Сапалық анализ. Катиондар мен аниондардың жіктелуі

Тақырыбы: Сапалық анализ. Катиондар мен аниондардың жіктелуі..

 

Мақсаты: сапалық талдау және оның жіктелуі, жүйелі және бөлшектеу анализ туралы негізгі ұғымды қалыптастыру, катиондар мен аниондардың қышқылдық-негіздік әдісі бойынша жіктелуі.

Дәріс жоспары:

1. Сапалық анализ әдістерінің жіктелуі
2. Сапалық анализдің негізгі түсініктері.
3. Сапалық аналитикалық реакциялардың орындалу жағдайлары.
4. Бөлшектік анализ.
5. Жүйелі анализ және оның түрлері.
6. Катиондардың жіктелуі. Топтық реагенттер.
7. Аниондардың жіктелуі. Топтық реагенттер.

Дәріс тезистері:

1 Сапалық химиялық анализ әдістерінің жіктелуі

Сапалық анализ әдістері химиялық, физикалы-химиялық және физикалық болып бөлінеді.

Физикалық әдіс элементтің, ионның тұрақты физикалық қасиеттеріне-түр-түсіне, спектріне, тығыздығына т.б. негізделген. Бұл әдіске спектрлік, рентгенқұрылымдық, масс-спектрометриялық анализдері жатады.

Физикалы-химиялық әдіспен анализ жасаған кезде, алдымен химиялық реакция жүргізіп анықталатын затқа тән айрықша қосылыс алынады. Содан соң оны физикалық әдіспен зерттейді. Бұл әдістерге жатады: полярография, хроматография және т.б.

Осы екі әдіс үшін химиялық препараттармен қатар арнайы аспаптар, электр тогі т.б. құралдар қажет. Соған орай бұл  әдістермен тек тұрақты зертханалық  жағдайда ғана анализ жасауға болады.

Химиялық әдіс заттар арасында жүретін химиялық реакцияға негізделген. Бұл реакциялар кезінде әр затқа (элементке, ионға) тән айрықша не тұнба, не түсті қосылыс, не газ түзілуі тиіс. Айрықша қосылыс түзетін реакциялар аналитикалық деп аталады. Химиялық әдіспен жүргізу үшін қажет реактивтер мен ыдыстар болса болғаны. Сондықтан бұл әдіс көмегімен кез келген жерлерде анализ жүргізуге болады.

Сапалық анализдің химиялық әдістері

 

Қатты заттар арасындағы                                      Ерітіндідегі реакция

реакция («құрғақ анализ»)                                   («сулы анализ»)                                                                              

жоғары  температурада

қалыпты температурада

макро-        химиялық

жартылай микро- химиялық

микро- химиялық

                                                                          

Бурамен балқытқан кезде моншақтар п.б.

Жалынның   боялуы

Күкірттісутектік

Аммиакты  -фосфаттық

Қышқылды- сілтілік

Тамшылағыш

Микрокристал-лоскопиялық

       

Микрокристаллоскопиялық әдіс нәтижесінде тән пішінді кристалдар түзілетін реакциялар арқылы микроскоптың көмегімен компонентті анықтауға негізделген. Мысалы, ерітіндіде өте аз мөлшерде болатын сілтілік және сілтілік-жер металдардың катиондары осылай анықталады.

Аналитикалық  реакциялар құрғақ түрінде және ерітінділерде жүргізілуі мүмкін. Құрғақ әдіс үшін зерттелетін зат пен реагент қатты түрінде алынады да, жоғары температураға дейін қыздырылады. Құрғақ әдіске жалын түсінің өзгеруі жатады – пирохимиялық әдістер. Мысалы, натрий тұздарын платина сымдары арқылы түссіз газ жалынына ұстағанда оның түсі ашық сары түске, калий тұздары таңқурай түске, барий тұздары жасыл түске жалынды бояйды.

Құрғақ немесе сұйық татпаны жанарғы жалынына орналастыру, татпаны басқа құрғақ затпен араластырып үгу, перлалар даярлау және т.б. құрғақ реакциялар қатарына жатады. Құрғақ жолмен жүретін реакцияларға бура немесе соданың көмегімен боялған шынылардың (перлалар) түзілуі жатады. Кейбір элементтердің балқытқыштың біреуімен қорытылып, өзіне тән түсі бар шыны тәрізді түйіршіктер, мысалы, Cr³⁺ жасыл, ал Со²⁺ көк перлалар түзеді. Құрғақ әдістің көмегімен көбінесе қосымша, алдын – ала өткізілетін зерттеулерді жүргізеді.

Жалпы сапалық  анализде көбінесе құрғақ әдіс емес, ерітінділерде жүргізілетін әдіс қолданылады. Сондықтан зерттелетін заттар мен реагенттерді еріткіштер арқылы еріту қажет.

Еріткіштер  ретінде дистилденген су, қышқыл ерітінділері (және т.б.), патша арағы, сілті ерітінділері және т.с.с. пайдаланады. Анализденетін зат еш қандай еріткіште ерімейтін болса, оны еріту үшін ол қандай болмасын бір балқытқышпен қосып қорытылады.

Микроанализ микрокристаллоскопиялық  немесе тамшы реакциялар арқылы орындалады. Көбінесе тамшы әдісін сүзгі қағаздарында орындайды. Ол үшін қағазға зерттелетін зат пен реагентті бірінен соң бірін тамшылатып қосады. Реакция нәтижесінде сүзгі қағазында боялған дақ қалады. Дақтың түсіне байланысты ерітіндіде қандай иондар бар екенін анықтауға болады. Жартылай микроанализ үшін жуықтап алғанда қатты заттар мөлшері 50 мг, ал ерітінділер 1мл болуы шарт. Жартылай микроанализде макроанализдегі жүргізетін бөлу әдістері сақтала отырып, бұл операциялардың бәрі заттардың өте аз мөлшермен орындалады.

2. Сапалық анализдің негізгі түсініктері

Иондарды табу үшін әртүрлі сыртқы өзгерістермен жүретін реакцияларды қолданады, мысалы тұнбаның түзілуі немесе еруі, ерітіндінің түсі өзгеруі, газдың бөлінуі; яғни зерттелетін ионды сыртқы түрі мен тән қасиеттері жақсы танымал қосылысқа айналдыру. Бұл кезде жүретін химиялық өзгерістерді аналитикалық реакция деп аталады.

Сапалық анализде аналитикалық реакциялардың қолдану  аймағына қарай топтық және жеке (сипаттамалы) деп бөлінеді.

Қандай-да болмасын ион үшін тән  реакция, сол ионның жеке реакциясы  деп аталады. Мысалы, K₄[Fe(CN)₆] темір Fe³⁺ ионның реактивіне жатады, ал 

4Fe³⁺ + [Fe(CN)₆]^4- = Fe₄[Fe(CN)₆]₃↓

реакциясы  – осы ионның жеке реакциясы деп аталады.

Иондарды табу үщін қолданылатын заттар осы иондарға реактивтер болып есепталеді. Аналитикалық рекацияларды іске асыру үшін қолданылатын реактивтер арнайы, талғампазды (селективті) және топтық болып бөлінеді.

Талғампазды (селективті) реактивтер бір немесе бірнеше топтарға жататын бір қатар иондармен әрекеттесе алады. Мысалы, КI реактиві Pb²⁺, Ag⁺, Hg₂²⁺ иондарымен (II топ), сонымен қатар Hg²⁺ және Cu²⁺ иондарымен (IV топ) әрекеттеседі.

Топтық реакция көмегімен күрделі қоспадан аналитикалық деп аталатын заттардың кейбір топтарын бөліп алады. Мысалы, күкірттісутектік анализ әдісінде катиондарды келесі топтық реактивтер бөледі: НСІ – V, (NH₄)₂S – III, (NH₄)₂CO₃ – II аналитикалық топтар элементтеріне. Бұл топтық реагенттер берілген топтың элементтерін анықтауға мүмкіндік жасайды. Анализ жүйелілікпен жүргенде олар аналитикалық топты басқалардан толық айыруға заттардың іздік мөлшерін концентрлеу үшін, анализдің барысында кедергі жасайтын топтар немесе элементтерді айыру үшін қолданылады.

Реактивтің  құрамына байланысты бейорганикалық және органикалық болуы мүмкін. Реактивтердің  тазалық дәрежесі бойынша: химиялық таза (х.т.), анализ үшін таза (а.ү.т.), таза (т) және техникалық болып бөлінеді. Зертханаларда басым көпшілігінде а.ү.т. қолданады.

Аналитикалық  реакция белгілі бір талаптарға жауап беру керек. Ол тым баяу жүрмеу қажет және орындалу бойынша қарапайым  болғаны абзал. Химиялық анализ фармация өндірісінде көп қолданылады. Бірақ бұл анализдер әр уақытта керекке жарай бермейді, себебі қазіргі заманда аналитикалық реакцияға қойылатын талаптар өте жоғары, яғни реакцияның сезімталдылығы, шапшандығы, қарапыйымдылығы, дәлдігі, анықтау шегінің неғұрлым төмен болуы ескерледі. Аналитикалық реакцияларға қойылатын талаптардың ең маңыздысы: ерекшілік пен сезімталдылық.

Реакцияның сезімталдылығы анықталатын зат пен ионды табуға сенімді аналитикалық эффекті бере алатындай қабілеттін болуымен анықталады. Реакцияның сезімталдылығын өрнектеудің бірнеше тәсілдері бар:

1. Анықталу шегі (минимум) m – берілген  реакция бойынша ионның анықталатын  ең аз микрограмм саны.

2. Минималды концентрация С_Iіm – көрінетін нәтижені бере алатын ерітіндінің ең төмен концентрациясы анықталатын 1г ионның еріткіштің ең үлкен көлеміне (грамм санына) қатынасы.

Мысалы: Cu²⁺ және NH₃ ерітіндісімен реакциясы үшін минималды сұйылту 1:250000, ол дегенің құрамы 1 г  Cu²⁺ 250000см³ болғаны, бұл жағдайда әліде болса мыс ионын ашуға болады.

m=CV·10⁶                  C=m/V·10⁶           V – ерітінді көлемі, см³

Анықталу шегі С_min –1см³ ерітінді ішіндегі ионның грамм санын көрсетеді. Сезімталдылықтың көрсеткіші дегеніміз (рD) анықталу шегінің теріс логарифмі. Сезімталдылықтың бір түрі белгілі болса қалғанын оңай есептеуге болады.

m = С_min V· 10⁶, мұндағы V-шекті концентрацияның ең кіші көлемі, (көбінесе бір тамшының көлемі – 0,02-0,05мл)

С_min = 1:W, олай болса W= V·10⁶/m

Сондықтан С_min = 1/W      рD = -Ig С_min 

Жалпы сапалық анализде концентрацияның  шегі 1:10³ нен 1:5·10⁷ және сезімталдылықтың көрсеткіші 3-8 ортасында кездеседі. Реакциялардың сезімталдылығын салыстырғанда неғұрлым m мен С_min кіші, W мен pD көп болса, солғұрлым сезімталдылық жоғары болады және сезімталдылық реакцияның ортасына, яғни рН мөлшеріне, ион күшіне, иондардың белсенділігіне, ерітіндінің көлеміне тағы да басқа фактілерге байланысты болады.

3. Аналитикалық реакцияларды жүргізу жағдайлары

Аналитикалық реакцияларды жүргізу  үшін белгілі жағдайлар туғызу керек. Мысалы, кейбір жағдайларда қышқылда еритін тұнбалар, қышқылдың артық  мөлшерінде ерімейді. Тура солай негіздерде еритін тұнбалар, негіздік ортада түзілмейді. Реакцияның жүруіне тек орта ғана емес, сонымен қатар температураның да әсері бар. Температураны жоғарлатқан сайын тұнбаның ерігіштігі артады, сондықтан ыстық ерітіндіден тұнба алуға болмайды.

Реакцияның жүруіне ерітіндінің  концентрациясының да тигізетін  әсері мол. Егер іздеп отырған ионның концентрациясы аз болса, реакция жүрмейді. Бірақ ерітіндіде белгілі температурада иондар концентрациясының көбейтіндісі оның ерігіштік көбейтіндісінен артық болса, тұнба түзіледі.

Егер зат берілген еріткіште  аз еритін болса, онда оның ерітіндідегі мөлшері аз болса да тұнба түзіледі-бұл реакцияны талғамды реакция деп атайды. Егер заттың ерігіштігі жақсы болса, онда реакцияның талғамдылығы аз болғаны, бұл жағдайларда еріген заттың мөлшері көп болуы керек. Реакцияға органикалық заттар қосу арқылы оның талғамдылығын арттыруға болады.

Сапалық реакцияларды орындағанда  олар жүру үшін белгілі жағдай жасау  қажет:

• ерітіндінің тиісті ортасын, рН (мысалы, қышқылда еритін тұнба қышқыл ерітінділерден тұнбаға түспейді, тұндырғыштың артық мөлшерінде немесе ерітіндіде комплекстеуші заттар болғанда ери алады)
• берілген жағдайда тұнбаның ерігіштігін арттыру үшін анықталатын, ионның концентрациясы жеткілікті болу қажет,
• тиісті температура және т.с.с.

Бейорганикалық қосылыстардың  сапалық анализінің негізгі мәселесі химиялық құрамын анықтау, яғни анықталатын татпадағы катиондар мен аниондарды табу болып табылады. Сапалық анализдің химиялық әдістерінде анықталатын компонентті (атомдар, иондар, молекулалар) өзіне тән қасиеті бар тиісті қосылыстарға өткізеді: тұнбаға түсу, түсінің өзгеруі, газдың бөлініп шығуы, тән кристалдардың түзілуі және т.с.с., бұл дәл осы компоненттің барлығын бір мәнділікпен анықтауға мүмкіндік береді.

4. Жүйелі және бөлшектеу анализ әдістері.

Катиондарды топтарға бөлу

Бейорганикалық заттардың сапалық анализін жүргізу үшін, оны ерітіндіге айналдырады содан соң катиондар мен аниондар анықталады.

Егер анализденетін ерітіндінің  құрамы белгісіз әрі күрделі болса, онда катиондар мен аниондарды зерттеу  үшін жүйелі анализ әдісі қолданылады.

Егер ерітіндінің құрамы қарапайым болса, анализді бөлшектеу әдісімен жүргізуге болады.

Анализдің бөлшектеу әдісі Д.И. Менделеевтің периодтық жүйесіне сүйенеді. Барлық катиондар үш топқа бөлінеді, оған s,p,d- элементтері де кіреді. Бөлшектеу  анализінде басқа иондар қатысында зерттелетін ерітіндінің жеке ионын анықтауға тән реакциялар мен реактивтер қолданылады. 

    Жүйелі анализді  орындағанда операциялардың жасалуының бірізділігін сақтайды, алдымен заттарды топтарға бөледі, содан соң әрбір затты топ ішінен бөліп, анықтайды. Ол үшін қосылыстар немесе иондар қасиетінің ұқсастығына негізделген бөлу реакцияларын пайдаланады. Заттарды топтарға бөлу топтық реагенттермен әсер етіп жасалады.

Анализдің жүйелі әдісінің аталуы топтық реагентпен анықталады.

Әрбір жүйелі әдістер өзінің аналитикалық топтардың катиондарына жіктеледі.  Әрбір катиондардың тобында, сол топтың барлық катиондармен әрекеттесетін, ұсынылған топтың катиондарын айқын бөліп алатын  және оның құрамына  кіретін катиондарды анықтайтын өзінің топтық реактиві болады.

Жүйелі анализ әдістердің бірнеше  түрі бар. Күкіртсутекті әдіс  H₂S-пен тұздардың әрекеттесу кезінде сульфидтердің түзілуіне негізделген. Қазіргі кезде күкіртсутексіз әдістерді кеңінен қолданады: қышқылды-негіздік және аммиакты-фосфатты әдістерді.