Химическая идентификация

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Теоретические основы прогрессивных технологий»

Тема «Методы химической идентификации»

Выполнила студентка группы эк-091 Попова В.А.                  

Руководитель: Усачева Л.В.

 

                              

Воронеж 2010

Содержание

 

1. Химическая идентификация………………………………………….. 3

1.1 Качественный анализ……………………………………………..10

1.2  Количественный анализ………………………………………….16

2. Методы количественного анализа……………………………………19

2.1 Амперметрическое титрование…………………………………..19

2.2 Потенциаметрическое титрование……………………………….21

2.3 Кислотно0основное титрование………………………………….24

2.4 Комплекснометрическое титрование…………………………….25

2.5 Титрование по методу осаждения………………………………..25

2.6 Окислительно-восстановительное титрование………….............26

3. Заключение…………………………………………………………….27

4. Список литературы……………………………………………………28

 

 

Химическая идентификация.

Химическая идентификация – это установление вида и состояния молекул, ионов, радикалов, атомов и других частиц на основе сопоставления экспериментальных данных с соответствующими справочными данными для известных частиц. Идентификация — установление тождества неизвестного соединения с другим известным.

Для этого сопоставляют физико-химические константы, свойства и реакции обоих веществ. Перед идентификацией вещества тщательно очищают, проводят предварительное его исследование: сопоставляют агрегатное состояние, цвет, вязкость, испытывают на растворимость в воде, органических растворителях, основаниях и кислотах, определяют горючесть и другие свойства.Например, в молекулярном анализе идентификация - установление химической формулы соединений или ее важнейших фрагментов. Идентификация - цель качественного анализа, который, как правило, предшествует количественным определениям.

Ошибки в идентификации компонентов пробы приводят к неправильным результатам количественного анализа. При идентификации определяют комплекс физико-химических свойств вещества: плотность, вязкость, температуры фазовых переходов, растворимость, показатели преломления, потенциалы ионизации, эмиссионные и абсорбционные спектры, индексы хроматографические  удерживания, специфические химические реакции и другие. Иногда получают производные идентифицируемого вещества и сравнивают их свойства (например, температуры плавления) со свойствами соответствующих производных известного соединения.

Идентификация - важнейший и наиболее трудоемкий этап анализа многокомпонентных проб. Для ее облегчения создаются банки химико-аналитических данных. Универсальные аналитические приборы (атомно-абсорбц. спектрофотометры, хромато-масс-спектрометры, хроматографы с ИК Фурье детектированием, установки для рентгеноэлектронной спектроскопии и другие), обладающие большой разрешающей способностью и предназначенные для анализа многокомпонентных проб, снабжаются мини-ЭВМ, в которые вводится специализированная справочная химико-аналитическая информация. Логические операции, выполняемые химиком-аналитиком при идентификации, принципиально доступны для формализации, что позволяет создать системы искусств, интеллекта, использующие спектры ИК, ЯМР, ЭПР, хроматографические данные и т. п. Автоматизация идентификации возможна на основе принципов универсальной системы химического анализа, в которой каждое вещество имеет свой химико-аналитический код, представляющий собой совокупность детектируемых физико-химических свойств веществ.Качественный анализ характеризуется пределом обнаружения сухого вещества, т.е. минимальным количеством надежно идентифицируемого вещества, и предельной концентрацией раствора Сх,min. Эти вещества связаны друг с другом отношением

Сх,min-= предел обнаружения(мкг)/ объем раствора(мл) * 10

В качественном анализе применяются только такие реакции, пределы обнаружения которых не превышает 50 мкг. Существуют некоторые реакции, которые позволяют обнаружить то или иное вещество или ион в присутствии других веществ или других ионов. Такие реакции называются специфическими. Однако в большинстве случаев реакции обнаружения вещества не являются специфическими, поэтому мешающие идентификации вещества переводят в осадок, слабодиссоциирующее или комплексное соединение. Анализ неизвестного вещества проводят в определенной последовательности, при которой то или иное вещество идентифицирует после обнаружения и удаления мешающих анализу других веществ, т.е. применяют не только реакции обнаружения веществ, но и реакции отделения их друг от друга.

А) Свойства вещества зависят от его чистоты, рассмотрим понятие

чистоты веществ. Весьма практически важным вопросом, возникающим при различных химических работах, является вопрос о чистоте веществ. Определяя, например, состав какого-либо загрязненного примесями соединения путем его химического анализа, можно получить такие результаты, которые приведут к неверной формуле. Подобным же образом легко прийти к ошибочным выводам при изучении характера протекания химических реакций, т. е. получить ложное представление о свойствах участвующих в них элементов. Уже из приведенных примеров видно, что применяемые для химических работ вещества должны быть достаточно чистыми. К проверке чистоты вещества можно, вообще говоря, подойти с двух сторон: исходя из его состава или из его свойств. На практике часто параллельно используют оба подхода, так как результаты их хорошо дополняют друг друга. Принципиально простейшим (но не всегда легко выполнимым) методом проверки чистоты вещества, исходя из его состава, является количественный анализ: близкое совпадение найденного процентного содержания отдельных элементов с вычисленным по молекулярной формуле указывает обычно на отсутствие в изучаемом веществе значительных количеств примесей. Так как, однако, каждый анализ неизбежно связан с некоторыми неточностями, даже самые благоприятные его результаты не дают еще возможности говорить об отсутствии загрязнений. Характер последних удается большей частью заранее наметить исходя из природы контролируемого соединения и способа его получения. Отсутствие или наличие (а также количественное содержание) таких определенных примесей можно установить путем специальных проб. В этом и заключается другой часто применяемый метод контроля чистоты вещества исходя из его состава.

 

В основе контроля чистоты веществ по их свойствам лежит закон постоянства свойств (Пруст, 1806 г.): свойства чистого вещества не зависят от его происхождения и предыдущей обработки. Закон этот строго соблюдается только для газов и жидкостей, тогда как у твердых веществ может иметь место изменение некоторых свойств в зависимости от обработки. Поэтому применительно к твердым веществам законом постоянства свойств приходится пользоваться с известной осторожностью.

Из отдельных свойств веществ для контроля их чистоты лучше всего подходят те, которые могут быть изморены и выражены числом. Имея для какого-либо вещества точно установленный ряд характеризующих его констант (постоянных), на основании закона постоянства свойств следует ожидать, что точно такие же значения соответствующих констант будет иметь любой другой образец того же вещества, если он достаточно чист. Поэтому для контроля чистоты вещества нужно определить те или иные его константы и сравнить полученные результаты с уже имеющимися данными для заведомо чистого образца. Практически чаще всего определяют следующие константы: плотность, температуру плавления и температуру кипения.

 

Б) Молекулярный анализ-установление качества и количества состава химических соединений и их смесей.

При качественном анализе смеси химического соединения обычно предварительно разделяют различными методами (хроматографией, ректификацией, кристаллизацией, экстракцией, осаждением, термической диффузией и др.); затем для разделенных веществ определяют так называемые  интегральные молекулярные признаки, к которым относятся молярная масса, суммарный элементный состав, плотность, растворимость, температуры фазовых переходов, показатели преломления, потенциалы ионизации, а также спектры поглощения электромагнитного излучения, масс-спектры и т. п. Эти характеристики химических соединений сопоставляют с соответствующими константами и спектрами образцов сравнения, устанавливают отсутствие депрессии (понижение и увеличение интервала) температуры плавления смеси идентифицируемого соединения и эталонного вещества (т.е. известного вещества, отождествляемого с исследуемым).

 Часто определяют хроматографические  характеристики веществ (индексы удерживания, объемы удерживания и др.); при этом одновременно идентифицируемое вещество отделяется от дркгих компонентов смеси. Идентификацию можно считать достоверной только в том случае, если совпадают несколько характеристик и констант идентифицируемого и эталонного веществ. Наиболее эффективны комбинированные методы: хромато-масс-спект-рометрия, сочетание высокоэффективной жидкостной хро-матографии и масс-спектрометрии, сочетание газо-жидкост-ной или жидкостной хроматографии и ИК спектроскопии с использованием преобразования Фурье и др. Соответствующие приборы снабжают микропроцессорами и соединяют с ЭВМ, содержащими банки спектральных и других аналитических данных. При качественном молекулярном анализе смеси веществ без предварительного разделения химического соединения обнаруживают по характерным химическим реакциям, спектрам поглощения, масс-спектрами и т.п.

 

В) Изотопный анализ — определение изотопного состава химического элемента. Изотопный анализ различных элементов можно реализовать на различных физических принципах. Наиболее распространенным является масс-спектрометрический метод, с помощью которого можно проводить изотопный анализ всех, без исключения, элементов периодической системы. Масс-спектрометры для определения изотопного состава должны быть очень точными. Для анализа изотопного состава легких элементов (углерод, водород, кислород, сера, азот и т. д.) используется ионизация электронным ударом. В этом случае годятся все методы ввода газовой фазы, как и в органических масс-спектрометрах.

Для анализа изотопов более тяжелых элементов используется термоионизация или ионизация в индуктивно-связанной плазме. Во многих типах изотопных масс-спектрометров используются магнитные масс-анализаторы. Важнейшими техническими характеристиками масс-спектрометров являются чувствительность, динамический диапазон, разрешение, скорость сканирования.

Оптические методы изотопного анализа (напр., абсорбционные на основе диодных лазеров) в ряде случаев позволяют избавиться от изобарных наложений (то есть помех при совпадении масс изотопов или изотопомеров различных элементов), которые часто препятствуют измерениям, проводимым при помощи масс-спектрометров.

 

Г) Фазовый анализ - определение химического состава и количества отдельных фаз в гетерогенных системах или индивидуальных форм соединения элементов в рудах, сплавах, полупроводниках и др. Объектом фазового анализа всегда является твердое тело.

Название "фазовый анализ" стало доминирующим, хотя некоторые авторы продолжают использовать другие термины: вещественный, рациональный, композиционный, локально-распределительный анализ. Обилие названий - следствие исторического процесса становления фазового анализа. Он возник из практических потребностей металлургии и металловедения, с одной стороны, и горно-обогатительного производства - с другой. Позднее фазовый анализ стал необходим в технологии полупроводников, при экологических исследованиях и в производстве пищевых продуктов. Основным методом фазового анализа в горной промышленности был процесс избирательного химического растворения с помощью K-T, щелочей, солей, окислительно-восстановительных реагентов и комплексообразующих веществ. В этой области фазовый анализ использовали для разработки рациональных технологий флотационного разделения и обогащения горнохимического сырья, его гидрометаллургической  обработки. При этом, прежде всего стояли задачи идентификации, выявления и разделения различных оксидных или сульфидных соединений нескольких металлов или одного металла в разных степенях окисления. Причем эти соединения могли быть не только нативными (исходными) фазами - минералами, но и виртуальными (промежуточными, т. е. изолируемыми в ходе анализа, как, напр., индивидуальные оксиды, выделяемые из сложных природных соединений при обработке реагентами). Поэтому такой анализ можно было считать фазовым более или менее условно, а по существу он был рациональным (т. е. служил основой рациональной технологии) и вещественным, т.е. направленным на выделение и определение данного сложного или простого вещества, независимо от того, составляет ли оно с самого начала определенную фазу.

Предметом аналитической химии является химическая идентификация(качественный анализ) и измерения(количественный анализ).

 

Качественный анализ

Качественный анализ имеет своей целью обнаружение определенных веществ или их компонентов в анализируемом объекте. Обнаружение проводится путем идентификации веществ, то есть установления тождественности (одинаковости) АС анализируемого объекта и известных АС определяемых веществ в условиях применяемого метода анализа. Для этого данным методом предварительно исследуют эталонные вещества, в которых наличие определяемых веществ заведомо известно. Например, установлено, что присутствие спектральной линии с длиной волны 350,11 нм в эмиссионном спектре сплава, при возбуждении спектра электрической дугой, свидетельствует о наличии в сплаве бария; посинение водного раствора при добавлении к нему крахмала является АС на присутствие в нем I₂ и наоборот.

В настоящее время качественный анализ выполняют инструментальными методами: спектральными, хроматографическими, электрохимическими и др. Химические методы используют на отдельных стадиях инструментальных (вскрытие пробы, разделение и концентрирование и др.), но иногда с помощью химического анализа можно получить результаты более просто и быстро, например, установить наличие двойных и тройных связей в непредельных углеводородах при пропускании их через бромную воду или водный раствор KMnO₄. При этом растворы теряют окраску.

Детально разработанный качественный химический анализ позволяет определять элементный (атомный), ионный, молекулярный (вещественный), функциональный, структурный и фазовый составы неорганических и органических веществ.

При анализе неорганических веществ основное значение имеют элементный и ионный анализы, так как знание элементного и ионного состава достаточно для установления вещественного состава неорганических веществ. Свойства органических веществ определяются их элементным составом, но также и структурой, наличием разнообразных функциональных групп. Поэтому анализ органических веществ имеет свою специфику.

Качественный химический анализ базируется на системе химических реакций, характерных для данного вещества - разделения, отделения и обнаружения.

К химическим реакциям в качественном анализе предъявляют следующие требования.

1. Реакция должна протекать практически мгновенно.

2. Реакция должна быть необратимой.

3. Реакция должна сопровождаться внешним эффектом (АС):

а) изменением окраски раствора;

б) образованием или растворением осадка;

в) выделением газообразных веществ;

г) окрашиванием пламени и др.

4. Реакция должна быть чувствительной и по возможности специфичной.

Реакции, позволяющие получить внешний эффект с определяемым веществом, называют аналитическими, а добавляемое для этого вещество - реагентом. Аналитические реакции, проводимые между твердыми веществами, относят к реакциям «сухим путем», а в растворах - «мокрым путем».

К реакциям «сухим путем» относятся реакции, выполняемые путем растирания твердого исследуемого вещества с твердым реагентом, а также путем получения окрашенных стекол (перлов) при сплавлении некоторых элементов с бурой.

Значительно чаще анализ проводят «мокрым путем», для чего анализируемое вещество переводят в раствор. Реакции с растворами могут выполняться пробирочным, капельным и микрокристалли-ческим методами. При пробирочном полумикроанализе его выполняют в пробирках вместимостью 2-5см³. Для отделения осадков используют центрифугирование, а выпаривание ведут в фарфоровых чашечках или тиглях. Капельный анализ (Н.А. Тананаев, 1920 г.) осуществляют на фарфоровых пластинках или полосках фильтрованной бумаги, получая цветные реакции при добавлении к одной капле раствора вещества одной капли раствора реактива. Микрокристаллический анализ основан на обнаружении компонентов с помощью реакций, в результате которых образуются соединения с характерным цветом и формой кристаллов, наблюдаемых в микроскоп.

Для качественного химического анализа используют все известные типы реакций: кислотно-основные, окислительно-восстановительные, осаждения, комплексообразования и другие.

Качественный анализ растворов неорганических веществ сводится к обнаружению катионов и анионов. Для этого используют общие и частные реакции. Общие реакции дают сходный внешний эффект (АС) со многими ионами (например, образование катионами осадков сульфатов, карбонатов, фосфатов и т.д.), а частные - с 2-5 ионами. Чем меньше число ионов дают сходный АС, тем селективнее (избирательнее) считается реакция. Реакция называется специфической, когда позволяет обнаружить один ион в присутствии всех остальных.

Аммиак обнаруживают по запаху или по посинению красной лакмусовой бумажки, смоченной в воде и помещенной над пробиркой.

Селективность реакций можно повысить, изменяя их условия (рН) или применяя маскирование. Маскирование заключается в уменьшении концентрации мешающих ионов в растворе меньше предела их обнаружения, например путем их связывания в бесцветные комплексы.

Если состав анализируемого раствора несложен, то его после маскировки анализируют дробным способом. Он заключается в обнаружении в любой последовательности одного иона в присутствии всех остальных с помощью специфических реакций, которые проводят в отдельных порциях анализируемого раствора. Поскольку специфических реакций немного, то при анализе сложной ионной смеси используют систематический способ. Этот способ основан на разделении смеси на группы ионов со сходными химическими свойствами путем перевода их в осадки с помощью групповых реактивов, причем групповыми реактивами воздействуют на одну и ту же порцию анализируемого раствора по определенной системе, в строго определенной последовательности. Осадки отделяют друг от друга (например, центрифугированием), затем растворяют определенным образом и получают серию растворов, позволяющих в каждом обнаружить отдельный ион специфической реакцией на него.

Существует несколько систематических способов анализа, называемых по применяемым групповым реактивам: сероводородный, кислотно-основный, аммиачно-фосфатный и другие. Классический сероводородный способ основан на разделении катионов на 5 групп путем получения их сульфидов или сернистых соединений при воздействии H₂S, (NH₄)₂S, NaS в различных условиях.

Анионы при анализе в основном не мешают друг другу, поэтому групповые реактивы применяют не для разделения, а для проверки наличия или отсутствия той или иной группы анионов. Стройной классификации анионов на группы не существует.

Качественный химический анализ органических веществ подразделяют на элементный, функциональный, структурный и молекулярный.

Анализ начинают с предварительных испытаний органического вещества. Для твердых измеряют t_плав., для жидких - t_кип, показатель преломления. Молярную массу определяют по понижению t_замерз или повышению t_кип, то есть криоскопическим или эбулиоскопическим методами. Важной характеристикой является растворимость, на основе которой существуют классификационные схемы органических веществ. Например, если вещество не растворяется в Н₂О, но растворяется в 5%-ном растворе NaOH или NaHCO₃, то оно относится к группе веществ, в которую входят сильные органические кислоты, карбоновые кислоты с более чем шестью атомами углерода, фенолы с заместителями в орто - и параположениях, -дикетоны

Элементным анализом обнаруживают элементы, входящие в молекулы органических веществ (C, H, O, N, S, P, Cl, и др.). В большинстве случаев органическое вещество разлагают, продукты разложения растворяют и в полученном растворе определяют элементы как в неорганических веществах. Например, при обнаружении азота пробу сплавляют с металлическим калием, получая KCN, который обрабатывают FeSO₄, переводят в K₄[Fe(CN)₆]. Добавляя к последнему раствор ионов Fe³⁺, получают берлинскую лазурь Fe₄[Fe(CN)₆]₃ - (AC на присутствие N).

Функциональным анализом определяют тип функциональной группы. Например, реакцией с (NH₄)₂[Ce(NO₃)₆] можно обнаружить спирт, а с помощью раствора KMnO₄ отличить первичные, вторичные и третичные спирты. Первичные KMnO₄ окисляет до альдегидов обесцвечиваясь, вторичные окисляет до кетонов, образуя MnO₂, а с третичными не реагирует.

Структурным анализом устанавливают структурную формулу органического вещества или ее отдельные структурные элементы (двойные и тройные связи, циклы и так далее).

Молекулярным анализом устанавливают целиком вещество. Например, фенол можно обнаружить реакцией с FeCl₃ в пиридине. Чаще молекулярный анализ сводится к установлению полного состава соединения на основании данных об элементном, функциональном и структурном составе вещества. В настоящее время молекулярный анализ проводят в основном инструментальными методами.

При проведении расчета результатов анализа необходимо очень внимательно выполнять вычисления. Математическая погрешность, допущенная в числовых значениях, равносильна ошибке в анализе.

Числовые значения подразделяют на точные и приближенные. К точным, например, можно отнести число выполненных анализов, порядковый номер элемента в таблице Менделеева, к приближенным - измеренные значения массы или объема.

Значащими цифрами приближенного числа называют все его цифры, кроме нулей, стоящих слева от запятой, и нулей, стоящих справа после запятой. Нули, стоящие в середине числа, являются значащими. Например, в числе 427,205 - 6 значащих цифр; 0,00365 - 3 значащие цифры; 244,00 - 3 значащие цифры.

Точность вычислений определяется ГОСТ, ОСТ или ТУ на анализ. Если погрешность вычислений не оговорена заранее, то следует иметь в виду, что концентрация вычисляется до 4-ой значащей цифры после запятой, масса - до 4-го десятичного знака после запятой, массовая доля (процентное содержание) - до сотых долей.

Каждый результат анализа не может быть точнее, чем это позволяют измерительные приборы (поэтому в массе, выраженной в граммах, не может быть больше 4-5 знаков после запятой, т.е. больше точности аналитических весов 10^-4-10^{-5 г).}