Методы количественного анализа

Лабораторная работа №9

Химическая идентификация и анализ вещества

Аналитическая химия – это научная дисциплина, которая развивает и применяет методы, общие подходы и приборы для получения информации о составе и природе вещества в пространстве и времени. Под химическим составом понимают состав элементный (наиболее важный и распространённый вид анализа), молекулярный, фазовый, изотопный. При определении химического состава органических соединений часто применяют функциональный анализ – установлении наличия конкретных функциональных групп в молекуле анализируемого соединения.

Различают методы качественного и количественного анализа. Цель качественного анализа – обнаружение элементов, ионов, молекул, функциональных групп, свободных радикалов, фаз, содержащихся в исследуемом образце на основе сопоставления их экспериментально полученных характеристик с имеющимися справочными данными, иными словами, химическая идентификация. При анализе органических соединений находят непосредственно отдельные элементы (например, углерод, кислород, азот) или функциональные группы. При анализе неорганических соединений определяют какие ионы, молекулы, группы атомов, химические элементы составляют анализируемое вещество. Задача количественного анализа – определение количественного содержания и соотношения компонентов в анализируемом веществе или смеси.

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. Идентификация является целью качественного анализа. При идентификации обычно определяется комплекс свойств веществ, например: цвет, фазовое состояние, плотность, вязкость, температуры плавления, кипения и фазового перехода, растворимость, электродный потенциал, энергия ионозации.

Качественный анализ характеризуется пределом обнаружения (открываемый минимум) сухого вещества, т.е. минимальным количествомнадежно идентифицируемого вещества, и предельной концентрацией вещества С_min,. Эти две величины связаны друг с другрм соотношением:

C_min=

Методы качественного анализа

Сухие методы анализа. Летучие соединения металлов окрашивают пламя горелки в тот или иной цвет. Поэтому, если внести изучаемое вещество на платиновой проволоке в бесцветное пламя горелки, то происходит окрашивание пламени в присутствии в молекуле вещества тех или иных элементов

Мокрые методы анализа. Методы качественного анализа базируются на ионных реакциях, которые позволяют идентифицировать элементы в форме тех или иных ионов. В ходе реакции образуются труднорастворимые соединения, окрашенные комплексные соединения, происходит окисление или восстановление с изменением цвета раствора. Любой катион можно идентифицировать с помощью определенной реакции, если удалить другие катионы, мешающие этой идентификации.

Для идентификации с помощью образования труднорастворимых соединений используют как групповые, так и индивидуальные осадители.

Анионы обычно классифицируют по растворимости солей, либо по окислительно-восстановительным свойствам.

Методы количественного анализа

Методы определения часто делят на химические, физико-химические, иногда выделяют группу физических методов анализа. Химические методы основаны на химических реакциях. Для анализа используют только такие реакции, которые сопровождаются внешними эффектами, например, изменением цвета раствора, выделением газа, выпадением или растворением осадка и т.д. Эти внешние эффекты являются, в данном случае, аналитическими сигналами. Происходящие химические изменения называют аналитическими реакциями, а вещества, вызывающие эти реакции – химическими реагентами. В случае физико-химических методов происходящие химические изменения, влекущие за собой изменение таких параметров, как интенсивность окраски раствора в спектрофотометрии, величина диффузионного тока в вольтмперометрии и т.д., регистрируются с помощью физических приборов. При анализе физическими методами химические реакции не используют, а изучают физические свойства вещества с помощью приборов. К физическим методам относят хроматографию, рентгеноструктурный, люминесцентный, радиоактивационный методы анализа и др.

Титриметрический метод основан на том, что все вещества реагируют между собой в строго эквивалентных количествах.Аналитическим сигналом в титриметрии является объём. Эквивалент – это некая реальная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим образом эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.

Условной частицей может быть атом, молекула, ион, часть молекулы. Например, в реакции

Na₂CO₃ + HCl = NaHCO₃ + NaCl

условной частицей является молекула Na₂CO₃, а в реакции

Na₂CO₃ + 2HCl = Na₂CO₃ + 2NaCl

условной частицей является ½ Na₂CO₃.

В реакции

KMnO₄ + 5 e + 8H⁺ → Mn²⁺ + 4 H₂O + K⁺

условная единица – 1/5 KMnO_4.

Число, показывающее, какая доля молекулы эквивалентна в данной реакции одному иону водорода или электрону, называется фактором эквивалентности (f) .Например, f_Na2CO3 = 1 – для первой реакции, f_Na2CO3 = 1/2 – для второй реакции и f _KMnO4= 1/5 – для третьей реакции.

На практике пользоваться молекулами, ионами, эквивалентами неудобно, так как они очень малы (~ 10^{-24 г). Используется моль, который содержит 6,02·1023} условных частиц. Масса одного моля называется молярной массой, а масса одного моля эквивалента называется молярной массой эквивалента Э. Молярной массой эквивалента вещества Х называют массу одного моля эквивалента этого вещества, равную произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества Х:

Э = мол.масса ∙f (9)

Молярная масса имеет размерность г/моль. Например, мол. масса Na₂CO₃= 106 (г/моль), мол.масса ½ Na₂CO₃ = 53 (г/моль) или, по-другому, Э_Na2CO3(f=1) =106, Э_Na2CO3(f=1/2) =53.

В титриметрии используют растворы. Концентрация раствора выражается количеством вещества в единице объёма. За единицу объёма в титриметрии принят литр (1 дм³). Раствор, содержащий 1 моль условных частиц в литре, называется молярным. Например, С_HCl = 1 М (одномолрный раствор HCl), С_HCl= 0,1 М (децимолрный раствор HCl), С_{½ Na2CO3}= 0,1 М (децимолрный раствор ½ Na₂CO_3). Раствор, содержащий 1 моль эквивалентов в литре, называется нормальным; при этом необходимо указывать фактор эквивалентности. Например, 0,1 н Na₂CO₃ (f=1) или 0,1 н Na₂CO₃ (f=1/2), децимолрный раствор Na₂CO_3. Если f=1, то молрная и нормальная концентрации совпадают.

Если два вещества прореагировали в эквивалентных количествах, то количество вещества 1 (n₁) равно количеству вещества 2 (n₂). Поскольку n₁ = M₁V₁ и n₂= M₂V₂ , то

M₁V₁ = M₂V₂.

Зная концентрацию одного из веществ и объёмы растворов, модно найти неизвестную концентрацию и, следовательно, массу другого вещества:

M₂= (10) или N₂ = (11) и

m = М₂ ·мол.масса (12) или m = N₂ ·Э (13).

Кроме молярной и нормальной концентрации используют ещё титр раствора. Титр показывает число граммов растворённого вещества в 1 мл раствора. Титр по определяемому веществу показывает массу определяемого вещества, с которой реагирует 1 мл данного раствора; например, Т _HCl/СаCO3= 0,006 г/см³, это означает, что 1 мл раствора HCl реагирует с 0,006 г СаСО₃.

Титрованный, или стандартный, раствор – раствор, концентрация которого известна с высокой точностью. Титрование – прибавление титрованного раствора к анализируемому для определения точно эквивалентного количества. Титрующий раствор часто называют рабочим раствором или титрантом. Момент титрования, когда количество добавленного титранта химически эквивалентно количеству титруемого вещества, называется точкой эквивалентности (т,э.). Способы обнаружения т.э. разнообразны: визуальные (с помощью индикатора и безиндикаторные), физико-химические.

Реакции, используемые в титриметрии должны удовлетворять следующим требованиям:

1. реакция должна протекать количественно, т.е. константа равновесия должна быть достаточно велика;
2. реакция должна протекать с большой скоростью;
3. реакция не должна осложняться протеканием побочных реакций;
4. должен существовать способ фиксирования т.э.

По способу фиксирования точки эквивалентности выделяют методы титрования с цветными индикаторами, методы потенциометрического титрования, кондуктометрического, фотометрического и т.д. при классификации по типу основной реакции, протекающей при титровании, обычно выделяют следующие методы титриметрического анализа:

1. Методы кислотно-основного взаимодействия связаны с процессом передачи протона:

Н⁺ + ОН^- = Н₂О

СН₃СООН + ОН^- = СН₃СОО^- + Н₂О

1. Методы комплексообразования используют реакции образования координационных соединений:

Hg²⁺ + 2Cl^- = HgCl₂ (меркуриметрия)

Mg²⁺ + H₂Y^2- = MgY^2- + 2H⁺ (комплексономерия)

1. Методы осаждения основаны на реакциях образования малорастворимых соединений:

Ag⁺ + Cl^- = AgCl (аргентометрия)

Hg + 2Cl^- = Hg₂Cl₂ (меркурометрия)

1. Методы окисления-восстановления объединяют многочисленную группу окислительно-восстановительных реакций:

MnO + 5 Fe²⁺ + 8H⁺ = Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4 H₂O (перманганатометрия)

2S₂O + I₂ = S₄O + 2I^- (иодометрия)

Для нахождения точки эквивалентности часто строят дифференциальную кривую в координатах ΔрН/ΔV – V,т.е. определяют скорость изменения рН при изменении количества добавленного раствора в разных точках титрования. На точку эквивалентности указывает максимум полученной кривой, а отсчёт по оси абсцисс, соответствующий этому максимуму, даёт объём титранта, израсходованного на титрование до точки эквивалентности. Определение точки эквивалентности по дифференциальной кривой значительно точнее, чем по простой зависимости рН – V.

Пример. На титрование 20 см³ 0,02М раствора HCl расходуется 15,00 см³ раствора NaOH. Определить молярную концентрацию этого раствора.

Решение. Так как вещества реагируют между собой в строго эквивалентных количествах, то количество HCl в точке эквивалентности должно быть равно количеству NaOH, т.е.

n(HCl) = n(NaOH); n(HCl) = C(HCl) · V(HCl) ; n(NaOH)= C(NaOH) · V(NaOH);

C(NaOH)= ;

C(NaOH) = = 0,02667 моль/дм³.

Цель работы: изучить«сухие» и «мокрые» методы химической идентификации, ознакомиться с основными положениями титриметрического метода анализа и методикой определения концентрации кислот и щелочей.

Оборудование и материалы:

1. газовая горелка,

2. платиновая проволочка,

3. пробирки,

4. штатив для пробирок,

5. штатив,

6. бюретка,

7. колба для титрования

8. набор реактивов: сухие соли – KCl, LiCl, NaCl, CaCl₂, BaCl₂, SrCl₂, CuCl₂, 0,5н растворы Na₃PO₄, AgNO₃, FeSO₄, K₃[Fe(CN)₆], K₄[Fe(CN)₆], KOH, FeCl₃, KSCN, KI, NaCl, NaBr, HNO₃.