо естественную радиоактивность определяемого элемента, либо искусственную радиоактивность, получаемую с помощью радиоактивных изотопов.
Радиоактивные изотопы идентифицируют по периоду их полураспада или по виду и энергии испускаемого излучения. В практике количественного анализа чаще всего измеряют активность радиоактивных изотопов по их α-, β- и γ-излучению.
Применение радиометрического анализа:
Изучение механизма химических реакций.
Методом меченых атомов исследуют эффективность различных приемов внесения удобрений в почву, пути проникновения в организм микроэлементов, нанесенных на листья растения, и т.п. Особенно широко используют в агрохимических исследованиях радиоактивные фосфор 32 Р и азот 13 N.
Анализ радиоактивных изотопов, используемых для лечения онкологических заболеваний и для определения гормонов, ферментов.
Масс-спектральный анализ.
Основан на определении масс отдельных ионизированных атомов, молекул и радикалов в результате комбинированного действия электрического и магнитных полей. Регистрацию разделенных частиц проводят электрическим (масс-спектрометрия) или фотографическим (масс-спектрография) способами. Определение проводят на приборах – масс-спектрометрах или масс-спектрографах.
Электрохимические методы анализа.
Электрохимические методы анализа и исследования основаны на изучении и использовании процессов, протекающих на поверхности электрода или в приэлектродном пространстве. Аналитический сигнал - электрический параметр (потенциал, сила тока, сопротивление), который зависит от концентрации определяемого вещества.
Различают прямые и косвенныеэлектрохимические методы . В прямых методах используют зависимость силы тока от концентрации определяемого компонента. В косвенных - силу тока (потенциал) измеряют для нахождения конечной точки титрования (точки эквивалентности) определяемого компонента титрантом.
К электрохимическим методам анализа относят:
1. потенциометрию;
2. кондуктометрию;
3. кулонометрию;
4. амперометрию;
5. полярографию.
Электроды, используемые в электрохимических методах.
1.Электрод сравнения и индикаторный электрод.
Электрод сравнения - это электрод с постоянным потенциалом, нечувствительный к ионам раствора. Электрод сравнения имеет устойчивый во времени воспроизводимый потенциал, не меняющийся при прохождении небольшого тока, и относительно его ведут отчет потенциала индикаторного электрода. Используют хлорсеребряный и каломельный электроды. Хлорсеребряный электрод - серебряная проволока, покрытая слоем AgCI и помещенная в раствор KCI. Потенциал электрода определяется концентрацией иона хлора в растворе:
Каломельный электрод состоит из металлической ртути, каломели и раствора KCI. Потенциал электрода зависит от концентрации хлорид-ионов и температуры.
Индикаторный электрод - это реагирующий на концентрацию определяемых ионов электрод. Индикаторный электрод изменяет свой потенциал с изменением концентрации «потенциалопределяющих ионов». Индикаторные электроды делят на необратимые и обратимые . Скачки потенциала обратимых индикаторных электродов на межфазных границах зависят от активности участников электродных реакций в соответствии с термодинамическими уравнениями; равновесие устанавливается достаточно быстро. Необратимые индикаторные электроды не удовлетворяют требованиям обратимых. В аналитической химии применяются обратимые электроды, для которых выполняется уравнение Нернста.
2. Металлические электроды: электронообменные и ионообменные.
Уэлектронообменного электрода на межфазной границе протекает реакция с участием электронов. Электронообменные электроды делят на электроды первого рода и электроды второго рода . Электроды первого рода - металлическая пластина (серебро, ртуть, кадмий), погруженная в раствор хорошо растворимой соли этого металла. Электроды второго рода - металл, покрытый слоем малорастворимого соединения этого металла и погруженный в раствор хорошо растворимого соединения с тем же анионом (хлорсеребряный, каломельный электроды).
Ионообменные электроды - электроды, потенциал которых зависит от отношения концентраций окисленной и восстановленной форм одного или нескольких веществ в растворе. Такие электроды делаются из инертных металлов, например из платины или золота.
3. Мембранные электроды представляют собой пористую пластинку, пропитанную жидкостью, не смешивающейся с водой и способной к избирательной адсорбции определенных ионов (например, растворы хелатов Ni 2+ , Cd 2+ , Fe 2+ в органическом растворе). Работа мембранных электродов основана на возникновении разности потенциалов на границе раздела фаз и установлении равновесия обмена между мембраной и раствором.
Потенциометрический метод анализа.
Потенциометрический метод анализа основан на измерении потенциала электрода, погруженного в раствор. При потенциометрических измерениях составляют гальванический элемент с индикаторным электродом и электродом сравнения и измеряют электродвижущую силу (ЭДС).
Разновидности потенциометрии:
Прямая потенциометрия применяется для непосредственного определения концентрации по значению потенциала индикаторного электрода при условии обратимости электродного процесса.
Косвенная потенциометрия основана на том, что изменение концентрации иона сопровождается изменением потенциала на электроде, погруженном в титруемый раствор.
В потенциометрическом титровании обнаруживают конечную точку по скачку потенциала, обусловленную заменой электрохимической реакции на другую в соответствии со значениями Е° (стандартный электродный потенциал).
Значение потенциала зависит от концентрации соответствующих ионов в растворе. Например, потенциал серебряного электрода, погруженного в раствор соли серебра, изменяется с изменением концентрации Ag + -ионов в растворе. Поэтому, измерив потенциал электрода, погруженного в раствор данной соли неизвестной концентрации, можно определить содержание соответствующих ионов в растворе.
Электрод, по потенциалу которого судят о концентрации определяемых ионов в растворе, называют индикаторным электродом.
Потенциал индикаторного электрода определяют, сравнивая его с потенциалом другого электрода, который принято называть электродом сравнения. В качестве электрода сравнения может быть применен только такой электрод, потенциал которого остается неизменной при изменении концентрации определяемых ионов. В качестве электрода сравнения применяют стандартный (нормальный) водородный электрод.
На практике часто в качестве электрода сравнения с известным значением электродного потенциала пользуются не водородным, а каломельным электродом (рис. 1). Потенциал каломельного электрода с насыщенным раствором КО при 20 °С равен 0,2490 В.
Кондуктометрический метод анализа.
Кондуктометрический метод анализа основан на измерении электропроводности растворов, изменяющейся в результате химических реакций.
Электропроводность раствора зависит от природы электролита, его температуры и концентрации растворенного вещества. Электропроводность разбавленных растворов обусловлена движением катионов и анионов, отличающихся различной подвижностью.
С повышением температуры электропроводность увеличивается, так как увеличивается подвижность ионов. При данной температуре электропроводность раствора электролита зависит от его концентрации: как правило, чем выше концентрация, тем больше электропроводность! Следовательно, электропроводность данного раствора служит показателем концентрации растворенного вещества и обусловливается подвижностью ионов.
В простейшем случае кондуктометрического количественного определения, когда в растворе содержится только один электролит, строят график зависимости электропроводности раствора анализируемого вещества от его концентрации. Определив электропроводность исследуемого раствора, по графику находят концентрацию анализируемого вещества.
Так, электропроводность баритовой воды изменяется прямо пропорционально содержанию в растворе Ва(ОН) 2 . Эта зависимость графически выражается прямой линией. Чтобы определить содержание Ва(ОН) 2 в баритовой воде неизвестной концентрации, надо определить ее электропроводность и по калибровочному графику найти концентрацию Ва(ОН)2, соответствующую этому значению электропроводности. Если через раствор Ва(ОН) 2 , электропроводность которого известна, пропустить измеренный объем газа, содержащего диоксид углерода, то С0 2 реагирует с Ва(ОН) 2:
Ва(ОН) 2 + С0 2 → ВаС0 3 + Н 2 0
 |
В результате этой реакции содержание Ва(ОН) 2 в растворе уменьшится и электропроводность баритовой воды понизится. Измерив электропроводность баритовой воды после поглощения ею С0 2 , можно определить, насколько понизилась концентрация Ва(ОН) 2 в растворе. По разности концентраций Ва(ОН) 2 в баритовой воде легко рассчитать количество поглощенной
ВВЕДЕНИЕ
Предмет и задачи современной аналитической химии. Значение аналитической химии в развитии различных областей естествознания. Представление о дифференциации и интеграции естественных наук. Химия и геология. Законы химии и их значение для наук о земле. Роль аналитической химии в решении проблем геологии, геохимии, космических исследований: определение вещественного состава Земли, земной коры, изучение геологических процессов внешней динамики и геологической деятельности природных вод и др.
Современные методы изучения состава веществ. Качественный и количественный анализ неорганических и органических веществ. Химические, физико-химические и физические методы анализа. Характеристики методов и примеры применения их в геологии (геологических исследованиях). Выбор метода определения элемента в объекте в зависимости от его состава и задачи анализа.
I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Химические равновесия в гомогенной системе
Основные виды гомогенных равновесий, применяемых в аналитической химии: кислотно-основное, окислительно-восстановительное, равновесие комплексообразования.
Закон действия масс. Константа равновесия обратимой химической реакции. Понятие об идеальных и реальных системах. Причины отклонения от идеальности. Активность, коэффициент активности, cвязь его с ионной силой. Ионное состояние элементов. Концентрация общая и равновесная. α-коэффициент (мольная доля). Константы термодинамические, реальные, условные, их связь.
Кислотно-основное равновесие
. Современные представления о кислотах и основаниях. Протолитическая теория Бренстеда-Лоури. Кислотно-основные пары, константы кислотности и основности, их связь. Процессы ионизации и диссоциации.
Типы растворителей, реакция автопротолиза. Ионное произведение растворителя. Нивелирующий и дифференцирующий эффекты растворителей.
Расчет рН в растворах кислот, оснований и амфолитов. Буферные растворы и их свойства.
Равновесие комплексообразования.
Классификация комплексных соединений. Хелаты, внутрикомплексные соединения. изменения потенциала окислительно - восстановительной системы. Количественные характеристики устойчивости комплексных соединений - общие и ступенчатые константы устойчивости. Типы комплексных соединений, используемых в аналитической химии и их характеристики. Использование комплексообразования для обнаружения, разделения, маскирования и демаскирования ионов, растворения осадков,
Теоретические основы взаимодействия органических реагентов с неорганическими ионами. Функционально-аналитические группы, хромофорные группы. Правило циклообразования Л.А.Чугаева. Основные факторы, влияющие на устойчивость хелатов: природа иона металла, основность и дентатность лиганда, пространственный фактор и т.д.
Основные направления использования органических реагентов в химическом анализе (обнаружение, определение и маскирование ионов). Наиболее распространенные органические реагенты: диметилглиоксим, 8-гидроксихинолин и др.
Комплексоны. Общие свойства комплексонов и комплексонатов. Основные направления использования двунатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) для обнаружения, маскирования и количественного определения ионов.
Окислительно-восстановительное равновесие.
Обратимые и необратимые окислительно-восстановительные системы. Равновесный электродный потенциал. Уравнение Нернста. Стандартный потенциал окислительно - восстановительной системы. Понятие о реальном (формальном) потенциале системы. Факторы, влияющие на величину формального потенциала. Направление реакций окисления - восстановления. Константы равновесия окислительно - восстановительных реакций. Связь константы равновесия со стандартными потенциалами.
Скорость окислительно-восстановительных реакций. Каталитические, индуциро-ванные реакции в окислительно - восстановительных процессах. Основные окислители и восстановители, используемые в анализе.
Окислительно-восстановительные реакции в процессах внешней динамики при образовании осадочных и метаморфических горных пород.
Равновесие в гетерогенной системе
Равновесие в системе твердая фаза - раствор.
Реакции осаждения - растворения в аналитической химии. Термодинамическая константа равновесия реакции осаждения - растворения (термодинамическое произведение растворимости). Влияние условий на состояние равновесия реакции осаждения - растворения (реальное и условное произведения растворимости). Использование правила произведения растворимости в аналитической химии.
Условия образования и растворения осадков. Кристаллические и аморфные осадки. Зависимость структуры осадка от природы и условий осаждения. Коллоидное состояние как промежуточная стадия образования осадка. Чистота осадков. Соосаждение. Использование этого явления для концентрирования микропримесей. Закон В.Г. Хлопина. Явление изоморфизма в силикатах и других минералах.
Расчет растворимости в различных условиях (влияние рН, комплексообразования, реакций окисления - восстановления, ионной силы раствора и температуры). Влияние одноименного иона. Солевой эффект.
Равновесие между двумя жидкими фазами.
Экстракция и ее использование в аналитической химии. Закон распределения. Коэффициент распределения. Константы равновесия в системе жидкость - жидкость (константа экстракции). Использование экстракции в практике химического анализа.
Подготовка образца к анализу и проведение анализа.
Предварительные макро - и микроскопические исследования. Отбор пробы для анализа однородных и неоднородных веществ, средняя проба.
Выбор схемы и метода анализа в зависимости от состава анализируемого вещества. Разложение анализируемой пробы. Методы переведения в раствор труднорастворимых объектов: растворение в кислотах и щелочах, сплавление с кислыми и щелочными плавнями. Анализ различных объектов: минералов, руд, горных пород, природных и сточных вод, воздуха.
Метрологические основы аналитической химии.
Характеристика аналитических методов. Определение концентрации методом градуировочного графика и методом добавок. Предел обнаружения, нижняя и верхняя границы определяемых концентраций, коэффициент чувствительности, избирательность, время, необходимое для проведения анализа (экспрессность).
Классификация погрешностей. Систематические и случайные ошибки. Правильность и воспроизводимость. Статистическая обработка результатов измерений. Закон нормального распределения случайных величин. Среднее, дисперсия, стандартное отклонение. Оценка правильности. Сравнение дисперсий и средних двух методов анализа. Способы повышения воспроизводимости и правильности анализа.
II. МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Методы обнаружения
Задачи и выбор метода обнаружения. Химические, физико-химические и физические методы обнаружения. Качественный анализ. Характеристика аналитических реакций. Селективные и специфические реагенты. Способы понижения предела обнаружения и повышения избирательности: использование комплексообразования, соосаждения, экстракции, флотации и т.д. Применение реакций образования осадка, окрашенных соединений, выделение газа. Микрокристаллоскопический, капельный, люминесцентный, спектральный анализ; анализ растиранием порошков. Использование органических реагентов.
Аналитическая классификация ионов. Кислотно-основная и сероводородная схемы анализа. Систематический и дробный ход анализа. Экспрессный качественный анализ в полевых условиях.
Методы разделения и концентрирования.
Основные методы разделения и концентрирования.
Разделение элементов с использованием реакций осаждения. Применение органических и неорганических реагентов для осаждения. Групповые реагенты и условия их применения. Характеристика малорастворимых соединений, наиболее часто используемых в анализе: карбонатов, хроматов, фосфатов, оксалатов, гидроксидов, сульфидов. Условия образования и растворения сульфидов металлов. Роль процессов осаждения и растворения осадков при изучении законов миграции (концентрирования и рассеяния) элементов в природе.
Хроматографический
анализ.
Основные принципы метода. Классификация методов хроматографии по агрегатному состоянию фаз, по механизмам разделения и технике выполнения эксперимента. Методы получения хроматограмм.
Важнейшие теоретические положения. Теория теоретических тарелок и кинетическая теория. Основные уравнения хроматографии.
Ионный обмен и ионообменная хроматография. Газовая хроматография. Жидкостная хроматография, распределительная хроматография на бумаге. Использование хроматографии на бумаге для разделения и обнаружения катионов.
Экстракция.
Понятия экстрагент, разбавитель, экстракт, реэкстракция. Условия экстракции, количественные характеристики экстракции. Скорость экстракции. Классификация экстракционных систем по типу экстрагирующихся соединений. Способы экстракции. Разделение элементов методом экстракции. Повышение селективности разделения путем подбора органических растворителей, рН, маскирования. Приборы для проведения экстракции.
Химические методы количественного анализа
Гравиметрические методы анализа
Сущность гравиметрического анализа. Прямые и косвенные методы анализа. Важнейшие неорганические и органические осадители. Осаждаемая и гравиметрическая формы. Требования, предъявляемые к осаждаемой и гравиметрической формам. Осаждение, фильтрование и промывание осадков.
Примеры гравиметрических определений (определение кристаллизационной и гигроскопической воды, диоксида углерода, серы, железа, алюминия, бария, кальция, магния, фосфора).
Анализ карбонатной породы: определение суммы полуторных оксидов, определение оксида кальция и оксида магния.
Титриметрические методы анализа.
Основные положения и методы титриметрического анализа.
Требования, предъявляемые к реакциям в титриметрическом анализе. Измерительная посуда. Способы выражения концентраций растворов. Выражение эквивалентных масс в различных методах титриметрического анализа. Титр. Титрование. Точка эквивалентности и конечная точка титрования. Химические и физико - химические методы обнаружения конечной точки титрования.
Первичные и вторичные стандартные растворы. Первичные стандарты и требования, предъявляемые к ним. Фиксаналы. Метод отдельных навесок и метод пипетирования для установления концентрации рабочих растворов. Вычисление результатов анализа.
Кислотно-основное титрование.
Сущность метода кислотно-основного титрования. Рабочие растворы. Первичные стандартные растворы кислот и оснований.
Вычисление рН в различные моменты титрования. Кривые титрования сильных и слабых кислот и оснований.
Индикаторы в методе кислотно-основного титрования. Теория индикаторов. Интервал перехода окраски индикатора. Показатель титрования. Выбор индикатора для установления конечной точки титрования. Погрешности титрования.
Практическое применение метода кислотно-основного титрования. Определение устранимой и постоянной жесткости воды. Анализ смеси карбоната и щелочи, карбоната и бикарбоната. Определение солей аммония.
Изменение окислительно- восстановительного потенциала в процессе титрования. Кривая титрования. Факторы, влияющие на скачок титрования. Методы обнаружения конечной точки титрования. Окислительно - восстановительные индикаторы.
Основные окислительно - восстановительные методы титриметрического анализа: иодометрия, перманганатометрия, дихроматометрия. Иодометрическое определение меди (II). Перманганатометрическое определение железа, окисляемости воды. Дихроматометрическое определение железа.
Реакции комплексообразования, применяемые в титриметрии, и требования к ним. Комплексонометрия. Кривая титрования. Факторы, влияющие на величину скачка титрования. Индикаторы в комплексонометрии. Комплексонометрическое определение жесткости воды, кальция, магния.
Метрологические характеристики химических методов количественного анализа.
Физико - химические и физические методы анализа
Основные принципы физико - химических и физических методов анализа. Их краткая характеристика и значение. Классификация методов анализа. Электрохимические и спектроскопические методы. Их роль для геохимического исследования. Анализ без разрушения анализируемого вещества.
Выбор метода анализа в зависимости от поставленной задачи при анализе горных пород, руд и минералов. Анализ горных пород на примеси (масс-спектрометрия, изотопный анализ, рентгеновские методы анализа). Обработка и представление результатов анализа.
Электрохимические методы анализа.
Общая характеристика электрохимических методов анализа. Их классификация. Измерение потенциала. Электрохимическая ячейка. Обратимые и необратимые электрохимические реакции. Чувствительность и селективность электрохимических методов анализа.
Потенциометрия.
Прямая потенциометрия. Классификация и характеристики электродов. Индикаторные электроды и электроды сравнения. Ионометрия: основные понятия и принципы метода. Классификация ионоселективных электродов. Коэффициент селективности. Потенциометрическое определение кислотности среды (рН), фторидов нитратов и некоторых других ионов (натрия, калия) с применением ионоселективных электродов. Определение концентрации методом градуировки электрода и методом добавок.
Потенциометрическое титрование.
Требования, предъявляемые к химической и электрохимической (индикаторной) реакции. Использование реакций различного типа: кислотно-основных, осаждения, комплексообразования и окисления - восстановления. Индикаторные электроды и электроды сравнения. Принципиальная схема потенциометра, рН-метры. Примеры практического применения (определение смеси кислот, кобальта и др.).
Вольтамперометрия
. Полярографический метод анализа. Полярографическая ячейка. Индикаторный электрод и электроды сравнения. Индикаторные электроды в вольтамперометрии. Получение и характеристики полярограммы. Уравнение Ильковича. Уравнение полярографической волны. Потенциал полуволны. Качественный и количественный полярографический анализ. Возможности, достоинства и недостатки полярографического анализа. Современные разновидности полярографии. Примеры практического применения вольтамперометрии для определения основных компонентов и примесей в минералах, рудах, природных водах, и экологических объектах.
Амперометрическое титрование.
Сущность метода. Индикаторные электроды. Выбор потенциала индикаторного электрода. Вид кривых титрования. Примеры практического использования.
Кулонометрия
.
Теоретические основы. Способы определения количества электричества в потенциостатической и гальваностатической кулонометрии. Прямая кулонометрия и кулонометрическое титрование. Определение конечной точки титрования. Электрохимическая генерация титрантов. Практическое применение метода, его достоинства и недостатки. Определение малых количеств кислоты, щелочи, определение окислителей и др.
Метрологические характеристики электрохимических методов анализа.
Спектроскопические методы анализа.
Получение химико-аналитической информации при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Классификация спектроскопических методов анализа по видам спектров и способам их возбуждения.
Атомная эмиссионная спектроскопия.
Эмиссионные спектры. Дуговой и искровой разряд, как источники возбуждения. Плазмотрон, индуктивно связанная плазма. Факторы, влияющие на интенсивность спектральных линий. Практика эмиссионной спектроскопии. Подготовка пробы и введение ее в разряд. Качественный и количественный анализ. Химико - спектральные методы анализа.
Эмиссионная фотометрия пламени.
Пламя как источник возбуждения. Процессы, протекающие в пламени. Химические реакции в пламенах. Факторы, влияющие на степень атомизации. Зависимость интенсивности излучения от концентрации элементов в растворе.
Примеры практического применения эмиссионных методов анализа. Определение щелочных и щелочноземельных элементов. Определение следов металлов в горных породах, рудах, минералах, воде. Применение атомно-эмиссионных методов в исследованиях объектов окружающей среды.
Атомно-абсорбционная спектроскопия.
Основы метода. Закон поглощения электромагнитного излучения. Способы получения поглощающего слоя атомов (пламенная и электротермическая атомизация). Источники излучения, их характеристики (лампа с полым катодом, лазер). Принцип атомно-абсорбционных измерений. Возможности, преимущества и недостатки метода. Примеры практического применения атомно-абсорбционного метода в геологии.
Молекулярная абсорбционная спектроскопия (спектрофотометрия).
Теоретические основы спектрофотометрического анализа. Основные законы светопоглощения. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Величины, характеризующие светопоглощение: оптическая плотность и пропускание. Молярный коэффициент поглощения. Понятие об истинном и кажущемся (среднем) молярном коэффициенте поглощения. Причины отклонения от законов поглощения. Способы определения концентраций фотометрическим методом: метод градуировочного графика, метод добавок, метод дифференциальной фотометрии.
Выбор оптимальных условий проведения фотометрической реакции. Этапы фотометрического анализа. Фотометрическое определение некоторых элементов (железа, титана, никеля, фосфора, кремния и т.д.).
Люминесценция.
Основные характеристики метода. Различные виды люминесценции и их классификация. Основные закономерности молекулярной люминесценции. Закон Стокса-Ломмеля. Правило зеркальной симметрии спектров поглощения и люминесценции. Примеры практического применения (определение редкоземельных элементов, урана, алюминия и др.).
Метрологические характеристики спектроскопических методов анализа.
III. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Методы обнаружения и разделения элементов.
Изучение характерных реакций некоторых катионов и анионов. Разделение и обнаружение катионов с применением методов осаждения - растворения, экстракции и хроматографии на бумаге. Обнаружение основных компонентов и примесей в минералах, горных породах, рудах (контрольная работа).
Методы количественного определения элементов.
Химические методы анализа
Гравиметрические методы анализа.
Определение бария и сульфат-иона в образце (контрольная работа).
Варианты работы: Определение кальция. Определение железа. Определение алюминия. Определение полуторных оксидов в карбонатной породе. Определение кристаллизационной воды в минералах.
Титриметрические
методы анализа
. Кислотно-основное титрование. Приготовление вторичного стандартного раствора щелочи и первичного стандартного раствора щавелевой кислоты. Стандартизация раствора щелочи.
Определение концентрации соляной кислоты. (контрольная работа). Статистическая обработка результатов измерений. Варианты работы: Определение солей аммония.
Комплексонометрическое титрование.
Комплексонометрическое определение кальция и магния в карбонатной породе (контрольная работа).
Варианты работы: Комплексонометрическое определение общей жесткости воды.
Окислительно-восстановительное титрование.
Иодометрическое определение меди (II) (контрольная работа). Дихроматометрическое определение железа (контрольная работа).
Физико - химические методы анализа.
Потенциометрическое определение кобальта (контрольная работа). Варианты работы: потенциометрическое титрование фосфорной кислоты.
Определение фторид-иона (или отдельных ионов: нитратов, натрия, калия) в природных водах с применением ионоселективного электрода (контрольная работа).
Снятие и расшифровка вольтамперометрического спектра (меди, кадмия, свинца, никеля, цинка) (контрольная работа).
Количественный вольтамперометрический анализ. Определение концентрации веществ по методу градуировочного графика или методу добавок (контрольная работа).
Кулонометрическое титрование тиосульфат-иона (или соляной кислоты) (контрольная работа).
Амперометрическое титрование цинка. (факультативная работа).
Фотометрическое определение элемента (железа, никеля, марганца титана, кремния или фосфора) (контрольная работа).
Определение больших концентраций элементов (марганца никеля, меди и др.) дифференциальным спектрофотометрическим методом (контрольная работа).
Люминесцентное определение циркония или органических красителей (контрольная работа).
Атомно-абсорбционное определение меди (цинка, марганца, железа)
Атомно-эмиссионное (пламенное) определение натрия и калия.
Газохроматографическое определение смеси спиртов (углеводородов).
Дополнительная литература
Программа составлена
доц. Витер И.П.
Редактор
проф. Шеховцова Т.Н.
Количественный анализ выражается последовательностью экспериментальных методов, определяющих в образце исследуемого материала содержание (концентрации) отдельных составляющих и примесей. Его задача - определить количественное соотношение химсоединений, ионов, элементов, составляющих образцы исследуемых веществ.
Качественный и количественный анализ являются разделами аналитической химии. В частности, последний решает различные вопросы современной науки и производства. Этой методикой определяют оптимальные условия проведения химико-технологических процессов, контролируют качество сырья, степень чистоты готовой продукции, в том числе и лекарственных препаратов, устанавливают содержание компонентов в смесях, связь между свойствами веществ.
Методы количественного анализа подразделяют на:
Базируется на применении различных видов реакций, количественно происходящих в растворах, газах, телах и т. д. Количественный химический анализ подразделяют на:
Химический количественный анализ веществ считается классическим. Это наиболее разработанный метод анализа, который продолжает развиваться. Он точен, прост в исполнении, не требует спецаппаратуры. Но применение его иногда сопряжено с некоторыми трудностями при исследовании сложных смесей и сравнительно небольшой чертой чувствительности.
Это количественный анализ, базирующийся на измерении величин физических параметров исследуемых веществ или растворов, которые являются функцией их количественного состава. Подразделяется на:
Физическим методам присущи экспрессность, низкий предел определения, объективность результатов, возможность автоматизации процесса. Но они не всегда специфичны, так как на физическую величину влияет не только концентрация исследуемого вещества, но и присутствие других веществ и примесей. Их применение часто требует использования сложной аппаратуры.
Задачи количественного анализа - измерение величин физических параметров исследуемой системы, которые появляются или изменяются в результате проведения химических реакций. Эти методы характеризуются низким пределом обнаружения и скоростью исполнения, требуют применения определенных приборов.
Это старейшая и наиболее разработанная технология количественного анализа. По сути, аналитическая химия началась с гравиметрии. Комплекс действий позволяет точно измерять массу определяемого компонента, отделенного от других компонентов проверяемой системы в постоянной форме химического элемента.
Гравиметрия является фармакопейным методом, который отличается высокой точностью и воспроизводимостью результатов, простотой исполнения, однако трудоемок. Включает приемы:
Количественный анализ осаждения основан на химической реакции определяемого компонента с реагентом-осадителем с образованием малорастворимого соединения, которое отделяют, затем промывают и прокаливают (высушивают). На финише выделенный компонент взвешивают.
Например, при гравиметрическом определении ионов Ва 2+ в растворах солей как осадитель используют серную кислоту. В результате реакции образуется белый кристаллический осадок BaSO 4 (осажденная форма). После прожарки этого осадка формируется так называемая гравиметрическая форма, полностью совпадающая с осажденной формой.
При определении ионов Са 2+ осадителем может быть оксалатная кислота. После аналитической обработки осадка осажденная форма (СаС 2 О 4) превращается в гравиметрическую форму (СаО). Таким образом, осажденная форма может как совпадать, так и отличаться от гравиметрической формы по химической формуле.
Аналитическая химия требует высокоточных измерений. В гравиметрическом методе анализа используют особо точные весы как основной прибор.
Осуществляя количественный анализ, определение массы вещества на технохимических или технических весах проводят следующим образом: исследуемый предмет помещают на левую чашу весов, а уравновешивающие грузики - на правую. Процесс взвешивания заканчивают при установлении стрелки весов в среднем положении.
В процессе взвешивания на аптечных весах центральное кольцо удерживают левой рукой, локтем опираясь на лабораторный стол. Затухание коромысла во время взвешивания может быть ускорено легким прикосновением дна чаши весов к поверхности стола.
Аналитические весы монтируют в отдельных отведенных лабораторных помещениях (весовых комнатах) на специальных монолитных полках-подставках. Для предотвращения влияния колебаний воздуха, пыли и влаги весы защищают специальными стеклянными футлярами. Во время работы с аналитическими весами следует придерживаться следующих требований и правил:
Гравиметрический качественный и количественный анализ включают следующие этапы:
При выборе осадителя - основы количественного анализа - учитывают возможное содержание анализируемого компонента в пробе. Для увеличения полноты удаления осадка используют умеренный избыток осадителя. Используемый осадитель должен обладать:
Среди неорганических осадителей наиболее распространены растворы: HCL; Н 2 SO 4 ; H 3 PO 4 ; NaOH; AgNO 3 ; BaCL 2 и другие. Среди органических осадителей предпочтение отдается растворам диацетилдиоксима, 8-гидроксихинолина, оксалатной кислоте и другим, образующим с ионами металлов внутрикомплексные устойчивые соединения, обладающие преимуществами:
Это важнейший этап характеристики количественного анализа. При получении осажденной формы необходимо минимизировать расходы за счет растворимости осадка в маточном растворе, уменьшить процессы адсорбции, окклюзии, соосаждения. Требуется получить достаточно крупные частицы осадка, не проходящие через фильтрационные поры.
Требования к осажденной форме:
Условия получения оптимального кристаллического осадка:
Условия получения оптимального аморфного осадка:
Методы количественного анализа включают такой важный этап, как фильтрация. Фильтрование и промывание осадков проводят, используя или стеклянные фильтры, или бумажные, не содержащие золы. Бумажные фильтры различны по плотности и размерам пор. Плотные фильтры маркируются голубой лентой, менее плотные - черной и красной. Диаметр бумажных фильтров, не содержащих золы, 6-11 см. Перед фильтрацией сливают прозрачный раствор, находящийся над осадком.
Количественный анализ может осуществляться методом электрогравиметрии. Исследуемый препарат удаляют (чаще всего из растворов) в процессе электролиза на одном из электродов. После окончания реакции электрод промывают, высушивают и взвешивают. По увеличению массы электрода определяют массу вещества, образовавшегося на электроде. Так анализируют сплав золота и меди. После отделения золота в растворе определяют ионы меди, скапливаемые на электроде.
Осуществляется измерением массы вещества во время его непрерывного нагрева в определенном интервале температур. Изменения фиксируются специальным устройством - дериватографом. Оно оборудовано термотерезами непрерывного взвешивания, электрической печью для нагрева исследуемого образца, термопарой для измерения температур, эталоном и самописцем непрерывного действия. Изменение массы образца автоматически фиксируется в виде термогравиграмы (дериватограмы) - кривой изменения массы, построенной в координатах:
Результаты количественного анализа должны быть точными, правильными и воспроизводимыми. С этой целью используют соответствующие аналитические реакции или физические свойства вещества, правильно выполняют все аналитические операции и применяют надежные способы измерения результатов анализа. Во время выполнения любого количественного определения обязательно должна проводиться оценка достоверности результатов.
Предмет аналитической химии
Существуют различные определения понятия «аналитическая химия», например:
Аналитическая химия - это наука о принципах, методах и средствах определения химического состава и структуры веществ.
Аналитическая химия - это научная дисциплина, которая развивает и применяет методы, приборы и общие подходы для получения информации о составе и природе вещества в пространстве и времени (определение, принятое Федерацией европейских химических обществ в 1993 году).
Задачей аналитической химии является создание и совершенствование её методов, определение границ их применимости, оценка метрологических и других характеристик, разработка методик анализа конкретных объектов.
Система, которая обеспечивает конкретный анализ определённых объектов с использованием методов, рекомендуемых аналитической химией, называется аналитической службой .
Основной задачей фармацевтической аналитической службы является контроль качества лекарственных средств, выпускаемых химико-фармацевтической промышленностью и приготовленных в аптеках. Такой контроль проводится в аналитических лабораториях химико-фармацевтических заводов, контрольно-аналитических лабораториях и в аптеках.
Принцип, метод и методика анализа
Анализ - совокупность действий, целью которых является получение информации о химическом составе объекта .
Принцип анализа - явление, которое используется для получения аналитической информации .
Метод анализа - краткое изложение принципов, положенных в основу анализа вещества (без указания определяемого компонента и объекта) .
Методика анализа - подробное описание выполнения анализа данного объекта с использованием выбранного метода, которое обеспечивает регламентированные характеристики правильности и воспроизводимости .
Несколько различных методов анализа могут иметь одинаковый принцип. На одном и том же методе анализа может быть основано множество различных методик выполнения анализа.
Методика анализа может включать в себя следующие этапы:
Конкретная методика анализа не обязательно должна включать в себя все из перечисленных этапов. Набор выполняемых операций зависит от сложности состава анализируемого образца, концентрации определяемого вещества, целей выполнения анализа, допустимой погрешности результата анализа и от того, какой метод анализа предполагается использовать.
Виды анализа
В зависимости от цели различают:
В зависимости от того, какие именно компоненты следует обнаружить или определить, анализ может быть:
· изотопный (отдельные изотопы);
· элементный (элементный состав соединения);
· структурно-групповой /функциональный/ (функциональные группы);
· молекулярный (индивидуальные химические соединения, характеризующиеся определённой молекулярной массой);
· фазовый (отдельные фазы в неоднородном объекте).
В зависимости от массы или объёма анализируемой пробы различают:
· макроанализ (> 0,1 г / 10 – 10 3 мл);
· полумикроанализ (0,01 - 0,1 г / 10 -1 – 10 мл),
· микроанализ (< 0,01 г / 10 -2 – 1 мл);
· субмикроанализ (10 -4 – 10 -3 г / < 10 -2 мл);
· ультрамикроанализ (< 10 -4 г / < 10 -3 мл).
Методы аналитической химии
В зависимости от характера измеряемого свойства (природы процесса, лежащего в основе метода) или способа регистрации аналитического сигнала методы определения бывают:
Физические методы анализа, в свою очередь, бывают:
· спектроскопические (основаны на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением);
· электрометрические (электрохимические) (основаны на использовании процессов, происходящих в электрохимической ячейке);
· термометрические (основаны на тепловом воздействии на вещество);
· радиометрические (основаны на ядерных реакция).
Физические и физико-химические методы анализа часто объединяют под общим названием «инструментальные методы анализа ».
ГЛАВА 2
2.1. Аналитические реакции
Химические методы обнаружения веществ основаны на проведении аналитических реакций.
Аналитическими называют химические реакции, результат которых несёт определённую аналитическую информацию, например, реакции, сопровождающиеся выпадением осадка, выделением газа, появлением запаха, изменением окраски, образованием характерных кристаллов .
Наиболее важными характеристиками аналитических реакций является избирательность и предел обнаружения. В зависимости от избирательности (числа веществ, вступающих в данную реакцию или взаимодействующих с данным реагентом) аналитические реакции и вызывающие их реагенты бывают:
Предел обнаружения (m min , P или С min , P) - наименьшая масса или концентрация вещества , которую с заданной доверительной вероятностью P можно отличить от сигнала контрольного опыта (более подробно см. главу 10).
2.2. Систематический и дробный анализ
Обнаружение элементов при совместном присутствии можно проводить дробным и систематическим методами анализа.
Систематическим называется метод качественного анализа, основанный на разделении смеси ионов с помощью групповых реагентов на группы и подгруппы и последующем обнаружении ионов в пределах этих подгрупп с помощью селективных реакций .
Название систематических методов определяется применяемыми групповыми реагентами. Известны систематические методы анализа:
· сероводородный ,
· кислотно-основный ,
· аммиачно-фосфатный .
Каждый систематический метод анализа имеет свою групповую аналитическую классификацию. Недостатком всех систематических методов анализа является необходимость проведения большого числа операций, длительность, громоздкость, значительные потери обнаруживаемых ионов и т.д.
Дробным называется метод качественного анализа, предполагающий обнаружение каждого иона в присутствии других с использованием специфических реакций либо проведение реакций в условиях, исключающих влияние других ионов .
Обычно обнаружение ионов дробным методом проводят по следующей схеме – вначале устраняют влияние мешающих ионов, затем обнаруживают искомый ион с помощью селективной реакции.
Устранение мешающего влияния ионов может быть проведено двумя путями
Например
· комплексообразование
· изменение рН среды
· окислительно-восстановительные реакции
· осаждение
· экстракция
2.3. Общая характеристика, классификация и способы обнаружения катионов
Согласно кислотно-основной классификации катионы в зависимости от их отношения к растворам HCl, H 2 SO 4 , NaOH (или KOH) и NH 3 разделяют на 6 групп. Каждая из групп, за исключением первой, имеет свой групповой реагент.
Первая аналитическая группа катионов
К первой аналитической группе катионов относятся катионы K + , Na + , NH 4 + , Li + . Группового реагента не имеют. Ионы NH 4 + и K + образуют малорастворимые гексанитрокобальтаты, перхлораты, хлорплатинаты, а также малорастворимые соединения с некоторыми крупными органическими анионами, например, дипикриламином, тетрафенилборатом, гидротартратом. Водные растворы солей катионов I группы, за исключением солей, образованных окрашенными анионами, бесцветны.
Гидратированные ионы K + , Na + , Li + являются очень слабыми кислотами, более выражены кислотные свойства у NH 4 + (рК a = 9,24). Несклонны к реакциям комплексообразования. В окислительно-восстановительных реакциях ионы K + , Na + , Li + не участвуют, так как имеют постоянную и устойчивую степень окисления, ионы NH 4 + обладают восстановительными свойствами.
Обнаружение катионов I аналитической группы проводят по следующей схеме
Обнаружению K + , Na + , Li + мешают катионы р- и d-элементов, которые удаляют, осаждая их (NH 4) 2 CO 3 . Обнаружению K + мешает NH 4 + , который удаляют прокаливанием сухого остатка или связыванием с формальдегидом:
4 NH 4 + + 6CHOH + 4ОН - ® (CH 2) 6 N 4 + 10H 2 O
Похожая информация.
Лекция 9. Основы количественного анализа.
1. Классификация методов химического анализа.
2. Типы гравиметрических определений.
3. Общая характеристика гравиметрического метода анализа.
4. Объёмный титриметрический метод анализа.
5. Расчёты в титриметрическом анализе.
6. Методы титриметрического анализа.
Д.З. по уч. Пустоваловой стр. 181-218.
Классификация методов химического анализа.
Кол ичественный ан ализ – Кол.а. - совокупность химических, физико-химических и физических методов определения количественного соотношения компонентов, входящих в состав анализируемого вещества.
Методы количественного анализа:
1) химический (гравиметрия, титриметрия, газовый анализ);
2) физико–химический метод (фотометрия, электрохимический, хроматографический анализ);
3) физически-спектральные: люминесцентный и др.
Наряду с качественным анализом Кол. а. является одним из основных разделов аналитической химии. По количеству вещества, взятого для анализа, различают макро-, полумикро-, микро- и ульт-рамикрометоды К. а. В макрометодах масса пробы составляет обычно >100 мг, объём раствора > 10 мл; в ультрамикрометодах - соответственно 1-10 -1 мг и 10 -3 -10 -6 мл (см. также Микрохимический анализ, Ультрамикрохимический анализ). В зависимости от объекта исследования различают неорганический и органический К. а., разделяемый, в свою очередь, на элементный, функциональный н молекулярный анализ . Элементный анализ позволяет установить содержание элементов (ионов), функциональный анализ - содержание функциональных (реакционноспособных) атомов и групп в анализируемом объекте. Молекулярный К. а. предусматривает анализ индивидуальных химических соединений, характеризующихся определенной молекулярной массой. Важное значение имеет так называемый фазовый анализ - совокупность методов разделения и анализа отдельных структурных (фазовых) составляющих гетерогенных систем. Помимо специфичности и чувствительности (см. Качественный анализ), важная характеристика методов К. а. - точность, то есть значение относительной ошибки определения; точность и чувствительность в К. а. выражают в процентах.
К классическим химическим методам К. а. относятся: гравиметрический анализ, основанный на точном измерении массы определяемого вещества, и объёмный анализ. Последний включает титриметрический объёмный анализ - методы измерения объёма раствора реагента, израсходованного на реакцию с анализируемым веществом, и газовый объёмный анализ - методы измерения объёма анализируемых газообразных продуктов (см. Титриметрический анализ, Газовый анализ).
Наряду с классическими химическими методами широко распространены физические и физико-химические (инструментальные) методы К. а., основанные на измерении оптических, электрических, адсорбционных, каталитических и других характеристик анализируемых веществ, зависящих от их количества (концентрации). Обычно эти методы делят на следующие группы: электрохимические (кондуктометрия, полярография, потенциометрия и др.); спектральные или оптические (эмиссионный и абсорбционный спектральный анализ, фотометрия, колориметрия, нефелометрия, люминесцентный анализ и др.); рентгеновские (абсорбционный и эмиссионный рентгеноспектральный анализ, рентгенофазовый анализ и др.); хроматографический (жидкостная, газовая, газо-жидкостная хроматография и др.); радиометрические (активационный анализ и др.); масс-спектрометрические. Перечисленные методы, уступая химическим в точности, существенно превосходят их по чувствительности, избирательности, скорости выполнения. Точность химических методов К. а. находится обычно в пределах 0,005-0,1%; ошибки определения инструментальными методами составляют 5-10%, а иногда и значительно больше. Чувствительность некоторых методов К. а. приведена ниже (%):
Объёмный.......................................................10 -1
Гравиметрический......................................... 10 -2
Эмиссионный спектральный.........................10 -4
Абсорбционный рентгеноспектральный...... 10 -4
Масс-спектрометрический.............................10 -4
Кулонометрический....................................... 10 -5
Люминесцентный.......................................... 10 -6 -10 -5
Фотометрический колориметрический......... 10 -7 -10 -4
Полярографический.........................................10 -8 -10 -6
Активационный................................................10 -9 -10 -8
При использовании физических и физико-химических методов К. а. требуются, как правило, микроколичества веществ. Анализ может быть в ряде случаев выполнен без разрушения пробы; иногда возможна также непрерывная и автоматическая регистрация результатов. Эти методы используются для анализа веществ высокой чистоты, оценки выходов продукции, изучения свойств и строения веществ и т.д. См. также Электрохимические методы анализа, Спектральный анализ, Хроматография, Кинетические методы анализа, Нефелометрия, Колориметрия, Активационный анализ.
1) химические методы анализа:
Гравиметрический – основан на определение массы вещества, выделяемого в чистом виде или в виде соединения известного состава.
положительная сторона «+» - дает результат высокой прочности,
отрицательная сторона «-» - очень трудоемкая работа.
Титриметрический - (объёмный) - основан на точном измерении реактива, затраченного на реакцию с определенным компонентом. Реактив берется в виде раствора определенной концентрации (титрованный раствор).
Высокая скорость выполнения анализа;
Менее точный результат по сравнению с гравиметрией.
В зависимости от типа реакций, протекающих в процессе титрования, выделяют следующие методы:
Методы кислотно-основного титрования,
Метод восстановительного титрования,
Метод осаждения,
Комплексообразование.
2) Физико-химический метод - основанный на измерении поглощения, пропускания, рассеивания света определяемым раствором.
Для большинства фотометрических методов используют оценку интенсивности окраски раствора визуально или с помощью соответствующих приборов.
Применяется для определенного компонента, входящего в состав анализируемого вещества в очень малых количествах;
Точность метода ниже, чем в гравиметрии и титриметрии.
Электрохимические методы - электрогравиметрический анализ, кондуктометрия, потенциометрия и полярография.
Хроматографический метод - основан на использовании явления избирательной адсорбции раствора вещества и ионов различными веществами или адсорбентами: Al 2 O 3 , силикагель, крахмал, тальк,
пермутид, синтетические смолы и другие вещества.
Применение: как в количественном анализе, так и в качественном анализе, особенно широко применяемы для определения вещества и ионов.
