Химические и инструментальные методы анализа

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2021

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

ХИМИЧЕСКИЕ 
И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ 
МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета в качестве учебного пособия
для студентов вуза, обучающихся по направлениям подготовки
18.03.01 «Химическая технология», 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие 
процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»,
19.03.01 «Биотехнология», 20.03.01 «Техносферная безопасность»,
22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов»,
22.03.02 «Металлургия»

© Уральский федеральный университет, 2021
ISBN 978-5-7996-3211-3

А в т о р ы:
С. Ю. Сараева, А. В. Иванова, А. Н. Козицина, А. И. Матерн
Под общей редакцией В. И. Кочерова

Р е ц е н з е н т ы:
кафедра физики и химии
Уральского государственного экономического университета
(заведующий кафедрой доктор химических наук,
профессор Н. Ю. Стожко);
Г. Л. Русинов, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник 
лаборатории гетероциклических соединений
Института органического синтеза УрО РАН

УДК 543(075.8)
ББК 24.4я73-1
 
Х46

Химические и инструментальные методы анализа : учеб. пособие / С. Ю. Сараева, А. В. Иванова, А. Н. Козицина, А. И. Матерн ; 
под общ. ред. В. И. Кочерова ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 
2021. — 216 с. : ил. — Библиогр.: с. 214. — 30 экз. — ISBN 978-57996-3211-3. — Текст : непосредственный.

ISBN 978-5-7996-3211-3

В учебном пособии кратко излагаются теоретические основы количественных химических, главным образом титриметрических, и инструментальных 
(электрохимических, спектральных, хроматографических и др.) методов анализа 
применительно к учебным программам по курсам «Аналитическая химия», 
«Физико-химические методы анализа», «Методы контроля и анализа веществ». 
Для студентов дневной и заочной форм обу чения Химико-технологического 
института, Института фундаментального образования, Института новых материалов и технологий, в том числе департамента строительного материаловедения.

Х46

УДК 543(075.8)
ББК 24.4я73-1

На обложке:
В лаборатории сенсорных технологий ХТИ. Фото А. В. Охохонина

ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ

Список обозначений и сокращений ............................................................. 4
Предисловие ................................................................................................... 6

Раздел 1. Основные положения химического анализа.. ........................ 7
 
1.1. Этапы анализа  ................................................................................ 8
 
1.2. Вычисление и обработка результатов анализа ........................... 11

Раздел 2. Химические методы анализа .................................................. 18
 
2.1. Константа равновесия, активность, коэффициент активности ... 19
 
2.2. Гравиметрический анализ ............................................................ 24
 
 
2.2.1. Произведение растворимости и растворимость трудно 
 
растворимых соединений ............................................................. 26
 
 
2.2.2. Равновесие в реакциях между осадками ........................... 28
 
 
2.2.3. Комплексообразование и растворимость .......................... 30
 
 
2.2.4. Растворимость гидроксидов металлов в воде .................. 31
 
2.3. Титриметрический анализ ............................................................ 33
 
 
2.3.1. Основные понятия в титриметрии .................................... 33
 
 
2.3.2. Кислотно-основное титрованиие ....................................... 41
 
 
2.3.3. Окислительно-восстановительное титрование ................ 65
 
 
2.3.4. Комплексонометрическое титрование .............................. 85

Раздел 3. Инструментальные методы анализа ..................................... 98
 
3.1. Электрохимические методы анализа ........................................ 100
 
 
3.1.1. Классификация электродов .............................................. 102
 
 
3.1.2. Потенциометрический анализ ......................................... 104
 
 
3.1.3. Кулонометрический анализ ...............................................111
 
 
3.1.4. Кондуктометрия................................................................. 115
 
 
3.1.5. Вольтамперометрический анализ .................................... 125
 
3.2. Спектральные методы анализа .................................................. 141
 
 
3.2.1. Молекулярно-абсорбционная спектроскопия ................. 141
 
 
3.2.2. Атомно-абсорбционный спектральный анализ .............. 156
 
 
3.2.3. Атомно-эмиссионный спектральный анализ .................. 159
 
 
3.2.4. Рентгеноспектральный анализ ......................................... 174
 
3.3. Активационный анализ .............................................................. 194
 
3.4. Хроматография ............................................................................ 199

Библиографический список ...................................................................... 214

ÑÏÈÑÎÊ ÎÁÎÇÍÀ×ÅÍÈÉ È ÑÎÊÐÀÙÅÍÈÉ

ААС 
— атомно-абсорбционный спектральный (анализ) 
 
 
или атомно-абсорбционная спектроскопия
АС 
— аналитический сигнал
АЭС 
— атомно-эмиссионный спектральный (анализ) 
 
 
или атомно-эмиссионная спектроскопия
ВЭ 
— водородный электрод
ДЭС 
— двойной электрический слой
ИВА 
— инверсионная вольтамперометрия
ИК 
— инфракрасный (диапазон излучения)
ИСЭ 
— ионоселективный электрод
МАС — молекулярно-абсорбционная спектроскопия
ОВЭ 
— окислительно-восстановительный электрод
О-В 
— окислительно-восстановительный
РСА 
— рентгеноспектральный анализ
РСФА — рентгеноспектральный флуоресцентный анализ
РЭ 
— рабочий электрод
СВЭ 
— стандартный водородный электрод
ТЭ 
— точка эквивалентности
УФ 
— ультрафиолетовый (диапазон излучения)
ФЭУ — фотоэлектронный умножитель
ХСЭ 
— хлоридсеребряный электрод
ЭДС 
— электродвижущая сила, В, мВ
ЭМА — электрохимический метод анализа
ЭПР 
— (метод) электронного парамагнитного резонанса
ЭС 
— электрод сравнения
ЯМР 
— (метод) ядерного магнитного резонанса
А 
— оптическая плотность
а 
— активность ионов, моль/дм3
С 
— концентрация раствора, моль/дм3, г/дм3, или емкость, мкФ
D 
— коэффициент диффузии ионов в растворе, см2/с
E 
— электродный потенциал, В, мВ, или энергия электрона, эВ
E0 
— стандартный электродный потенциал, В, мВ
Е1/2 
— потенциал полуволны, В, мВ

F 
— постоянная Фарадея (96 487 Кл/моль)
h 
— постоянная Планка (6,625 · 10–34 Дж · с)
I 
— электрический ток, мкА, или интенсивность излучения
Id — предельный (диффузионный) ток, мкА
ℓ 
— толщина поглощающего слоя, см
n 
— число электронов, участвующих в реакции
N — число ядер или импульсов
NА — число Авогадро (6,023 · 1023 моль–1)
Р 
— доверительная вероятность, %, или давление, мм рт. ст.
рН — показатель кислотности среды
Q — количество электричества, Кл
R 
— универсальная газовая постоянная (8,313 Дж/(моль · K) 
 
 
или электрическое сопротивление, Ом
S 
— площадь поверхности, см2, плотность почернения или фактор 
 
 
насыщения
Т 
— температура, °С, K, или пропускание раствора, %, или период 
 
 
полураспада
t 
— коэффициент Стьюдента, или время, с, или число переноса
U — напряжение, В
α 
— альфа-(частицы)
γ 
— гамма-(лучи)
∆ 
— абсолютная погрешность
δ 
— относительная погрешность, %
ελ — молярный коэффициент поглощения, дм3/(моль · см)
η 
— выход по току, %
θ 
— угол скольжения, град °
λ 
— длина волны, нм, Å (ангстрем), или константа радиоактивного 
 
 
распада, см–1
μ 
— химический потенциал, В, или массовый коэффициент 
 
 
ослабления
ν 
— количество вещества, моль, или частота электромагнитной 
 
 
волны, Гц
σ 
— стандартное отклонение или изотопное сечение, см2
τ 
— время электролиза, с
φ 
— электрический потенциал, В, или поток тепловых нейтронов, 
 
 
нейтрон/(см2 · с)
ω — массовая доля, %, или угловая частота, рад/с

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ

Химический анализ является средством контроля производства 
и качества продукции во многих отраслях народного хозяйства, 
загрязненности окружающей среды, он необходим в медицине, 
биотехнологии и т. д.
Аналитическая химия как наука решает три задачи: теоретическую, методологическую и практическую, т. е. она развивает фундаментальные научные основы аналитической химии, предлагает 
методы, методики и инструменты для проведения анализа и сама 
его выполняет. В связи с тем, что на завершающем этапе анализа 
его результат должен быть представлен в наиболее достоверном 
виде, обязательным компонентом в аналитической химии является 
метрологическая составляющая.
В учебном пособии большое внимание уделено теоретическим 
основам и методам химического и инструментального анализа, а также включена глава по вычислению и обработке результатов анализа.
При подготовке учебного пособия использован многолетний 
опыт работы кафедры аналитической химии Химико-технологического института УрФУ. Авторы выражают искреннюю признательность за существенную помощь при работе над настоящим пособием 
научному консультанту кандидату химических наук Вениамину 
Ивановичу Кочерову.

Раздел 1

ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÏÎËÎÆÅÍÈß 
ÕÈÌÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÀÍÀËÈÇÀ

Анализ — процедура получения опытным путем данных о химическом составе вещества. Иными словами, анализ — система последовательных приемов и операций с анализируемым веществом, 
в результате которых становится возможным выявить его атомный, 
молекулярный или фазовый состав и химическую структуру. В основе анализа лежат определенные принципы взаимодействия между 
веществами (химические методы), между веществом и электромагнитным излучением или полем (физические и физико-химические 
методы). В общем случае метод анализа можно представить как цепь 
передачи информации, источником которой является анализируемый 
образец — проба.
К методу анализа предъявляются следующие основные требования:
1) необходимая информация должна быть получена в возможно 
более короткий срок с возможно меньшими затратами;
2) информация не должна быть искаженной, т. е. метод анализа 
должен быть избирательным (или специфичным) по отношению 
к определяемому компоненту (появляющийся аналитический 
сигнал должен быть характеристичным только для определяемого 
компонента);
3) полученная информация должна быть точной, а чувствительность определения — высокой, случайные погрешности должны 
укладываться в определенные пределы.
Аналитический сигнал (АС) — среднее значение результатов 
измерения физической величины в заключительной стадии анализа, функционально связанное с содержанием определяемого 
компонента.
Чувствительность отражает способность того или иного метода 
обнаружить разницу между очень малыми количествами вещества.

По целенаправленности аналитические работы подразделяются 
на производственный анализ, арбитражный анализ, анализ объектов 
окружающей среды, анализ в научных исследованиях, а в соответствии с областью применения — на анализ металлов, анализ силикатов, газовый анализ, анализ сточных вод, анализ при проведении 
судебно-медицинской экспертизы и т. п.
Выделяют два вида производственного контроля:
— экспресс-анализ, т. е. анализ по ходу технологического процесса (основное требование — быстрота получения информации);
— маркировочный или контрольный анализ, осуществляемый 
с целью установления состава или марки продукции (проводится 
строго по методикам, утвержденным ГОСТом).
Анализ вещества производится с целью установления его качественного или количественного состава. Количественный анализ может проводиться только тогда, когда известен качественный состав.

1.1. Этапы анализа

Количественный химический анализ состоит, как правило, 
из ряда последовательных стадий:
1) отбор представительной средней пробы;
2) подготовка пробы, перевод ее в форму, удобную для анализа;
3) отделение или маскирование мешающих компонентов;
4) перевод определяемого компонента в аналитически активную 
форму;
5) измерение АС;
6) вычисление и обработка результатов анализа.
В ряде случаев некоторые предварительные стадии не являются 
обязательными, в других они совершенно необходимы для получения правильных и воспроизводимых результатов анализа.
Проба — часть анализируемого материала, представительно 
отражающая его состав или тот показатель качества, для определения которого она отобрана. Представительность пробы, т. е. ее 
соответствие основной массе материала, означает, что невозможно 
различить две пробы одного и того же анализируемого объекта. 

Представительность пробы имеет решающее значение для получения достоверных данных анализа. Если проба не является представительной, самый тщательный и квалифицированный анализ, 
проведенный на дорогостоящем оборудовании, приведет фактически 
к бессмысленным данным.
Отбор пробы — процесс извлечения из большой массы материала его малой фракции таким образом, чтобы эта фракция представляла основную массу материала.
Отбор пробы из гомогенных жидкостей и газов обычно не вызывает особых осложнений. Строго фиксированный объем жидкой 
пробы отбирают с помощью пипетки или бюретки.
Из твердых гомогенных материалов пробу отбирают путем 
взвешивания определенной массы навески на аналитических весах.
Для отбора проб твердых гетерогенных систем существуют специальные карты отбора. Размер пробы по этой карте и методика отбора определяются степенью неоднородности материала и размером 
частиц, с которых начинается неоднородность, а также допустимым 
различием состава пробы и целого. В этих случаях масса пробы 
может составлять несколько десятков килограмм и даже более. 
В результате многостадийного процесса дробления, перемешивания 
и деления (метод квартования) пробу уменьшают до нескольких 
сотен или десятков граммов. На конечной стадии проба должна 
представлять такую смесь, любая доля которой могла бы отражать 
содержание целого, т. е. всей массы материала, из которого она взята.
На этапе подготовки пробы к анализу ее подвергают разложению. Под разложением понимают такую обработку малорастворимого вещества, которая приводит к образованию нового, хорошо 
растворимого соединения или к образованию непосредственно раствора. Во многих случаях при растворении некоторых металлов, их 
гидроксидов, оксидов, фосфатов, карбонатов достаточно обработать 
пробу кислотой при температуре ее кипения.
Вещества, способные восстанавливаться, обрабатывают кислотами при одновременном их восстановлении, например, по уравнению
 
MnO2 + 4HCl = MnCl2 + Cl2 + 2Н2О.

Вещества, способные окисляться, разлагают кислотами при 
одновременном их окислении. Причем металлы — сильные восстановители − окисляются ионами водорода применяемой кислоты, 
а металлы, окисляемые труднее, растворяются при действии окисляющих кислот (HNO3, HClO4, H2SO4). Примеры:

 
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2,
 
2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2,
 
3Cu + 8HNO3 = 2NO↑ + 3Cu(NO3)2 + 4Н2О.

Почти все металлы растворяются в смеси кислоты с окислителем 
бромом или перекисью водорода, например,

 
2Sb + 6HCl + 3Br2 = 2SbCl3 + 6HBr.

Концентрированная серная кислота при высокой температуре 
(330 °С) является сильным окислителем, разрушает стекло, растворяет ферротитан, сплавы олова, сурьмы.
Хлорная кислота при температуре кипения ее азеотропной смеси 
(это смесь с равными составами равновесных жидкой и паровой фаз) 
с водой при 203 °С растворяет легированные стали.
Образование комплексных соединений также способствует разложению, например,

 
Au + НNO3 + 4HCl = H[AuCl4] + NO↑ + 2Н2О.

Сурьмяно-оловянные сплавы легко растворяются в азотной 
кислоте в присутствии плавиковой кислоты. Концентрированной 
щелочью можно растворить некоторые металлы и неметаллические 
элементы, например,

 
Al2O3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + H2O.

Широко используют щелочное сплавление, которое можно 
проводить с карбонатом натрия или со смесью равных частей карбонатов натрия и калия, образующих эвтектическую смесь (это 
смесь с минимальной температурой кристаллизации). Так, хромит 
или ферросплавы сплавляют в смеси карбоната натрия с перекисью 
натрия при осторожном нагревании.