Аналитическая химия

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2019

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

Н. В. Лакиза, С. А. Штин

АНАЛИТИЧЕСКАЯ

ХИМИЯ

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано

методическим советом Уральского федерального университета

в качестве учебного пособия для студентов вуза,

обучающихся по направлениям подготовки

06.03.01 «Биология», 27.03.01 «Стандартизация и метрология»,

28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника»,

05.03.06 «Экология и природопользование»,

30.05.01 «Медицинская биохимия»,
30.05.02 «Медицинская биофизика»

УДК 543(075.8)
ББК 24.4я73
        Л19

В пособии изложены теоретические основы качественного химического

анализа катионов и анионов, а также количественного анализа химическими
(титриметрия и гравиметрия) и физико-химическими (спектрофотометрия
и потенциометрия) методами. Приведены типовые расчетные задачи.

Предназначено для студенов, обучающихся по нехимическим специаль
ностям.

Лакиза, Н. В.

Аналитическая химия : учеб.-метод. пособие / Н. В. Лакиза,

С. А. Штин ; М-во науки и высш. образования Рос. Федерации,
Урал. федер. ун-т. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2019. –
139 с.

ISBN 978-5-7996-2539-9

Л19

ISBN 978-5-7996-2539-9

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра химии фармацевтического факультета

Уральского государственного медицинского университета

(заведующий кафедрой доктор химических наук, профессор В. Д. Тхай);

Н. В. Баранова, заместитель главного технолога АО «НПО автоматики»

УДК 543(075.8)
ББК 24.4я73

© Уральский федеральный университет, 2019

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебно-методическое пособие составлено в соответствии с Фе
деральными государственными стандартами по направлениям подготовки 06.03.01 «Биология», 27.03.01 «Стандартизация и метрология», 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника»,
05.03.06 «Экология и природопользование», 30.05.01 «Медицинская
биохимия», 30.05.02 «Медицинская биофизика» и программами
дисциплин «Методы аналитической химии», «Аналитическая химия» и «Основы анализа состава вещества», читаемых авторами
пособия студентам департаментов биологии и фундаментальной
медицины, наук о Земле и космосе, фундаментальной и прикладной физики Института естественных наук и математики Уральского федерального университета.

Учебно-методическое пособие состоит из трех частей.
Первая часть содержит общие сведения о качественном анали
зе. Описан наиболее применяемый в учебных лабораториях аммиачно-фосфатный метод качественного анализа катионов. Особое
внимание уделено дробному и систематическому ходу анализа, разделению и обнаружению катионов и анионов. Данная часть содержит подробное описание четырех лабораторных работ по качественному анализу.

Во второй части изложены теоретические основы количествен
ных методов анализа: химических (титриметрия и гравиметрия)
и физико-химических (спектрофотометрия и потенциометрия). Изложены основы и техника выполнения одиннадцати лабораторных
работ.

В третьей части представлены программы коллоквиумов и ти
повые задачи для самостоятельного решения, работа над которыми будет способствовать более глубокому пониманию материала
и закреплению знаний.

Авторы будут благодарны за любые замечания и пожелания,

касающиеся учебного пособия.

ВВЕДЕНИЕ

Аналитическая химия – это наука, развивающая теоретичес
кие основы химического анализа веществ и материалов и разрабатывающая методы определения химического состава вещества и его
структуры (строения).

Аналитическая химия является фундаментальной химической

наукой, занимающей видное место в ряду других химических дисциплин. Являясь частью химии, аналитическая химия способствовала открытию многих законов: сохранения массы веществ, постоянства состава, эквивалентов, действующих масс и др. Состав различных материалов, изделий, руд, минералов, лунного грунта,
далеких планет и других небесных тел установлен методами аналитической химии. Открытие целого ряда элементов Периодической системы (аргона, германия и др.) оказалось возможным благодаря применению точных методов аналитической химии.

В свою очередь, основные законы химии позволили теорети
чески обосновать и развить методы аналитической химии, которые широко используются при проведении научных исследований
в области неорганической, органической, физической и коллоидной химии. С другой стороны, каждый метод аналитической химии
базируется на достижениях всей химии и физики.

Аналитическая химия тесно связана и с другими науками. Связь

ее с этими науками чрезвычайно разнообразна. Связь аналитической химии с математикой постоянная и все более укрепляющаяся.
Связь ее с физикой выражается во все большем развитии физических методов анализа, в основе которых лежат процессы, связанные
со строением электронной оболочки и ядра атома. Аналитическая
химия тесно связана с техникой и приборостроением, так как совершенствование методов анализа направлено на все более широкое использование инструментальных методов.

Методами аналитической химии пользуются также биологи
ческие, медицинские, технические и другие науки. Так, в медицине

большое значение имеет качественное и количественное определение отдельных элементов, которые входят в состав тканей живых организмов и обусловливают их нормальную физиологическую деятельность. Не менее важную роль играет аналитическая
химия в геологии, геохимии, сельском хозяйстве, фармацевтической, лакокрасочной, нефтехимической и многих других отраслях
промышленности.

Заметно возросла роль аналитической химии в связи с тем,

что больше внимания стало уделяться состоянию и контролю за загрязнением окружающей среды, контролю за технологическими
выбросами, сточными водами и т. д. В России и многих других
странах организована специальная общегосударственная служба
наблюдения и контроля за уровнем загрязнения объектов окружающей среды. Эта служба контролирует загрязнение воздуха, почв,
речных и морских вод. Большое научное и практическое значение
имеет анализ космических объектов и небесных тел, вод Мирового океана и т. д.

Существенное значение имеют достижения аналитической хи
мии в развитии таких отраслей промышленности, как атомная энергетика, ракетостроение, электроника и др. Аналитическая химия
не только обеспечила эти области эффективными методами анализа, но и послужила основой разработки многих новых технологических процессов.

В основе аналитической химии лежит химический анализ –

совокупность действий, позволяющих идентифицировать качественный и количественный состав анализируемого объекта.

В соответствии с двусторонним характером решаемых задач

аналитическую химию разделяют на две основные части: качественный и количественный анализ. Деление на качественный и количественный анализ в какой-то степени условно и традиционно. Задача качественного анализа – обнаружить, какие именно элементы или их соединения входят в состав анализируемого материала.
Качественный анализ обычно предшествует количественному;
цель последнего – найти количественные соотношения между компонентами, найденными при качественном исследовании.

КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ

Идентификация компонентов и определение качественного со
става объекта являются предметом качественного анализа. Качественный анализ, как мы уже указывали, обычно предшествует
количественному.

При обнаружении какого-либо компонента обычно фиксиру
ют появление аналитического сигнала: образование осадка, изменение окраски, выделение газа, появление линий в спектре и т. д.
Для получения сигнала в аналитической химии используют химические реакции разных типов (кислотно-основные, окислительновосстановительные, комплексообразования), разные процессы, например осаждение, а также разнообразные химические, физические и даже биологические свойства самих веществ или продуктов
их реакций. Поэтому аналитическая химия располагает различными методами для решения своих задач: химическими, физическими и биологическими.

В настоящем учебно-методическом пособии рассматривает
ся качественный анализ неорганических соединений химическими методами. В химических методах обнаружения аналитический
сигнал, возникающий в результате проведения химической реакции, наблюдают главным образом визуально. Химические реакции, используемые для целей качественного анализа, называют
аналитическими.

Химические реакции обнаружения различаются по технике и ме
тодике выполнения. Реакции можно выполнять «мокрым» и «сухим» путем. Чаще применяют анализ «мокрым» путем. При этом
исследуемый объект предварительно растворяют в воде, кислоте
или щелочи. Если вещество нерастворимо, то его сплавляют, например, со щелочью, а затем уже полученный плав растворяют
в воде или кислоте. Реакции, выполняемые «мокрым» путем, проводят преимущественно в пробирках, и результат реакции наблюдают визуально.

Техника выполнения реакций заключается в следующем. Иссле
дуемый раствор (2–3 капли) вносят в пробирку капиллярной пипеткой так, чтобы кончик пипетки не касался стенок пробирки. Соблюдая условия проведения реакции, добавляют необходимое количество раствора реагента. Наблюдают внешний эффект реакции.

В качественном химическом анализе преимущественно имеют

дело с водными растворами электролитов, поэтому аналитическими реакциями открывают образующиеся при диссоциации ионы.
Для удобства обнаружения ионы делятся на аналитические группы.
При объединении ионов в группы используют сходство или различие их свойств в отношении действия некоторых реактивов, называемых групповыми, различную растворимость образуемых ими
соединений и другие признаки.

В настоящее время существуют пять типов классификации

катионов. Это сероводородный, тиоацетамидный, аммиачно-фосфaтный, дифталaтный и кислотно-основный методы. В настоящем
курсе более подробно изучается аммиачно-фосфатный метод разделения катионов, поэтому их реакции целесообразно изучать в соответствии с аммиачно-фосфaтной классификацией.

В аммиачно-фосфaтном методе все катионы делятся на пять

групп на основании различной растворимости фосфатов в воде,
кислотах (сильных и слабых), щелочах и водном растворе аммиака (табл. 1).

Т а б л и ц а   1

Классификация катионов по аммиачно-фосфатной схеме анализа

Групповой

реагент

1

2

NH4

+ , Na+, K+

А-подгруппа:
Mg2+, Ca2+, Sr2+,
Ba2+, Mn2+, Fe2+

Фосфаты растворимы в воде

Фосфаты не растворимы в воде и водном растворе аммиака, растворимы в хлороводородной кислоте.
Фосфаты катионов А-подгруппы
растворимы в уксусной кислоте.

Номер
группы
Катионы

Нет

(NH4)2HPO4,

NH3 (aq)

Характеристика группы

Общепринятой классификации анионов не существует. В на
стоящем учебно-методическом пособии принято разделение анионов на три аналитические группы по растворимости солей бария
и серебра (табл. 2).

О к о н ч а н и е  т а б л.   1

Групповой

реагент

Номер
группы
Катионы
Характеристика группы

Фосфаты катионов Б-подгруппы
не растворимы в уксусной кислоте

Фосфаты не растворимы в воде, растворимы в водном растворе аммиака

Метасурьмяная и метаоловянная кислоты не растворимы в воде и адсорбируют мышьяковую кислоту

Хлориды не растворимы в воде и разбавленных кислотах

(NH4)2HPO4,

NH3 (aq)

NH3 (aq)

HNO3

HCl

3

4

5

Б-подгруппа:
Al3+, Cr3+, Fe3+,
Bi3+

Co2+, Ni2+, Cu2+,
Zn2+, Cd2+, Hg2+

As (III), As (V),
Sb (III), Sb (V),
Sn (II), Sn (IV)

Ag+, Hg2

2 +, Pb2+

Т а б л и ц а   2

Классификация анионов

по растворимости солей бария и серебра

Групповой

реагент

1

2

3

SO4

2  –, SO3

2 –, S2O3

2 –,

CO3

2 –, PO4

3 –, SiO3

2 –,

F–

Cl–, Br–, I–, S2–

NO3

–  , NO2

– ,

CH3COO–

Соли бария малорасторимы в воде, но растворяются в разбавленных кислотах (за исключением
BaSO4)

Соли серебра малорастворимы
в воде и азотной кислоте

Нет группового реагента

Номер
группы
Анионы

BaCl2

AgNO3

–

Характеристика группы

Если в ходе анализа смеси катионов групповые реагенты слу
жат для последовательного отделения групп, то при анализе анионов они используются лишь для предварительного обнаружения
той или иной группы.

ЛАБОРАТОРНЫЕ  РАБОТЫ

1. Качественные реакции важнейших катионов

полумикрометодом

При изучении реакций обнаружения ионов все этапы работы

следует фиксировать в лабораторном журнале. Форма записи приведена в табл. 3.

H2C4H4O6
(винная кислота)
или NaHC4H4O6
(гидротартрат
натрия)

Т а б л и ц а   3

Качественные реакции катионов

Реагент
Ион

K+
KNO3 + H2C4H4O6 

 KHC4H4O6 +

+ HNO3

KNO3 + NaHC4H4O6 
 KHC4H4O6 + NaNO3
(потирание стеклянной
палочкой о стенки пробирки)

Мешающие

ионы

NH4

+

Наблюдения

Образование белого
кристаллич е с к о г о
осадка

Уравнение реакции,
условия проведения

1) Качественные реакции катионов

1-й аналитической группы

Реакции иона  NH4

+

Растворимость солей аммония сходна с растворимостью солей

щелочных металлов. Соли аммония содержат бесцветный ион NH4

+ .

1.1. Реакция со щелочами.
В присутствии щелочей соли аммония разлагаются с выделе
нием аммиака, который можно обнаружить по запаху или по изменению окраски индикаторных бумаг:

NH4

+ + OH–  NH3 + H2O.

Реакция специфическая.
Предел обнаружения 0.05 мкг.
Выполнение реакции. В пробирку вносят 6–7 капель анализи
руемого раствора, прибавляют 4–5 капель концентрированного раствора гидроксида натрия или гидроксида калия и нагревают на водяной бане. В присутствии ионов аммония появляется характерный запах. Над пробиркой помещают влажную лакмусовую бумагу,
не касаясь стенок пробирки во избежание попадания на бумагу
щелочного раствора. Выделяющиеся пары аммиака окрашивают
индикаторную бумагу в синий цвет.

1.2. Реакция с реактивом Несслера.
Реактив Несслера (щелочной раствор тетрайодомеркуриата ка
лия – K2[HgI4] + KOH) при взаимодействии с ионом аммония образует красно-бурый осадок йодида оксодимеркураммония:

NH4

+ + 2[HgI4]2– + 4OH–  [OHg2NH2]I + 7I– + 3H2O.

Состав осадка описывают формулой

Очень малые количества (следы) солей аммония дают желто
коричневый осадок.

Реактив Несслера содержит щелочь, которая с большинством

катионов металлов дает осадки малорастоворимых гидроксидов,
многие из которых окрашены. Выпадение таких окрашенных осадков может помешать наблюдению окраски осадка, образующегося в присутствии NH4

+ . Следовательно, реакция эта менее специ
фична для NH4

+  , чем реакция со щелочами.

Hg

O

Hg

NH2
I