Смекни!
smekni.com

Физико-химические методы анализа веществ (стр. 1 из 3)

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)64N2H8O2[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