Химическая идентификация и анализ вещества

Химическая идентификация (обнаружение) – это установление вида и состояния фаз, молекул, атомов. Ионов и других составных частей вещества на основе сопоставления экспериментальных и соответствующих справочных данных для известных веществ.

Все аналитические методы основаны на получении и измерении аналитического сигнала, то есть проявления химических или физических свойств вещества, которое можно использовать для установления качественного состава анализируемого объекта или для количественной оценки содержащихся в нем компонентов.

Химическая идентификация вещества базируется в основном на реакциях осаждения, комплексообразования, окисления-востановления, нейтрализации, при которых происходит выпадение белого или окрашенного осадка, изменение цвета раствора или выделение газообразных веществ.

Качественный анализ. В качественном анализе применяются только такие реакции, пределы обнаружения которых не превышают 50 мкг. Некоторые реакции позволяют обнаружить вещества или ион в присутствии других веществ или ионов. Примером такой специфической реакции может быть обнаружение иона NH₄⁺ действием щелочи или нагреванием: NH₄Cl + NaOH ® NH₃­ + H₂O + NaCl.

В большинстве случаев анализ неизвестного вещества проводят после обнаружения и удаления мешающих анализу других веществ, т.е. применяют реакции отделения, а затем реакции обнаружения ионов. Мешающие идентификации вещества переводят в осадок, слабодиссоциирующее или комплексное соединение.

Химическая идентификация вещества базируется в основном на реакциях осаждения, комплексообразования, окисления-востановления, нейтрализации, при которых происходит выпадение белого или окрашенного осадка, изменение цвета раствора или выделение газообразных веществ. Для идентификации с помощью образования труднорастворимых соединений используют как групповые, так и индивидуальные осадители. Групповыми осадителями для ионов Аg⁺, Рb²⁺, Hg²⁺ служит NaCl, для ионов Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ - (NH₄)₂CO₃ и т.д.

Если присутствует несколько катионов, то проводят дробный анализ, при котором осаждаются все трудно растворимые соединения, а затем обнаруживаются оставшиеся катионы тем или иным методом. Иногда проводят ступенчатое добавление реагента, при котором сначала осаждаются соединения с наименьшим значением произведения растворимости (ПР), а затем соединения с более высоким значением ПР. Любой катион можно идентифицировать с помощью определенной реакции, если удалить другие мешающие катионы.

Летучие соединения металлов окрашивают пламя горелки в тот или иной цвет. 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.

Количественный анализ. Определение содержания (концентрации, массы и т.п.) компонентов в анализируемом веществе называется количественным анализом. При количественном анализе измеряют те или иные химические, физико-химические и физические параметры анализируемого образца, которые зависят от его состава или содержания того или иного компонента. Количественный анализ проводят в определенной последовательности, в которую входит отбор и подготовка проб, проведение анализа, обработка и расчет результатов анализа.

Обычно количественные методы анализа классифицируют по измеряемым физическим или химическим свойствам (табл. 5).

Рассмотрим наиболее некоторые методы анализа.

Титриметрический анализ. Сущность метода заключается в измерении объема раствора того или иного реагента, израсходованного на реакцию с анализируемым компонентом. Для этих целей используют титрованные растворы, концентрации которых известны. Определение проводят способом титрования, т.е. постепенного приливания титрованного раствора к раствору анализируемого вещества, объем которого точно измерен. Титрование прекращается при достижении точки эквивалентности. В основе расчетов лежит закон эквивалентов:

N₁·V₁=N₂·V_2,

Где V₁,V₂ – объемы анализируемого и титрованного растворов; N₁, N₂ – нормальная концентрация эквивалентов вещества в анализируемом и титрованном растворах.

Фотоколориметрический метод является одним из оптических (фотометрических) методов, используемых для определения концентрации веществ (количественный анализ). Фотометрический метод основан на избирательном поглощении электромагнитных излучений различных участков спектра однородной системой, называют методом абсорбционной спектроскопии или спектрофотометрии. Каждая однородная система обладает способностью избирательно поглощать излучение определенных длин волн. Наиболее это заметно на системах, избирательно поглощающих в области видимого спектра. Цвет любого окрашенного раствора является дополнительным к цвету поглощенного излучения.

Колориметрические и фотоколориметрические методы основаны на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через окрашенный раствор. При применении этих методов используются химические реакции, при которых определяемое вещество переходит в окрашенное соединение, вызывающее изменение окраски анализируемого раствора.

При колориметрическом методе анализа сравнивают интенсивность полученной окраски испытуемого раствора с окраской раствора известных концентраций. Этот метод является визуальным или субъективным. При фотоколориметрическом анализе (объективный метод) светопоглощение окрашенного раствора измеряют с помощью фотоэлементов в специальных приборах. В отличии от колориметрического анализа фотоколориметрический метод предполагает использование поглощения монохроматических излучений. Одним из упрощенных способов монохротизации спектра является применение светофильтров.

Существует зависимость между интенсивностью окраски раствора и содержанием в этом растворе окрашенного вещества. Эта зависимость выражается законом светопоглощения Бугера-Ламберта-Бера в виде уравнения:

J=J₀·10^-ECL (1)

где J – интенсивность светового потока, прошедшего через раствор; J₀ – интенсивность падающего на раствор светового потока; Е – коэффициент поглощения светового потока – постоянная величина, характерная для каждого окрашенного вещества и зависящая от его природы; С – концентрация окрашенного вещества в растворе; L – толщина слоя светопоглощения раствора.

Таблица 4. Основные методы количественного анализа.

Измеряемая величина (свойство)	Название метода	Масса вещества, доступная измерению
Масса Объем Плотность Поглощение или испускание инфракрасных лучей Колебания молекул Поглощение или испускание видимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей. Колебания атомов. Рассеяние света Диффузионный ток на электроде Электродный потенциал Количество электричества Электрическая проводимость Радиоактивность Скорость реакции Тепловой эффект реакции Вязкость Понижение температуры замерзания Повышение температуры кипения	Гравиметрический Масс-спектрометрический Титриметрический Газоволюметрический Денсиметрический Инфракрасная спектроскопия Комбинационное рассеяние Спектральный и рентгеноспектральный Фотометрический(колориметрия, спектрофотометрия и другие) Атомно-абсорбционная спектроскопия Люминесцентный Полярография и вольтамперометрия Потенциометрический Кулонометрический Кондуктометрический Радиоактивных индикаторов Кинетический Каталитический Термометрия и калориметрия Вискозиметрический Криоскопический Эбулиоскопический	От макро- до ультрамикроколичеств Микроколичества От макро- до ультрамикроколичеств То же Макро- и микроколичества То же То же Полумикро- и микроколичества То же Микроколичества То же Полумикро- и микроколичества Макро- и микроколичества Микро- и ультрамикроколичества Макро- и микроколичества От макро- до ультрамикроколичеств Макро- и микроколичества Макроколичества То же » » »

Закон светопоглощения составляет теоретическую и практическую основу большинства фотометрических методов, в том числе и фотоколориметрического.

После логарифмирования получаем выражение закона светопоглощения, которое используют в расчетах и для построения графической зависимости:

D = ECL

Основными преимуществами фотоколориметрических методов измерения являются быстрота и легкость определений при высокой их точности. Физико-химические методы анализа обладают многими достоинствами: быстротой анализа, высокой чувствительностью, возможностью определения нескольких компонентов, сочетание нескольких методов, автоматизации и использования компьютеров для обработки результатов анализа.

Качественный анализ и методы количественного анализа используют для изучения состава руд, металлов, органических и неорганических соединений. В последнее время особое внимание обращается на содержание токсичных веществ в воздухе, водоемах, почвах, в продуктах питания, различных товарах.

Пример 1. Как можно качественно обнаружить ионы натрия, кальция и стронция в растворе?

Решение. Раствор вносят на платиновой или нихромовой проволоке в пламя горелки. Пламя окрашивается в присутствии натрия в ярко-желтый цвет, кальция - в кирпично-красный цвет, стронция – карминово-красный.

Пример 2. Приведите способ качественного обнаружения в растворе анионов SO₄², SO₃², CO₃^2-.

Решение. Для идентификации анионовчасто используют дробный анализ. Многие анионы имеют групповые реагенты. Например, анионы SO₄^2-, SO₃^2-, CO₃^2- качественно определяют с помощью группового реактива хлорида бария (ВаСl₂). Групповой реагент ступенчато приливают к анализируемому раствору, первыми выпадают в осадок соединения с наименьшими значениями ПР. Отдельные ионы могут быть обнаружены с помощью тех или иных специфических реакций. Например, при воздействии на анионы СО₃^2- кислотой протекает реакция с выделением пузырьков диоксида углерода: С0₃^2- + 2Н⁺ ↔ Н₂O + СO₂.

Пример 3. В чем заключается сущность построения калибровочного графика?

Решение. Для построения калибровочного графика D=ƒ(C) нужно приготовить серию эталонных растворов, содержащих разные количества определяемого вещества. Сначала готовят стандартный раствор, содержащий строго определенное количество исследуемого вещества. С помощью пипеток отбирают в мерные колбы различные, точно измеренные объемы этого стандартного раствора и соответствующих реактивов, вызывающих окраску анализируемого раствора. Затем содержимое каждой мерной колбы разбавляют дистиллированной водой, доводя объем раствора до метки. С помощью фотоколориметра измеряют оптические плотности приготовленных эталонных растворов. На основании полученных результатов строят калибровочный график зависимости D=ƒ(C). Определив значение оптической плотности испытуемого раствора D_x при аналогичных условиях, можно найти С_х определяемого вещества по калибровочному графику.

Пример 4. Рассчитать объем щелочи, мл, необходимый для осаждения 100 мл 0,002 М раствора соли Cu (NO₃)₂, если в 300 мл раствора щелочи содержится 4,8 г NaOH.

Решение. Расчет проводится по формуле, следующей из закона эквивалентов:

V₁·N₁ = V₂·N₂, (1)

где V₁ - объем раствора для осаждения, мл; N₁ - нормальность раствора, моль экв/л; V₂·- неизвестный объем щелочи, мл; N₂ - нормальность раствора щелочи, моль экв/л.

Рассчитываем нормальность раствора щелочи. По определению это количество моль эквивалентов растворенного вещества в 1000 мл раствора. Находим массу растворенной щелочи в 1000 мл: m = 4,8 · 1000/300 = 16 г. Тогда количество моль эквивалентов в 16 г NaOH будет равно 16/40 = 0,4, где 40 - масса одного моль эквивалента щелочи, г/моль. Следовательно, нормальность раствора щелочи равна 0,4 моль экв/л. Переводим молярную концентрацию раствора Cu(NO₃)₂ в нормальность, т. е. в данном случае 0,002 М раствору соответствует 0,004 Н раствор. Рассчитываем объем V₁ щелочи, необходимый для осаждения, по формуле (1):

100 · 0,004 = V_щ · 0.4

V_щ = 1 мл

Контрольные вопросы

267. Что является целью качественного и количественного анализа?

268. Химическая идентификация веществ. Привести примеры.

269. Привести примеры специфических реакций, используемых для обнаружения ионов.

270. В каких случаях применяют групповые реактивы? Возможно ли в этих случаях использование специфических реакций?

271. Какой раздел химии имеет задачу идентификации веществ? Подробный ответ.

272. Вычислите предел обнаружения вещества, если предельная концентрация составляет 10^-7 моль∕л, а объем раствора 20 мл.

273. Обнаружатся ли ионы кальция в 90 мл раствора, содержащего 110 мг CaCl₂, при добавлении к нему 10 мг раствора (NH₄)₂CO₃, имеющего концентрацию:

а) 10^-2 моль∕л;

б) 1 моль∕л.

274. Охарактеризуйте основные этапы гравиметрического анализа.

275. Разница между титрованным и анализируемым растворами. Привести примеры.

276. Какая реакция лежит в основе кислотно-основного титрования? Какие ионы определяют этим методом?

277. Используются ли реакции осаждения в титриметрическом методе? Подробный ответ.

278. При анализе соединения бария получен осадок BaSO₄ с массой после прокаливания 0,464 г. Какой массе а) Ва; б) ВаО; в) BaCl₂∙2Н₂О соответствует масса полученного осадка?

279. Что такое точка эквивалентности и как ее определяют?

280. На титрование 20 мл раствора H₂SO₄ пошло 40 мл 0,1 М раствора КОН. Вычислите нормальную, молярную концентрации раствора H₂SO_4.

281. На титрование 100 мл воды затрачено 20 мл 0,05 М раствора комплексона (III). Вычислите общую жесткость воды.

282. Сущность метода перманганатометрии. Подробный ответ.

283. Какими преимуществами обладают физико-химические методы анализа по сравнению с гравиметрическим и титриметрическим методами?

284. В каком методе анализа применяется уравнение Нернста? Подробный ответ

285. Используются ли процессы сорбции в динамических условиях в физико-химических методах анализа? Подробный ответ.

286. На чем основан фотометрический метод анализа?

287. Какие химические реакции используют в колориметрических и фотоколориметрических методах? Подробный ответ.

288. Какова сущность закона Бугера-Ламберта-Бера?

289. Почему калибровочный график, применяемый в фотоколо­риметрическом анализе, представляет прямую линию?

290. Как определяют концентрацию вещества фотометрическим способом с помощью одного стандартного раствора?

291. Что является теоретической основой фотометрических методов анализа?

292. Что происходит с веществами при поглощении электромагнитного светового излучения?

293. Какие приборы используют в колориметрии и фотоколориметрии?

294. Какие титранты применяют в кислотно-основном титровании? Примеры.

295. На каком правиле основаны расчеты в титриметрическом анализе? Примеры.

296. В каком методе анализа используют калибровочный график D=f(С)?Построение калибровочного графика.

Таблица 5

ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

	Номера задач, относящихся к данному заданию
							174а
						160а	174б
						160б	174в
						160в	174г
						160г	174д
						160д	174е
			71/1			160е	174з
			71/2		108а	160з	174и
			71/3		108б	161д	174к
			71/4		108в	161е	174л
			71/5		108г	161ж	174м
			71/6	83а	108д	161з	175а
			71/7	83б	108е	161и	175б
			71/8	83в	108ж	161к	175в
			71/9	84а	108з	161л	175г
			71/10	84б	108и		175д
			71/11	84в	108к	163а	175е
			71/12		109а	163б	175ж
			71/13	86а	109б	163в	175з
			71/14	86б	109в	163г	175и
			71/15	86в	109г	163д	175к
			71/16	87а	109д	164ж
			71/17	87б	109е	164з
			71/18	88а	109ж	164и
			71/19	88б	109з	164к
			71/20		109и	165а
			71/21			165б	181а
			71/22			165г	181б
			71/23			165д	181в
		64а	71/24			165е	181г
		64б	71/25			165ж	181д
		64в	71/26			165з	181е
		64г	71/27			165и	181ж
		64д	71/28			165к	181з
		64е	71/29			166а	181и
		64ж	71/30	99а		166б	181к
		64з		99б		166в	181л
		64и				166г	181м
		64к				166д	181н
						166е	181о
						166ж	181п
						166з	181р
			71/1			166и	181с
			71/2			166к	181т
			71/3				181у
			71/4				181ф
			71/5			169а	181х
			71/6			169б	181ц
			71/7	83а		169в	181ч
			71/8	83б		169г	181щ
			71/9	83в		169д	181э
			71/10	84а		170а
			71/11	84б		170б
			71/12	84в		170в
			71/13		138а	170г
			71/14	86а	138б	170д
			71/15	86б	138в	170е	174а
			71/16	86в	138г	170ж	174б
			71/17	87а	138д	170з	174в
			71/18	87б	138е	170и	174г
			71/19	88а	138ж	170к	174д
			71/20	88б	138з	171а	174е
			71/21		138и	171б	174ж
			71/22		138к	171в	174з
			71/23		139а	171г	174и
			71/24		139б	171д	174к
			71/25		140а	171е	174л
			71/26		140б	171ж	174м
		64а	71/27		140в	171з	175а
		64б	71/28		140г	172а	175б
		64в	71/29			172б	175в
		64г	71/30		142а	172в	175г
		64д		99а	142б	172г	175д
		64е		99б	142в	172д	175е
		64ж			142г	172е	175ж
		64з				172ж	175з
		64и				173а	175и
		64к				173б	175к
			71/1			173в	181а
			71/2			173г	181б
			71/3			173д	181в
			71/4			173е	181г
			71/5			173ж	181д
			71/6			173з	181е
			71/7			161а	181ж
			71/8	83а		161б	181з
			71/9	83б		161в	181и
			71/10	83в		161г	181к
			71/11	84а		160ж	181л
			71/12	84б		160и	181м