Химический анализ

ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Качественный и количественный анализ. Аналитический сигнал

Аналитическая химия — наука о методах определения состава веществ. Она включает теорию и практику химического анализа. Аналитическая химия связана со смежными науками (физикой, геохимией, геологией, металлургией, биохимией и др.) и влияет на их развитие. С ее помощью определен возраст окаменелостей, горных пород, оценены запасы многих полезных ископаемых и распространенность химических элементов в земной коре, выявлены и изучены природные источники сырья.

Аналитическая химия играет большую роль в различных областях деятельности человека. Ни одна из естественных наук в настоящее время не может обойтись без надежных данных качественного и количественного анализа. В промышленности (при этом не только в химической) методами аналитической химии контролируют состав исходного сырья, полупродуктов и готовой продукции. Геолога интересует анализ руд и минералов, медицинских работников — клинические анализы, работников аптеки — анализы лекарственных препаратов, сталеваров — анализ стали, в военном деле анализируют ГСМ, ракетные топлива, пороха и ВВ, боевые отравляющие вещества. В сельском хозяйстве анализируют почвы, удобрения, химические средства борьбы с вредителями культурных растений, продуктов растениеводства и животноводства и др.

Метод исследования, основанный на разложении данного вещества на более простые составные части, называют анализом. Однако при всем разнообразии объемов анализ веществ делится на две стадии: качественный анализ и количественный анализ.

Задача качественного анализа — обнаружение химических элементов или ионов, входящих в состав анализируемого вещества.

Количественный анализ устанавливает количественные соотношения химических элементов в составе данного соединения или смеси веществ. Диапазон, в котором колеблется содержание определяемых элементов, очень велик: от нескольких десятков процентов (например, диоксид кремния в почвах) до миллионных долей процента (например, микроэлементов в коре головного мозга или сыворотке крови).

Качественный анализ предшествует количественному анализу, так как результаты качественного анализа позволяют сделать правильный выбор методов количественного определения. Для решения задачи качественного анализа аналитическая химия пользуется химическими реакциями и физическими свойствами веществ. Из множества химических реакций для обнаружения элементов или ионов используются лишь те реакции, которые сопровождаются характерным внешним аналитическим сигналом (выделение газа, образование осадка или окрашенного комплексного соединения и т. п.). Такие реакции называются аналитическими. Реакции с внешним эффектом, характерным только для одного иона или соединения, называются специфическими. К сожалению, таких реакций очень мало. Например:

Щелочи разлагают аммонийные соли с выделением аммиака:

С серной кислотой и сульфатами ионы бария образуют белый кристаллический осадок, нерастворимый в растворах кислот и щелочей:

Тиоцианат калия с катионами Fe (III) образует комплексное соединение красного цвета:

Раствор аммиака с катионами меди образует комплексное соединение интенсивного темно-синего цвета:

Кислоты разлагают карбонаты с выделением углекислого газа, который вызывает помутнение известковой воды:

Нитрат серебра с хлорид-ионами образует белый творожистый осадок, нерастворимый в азотной кислоте, но растворимый в растворе аммиака:

Как правило, химические реакции неспецифичны и в лучшем случае селективны, т. е. дают внешний эффект, характерный для нескольких ионов, соединений или элементов.

Анализ сухим путем проводят без переведения исследуемого твердого вещества в раствор. Его осуществляют с помощью таких приемов, как проба на окрашивание пламени, возгонка и др.

Проба на окрашивание пламени основана на том, что летучие соединения некоторых элементов окрашивают бесцветное пламя в определенный цвет. Например, натрий — в желтый, кальций — в красный, барий — в зеленый цвет, что используется в пиротехнических составах.

Чтобы химическую реакцию можно было применять в качественном анализе, она должна отвечать определенным требованиям, главными из которых являются высокая чувствительность, избирательность, быстрота протекания и простота выполнения.

По способу измерения определяемого компонента методы количественного анализа можно классифицировать следующим образом.

1. Методы, основанные на измерении массы вещества, — гравиметрические методы. Например, метод высушивания позволяет определять содержание воды в образцах.
2. Методы, основанные на измерении объемов растворов реагирующих веществ, — титриметрические методы.
3. Методы, основанные на измерении какого-либо физического параметра, связанного с концентрацией определяемого компонента, — физико-химические и физические методы.

Результаты количественного анализа выражают в процентах определяемого компонента, в граммах на единицу образца или на литр анализируемого раствора, миллиграммах или микрограммах на миллилитр раствора и т. п. Малое и ультрамалое содержание компонента удобно выражать в частях на тысячу, миллион или миллиард частей образца (ч. на тыс., ч. на млн и ч. на блн), что соответствует п • 10^-1, п • 1СИ или п • 10-⁷ %.

Титриметрический анализ основан на том, что вещества реагируют между собой согласно своим химическим эквивалентам. Титрование — постепенное добавление раствора с точно известной концентрацией к анализируемому раствору. Химическим эквивалентом называют количество вещества, химически равноценное одному иону водорода в данной реакции. Химический эквивалент, выраженный в граммах, называется грамм-эквивалентом вещества (г-экв.). Концентрация раствора, выраженная числом грамм- эквивалентов вещества в 1 л раствора, называется нормальностью (IV). Из закона эквивалентов вытекает основное соотношение, используемое для расчетов в титриметрическом анализе:

где Nj и N₂ — нормальности реагирующих растворов; V_lwV₂ — их объемы.

Поскольку при титровании расходуется количество реагента, эквивалентное количеству титруемого вещества, необходимо уметь зафиксировать окончание реакции, т. е. точку эквивалентности (т.э.). Способы обнаружения т.э. — с помощью индикаторов. Кривая титрования — это графическое изображение зависимости какого- либо параметра системы, связанного с концентрацией определяемого иона (например, потенциала, величины pH, электропроводности и т. п.), от состава раствора в процессе титрования (рис. 13.1). На любой кривой титрования имеются области плавного (до и после т.э.) и резкого (вблизи т.э.) изменения рассчитываемого параметра. Резкое его изменение называется скачком титрования.

Рис. 13.1. Кривая титрования

Методы качественного и количественного анализа, позволяющие определить в анализируемом веществе содержание отдельных элементов, называют элементным анализом; функциональных групп — функциональным анализом; индивидуальных химических соединений, характеризующихся определенной молекулярной массой, — молекулярным анализом.

Совокупность разнообразных химических, физических и физико-химических методов разделения и определения отдельных структурных (фазовых) составляющих гетерогенных систем, различающихся по свойствам и физическому строению и отграниченных друг от друга поверхностями раздела, называют фазовым анализом.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Дайте понятие анализа. Охарактеризуйте задачи качественного и количественного анализа.

2. Что называется аналитическим сигналом и аналитическими реакциями? Приведите примеры.
3. На чем основаны методы титриметрического анализа?
4. Качественный состав серной кислоты можно установить, используя:
1) раствор ВаС1₂ и фиолетовый лакмус;
2) раствор NaN0₃ и цинк;
3) раствор КОН и метилоранж.

Напишите уравнения реакций.

4. Карбонат-ионы можно обнаружить водным раствором:
1) хлорида водорода;
2) гидроксида натрия;
3) ацетата натрия.

Напишите уравнения реакций.