Тема 6. Химическая идентификация и анализ вещества.

Химическая идентификация вещества. Идентификация катионов и анионов. Количественный анализ: гравиметрический, титриметрический анализ.

Химическая идентификация вещества

Общие понятия

Химическая идентификация (обнаружение) – это установление вида и состояния фаз, молекул, атомов, ионов и др. составных частей вещества, на основе сопоставления экспериментальных и соответствующих справочных данных для извесных веществ. Идентификация – цель качественного анализа.

Обычно определяется комплекс свойств веществ: цвет, вязкость, фазовое состояние, плотность, температура плавления, кипения, растворимость, электродный потенциал, энергию ионизации.

Идентификация катионов и анионов 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 ионов Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, - (NH₄)₂CO₃, для ионов Al³⁺, Cr³⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺ и др. – (NH₄)₂S.

Если присутствует несколько катионов, то проводят дробный анализ, при котором осаждаются все труднорастворимые соединения, а затем обнаруживаются оставшиеся катионы тем или иным методом, либо проводят ступенчатое добавление реагента, при котором сначала осаждаются соединения с наименьшим значением ПР, а затем соединения с более высоким значением ПР.

Любой катион можно идентифицировать с помощью определенной реакции, если удалить другие катионы, мешающие этой идентификации.

Имеется много органических и неорганических реагентов, образующих осадки или окрашенные комплексные соединения с катионами.

Летучие соединения металлов окрашивают пламя горелки в тот или иной цвет. Поэтому, если внести изучаемое вещества 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 или бор), бледно-голубой (свинец или мышьяк).

Анионы можно обнаружить дробным анализом. Для этого 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 или реагентов. Например, при воздействии на анионы СО₃^2- кислотой протекает реакция с выделением пузырьков диоксида углерода:

СО₃^2-+2Н⁺«Н₂О+СО₂

Как и для катионов, имеются реагенты на те или иные анионы.

Таким образом, химическая идентификация вещества базируется в основном на реакциях осаждения, комплексообразования, окисления и восстановления, нейтрализации, при которых происходит выпадение белого или окрашенного осадка, изменение цвета раствора и выделение газообразных веществ.

Количественный анализ.

Определение содержания (концентрации, масс и т.п.) компонентов в анализируемом веществе называется количественным анализом. С помощью количественного анализа выявляют массовые соотношения компонентов в анализируемом образце, концентрация вещества в растворе или в газе. 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. В большинстве методов полученные при анализе результаты сравнивают со свойствами известных веществ. Результаты анализа обычно выражают в массовых долях, в %.

Количественный анализ проводят в определенной последовательности, в которую входит отбор и подготовка проб, проведения анализа, обработка и расчет результатов анализа. Как и в качественном анализе различают макрометоды, полумикрометоды, микро- и ультрамикрометоды.

Количественный анализ широко используется для изучения состава руд, металлов, неорганических и органических соединений. В последние годы особое внимание обращается на определение содержания токсичных веществ в воздухе, водоемах, почвах, в продуктах питания, различных товарах.

Гравиметрический метод.Сущность метода заключается в получении труднорастворимого соединения, в которое входит определяемый компонент. Для этого навеску вещества растворяют в том или ином растворителе, обычно в воде, осаждают с помощью реагента, образующего с анализируемым соединением малорастворимое соединение с низким значением ПР. Затем после фильтрования осадок высушивают, прокаливают и взвешивают. По массе вещества находят массу определяемого компонента и проводят расчет его массовой доли в анализируемой навеске.

Имеются разновидности гравиметрического метода. В методе отгонки анализируемый компонент выделяют в виде газа, который взаимодействует с реактивом. По изменению массы реактива судят о содержании карбонатов в навеске. Например, содержание карбонатов в породе можно определить путем воздействия на анализируемый образец кислотой, в результате которого выделяется СО:

СО₃^2-+2Н⁺«Н₂СО₃«Н₂О+СО₂

Количество выделившегося СО₂ можно определить по изменению массы вещества, например СаО, с которым реагирует СО₂.

Одним из основных недостатков гравиметрического метода является его трудоемкость и относительно большая продолжительность. Менее трудоемким является электрогравиметрический метод, при котором определяемый металл, например медь, осаждают на катоде (платиновой сетке)

Cu²⁺+2e=Cu

По разности массы катода до и после электролиза определяют массу металла в анализируемом растворе. Однако этот метод пригоден лишь для анализа растворов, из которых не выделяется водород (серебро, медь, ртуть).

Титриметрический анализ. Сущность метода заключается в измерении объема раствора того или иного реагента, израсходованного на реакцию с анализируемым компонентом. Для этих целей используют так называемые титрованные растворы, концентрация которых (обычно титр раствора) известны. Т и т р о м называется масса вещества, содержащегося в 1 мл (1 см³) титрованного раствора (в г/мл и г/см³). Определение проводят способом титрования, т.е. постепенного приливания титрованного раствора к раствору анализируемого вещества, объем которого точно измерен. Титрование прекращается при достижении т о ч к и э к в и в а л е н т н о с т и, т.е., достижения эквивалентности реагента титруемого раствора и анализируемого компонента.

Существует несколько разновидностей титриметрического анализа: кислотно-основное титрование, осадительное титрование, комплексонометрическое титрование и окислительно-восстановительное титрование.

В основе к и с л о т н о – о с н о в н о г о титрования лежит реакция нейтрализации

Н⁺+ОН^-«Н₂О

Метод позволяет определить концентрацию кислоты или катионов, гидролизирующихся с образованием ионов водорода, титрованием раствором щелочи или определить концентрацию оснований, в том числе анионов, гидролизирующихся с образованием гидроксид-ионов титрованием растворами кислот. Точка эквивалентности устанавливается при помощи кислотно-основных индикаторов, изменяющих окраску в определенном интервале рН. Например, методом кислотно-основного титрования можно определить карбонатную жесткость воды, т.е. концентрацию НСО₃^- в воде путем титрования ее раствора HCl в присутствии индикатора метилового оранжевого

НСО₃^-+Н⁺=Н₂О+СО₂­

В точке эквивалентности желтая окраска индикатора переходит в бледно-розовую. Расчет производится по уравнению закона эквивалентов

С_{эк, НСО3}V₁=С_{эк, HCl}V₂

где V₁ и V₂ – объемы анализируемого и титрованного растворов;

С_{эк, HCl} – нормальная концентрация эквивалентов вещества HCl в титрованном растворе, С_{эк, НСО3} – определяемая молярная концентрация эквивалентов ионов HCO₃^- в анализируемом растворе.

При о с а д и т е л ь н о м т и т р о в а н и и анализируемый раствор титруется реагентом, образующим с компонентом титрованного раствора малорастворимое соединение. Точка эквивалентности определяется с помощью индикатора, образующего с реагентом окрашенное соединение, например, красный осадок Ag₂CrO₄ при взаимодействии индикатора K₂CrO₄ с избытком ионов Ag⁺ при титровании раствора хлорида раствором нитрата серебра.