Лекции по "Аналитической химии"

Лекция 1.

Аналитическая химия – наука, развивающая теоретические  основы анализа химического состава веществ, изучающая методы идентификации и обнаружения, определения и разделения химических элементов, их соединений, а также методы установления химического строения соединений.

В соответствии с определением аналитической химии  как науки, занимающейся разработкой  методов определения химического  состава вещества, можно выделить следующие аналитические задачи:

1.Установление  химического состава анализируемого  объекта:

- качественный  анализ, который включает идентификацию  объекта и обнаружение тех  или иных компонентов;

- количественный  анализ решает задачу определения  содержания (количество и концентрации) того или иного компонента  в анализируемом объекте.

Между качественным и количественным анализом нет принципиального различия. Качественный анализ можно рассматривать как количественный с приближенными показаниями.

2.Определение  структуры соединения, то есть  установление взаимного расположения  и связей элементарных составных частей в молекулах (структурный анализ).

3.Обнаружение  неоднородностей на поверхности  или в объеме твердых тел,  распределение элементов в поверхностных  слоях    осуществляют методом  локально-распределительного анализа.

4.Исследование  процессов во времени в ходе производственного процесса.

Согласно рекомендации ИЮПАК (Международный союз чистой и  прикладной химии) аналитический процесс  включает в себя несколько уровней.

Методом анализа    называют принципы, положенные в основу анализа вещества, то есть вид и природу энергии, вызывающей возмущение химических частиц вещества.

В основе анализа  лежит зависимость между фиксируемым  аналитическим сигналом от наличия  или концентрации определяемого  вещества.

Аналитический сигнал – это фиксируемое и  измеряемое свойство объекта.

В аналитической  химии методы анализа классифицируют по характеру определяемого свойства и по способу регистрации аналитического сигнала:

1.химические  

2.физические 

3.физико-химические  

Физико-химические методы называют инструментальными или измерительными, так как они требуют применения приборов, измерительных инструментов.

Рассмотрим  полную классификацию химических методов  анализа.

Химические  методы анализа - основаны на измерении  энергии химической реакции.

В ходе реакции  изменяются параметры, связанные с расходом исходных веществ или образованием продуктов реакции. Эти изменения можно либо наблюдать непосредственно (осадок, газ, цвет), либо измерять такие величины, как расход реагента, массу образующегося продукта, время реакции и т.д.

По цели проведения методы химического анализа подразделяют на две группы:

I.Качественный  анализ – заключается в обнаружении  отдельных элементов 

(или ионов), из которых состоит анализируемое  вещество.

Методы качественного  анализа классифицируются:

1. анализ катионов

2. анализ анионов

3. анализ сложных  смесей.8

II.Количественный  анализ – заключается в определении  количественного содержания отдельных  составных частей сложного вещества.

Количественные  химические методы классифицируют:

1. Гравиметрический (весовой) метод анализа   основан на выделении определяемого вещества в чистом виде и его взвешивании.

Гравиметрические  методы по способу получения продукта реакции делят:

а) химиогравиметрические  методы   основаны на измерении  массы продукта химической реакции;

б) электрогравиметрические  методы   основаны на измерении  массы продукта электрохимической  реакции;

в)  термогравиметрические  методы   основаны на измерении  массы 

вещества, образующегося  при термическом воздействии.

2.  Волюмометрические  методы анализа   основаны на измерении объема реагента, израсходованного на взаимодействие с веществом. Волюмометрические методы в зависимости от агрегатного состояния реагента делят на:

а) газоволюметрические  методы, которые основаны на избирательном  поглощении определяемого компонента газовой смеси и измерением объема смеси до и после поглощения;

б) ликвидоволюметрические (титриметрические или объѐмные) методы  основаны на измерении объема жидкого  реагента, израсходованного на взаимодействие с определяемым веществом.

В зависимости  от типа химической реакции выделяют методы объемного анализа:

протолитометрия  – метод, основанный на протекании реакции нейтрализации;

редоксометрия  – метод, основанный на протекании окислительно-восстановительных реакциях;

 комплексонометрия  – метод, основанный на протекании реакции комплексообразования;

методы осаждения  – методы, основанные на протекании реакций образования осадков.

3.  Кинетические  методы анализа  основаны на  определении зависимости скорости  химической реакции от концентрации реагирующих веществ.

Решение аналитической  задачи осуществляется путем выполнения анализа вещества. По терминологии ИЮПАК  анализом называют процедуру  получения опытным путем данных о химическом составе вещества.

Независимо  от выбранного метода проведение каждого анализа складывается из следующих стадий:

1) отбор пробы  (пробоотбор);

2) подготовка  пробы (пробоподготовка);

3) измерение  (определение);

4) обработка  и оценка результатов измерений.

 

Лекция 2.

 

Совокупность веществ, принимающих участие в данном физико-химическом процессе, называется системой. Система называется гомогенной (однородной), если составляющие ее части с различными свойствами не отделены поверхностью раздела. Примером гомогенной системы является смесь газов (воздуха) и ненасыщенный раствор (раствор сахара).

Гетерогенная (неоднородная) система состоит из одного, двух или нескольких веществ с различными свойствами, отделенных друг от друга поверхностью раздела. Примером гетерогенной системы является насыщенный раствор и выпавший из него осадок. Две несмешивающиеся жидкости (вода — керосин) также образуют гетерогенную систему.

Гомогенная часть системы называется фазой. Фаза — агрегатное состояние вещества; она может быть газообразной, жидкой и твердой. Так, лед, вода и пар представляют собой трехфазную гетерогенную систему.

Ненасыщенный раствор — гомогенная смесь двух или нескольких химических соединений. Составные части раствора называются компонентами. Следовательно, раствор — однофазная (гомогенная) система, состоящая из нескольких компонентов. Компонентами раствора являются растворитель (среда) и растворенное вещество, которое равномерно распределено в растворителе в виде молекул или ионов.

Растворителем обычно считают вещество, которое находится в том же агрегатном состоянии, что и раствор. Например, растворитель — вода, растворенное вещество — сахар. Если вещества, составляющие раствор, имеют одинаковое агрегатное состояние (спирт — вода), то растворителем называют вещество, которое присутствует в большем количестве.

Растворение. Растворение - физико-химический процесс, состоящий в образовании более или менее прочных соединений частиц растворителя и растворенного вещества . Эти соединения называются сольватами, а в частном случае, когда растворитель вода,— гидратами.

Таким образом, растворы занимают промежуточное положение между химическими соединениями и смесями. С одной стороны, растворы, как и химические соединения, однородны; образование растворов сопровождается тепловым эффектом и изменением объема, что свидетельствует о взаимодействии растворенного вещества с растворителем. С другой стороны, в растворах нет стехиометрического соотношения между растворенным веществом и растворителем, т. е. растворы не подчиняются закону постоянства состава; они, как и смеси, могут быть разделены физическими способами на составные части.

Большинство гидратов и сольватов — непрочные соединения, легко разлагающиеся при выделении. Однако сольваты (гидраты) могут быть и прочными соединениями, которые  легко выделить из раствора при кристаллизации. Кристаллы вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами, а вода, входящая в состав кристаллогидрата, — кристаллизационной. Кристаллогидратами являются, например, следующие соединения: CuS04-5H20, CaS04-2H20 и т. п.

Растворимость. Каждое вещество при данной температуре характеризуется определенной растворимостью в воде и других растворителях (спирт, бензол, сероуглерод и др.). В воде могут растворяться твердые вещества (сахар, поваренная соль), жидкости (спирт) и газообразные вещества (аммиак, хлористый водород). По способности растворяться в воде вещества делят на: 1) хорошо растворимые (едкий натр, сахар), 2) малорастворимые (гипс, бертолетова соль) и 3) практически нерастворимые (сульфид меди). Практически нерастворимые вещества часто называют нерастворимыми, хотя абсолютно нерастворимых веществ нет. «Нерастворимыми» обычно называют такие вещества, растворимость которых чрезвычайно мала (1 вес ч, вещества растворяется в 10 000 частей растворителя).

Мерой растворимости вещества служит концентрация его насыщенного   раствора при данной температуре.   Количественно растворимость принято выражать числом граммов вещества, которое при данной температуре можно растворить в 100 г растворителя. Это число называется коэффициентом растворимости или растворимостью вещества. Например, растворимость NaCl в воде при 20°С равна 36,0 г. Если при этой температуре в указанный раствор добавить еще некоторое количество NaCl, то добавленный избыток не растворится и останется в виде осадка. Такой раствор называется насыщенным.

Иногда растворимость выражают числом молей вещества в 1 л раствора (молярная растворимость). Чтобы растворимость, указанную в граммах, выразить в молях, нужно число граммов вещества, находящегося в 1 л раствора при данной температуре, разделить на величину одного моля этого вещества. Например, в 1 л насыщенного раствора содержится 360 г NaCl, 1 моль NaCl равен 58,4 г. Поэтому растворимость, выраженная в молях, равна 360:58,4 = 6,17 моль/л.

По растворимости, выраженной в молях, можно вычислить растворимость в граммах. Для этого значение одного моля данного вещества следует умножить на число молей, находящихся в 1 л раствора.

Раствор, содержащий растворимое вещество в меньшем количестве, чем его содержится в насыщенном растворе (меньше, чем его растворимость), называется ненасыщенным.

Пересыщенный раствор — раствор, в котором растворено количество вещества большее, чем его растворимость. Пересыщенные растворы весьма неустойчивы. Они способны существовать только в отсутствие твердой фазы растворенного вещества. Если в пересыщенный раствор бросить кристаллик того же вещества, которое в нем растворено, то тотчас же вокруг него начнут расти новые кристаллы, и выпадение кристаллов будет продолжаться до тех пор, пока раствор не станет насыщенным. Вызвать кристаллизацию пересыщенного раствора можно также встряхиванием его или трением стеклянной палочкой о внутренние стенки стеклянного сосуда с раствором.

Говоря о растворимости вещества, всегда нужно указывать температуру. Растворимость твердых веществ с повышением температуры большей частью увеличивается. Если получить насыщенный раствор при высокой температуре, а потом этот раствор охладить, то из него начнут выделяться кристаллы вещества.

Выпадение вещества из раствора при понижении температуры называется кристаллизацией. В результате кристаллизации получается более чистое вещество, даже если в растворе и содержатся примеси. Это связано с тем, что примеси не выпадают в осадок, так как раствор по отношению к ним не является насыщенным. На этом основан метод очистки твердого вещества, называемый перекристаллизацией.

 

Лекция 3.

1. Электролитическая  диссоциация 

Все вещества делятся  на электролиты и неэлектролиты. Электролиты характеризуются тем, что их расплавы и водные растворы проводят электрический ток, тогда  как растворы и расплавы неэлектролита  электрический ток не проводят. К  электролитам относятся соли, кислоты и основания. К неэлектролитам — большинство органических соединений, например сахар, глюкоза и др.

Шведский ученый С. Аррениус в конце XIX в. предложил  теорию электролитической диссоциации. Сущность этой теории состоит в следующем:

1. При растворении в воде электролиты распадаются (диссоциируют) на положительные и отрицательные частицы, которые называются ионами. Ион — это атом или группа атомов, несущие электрический заряд. Каждый электролит распадается на два вида ионов: катионы — ионы с положительным зарядом и анионы — ионы с отрицательным зарядом.

2. При прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита положительные ионы (катионы) движутся к катоду, а отрицательные (анионы) — к аноду. У электродов ионы разряжаются и превращаются в атомы или молекулы.