Лекція 9 Задачі і методи кількісного хімічного аналізу



Скачати 101.85 Kb.
Дата конвертації30.12.2016
Розмір101.85 Kb.



Лекція 9

Задачі і методи кількісного хімічного аналізу

План

  1. Кількісний хімічний аналіз, його значення і розвиток.

  2. Загальний (елементарний) і фазовий хімічний аналіз.

  3. Кількісне визначення головних компонентів і визначення домішок.

  4. Хімічні, фізичні і фізико-хімічні методи кількісного аналізу.

  5. Класифікація методів кількісного аналізу за способом використання аналітичної реакції.


1. Кількісний хімічний аналіз, його значення і розвиток.

Аналітична хімія ─ наука про методи визначення хімічного складу речовини. На попередніх лекціях ми познайомились з її першою частиною ─ методами якісного визначення складу речовини. Метою другої частини ─ кількісного аналізу ─ є визначення кількісних співвідношень між складовими частинами різноманітних речовин або матеріалів. Задачею цього розділу курсу є вивчення теоретичних основ і практичних прийомів кількісного аналізу.

Науково-дослідна робота в галузі хімії і хімічної технології неможлива без застосування аналізу. Так, при одержанні нових хімічних сполук і матеріалів, включаючи вуглецьвмісні, дослідження їх складу, властивостей (розчинності, можливості хімічних перетворень), при вивченні залежності перебігу хімічних процесів від фізичних умов необхідне застосування методів кількісного аналізу. Тому спеціалісти, які працюють в усіх галузях хімічної (і не тільки) науки та виробництва, повинні знати методи і вміти правильно виконувати основні операції кількісного аналізу.

Залишаючи в стороні такі галузі знань і виробництва, як хімічна і харчова промисловість, геохімія і мінералогія, агрохімія і біохімія рослин, медицина, фармакологія, металургія, електронна і атомна техніка, а також багато інших, зосередимо увагу на ролі кількісного аналізу при дослідженні корисних копалин, зокрема природного газу і нафти. Цінність того чи іншого родовища природного газу визначається не тільки його розмірами, але й вмістом його основного компоненту ─ метану і супутніх домішок. Якість нафти кардинально залежить як від вмісту її основних фракцій (ациклічних насичених, нафтенів, ароматичних вуглеводнів), але й наявністю інертних та шкідливих домішок. Відомо, що сірка різко погіршує якість вуглеводневої сировини, ускладнює її переробку. Ось чому нафта аравійського півострова ціниться вище, ніж татарська чи тюменська. А всю цю інформацію може дати в першу чергу кількісний хімічний аналіз.

Коротко про головні етапи розвитку кількісного аналізу.

Хімічний аналіз як такий зародився ще в середні віки. Так, Арикола (1494 – 1555 рр) склав багато прописів аналізу, деякі з яких (зі змінами) застосовуються і зараз. Він описав терези у скляному ящику, тиглі, печі та інші апарати та інструменти.

Спеціальний термін “хімічний аналіз” вперше в XVII столітті застосував англійський вчений Р. Бойль для означення реакцій, за допомогою яких можливо визначити одні речовини у присутності інших. Він описав застосування лакмусу, методи відкриття сірчаної і соляної кислоти за допомогою солей кальцію і срібла та інші аналітичні реакції.

Відомі багато чисельні роботи шведського хіміка Т. Бергмана (середина XVII ст), який систематизував і розробив ряд методик. Зокрема він встановив, що по вазі речовини, яка утворюється в результаті реакції, можна судити про кількість визначаємої речовини.

Однак ці та інші методи методики аналізу хоча і мали певне значення, не містили під собою твердого наукового обгунтування. М. В. Ломоносов, а пізніше А. Л. Лавуазьє сформулювали закон збереження маси, створили наукове підґрунтя кількісному аналізу. Той же Лавуазьє виконав багато визначень за допомогою зважування, особливо кисневих сполук. Він визначив склад СО2, інших оксидів, наприклад Р2О5, води, створив основи елементарного аналізу органічних речовин: спалюючи органічну речовину, він визначав кількість водню і вуглецю по масі СО2 і Н2О.

На початку XIX ст. Дж. Дальтон і Ж. Гей-Люссак встановили важливі залежності між об’ємом, масою, тиском і температурою газів і поклали початок газовому аналізу.

Одним з найбільш видатних хіміків-аналітиків першої половини XIX був шведський вчений І. Я. Берцеліус. Завдяки аналізу великої кількості сполук він визначив атомні маси всіх відомих тоді елементів з високою точністю: С ─ 12,12; H ─ 1,0; O ─ 16,0; S ─ 32,3 тощо.

Великий вплив на розвиток аналітичної хімії у середині XIX ст. мали роботи німецького вченого К. Р. Фрезеніуса. Він розробив багато методів аналізу, які не втратили свого значення і зараз. Заснував в 1862 р. перший в світі аналітичний журнал (Zeitschrift fur Analtische Chemie), склав систематичний підручник з кількісного аналізу.

Методи титрування (об´ємний аналіз) застосовувались давно у технічному і фармацевтичному аналізі. В практику ж наукового дослідження об´ємний аналіз вперше (1824 – 1832 рр) ввів Гей-Люссак, використавши цей метод для визначення хлоридів срібла і кислот. Однак, об´ємний аналіз входив в коло наукових методів значно повільніше, ніж ваговий чи газовий. Титрування заліза (ІІ) перманганатом було вперше застосовано в 1846 р., а перша невеличка інструкція щодо цієї групи методів було складено Ф. Мором в 1853 р.

В другій половині XIX і в XX ст.. продовжувався інтенсивний розвиток теорії і методів аналітичної хімії. Могутніми поштовхами до цього були закон діючих мас, створення і розвиток електролітичної дисоціації. Ці та інші досягнення науки сприяли розробці теоретичних основ процесів осадження і розчинення, кислотно-основних рівноваг, комплексоутворення, окисно-відновних процесів. В цей же період на основі розвитку фізики, фізичної хімії і приладобудування почали створюватися інструментальні методи аналізу: електрохімічні, спектральні, хроматографічні та інші.


2. Загальний (елементарний) і фазовий хімічний аналіз.

Загальний хімічний аналіз має своєю метою встановити загальний вміст елементів, іонів або найбільш простих сполук, які входять до складу речовини:

у солі MgCl2 ─ елементів Mg i Cl;

у сплаві бронза ─ елементів Cu, Sn, P;

у природній глині ─ простих оксидів SiО2, Fe2O3, Al2O3, K2O, Na2O та інших;

у мінералізованих водах ─ іонів Ca2+, Mg2+, Na+, HCO3-, SO42- i Cl-.

Однак, для оцінки хімічного складу матеріалу і для характеристики його властивостей не завжди достатньо визначення вмісту того чи іншого елемента. У ряді випадків необхідно вияснити, в складі саме яких сполук,фракцій чи мінералів знаходяться ті чи інші елементи, іони або групи атомів, і визначити кількісний вміст цих окремих конкретних сполук. Розв´язання подібних питань є задачею фазового аналізу.

Наведемо декілька прикладів фазового аналізу. Так, у глинах та бокситах SiO2 входить до кварцу, глинистих алюмосилікатів (каолін Al2O3·SiO2) та польового шпату (Na2O·Al2O3·2SiO2). Крім того, у таких мінералах міститься і гідратований оксид алюмінію Al2O3·nH2O. Застосовуючи хімічну обробку цих мінералів, наприклад, сірчаною і плавиковою кислотою, можна поступово розчиняти окремі сполуки, отже здійснювати фазовий аналіз.

Свинець у рудах перебуває у вигляді суміші PbS (свинцевий блиск) і PbCO3 (церусит). Останній перед збагаченням необхідно сульфідувати.

Вуглець у чавуні і сталі знаходиться у вільному стані (графіт), у вигляді твердого розчину із залізом і в складі хімічної сполуки карбіду заліза (Fe3C, цементіт). Співвідношення цих фаз суттєво впливає на міцність сталі, і тому повинно контролюватись.

Крім хімічних методів фазового аналізу застосовують і фізичні: мікроскопію шліфів сплавів і мінералів, вивчення магнітних властивостей, термографію, рентгенофазовий аналіз та інші.

При дослідженні сумішей газів і рідин використовують фракційну перегонку.


3. Кількісне визначення головних компонентів і визначення домішок.

Для складання формули нової хімічної сполуки домішки, які в ній знаходяться, видаляють перекристалізацією, або в інший спосіб. Для визначення хімічного складу мінералів відбирають найбільш чисті кристали. В наведених випадках йдеться про визначення головних компонентів речовини, для реалізації чого розроблені багаточисельні хімічні або класичні методи аналізу.

Незважаючи на важливість визначення головних компонентів, це завдання далеко не завжди є головним в аналізі. Для характеристики, наприклад, золотоносної породи, або руд кольорових і рідкісних металів визначення диоксиду сіліцію, оксидів алюмінію, заліза, кальцію та деяких інших сполук має другорядне значення. Така ж ситуація має місце і при контролі готової продукції. Так, аналізуючи сталь, визначають не залізо, а вміст вуглецю, сірки, фосфору, легуючих добавок, від вмісту яких залежить якість виробу. Наведемо декілька прикладів такого роду. Якщо нікель містить всього 0,001% сірки, то при застиванні розплавленого металу між його кристалами утворюється плівка сульфіду нікелю, і злиток розсипається при ударі. Титан, цирконій і деякі інші метали раніше вважались крихкими, проте, якщо звільнити їх від домішок (азота та ін), вони стають ковкими. Напівпровідникові матеріали повинні мати домішок менше 10-6%. При здійсненні атомного проекту особливе значення мала чистота графіту, з якого будувався так званий атомний котел. Найменші кількості домішок зупиняли ланцюгову ядерну реакцію. Отже, в подібних випадках на перший план виступає кількісне визначення домішок.

Для визначення малих кількостей тих чи інших елементів у присутності величезної кількості основних елементів знадобилося створення цілого ряду нових методів аналізу: спектрального, фотометричного, полярографічного, радіоактивіційного та ін. Однак, іноді чутливості і специфічності і цих методів виявляється недостатньою. У таких випадках удаються до особливих методів виділення домішок, одержання так званих “аналітичних концентратів”. Для того, щоб одержати аналітичний концентрат, застосовують методи осадження з колектором, екстрагування, іонного обміну, хроматографії та інших.



4. Хімічні, фізичні і фізико-хімічні методи аналізу.

В основі хімічних (класичних) методів кількісного (як і якісного) аналізу лежить та чи інша хімічна реакція (або декілька реакцій). В цих методах, перш за все, відміряють певну кількість матеріалу, як кажуть хіміки, беруть наважку. Перевівши, якщо це необхідно, речовину у розчин, переводять реакцією осадження аналізуємого компоненту (гравіметричний або ваговий метод), або реакцію з розчином іншої речовини заздалегідь відомої концентрації (об´ємний або титриметричний метод).

У фізичних методах аналізу хімічні реакції або зовсім не відбуваються, або вони мають другорядне значення (наприклад, хімічні процеси у полум´ї дуги чи іскри при спектральному аналізі). В більшості фізичних методів немає потреби брати певну наважку речовини, оскільки вимірюють таку властивість системи, які безпосередньо залежить від концентрації компонента в розчині, в суміші, в сплаві тощо. Найпростішим представником фізичних методів аналізу є денситометрія ─ визначення концентрації речовини у розчині за його густиною. До цієї групи методів відноситься також вимір в´язкості, теплопровідності термоелектрорушійної сили, магнітних властивостей, мас-спектрометрія, рефрактрометрія і поляриметрія та інші.

Проміжне місце між зазначеними методами займають фізико-хімічні методи аналізу. Принциповою ознакою їх є те, що аналізуємий компонент піддається хімічній дії, а кількість продукту хімічної реакції визначається фізичними методами. Так, при фотометричному визначенні заліза (ІІІ) проводять відому реакцію:



Інтенсивність забарвлення, отже і концентрацію визначають за поглинанням розчином світла, користуючись фотоелектроколориметром чи спектрофотометром. Крім оптичних, до фізико-хімічних методів належать багаточисельні електрохімічні та хроматографічні методи аналізу, про що детально йтиметься у третій частині курсу. Фізичні і хімічні методи часто об´єднують назвою інструментальні методи.

Зрозуміло, що між хімічними і фізико-хімічними методами немає глибокої прірви, оскільки хімічні методи теж використовують певні інструменти, наприклад, аналітичні терези, бюретки тощо, а фізико-хімічні деякі прийоми класичних, якто зважування і титрування.


  1. Класифікація методів кількісного аналізу за способом використання аналітичної реакції.

Поділ методів хімічного кількісного аналізу на окремі групи пов’язаний з хімічною реакцією. Перш за все приймається до уваги спосіб використання реакції, а потім тип хімічної реакції.

Для того щоб визначити вміст компонента Х, аналізуєму речовину(частіше за все у розчині) обробляють реактивом R, в результаті чого утворюється продукт реакції Р. Отже, реакцію, на який базується хімічні (а також багато фізико-хімічних) методів аналізу, можна виразити в загальному вигляді рівнянням:

X + R ↔ P

Для кількісного вимірювання ефекту реакції, очевидно, можна проводити наступні визначення (незалежно від виду показника, що вимірюється):



  1. Визначення кількості продукту Р за якоюсь його властивістю.

  2. Визначення кількості витраченого реактива R.

  3. Вимірювання яких-небудь змін в системі, зумовлених зв’язуванням (перетворенням в інші речовини або виведенням із системи) безпосередньо компонента Х.

До першої групи методів відносяться, перш за все, ваговий метод аналізу. Суть його полягає у визначенні маси продукту реакції. Крім вагового, до цієї групи методів відносяться фотометрія (приклад вище), електроваговий, полярографія.

Друга група методів передбачає поступове додавання реактиву R до відміряної кількості Х до тих пір, поки не буде досягнуте еквівалентне співвідношення між ними. Для здійснення цього принципу зручніш за все застосовувати реактив у вигляді розчину, оскільки додавати поступово реактив у твердому чи газоподібному вигляді незручно. Для визначення кількості розчину звичайно вимірюють його об’єм; тому другу групу методів називають об’ємними. До другої групи методів примикають фізико-хімічні методи аналізу, які використовують електрохімічні і оптичні, тобто апаратурні методи встановленні точки еквівалентності (кондуктометричне чи потенціометричне титрування, наприклад).

Третя група методів кількісного аналізу має менше значення, і практично застосовується тільки в газовому аналізі. Так, при аналізі топочних і інших газів, що містять СО2, спочатку вимірюють загальний об’єм суміші газів, а потім поглинають вуглекислий газ їдким калі:

Після цього вимірюють залишковий об’єм газів. По різниці обчислюють об’єм СО2. Оскільки не вимірюється ні кількість Р(К2СО3), ні кількість R (KOH), то метод відноситься до третьої групи.



Класифікація методів кількісного аналізу за типом хімічної реакції буде розглянута у подальших лекціях.




База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка