Основные положения качественного анализа. Способы проведения аналитических реакций

1. Сущность и методы качественного анализа

Основной задачей качественного анализа является установление химического состава, т.е. обнаружение ионов (катионов и анионов), содержащихся в анализируемом веществе.

Химические методы обнаружения и идентификации веществ основаны на проведении аналитических реакций.

Аналитические реакции - качественные реакции, сопровождающиеся видимым изменением:

Образованием или растворением осадка.

Ba²⁺ + SO₄^2- → BaSO₄↓ (белый кристаллический)

Ba²⁺ + CO₃^2- → BaCO₃↓ (белый кристаллический)

BaSO₄ не растворяется в кислотах, BaCO₃ растворяется в кислотах.

Образованием характерных кристаллов.

Кристаллы CaSO₄⋅2H₂O в виде пучков или звездочек. Кристаллы

натрийуранилацетата CH₃COONa⋅UO₂(CH₃COO)₂ правильной тетраэдрической

или октаэдрической формы.

Появлении или изменении окраски растворов.

Водные растворы солей железа (III) окрашены в желтый цвет. При взаимодействии ионов Fe³⁺ c тиоцианат-ионами раствор приобретает темно-красную окраску:

Fe³⁺ + 3SCN^- → Fe(SCN)₃(темно-красная)

Выделение газа.

Реакции выделения газов используются для обнаружения анионов летучих и неустойчивых кислот, а также катионов аммония:

NH₄⁺ + OH^- → NH₃↑ + H₂O

Химические реакции проводят в основном двумя способами: «сухим путем» и «мокрым путем». Если реакции проводят между твердыми веществами, то их относят к реакциям «сухим путем», а реакции в растворах называют реакциями «мокрым путем».

Реакции «сухим путем»:

Анализ «сухим» способом проводят без переведения исследуемого твердого вещества в раствор. Этот способ анализа играет вспомогательную роль и применяется для предварительных испытаний. Его осуществляют с помощью таких приемов, как проба на окрашивание пламени и получение окрашенных перлов.

1. Растирание исследуемого твердого вещества с определенным твердым реактивом (предложен русским химиком Ф.М.Флавицкаим)

Так для обнаружения тиоцианат-иона NCS^- несколько кристаллов исследуемого твердого вещества, например KNCS, растирают на фарфоровой пластинке с твердым нитратом железа Fe(NO₃)₃ . Смесь приобретает красную окраску.

Fe³⁺ + 3NCS^- = [Fe(NCS)₃]

^{красный цвет}

При растирании солей аммония с известью образуется аммиак, который легко определить по характерному запаху или с помощью смоченной лакмусовой бумажки.

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH_3↑ + 2H₂O

2. Пирохимические реакции – реакции окрашивания пламени.

Некоторые элементы, входящие в состав исследуемого вещества окрашивают пламя в характерный для них цвет. Для выполнения реакции на очищенной платиновой или нихромовой проволоке вносят вещество в основание пламени горелки, а затем переводят в часть с наивысшей температурой и по окрашиванию пламени делают вывод о наличии определенного иона. Натрий окрашивает пламя в желтый цвет, калий - в фиолетовый, барий – в желто-зеленый, кальций – в кирпично-красный. Вместо проволоки можно применять грифель.

3. Образование окрашенных перлов (стекол) тетрабората натрия Na₂B₄O₇ · 10H₂O (бура) или карбоната натрия (сода) Na₂CO₃. Соединения отдельных элементов, сплавленные с бурой или содой, образуют стекловидные шарики – «перлы», окрашенные в характерный для данного иона цвет. Например, соединения хрома – в зеленый, кобальта – в синий.

Реакции «мокрым путем»:

При этом анализируемое вещество сначала растворяют, затем проводят исследование. В качестве растворителя применяют дистиллированную воду, растворы минеральных кислот (НCl, HNO₃ , H₂SO₄), щелочей, «царскую водку» (смесь из 3 объемов концентрированной соляной кислоты и 1 объема концентрированной азотной кислоты).

В зависимости от того, с каким количеством вещества проводят аналитические реакции, различают следующие методы качественного анализа: макро-, полумикро-, микро-, ультро-, субмикро-, субультромикрометоды. В учебной практике аналитической химии применяют макро-, полумикро- и микроанализы. Для проведения ультромикро-, субмикро-, субультромикроанализа необходимы специальные условия и аппаратура.

1) макрометод – обычно для анализа берется проба от 0,1 до 1 г, которая растворяется в 30-50 мл растворителя. Реакции проводят в пробирках с 2-3 мл полученного раствора;

2) микрометод – масса анализируемого вещества колеблется от 0,001 до 0,01 г. Реакции проводят капельным методом или микрокристаллоскопическим методом, о присутствии определяемого иона судят по форме кристаллов, которые рассматриваются в микроскоп;

3) полумикрометод – анализ проводят с количеством вещества от 0,01 до 0,1 г. Объем раствора пробы составляет 0,1–2 мл.

Принципиально ход анализа макро- и полумикрометодом не различается, но при выполнении анализа полумикрометодом для быстрого отделения малых количеств осадка необходимы центрифуга и посуда меньших размеров.

Описание методов приведено в таблице:

В зависимости от массы или объема раствора исследуемого вещества реакции выполняют пробирочным, капельным и микрокристаллоскопическим методами.

Пробирочный анализ.

При выполнении анализа реакции проводят в пробирках объемом 2-5 см³. Для отделения осадков от растворов применяют центрифугирование, выпаривание ведут в тиглях.

Капельный анализ.

Метод разработан в 1920 г. Н.А.Тананаевым, осуществляется на фарфоровых или стеклянных пластинках, а также на полосках фильтровальной бумаги нанесением 1 капли исследуемого раствора и 1 капли реактива. Появление осадка удобно наблюдать на стеклянной пластинке, появление окраски – на белой пластинке или на полоске бумаги.

Капельный анализ отличается высокой чувствительностью, экономичностью и специфичностью.

Микрокристаллоскопический анализ.

Этот метод основан на обнаружении компонентов при помощи реакций, в результате которых образуются соединения с характерной формой кристаллов. При этом используют микроскоп. Реакции проводят на предметных стеклах, куда помещают 1 каплю исследуемого раствора и 1 каплю характерного реактива на определенный ион. Через некоторое время появляются определенной формы и цвета кристаллы соединения искомого иона. Таким образом, можно обнаружить катионы натрия, магния, кальция.

Название	Новое название	Масса и объем исследуемого вещества
г	мл
Макроанализ	Грамм-метод	1-10	1-100
полумикроанализ	Сантиграмм-метод	0,05-0,5	1-10
микроанализ	Миллиграмм-метод	10-6 – 10-3	10-4 – 10-1
ультрамикроанализ	Микрограмм-метод	10-9 – 10-6	10-6 – 10-4
субмикроанализ	Нанограмм-метод	10-12 – 10-9	10-10 – 10-7
субультрамикроанализ	Пикограмм-метод	10-12	10-10