andruhova

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: цвет, фазовое состояние, плотность, вязкость, температуры плавления, кипения и фазового перехода, растворимость, электродный потенциал, энергия ионизации и др. Для облегчения идентификации созданы банки химических и физико-химических данных. При анализе многокомпонентных веществ всё более используются универсальные приборы (спектрометры, спектрофотометры, хроматографы, полярографы и др.), снабженные компьютерами, в памяти которых имеется справочная химико-аналитическая информация. На базе этих универсальных установок создается автоматизированная система анализа и обработки информации.

Обнаруживают вещества с помощью химических реакций или по физическим аналитическим свойствам. В соответствии с этим различают

химические и физические методы качественного анализа (Таблица 13.1).

Рассмотрим химические методы анализа. Анализируемые вещества могут быть в твердом, жидком и газообразном агрегатных состояниях. В зависимости от этого меняется методика проведения качественных реакций, которые могут выполняться с сухими веществами и в растворах.

С сухими веществами проводят пирохимические реакции – пробы окрашивания пламени, получение окрашенных стекол или «перлов» (стекловидный полимер), металлических «корольков» (блестящий кусочек сплавленного металла или губчатая масса), а также применяют растирание веществ с твердым реактивом.

191

В практике качественного анализа наибольшее распространение получили реакции, происходящие в растворах. Вещества сначала переводят в раствор, затем проводят качественные реакции, которые сопровождаются различным аналитическим эффектом: выпадением или растворением осадка, образованием кристаллов определенной формы, образованием или изменением окраски, экстракцией окрашенных веществ, выделением газов. В

соответствии с этим различают осадочные, цветные, экстракционные,

микрокристаллоскопические, газообразующие реакции.

Таблица 1. Методы качественного химического анализа

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

192

Групповыми осадителями для ионов Ag+, Pb2+, Hg2+ служит NaCl; для ионов Ca2+, Sr2+, Ba2+ - (NH4)2CO3; для ионов Al3+, Cr3+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Co2+, Ni2+, Zn2+ и др. - (NH4)2S. Анионы обычно классифицируются по растворимости солей, либо по окислительно-восстановительным свойствам.

Так многие анионы (SO42-, SO32-, CO32-, SiO32-, F-, PO43-, CrO42-, и др.) имеют групповой реагент ВаСl2 в нейтральной или слабокислой среде, так как соли бария и этих анионов мало растворимы в воде. Групповым реагентом в растворе HNO3 на ионы Cl-, Br-, I-, SCN-, CN-, S2-, ClO-, [Fe(CN)6]4- и др.

служит AgNO3.

Примером цветной реакции является обнаружение йода раствором крахмала, который приобретает синий цвет в присутствии I2. Имеется много органических и неорганических реагентов, образующих осадки или окрашенные комплексные соединения с катионами. Катионы Pb2+ обнаруживают осадочной реакцией с иодидом калия. При этом образуется осадок PbI2, имеющий золотисто-желтый цвет.

Микрокристаллоскопические реакции применяют при обнаружении катионов K+, Na+, Mg2+.

Выделение газов используется при обнаружении соединений аммония, сероводорода, угольной кислоты.

Имеются некоторые реакции, которые позволяют обнаружить то или иное вещество или ион в присутствии других веществ или других ионов. Такие реакции называются специфическими. Примером таких реакций могут быть обнаружение ионов NH4+ действием щелочи или нагреванием

NH4Cl + NaOH = NH3↑ + H2O + NaCl

Реакция йода с крахмалом с темно-синем окрашиванием, обнаружение NO 2 с помощью реакции со смесью сульфаниловой кислоты H[SO3C6H4NH2] и ά- нафтиламина C10H7NH2, в результате которой появляется красное окрашивание.

Однако в большинстве случаев реакции обнаружения вещества не являются специфическими, поэтому мешающие идентификации вещества

193

В качественном анализе применяются только те реакции, пределы обнаружения которых не превышают 50 мкг.

Таким образом, химическая идентификация вещества базируется в основном на реакциях осаждения, комплексообразования, окисления и восстановления, нейтрализации, при которых происходит выпадение белого или окрашенного осадка, изменение цвета раствора или выделение газообразных веществ.

Из физических методов качественного анализа наибольшее развитие получил спектральный анализ, с помощью которого наблюдают спектры поглощения или испускания вещества. По характеру спектров делают заключение о веществе. Обнаружение ионов и веществ возможно также полярографическим путем, когда присутствие вещества определяют по электрохимическим явлениям, возникающим в растворе.

При анализе смесей часто применяют хроматографические и экстракционные способы их разделения. В хроматографическом анализе используют различную способность веществ к адсорбции или распределяться между несмешивающимися жидкостями.

Чистота веществ. Так как свойства вещества зависят от его чистоты, необходимо кратко остановиться на этом вопросе. Элементное вещество или соединение содержит основной (главный) компонент и примеси (посторонние вещества). Если примеси содержатся в очень малых количествах, то их называют «следами». Вещество называется высокочистым при содержании примесей не более 10-4-10-3 % (мол. доли) и особо чистым (ультрачистым) при содержании примесей ниже 10-7% (мол. доли ). Имеется и другое определение особо чистых веществ, согласно которому они содержат примеси в таких количествах, которые не влияют на основные специфические свойства веществ. Например, особо чистые редкоземельные

195

металлы содержат примесей не более 10-1 % (ат. доли), в то время как особо чистый (полупроводниковый) германий – не более 10-7 % (ат. доли). Поэтому значение имеет не любая примесь, а примеси, оказывающие влияние на свойства чистого вещества. Такие примеси называются лимитирующими или контролирующими примесями.

В нашей стране особо чистым веществам присваиваются определенные марки, которыми характеризуют число видов и логарифм массовой доли лимитирующих примесей (%). Например, марка ОСЧ8-6 означает, что вещество особой чистоты содержит 8 видов лимитирующих примесей, причем суммарная их концентрация не превышает 10-6 % (масс. долей). При наличии органических примесей их обозначают индексом «ОП» и указывают логарифм их массовой доли (%). Например, марка ОП-5-ОСЧ означает, что суммарное содержание органических примесей не превышает 10-5 % (масс. долей).

13.3. МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА

Определение содержания (концентрации, массы и т.п.) компонентов в анализируемом веществе называется количественным анализом.

С помощью количественного анализа выявляют массовые соотношения компонентов в анализируемом образце, концентрацию вещества в растворе или в газе. При количественном анализе измеряют те или иные химические, физико-химические и физические параметры анализируемого образца, которые зависят от его состава или содержания того или иного компонента. В большинстве методов полученные при анализе результаты сравнивают со свойствами известных веществ. Результаты анализа обычно выражают в массовых долях, в %.

Количественный анализ проводят в определенной последовательности, в которую входит отбор и подготовка проб, проведения анализа, обработка и

196

расчет результатов анализа. Как и в качественном анализе, различают макрометоды, полумикрометоды, микро- и ультрамикрометоды.

Количественный анализ широко используется для изучения состава руд, металлов, неорганических и органических соединений. В последние годы особое внимание обращается на определение содержания токсичных веществ в воздухе, водоемах, почвах, в продуктах питания, различных товарах.

Классификация методов. Все методы количественного анализа можно разделить на две большие группы: химические и инструментальные. Это разделение условно, так как многие инструментальные методы основаны на использовании химических законов и свойств веществ.

Химические методы количественного анализа

1. Гравиметрический, основанный на точном измерении массы определяемого вещества или его составных частей, выделяемых в виде соединений точно известного постоянного состава. Гравиметрические определения можно разделить на три группы:

Методы осаждения. Эти методы заключаются в осаждении определяемого компонента в виде малорастворимого химического соединения, фильтровании, прокаливании до постоянной массы и определении массы полученного вещества.

Методы отгонки. Анализируемый компонент выделяют в виде газа, который взаимодействует с реактивом. По изменению массы реактива судят о содержании определяемого компонента в навеске. Например, содержание карбонатов в породе можно определить путем воздействия на анализируемый образец кислотой, в результате которого выделяется СО2:

СО2-3 + 2Н+↔ Н2СО3 ↔ Н2О + СО2 Количество выделившегося СО2 можно определить по изменению массы вещества, например СаО, с которым реагирует СО2.

197

Методы выделения, к которым относится электрогравиметрический метод, при котором определяемый металл, например медь, осаждают на катоде (платиновой сетке). По разности массы катода до и после электролиза определяют массу металла в анализируемом растворе.

2. Титриметрические, основанные на измерении количества реагента В, затраченного на реакцию с определяемым компонентом А.

Для этих целей используют так называемые титрованные растворы, концентрация которых (обычно титр раствора) известны. Титр – масса вещества, содержащегося в 1 мл (1 см3) титрованного раствора (в г/мл и г/см3). Определение проводят способом титрования, т.е. постепенного приливания титрованного раствора к раствору анализируемого вещества, объём которого точно измерен. Титрование прекращается при достижении точки эквивалентности, т.е. достижения эквивалентности реагента титруемого раствора и анализируемого компонента.

Существует несколько разновидностей титриметрического анализа:

•Кислотно-основное титрование

•Осадительное титрование

•Комлексонометрическое титрование

•Окислительно-восстановительное титрование.

Инструментальные методы количественного анализа

Инструментальные методы анализа обладают многими достоинствами: быстротой, высокой чувствительностью, возможностью одновременного определения нескольких компонентов, сочетания нескольких методов, автоматизации и использования компьютеров для обработки результатов анализа.

В этих методах используются физические и физико-химические свойства веществ, которые фиксируются регистрирующей аппаратурой.

198

анализируемой смеси при взаимодействии с реактивами, нанесенными на носитель. Распределительная хроматография базируется на различном распределении веществ между двумя несмешивающимися жидкостями.

Хроматография не только метод разделения, а также важный метод идентификации и определения веществ. К достоинствам хроматографического метода анализа относятся быстрота и надежность, возможность определения нескольких компонентов смеси или раствора.

3.Оптические методы анализа. Эти методы основаны на измерении оптических свойств веществ и излучений, взаимодействия электромагнитного излучения с атомами или молекулами анализируемого вещества, вызывающего излучение, поглощение или отражение лучей. Они включают в себя эмиссионные, люминесцентные и абсорбционные

спектральные методы.

Эмиссионные спектральные методы анализа основаны на изучении спектров излучения. В методе эмиссионной спектроскопии проба вещества нагревается до очень высоких температур (2000 – 15000 0С). Вещество, испаряясь, диссоциирует на атомы или ионы, которые дают излучение. Проходя через спектрограф, излучение разлагается на компоненты в виде спектра цветных линий. Сравнение этого спектра со справочными данными о спектрах элементов позволяет определить вид элемента, а по интенсивности спектральных линий – количество вещества. Метод дает возможность определять микро- и ультрамикроколичества вещества, анализировать несколько элементов, причем за короткое время. Разновидностью эмиссионного анализа является эмиссионная плазменная фотометрия, в

которой исследуемый раствор вводят в бесцветное пламя горелки. По изменению цвета пламени судят о виде вещества, а по интенсивности окрашивания пламени – о концентрации вещества. Метод в основном используется для анализа щелочных, щелочно-земельных металлов и магния.

Люминесцентными называются методы, основанные на свечении анализируемого вещества под воздействием ультрафиолетовых

200