2
3
УДК 543
ББК 24.4я73 В 370
Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом ОмГУ
Рецензенты:
кафедра аналитической химии и химической экологии Саратовского госуниверситета им. Н.Г. Чернышевского;
канд. хим. наук, доц. кафедры неорганической химии Омского государственного педагогического университета Э.М. Анфингер
Вершинин В.И., Власова И.В., Никифорова И.А.
В 370 Основы аналитической химии: учебное пособие / под ред. В.И. Вершинина. – Омск: Изд-во ОмГУ, 2007. – 592 с. (Сер. «Учебные издания Омского университета»)
ISBN 978-5-7779-0785-1
Кратко изложены теоретические основы современной аналитической химии. Содержание и глубина излагаемого материала соответствуют действующим в РФ государственным стандартам высшего профессионального образования. Наибольшее внимание уделяется общетеоретическим основам и инструментальным методам химического анализа.
Книга будет полезна в качестве учебного пособия студентам-хими- кам классических университетов (особенно будущим бакалаврам), а также студентам нехимических вузов. При подготовке бакалавров и специалистов химического профиля в педагогических вузах данная книга может быть основным учебником, так как ее содержание охватывает типовые программы курса «Аналитическая химия», утвержденные соответствующими УМО. Нетрадиционный подход к изложению учебного материала, несомненно, заинтересует преподавателей высших учебных заведений, а также специалистов-аналитиков.
УДК 543
ББК 24.4я73
|
© В.И. Вершинин, И.В. Власова, |
|
И.А. Никифорова, 2007 |
ISBN 978-5-7779-0785-1 |
© Омский госуниверситет, 2007 |
4
Оглавление
Предисловие для преподавателей ............................................................. |
8 |
Рекомендации для студентов ................................................................... |
15 |
ГЛАВА 1. Аналитическая химия и химический анализ ..................... |
17 |
1.1. Химический анализ........................................................................... |
17 |
1.2. Аналитическая химия как наука ...................................................... |
20 |
1.3. Виды анализа..................................................................................... |
25 |
1.4. Методы анализа................................................................................. |
30 |
1.5. Методики анализа и требования к ним ........................................... |
35 |
1.6. Основные стадии (этапы) количественного анализа .................... |
37 |
1.7. Работа аналитической лаборатории* .............................................. |
43 |
Контрольные вопросы ...................................................................... |
47 |
ГЛАВА 2. Метрологические аспекты химического анализа ............. |
49 |
2.1. Химический анализ как измерение количества вещества ............. |
49 |
2.2. Погрешности анализа ....................................................................... |
54 |
2.3. Воспроизводимость результатов анализа и ее статистическая |
|
оценка........................................................................................................ |
60 |
2.4. Правильность результата анализа и способы ее проверки............ |
69 |
2.5. Статистическая обработка результатов анализа |
|
при нормальном распределении ............................................................. |
77 |
2.6. Априорная оценка точности анализа и пути ее повышения* ....... |
86 |
Контрольные вопросы ...................................................................... |
93 |
ГЛАВА 3. Теоретические основы химических методов анализа ...... |
95 |
3.1. Реакции и процессы, используемые в анализе ............................... |
95 |
3.2. Химические равновесия в растворах и их характеристики......... |
104 |
3.3. Кислотно-основные процессы ....................................................... |
112 |
3.4. Реакции комплексообразования и их применение в анализе ...... |
138 |
3.5. Процессы осаждения и их применение в анализе........................ |
149 |
3.6. Окислительно-восстановительные процессы в анализе .............. |
160 |
3.7. Кинетические факторы в химических методах анализа .............. |
175 |
Контрольные вопросы .................................................................... |
181 |
ГЛАВА 4. Химические методы анализа............................................... |
184 |
4.1. Химические методы качественного анализа ................................ |
185 |
4.2. Гравиметрический анализ .............................................................. |
205 |
4.3. Титриметрический анализ. Общие вопросы................................. |
220 |
4.4. Кислотно-основное титрование (метод нейтрализации) ............. |
244 |
4.5. Комплексометрия............................................................................ |
266 |
5 |
|
4.6. Осадительное титрование. Аргентометрия................................... |
281 |
4.7. Окислительно-восстановительное титрование |
|
(редоксметрические методы) ................................................................ |
286 |
4.8. Кинетические и биохимические методы анализа*....................... |
301 |
Контрольные вопросы .................................................................... |
310 |
ГЛАВА 5. Физико-химические и физические методы анализа. |
|
Общие вопросы......................................................................................... |
314 |
5.1. Классификация инструментальных методов. |
|
Градуировочные функции ..................................................................... |
314 |
5.2. Чувствительность и селективность методик ................................ |
317 |
5.3. Фон и способы его снижения. Оценка предела обнаружения .... |
321 |
5.4. Инструментальные методы качественного анализа..................... |
326 |
5.5. Количественный анализ с применением инструментальных |
|
методов.................................................................................................... |
331 |
5.6. Автоматизация анализа. Сенсоры* ............................................... |
339 |
Контрольные вопросы .................................................................... |
345 |
ГЛАВА 6. Принципы и возможности некоторых физико- |
|
химических и физических методов анализа........................................ |
347 |
6.1. Электрохимические методы анализа............................................. |
347 |
6.2. Методы атомной спектроскопии. Атомно-эмиссионный |
|
и атомно-абсорбционный анализ.......................................................... |
381 |
6.3. Методы молекулярной спектроскопии. Фотометрический |
|
и люминесцентный анализ .................................................................... |
406 |
6.4. Некоторые другие методы анализа*.............................................. |
434 |
Контрольные вопросы .................................................................... |
439 |
ГЛАВА 7. Методы разделения и концентрирования ........................ |
442 |
7.1. Назначение и классификация методов .......................................... |
442 |
7.2. Количественные характеристики процессов разделения |
|
и концентрирования............................................................................... |
446 |
7.3. Экстракция в анализе...................................................................... |
448 |
7.4. Ионообменные процессы в анализе .............................................. |
459 |
7.5. Хроматографический анализ. История и принцип метода.......... |
465 |
7.6. Жидкостная хроматография. Методы ВЭЖХ, ИОХ и ТСХ ........ |
472 |
7.7. Газовая хроматография................................................................... |
482 |
7.8. Способы качественного и количественного |
|
хроматографического анализа .............................................................. |
493 |
7.9. Селективность и эффективность разделения*.............................. |
500 |
Контрольные вопросы .................................................................... |
506 |
6 |
|
ГЛАВА 8. Анализ объектов окружающей среды и некоторых |
|
других объектов* ...................................................................................... |
509 |
8.1. Анализ геологических объектов и металлов ................................ |
510 |
8.2. Органические соединения .............................................................. |
512 |
8.3. Объекты окружающей среды и показатели их состава ............... |
516 |
8.4. Отбор, консервирование и хранение проб воздуха и воды ......... |
522 |
8.5. Методы анализа объектов окружающей среды............................ |
524 |
8.6. Применение тест-методов в анализе объектов |
|
окружающей среды................................................................................ |
527 |
Контрольные вопросы .................................................................... |
530 |
ГЛАВА 9. Развитие аналитической химии |
|
и химического анализа ............................................................................ |
532 |
9.1. История аналитической химии ...................................................... |
532 |
9.2. Особенности современного этапа в развитии аналитической |
|
химии ...................................................................................................... |
552 |
9.3. Применение компьютеров в аналитической химии*................... |
557 |
9.4. Актуальные проблемы современной аналитической химии....... |
565 |
Контрольные вопросы .................................................................... |
569 |
Список рекомендуемой литературы..................................................... |
570 |
Приложение. Аналитическая химия в школе (для студентов |
|
и преподавателей педвузов) ................................................................... |
575 |
7
ПРЕДИСЛОВИЕ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ
Учебная дисциплина «Аналитическая химия» – важная часть общепрофессиональной и естественнонаучной подготовки будущих химиков, учителей химии и биологии, фармацевтов, инженеров-технологов, агрономов и многих других специалистов. Базовый курс аналитической химии (далее – АХ) изучают десятки тысяч студентов не менее чем в 600 вузах РФ. Содержание курса, регламентируемое государственными образовательными стандартами (ГОС), рекомендациями учебно-методи- ческих объединений (УМО) и внутривузовскими рабочими программами, зависит от целого ряда факторов. Надо учитывать: практические задачи, которые встанут перед выпускником вуза; роль, место и объем курса в той или иной образовательной программе; подготовленность студентов к освоению, а преподавателей – к изложению того или иного материала; наличие учебной литературы, оборудования и т. п. Реальное содержание курса АХ в разных вузах сильно различается. Требуется множество учебников и учебных пособий, отличающихся не только по содержанию, но и по способу изложения учебного материала. Однако все учебники должны отражать один и тот же современный уровень развития аналитической химии как науки.
Старшему поколению преподавателей-аналитиков хорошо известны учебники В.Н. Алексеева, А.П. Крешкова, И.В. Пятницкого, Н.Я. Логинова и соавторов. Несмотря на различную направленность и неравноценность этих учебников, все они отражали уровень развития науки, достигнутый к 50–60-м гг. XX века. Основное внимание уделялось трем химическим методам анализа: прежде всего качественному анализу с применением групповых реагентов и цветных реакций, в меньшей степени – гравиметрии и титриметрии. Из теоретических вопросов детально рассматривались лишь способы управления ионными равновесиями, которые со времен Оствальда используются в химических методах элементного анализа неорганических веществ. Такой подход стал традиционным и привычным. Он имеет свои методические преимущества: позволяет закрепить и конкретизировать знания студентов, полученные при изучении неорганической и общей (физической) химии; не требует сложного и дорогого оборудования.
Однако к концу XX века аналитическая химия как наука ушла далеко вперед. Она сблизилась с физикой, метрологией, информатикой;
8
приобрела междисциплинарный характер, т. е. перестала быть только частью химии. Изменился и арсенал методик, применяемых на практике для установления состава веществ. Теперь в аналитических лабораториях никто не проводит качественный анализ сплавов или минералов, пользуясь сероводородной (или какой-либо другой) схемой; соответствующую информацию гораздо проще получить спектроскопическими методами. В большинстве лабораторий не применяется и гравиметрия. Даже титриметрические определения, сохранившие свою практическую значимость, теперь проводят реже, чем 30–40 лет назад. Преимущественное положение в аналитических лабораториях к концу XX века заняли так называемые инструментальные методы (физические, физикохимические, биохимические), которым ранее в вузах должного внимания не уделялось. Некоторые инструментальные методы изучались, но кратко и поверхностно (фотометрия, потенциометрия, электрогравиметрия); другие только упоминались (атомно-эмиссионный спектральный анализ, газовая хроматография), а многие важные методы даже не упоминались (ферментативный анализ, атомная абсорбция, масс-спектрометрия). Практически не рассматривались и общетеоретические вопросы, связанные с инструментальными методами.
Проблема «чему учить студентов?» не сводится к соотношению классических и инструментальных методов анализа, она имеет и другие аспекты. Преподаватели российских вузов зачастую недостаточное внимание уделяют анализу органических веществ и объектов окружающей среды, метрологическим аспектам анализа, методам разделения и концентрирования микропримесей. Основное внимание они обращают на элементный анализ, пренебрегая вещественным, молекулярным, струк- турно-групповым и локальным, хотя в XX веке эти виды анализа стали не менее важными, чем элементный. В учебниках иногда ничего не говорится о реальных объектах анализа и о задачах, которые решают аналитики в своих лабораториях. А ведь с этими задачами сталкиваются не только профессионалы-аналитики, но и множество инженеров, врачей, фармацевтов, экологов, агрономов и других выпускников российских вузов!
Отставание традиционного содержания вузовского курса аналитической химии от современного уровня развития нашей науки, его отрыв от практики работы контрольно-аналитических лабораторий, безусловно, снижают качество подготовки специалистов. Это отставание все еще не преодолено. Особенно оно проявляется в педагогических и некоторых технических вузах. Там, как правило, нет отдельных кафедр аналитической химии, и соответствующий учебный курс нередко рассматривается как вспомогательный, как средство закрепления и углубления
9
знаний по неорганической химии. Авторы устаревших программ и учебников обосновывают такой подход тем, что данные вузы не занимаются подготовкой специалистов-аналитиков1. Но базовой курс аналитической химии на это не рассчитан даже в тех вузах, которые действительно готовят профессиональных аналитиков. Этот курс должен обеспечить достижение совсем других целей. Систематизируя и сопоставляя мнения ведущих специалистов, можно составить перечень задач, решаемых при преподавании курса АХ. В него входят:
ознакомление с методами химического анализа и их возможно-
стями;
обоснование происхождения знаний о составе веществ, химизме
имеханизме химических реакций; формирование научного мировоззрения;
изучение материала по химическим процессам, не входящего в другие учебные курсы (характеристические свойства атомов и молекул, комплексообразование в растворе, экстракция и др.);
развитие и закрепление учебного материала других курсов, а также формирование знаний и умений, обеспечивающих последующее изучение других дисциплин;
развитие творческих способностей, логики мышления, аккуратности и т. п.;
обучение технике лабораторных работ и самостоятельному выполнению простейших анализов, работе на приборах, выбору методик, оценке точности результатов анализа и т. п.
От типа вуза зависит лишь приоритетность тех или иных целей, способы решения тех или иных задач. Определять приоритеты в каждом
случае следует с учетом требований к выпускникам, изложенным в государственных стандартах2.
Так, при изучении курса АХ в педагогических вузах на первое место, вероятно, следует ставить историко-методологический и ознакомительный аспекты. Сейчас многие выпускники педвузов хорошо знают, как устроены молекулы белков, как именно проходят реакции замещения в ароматических углеводородах, какой состав имеют атмосферы Марса и Венеры. Молодые учителя передают подобные знания своим
1См., например, предисловие к учебнику Н.Я. Логинова, А.Г. Воскресенского, И.С. Солодкина «Аналитическая химия». 2-е изд. (М.: Просвещение, 1979.
– 480 с.).
2Эти вопросы более детально рассмотрены в статье В.И. Вершинина «Содержание и методическое обеспечение базового курса аналитической химии» (Журнал аналитической химии. – 2005. – Т. 60. – № 9. – С. 992–1003).
10