Добавил:
kiopkiopkiop18@yandex.ru Вовсе не секретарь, но почту проверяю Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

1 курс / Химия / Kharitonov_Yu_Ya_-_Analiticheskaya_khimia_2_chast

.pdf
Скачиваний:
36
Добавлен:
23.03.2024
Размер:
19.67 Mб
Скачать

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ ММАим.И.М. Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

Ю .Я. Харитонов

Аналитическая

Аналитика

В двух книгах

Количественныйанализ Физико-химические(инструментальные) методыанализа

Издание второе, исправленное

Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации

в качестве учебника для студетов высших учебных заведений, обучающихся

по фармацевтическим и нехимическим специальностям

М осква «Высшая школа» 2003

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ ММАим.И.М. Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

УДК 543 ББК 24.4

X 20

Р е ц е н зе н т ы :

кафедра аналитической химии Тюменской государственной медицинской академии (зав. кафедрой проф. А.И. Сичко) и проф. А.С. Берлянд (Московский государственный медико-стоматологический университет)

Харитонов, Ю.Я.

X 20 Аналитическая химия (аналитика). В 2 кн. Кн. 2. Количест­ венный анализ. Физико-химические (инструментальные) мето­ ды анализа: Учеб, для вузов. — 2-е изд., испр. — М.: Высш. шк., 2003. — 559 с.: ил.

ISBN 5-06-003965-Х

Рассмотрены основы гравиметрического, химических титриметрических методов анализа (кислотно-основное, окислительно-восстановительное, комплексиметрическое, включая комплексонометрию, осадительное титрование, титрование в неводных средах), физико-химических и физических методов: оп­ тических (колориметрия, фотоэлектроколориметрия, спектрофотометрия, флуориметрия), хроматографических (ионообменная, газо-жидкостная, высокоэф­ фективная жидкостная хроматография), электрохимических (кондуктометрия, потенциометрия, полярография, амперометрия, кулонометрия). Охарактеризова­ ны способы статистической обработки результатов количественного анализа. Приведены примеры с решениями и задачи.

Для студентов высшихучебных заведений, обучающихся по фармацевтиче­ ским и нехимическим специальностям.

УДК 543 ББК 24.4

ISBN 5-06-003965-Х (кн. 2) © ФГУП «Издательство «Высшая школа», 2003

ISBN 5-06-003966-8

Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Высшая школа», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия изда­ тельства запрещается.

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ ММАим.И.М. Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

Светлой памяти Валерии Косвиной, безвременно ушедшей из жизни, посвящается

Предисловие

Вторая книга учебника «Аналитическая химия (аналитика)» является продолжением первой книги, которая включает разделы: «Общие теоре­ тические основы. Качественный анализ». Содержание второй книги пол­ ностью соответствует вузовской программе по аналитической химии с курсом инструментальных методов анализа для студентов в части, ка­ сающейся двух разделов аналитической химии — основ количественного химического анализа и физико-химических (инструментальных) методов анализа.

Рассмотрены гравиметрический, химические титриметрические ме­ тоды анализа (кислотно-основное, окислительно-восстановительное, комплексиметрическое (включая комплексонометрию), осадительное титро­ вание; титрование в неводных средах). Охарактеризованы различные фи­ зико-химические и физические методы: оптические (колориметрия, фотоэлектрокоЛориметрия, спектрофотометрия, люминесцентный анализ), хроматографические (газожидкостная, высокоэффективная жидкостная хроматография), электрохимические (кондуктометрия, потенциометрия, полярография, амперометрия, кулонометрия). Освещены способы стати­ стической обработки результатов количественного анализа. Приведены примеры с решениями и задачи.

Вместе обе книги целостно представляют курс аналитической химии (аналитики) в сравнительно немалом объеме, предусмотренном для ее освоения в вузе учебными планами. Например, для студентов фармацев­ тических специальностей эти планы регламентируют в настоящее время (2001 г.) 378 учебных часов, из них 252 — аудиторных (72 часа лекций и 180 часов лабораторных занятий).

Вместе с тем изложение материала дано, по необходимости, лако­ нично, раскрывая преимущественно основы соответствующих методов. Подробное описание приборов и инструментов не приводится, поскольку многие страны выпускают аналитические приборы самых различных конструкций.

Должное внимание уделено приложениям принципов теории вероят­ ности (теории ошибок) к обработке результатов количественного анали­

з

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ ММАим.И.М. Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

за, оценке правильности и воспроизводимости аналитических методик, что иллюстрируется конкретными примерами.

Список литературы включает ограниченное число источников; более подробную библиографию можно найти в цитированных изданиях.

Выражаю искреннюю благодарность рецензентам.

Автор

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ ММАим.И.М. Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

Количественный химический анализ

Лишь строгая количественная экспери­ ментальная проверка позволяет оценить справедливость и общность теории.

Г. П. Гладышев президент Между­ народной академии творчества («Термоди­ намическая теория эволюции живых су­ ществ», 1996 г.)

Глава 1

Введение в количественный анализ

1.1. Количественный анализ

Задача количественного анализа в общих чертах состоит в получе­ нии необходимых количественных данных об отдельных составных час­ тях системы, т. е. в количественном определении в анализируемом образце содержания основного компонента, составных частей или примесей.

Рекомендуемая формулировка (предложена в Журнале аналитиче­ ской химии еще в 1975 г.): количественный анализ вещества экспери­ ментальное определение (измерение) концентрации (количества) хими­ ческих элементов (соединений) или их форм в анализируемом веществе, выраженное в виде границ доверительного интервала или числа с указа­ нием стандартного отклонения.

Количественный анализ широко применяется в фармацевтическом анализе и является составной частью фармакопейного анализа всякого лекарственного препарата.

5

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ ММАим.И.М. Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

1.2. Классификация методов количественного анализа

Обычно методы количественного анализа классифицируют следующим образом: химические, физико-химические, физические, биологические.

Химические методы анализа включают гравиметрические (весо­ вые) и титриметричеекие (объемные) методы.

Гравиметрические методы основаны на точном измерении массы оп­ ределяемого компонента пробы, отделенного от остальных компонентов системы, в элементном виде (т. е. в устойчивой форме данного химического элемента) или в виде соединения с точно известным составом. Гравиметри­ ческие методы обладают простотой выполнения, высокой точностью и вос­ производимостью, однако довольно трудоемки и продолжительны.

Титриметричеекие методы основаны на измерении объема или массы реагента (титранта), затраченных на реакцию с определяемым веществом (анализ, основанный на титровании). Методы обладают простотой, высокой точностью и воспроизводимостью, однако в большинстве случаев требуют применения индикаторов для определения конца титрования.

Физико-химические и физические (инструментальные) методы анализа включают оптические, хроматографические, электрохимичес­ кие и некоторые другие (например, радиометрические, термические, масс-спектрометрические, пикнометрические, ультразвуковые и т. д.).

Кдостоинствам инструментальных методов анализа относятся: низ­ кие предел обнаружения (1— 10“9 мкг) и предельная концентрация (до ~10“|Г г/мл) определяемого вещества; селективность (можно определять составные компоненты смеси без их разделения и выделения); быстрота проведения анализов, возможность их автоматизации и компьютериза­ ции; объективность результатов.

Кнедостаткам следует отнести сравнительно большую ошибку оп­ ределения (порядка ~5%; в ряде случаев — до 20%, в то время как при химическом анализе ошибка определения обычно составляет —0,1—0,5%),

атакже сложность применяемой аппаратуры и ее высокую стоимость. Биологические методы анализа обычно не рассматриваются в кур­

се аналитической химии (они изучаются в курсах фармакологии, биохи­ мии, биологии).

1.3.Требования, предъявляемые к реакциям

вколичественном анализе

Химические аналитические реакции, применяемые в количествен­ ном химическом анализе, должны отвечать определенным требованиям, важнейшими из которых являются следующие.

6

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ ММАим.И.М. Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

а) Реакции должны протекать быстро, до конца, по возможности, — при комнатной температуре.

б) Исходные вещества, вступающие в реакцию, должны реагировать

встрого определенных количественных соотношениях (стехиометрически)

ибез побочных процессов.

в) Примеси не должны мешать проведению количественного анализа. Эти общие требования конкретизируются, дополняются и уточняют­

ся при использовании различных методов и методик химического коли­ чественного анализа.

1.4. Статистическая обработка результатов количественного анализа

При проведении количественного анализа обычно измеряют или оп­ ределяют расчетным путем на основании проведенных измерений раз­ личные физические величины: массу вещества, концентрацию раствора, объем жидкости, интенсивность окраски вещества, оптическую плот­ ность среды, окислительно-восстановительные потенциалы, показатели преломления света и другие аналитические сигналы.

Все без исключения физические величины измеряются с некоторой ошибкой (погрешностью). Невозможно измерить какую-либо физиче­ скую величину точно (да и сам термин «точно» неясен и должен быть конкретно определен). Поэтому при проведении количественного анали­ за и соответствующих расчетов необходимо в количественной форме (численно) учесть ошибки определения.

Источники ошибок могут быть самыми разнообразными.

Если при проведении количественного анализа допущены сущест­ венные отступления от методики или явные ее нарушения, то анализ не­ обходимо повторить заново, отбросив явно неправильные результаты.

Повторить некорректно проведенный анализ это непременное правило.

Один из основателей химического анализа немецкий ученый Карл Ремигиус Фрезениус (1818— 1897), начавший свою деятельность учени­ ком фармацевта, писал (в 1847 г.):

«Каждый аналитик всегда сомневается в точности полученных ре­ зультатов, а иногда и заведомо знает, что они неверны. Он может пролить несколько капель раствора или сделать какую-либо другую ошибку. Единственное, что должен сделать аналитик в такой ситуации, — это повторить анализ; оценивать потерю на глаз или вносить поправку недо­ пустимо. Тот, у кого на это не хватит силы воли, не годится в аналитики, даже если он хорошо владеет техникой анализа и обладает достаточными

7

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ ММАим.И.М. Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

знаниями. Химик, который не может поклясться, что результаты его ра­ бот надежны и достоверны, не должен их публиковать, ибо если он все же сделает это, то причинит вред не только себе, но и всей науке».

Однако даже если строго соблюдены все требования, предусмотрен­ ные методикой, результаты отдельных независимых анализов одного и того же объекта все равно, как правило, несколько различаются. Эти раз­ личия целесообразно оценить количественно, чтобы понять, насколько достоверны найденные результаты. Подобная оценка обычно подразуме­ вает получение метрологических характеристик на основе положений теории вероятности (теории ошибок). При этом полезно помнить, что

любая статистическая обработка данных эксперимента является при­ ближенной, имеет вероятностный смысл.

Ниже мы рассмотрим такие важнейшие для количественного анализа метрологические понятия, как правильность и воспроизводимость ре­ зультатов анализа (.метрология — наука, изучающая методы измерения физических величин).

1.4.1. Правильность и воспроизводимость результатов количественного анализа

Для выявления ошибок и их численной оценки (особенно при разра­ ботке новых аналитических методик) количественный анализ повторяют несколько раз, т. е. проводят параллельные определения. Под параллель­ ными определениями понимают получение нескольких результатов еди­ ничных определений для одной пробы практически в одинаковых усло­ виях.

Пусть р — истинное значение определяемой величины,- xt, х2, ...,х„ ...

..., х„ — измеренные (единичные) значения определяемой величины — результаты единичных определений,- п — общее число единичных опреде­ лений.

Под единичным определением понимают однократное проведение всей последовательности операций, предусмотренных методикой анализа.

Результат единичного определения — это значение содержания оп­ ределяемого компонента, найденное при единичном определении.

Иногда (часто) вместо истинного значения определяемой величины р используют действительное значение содержания а (или просто дей­ ствительное значение а), под которым подразумевают экспериментально полученное или расчетное значение определяемого содержания, настоль­ ко близкое к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Тогда величина

8

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ ММАим.И.М. Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

х =(х, +х2 +... + * ,)/* = ( Z X ^ j n

(1-1)

есть среднее арифметическое (среднее) из результатов единичных опре­ делений. Считается, что х — наиболее вероятное значение определяе­ мой величины, более вероятное, чем каждое отдельное значение х,.

Под правильностью результата анализа понимают качество анализа, отражающее близость к нулю разности между средним арифметическим и истинным ц (или действительным а) значением определяемой величины:

х - ц - > 0

О

при п —» оо

или

при п —» оо

Другими словами, правильность результата анализа отражает бли­ зость полученного среднего значения х к истинному (или действитель­ ному) значению определяемой величины.

Воспроизводимость результата анализа характеризует степень бли­ зости результатов единичных определений х, друг к другу.

Правильность и воспроизводимость результата анализа зависят от различного типа ошибок.

1.4.2. Классификация ошибок количественного анализа

Ошибки количественного анализа условно подразделяют на систе­ матические, случайные и грубые.

Грубые ошибки, обусловленные несоблюдением методики анализа, очевидны. Они устраняются при повторном проведении анализа с соблю­ дением всех требуемых условий, предусмотренных методикой анализа.

А. Систематическая ошибка

Различают: систематическую ошибку и процентную систематиче­ скую ошибку.

Систематическая ошибка результата анализа Д0 — это статистиче­ ски значимая разность между средним х и действительным а (или ис­ тинным ц) значениями содержания определяемого компонента:

Д0 = х - а или Д() = х - ц.

(1.2)

Систематическая ошибка результата анализа может быть больше ну­ ля, меньше нуля или равна нулю.

Процентная систематическая ошибка (относительная величина систематической ошибки) — это систематическая ошибка, выраженная в процентах от действительного значения а (или истинного значения ц) определяемой величины:

9

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ__________________ ММАим.И.М. Сеченова

Харитонов Ю.Я. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. АНАЛИТИКА. Кн. 2

5 = (л :-а)1 0 0 % /а или д = ( х -ц )1 0 0 % /ц .

(1.3)

Для относительной величины систематической ошибки вместо сим­ вола 5 используют также обозначение До. %■

Систематическая ошибка характеризует правильность результатов анализа; поэтому правильность анализа можно определить так же, как ка­ чество анализа, отражающее близость к нулю систематической ошибки.

Систематические ошибки обусловлены либо постоянно действую­ щими причинами (и поэтому повторяются при многократном проведении анализа), либо изменяются по постоянно действующему закону.

Так, например, процентная систематическая ошибка (Ас/с) -100%

фотометрических определений — концентрация, Дс — систематиче­ ская ошибка определения концентрации фотометрическим методом) ми­ нимальна в интервале изменений оптической плотности А от А а 0,2 до

А * 0,8 и составляет (Ас/с) ■100% < 0,4%.

Источники систематических ошибок. Невозможно с исчерпываю­ щей полнотой перечислить все источники систематических ошибок. Ос­ новные источники систематических ошибок следующие.

Методические — обусловлены особенностями методики анализа. Например, аналитическая реакция прошла не до конца; имеются потери осадка вследствие его частичной растворимости в растворе или при его промывании; наблюдается соосаждение примесей с осадком, вследствие чего масса осадка возрастает, и т. д.

Инструментальные — обусловлены несовершенством используе­ мых приборов и оборудования. Так, например, систематическая ошибка взвешивания на лабораторных аналитических весах составляет ±0,0002 г. Систематическая ошибка в титриметрических методах анализа вносится вследствие неточности калибровки бюреток, пипеток, мерных колб, мер­ ных цилиндров, мензурок и т. д.

Индивидуальные — обусловлены субъективными качествами аналити­ ка. Так, например, дальтонизм может влиять на определение конечной точки титрования при визуальной фиксации изменения окраски индикатора.

Правильность результатов анализа определяется наличием или от­ сутствием систематических ошибок.

Существуют следующие способы выявления систематических ошибок.

а) Использование стандартных образцов. Общий состав стандартно­ го образца должен быть близким к составу анализируемой пробы, а со­ держание определяемого компонента в стандартном образце должно быть точно известно.

Анализ стандартного образца — наиболее надежный способ выявле­ ния наличия или отсутствия систематической ошибки и оценки правиль­ ности результата анализа.

10