Основы химических методов анализа

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2021

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

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

Н. В. Лакиза

ОСНОВЫ
ХИМИЧЕСКИХ
МЕТОДОВ АНАЛИЗА

Учебное 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»,
30.05.02 «Медицинская биофизика», 30.05.01 «Медицинская биохимия»,
28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника»,
05.03.06 «Экология и природопользование»

УДК 543(075.8)
ББК 24.4я73.1
        Л19

В учебном пособии рассмотрены основные понятия аналитической химии, теоретические основы химических – титриметрического и гравиметрического – методов анализа, указаны области применения, их достоинства и недостатки. Изложены основные закономерности равновесий и протекания реакций в водных растворах (кислотно-основных, окислительно-восстановительных,
комплексообразования и осаждения).
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по нехимическим специальностям.

Лакиза, Н. В.
Основы химических методов анализа : учебное пособие /
Н. В. Лакиза ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина. – Екатеринбург :
Изд-во Урал. ун-та, 2021. – 184 с. : ил. – Библиогр.: с. 181. –
30 экз. – ISBN 978-5-7996-3212-0. – Текст : непосредственный.

ISBN 978-5-7996-3212-0

Л19

ISBN 978-5-7996-3212-0

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);

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

УДК 543(075.8)
ББК 24.4я73.1

© Уральский федеральный университет, 2021

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие составлено в соответствии с Федеральными
государственными стандартами по направлениям подготовки
05.03.06 «Экология и природопользование», 06.03.01 «Биология»,
27.03.01 «Стандартизация и метрология», 28.03.01 «Нанотехнологии
и микросистемная техника», 30.05.01 «Медицинская биохимия»,
30.05.02 «Медицинская биофизика» и программами дисциплин
«Методы аналитической химии», «Аналитическая химия» и «Основы анализа состава вещества», читаемых студентам департаментов биологии и фундаментальной медицины, наук о Земле и космосе, фундаментальной и прикладной физики Института естественных наук и математики Уральского федерального университета.
Учебное пособие представляет курс аналитической химии
в объеме, предусмотренном для ее освоения в вузе учебными планами. В пособии рассмотрены основы титриметрического (кислотно-основного, окислительно-восстановительного и комплексонометрического титрования) и гравиметрического методов анализа.
Каждой главе, в которой рассматривается та или иная разновидность химического метода анализа, соответствует глава, содержащая теоретические основы соответствующего метода. Приведены
примеры решения типовых заданий.
Список литературы включает в себя учебники, учебные пособия, справочники, которые были использованы при подготовке
данного учебного пособия и могут быть рекомендованы для более
глубокого освоения теоретического материала.
Автор искренне признателен ассистенту кафедры аналитической
химии и химии окружающей среды Института естественных наук
и математики Уральского федерального университета А. Я. Голубу
за ценные замечания, рекомендации и советы, оказавшие большую
помощь в написании пособия.

1.  АНАЛИТИЧЕСКАЯ  ХИМИЯ:
ПРЕДМЕТ  И  ЦЕЛИ

Аналитическая химия является фундаментальной химической
наукой, занимающей видное место в ряду других химических дисциплин. Являясь частью химии, аналитическая химия способствовала открытию многих законов: закона сохранения массы веществ
(1755, Михаил Васильевич Ломоносов), закона постоянства состава
(1799–1809, Жозеф Луи Пруст), закона эквивалентов (1792–1794,
Иеремия Беньямин Рихтер), закона действующих масс (1864–1867,
Като Максимилиан Гультберг, Петер Вааге) и др. Состав различных материалов, изделий, руд, минералов, лунного грунта 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 теоретически 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. Эта
связь 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 биологические, 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 загрязнения 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
химии 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.

1.1. Основные термины и определения

Аналитическая химия – это наука, развивающая теоретические основы химического анализа веществ и материалов и разрабатывающая методы определения химического состава вещества
и его структуры (строения).
В основе аналитической химии лежит химический анализ,
предоставляющий возможность определить химический состав
веществ. Под химическим анализом понимают 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. Это деление 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 – установить количественные соотношения между компонентами, обнаруженными
при качественном исследовании.

1.2. Методы аналитической химии
(методы химического анализа)

Анализ веществ проводят различными методами, которые
можно разделить на две группы: методы разделения и концентрирования и методы определения.
Методы разделения различных элементов или их соединений
ставят своей задачей подготовку исследуемого объекта для анализа. Чем сложнее смесь, которую нужно анализировать, тем
в большей степени нужна такая подготовка. Необходимость разделения вызвана тем, что в целом ряде случаев невозможно непосредственное определение элемента или соединения прямо
из образца, поскольку методы определения являются недостаточно специфичными. Поэтому требуется предварительное отделение интересующего аналитика элемента или соединения от мешающих определению веществ в виде, пригодном для количественного определения. Однако нередко определение интересующего
компонента производится прямо в пробе без предварительного
разделения. Иногда необходимо не только разделение, но и концентрирование определяемого компонента, если он находится
в исследуемом объекте в виде микропримесей. Эта цель достигается с помощью методов, которые применяют и для разделения,
и для концентрирования.

Общим для подавляющего большинства методов разделения
и концентрирования является распределение компонентов смеси
между двумя фазами, которые затем механически отделяются друг
от друга. Распределение между твердой и жидкой фазами происходит при разделении веществ методами осаждения, соосаждения, адсорбции, ионного обмена; между твердой и газообразной
фазами – методами адсорбции и возгонки; между двумя жидкими
фазами – методом экстракции; между жидкой и газообразной фазами – методом дистилляции.
Методы определения – это методы анализа, позволяющие
непосредственно определить качественный и количественный состав образца. Данную группу методов принято разделять на химические, физико-химические, физические и биологические. Приведенная классификация достаточно условна, так как четкого разграничения между названными методами провести нельзя.
Химические или, как их еще называют, классические методы
анализа базируются на химических реакциях. О качественном составе анализируемого вещества судят по свойствам продуктов реакции (образование или растворение осадков, образование окрашенных продуктов, выделение газов). В химических методах количественного анализа проводят химическую реакцию и измеряют
либо массу полученного продукта (гравиметрический метод анализа), либо затраченный объем реагента (титриметрический метод анализа), что дает возможность судить о количестве определяемого вещества.
Физико-химические методы анализа стали применять позднее,
когда была установлена и изучена связь между физическими свойствами веществ и их составом. Это позволило разработать группу
методов, основанных на измерении физических свойств определяемого вещества после проведения химической реакции. Электрохимические методы – это одна из групп физико-химических методов анализа, основанная на измерении электрических параметров:
силы тока, разности потенциалов и т. д. К ним относятся потенциометрические, полярографические, амперометрические, кулоно

метрические, кондуктометрические методы анализа. Другая группа физико-химических методов анализа – оптические методы
анализа – основана на способности веществ поглощать или пропускать электромагнитное излучение оптического диапазона
(фотометрические, люминесцентные методы анализа).
Физические методы анализа – наиболее современные и быстро
прогрессирующие методы. Характерная особенность физических
методов анализа заключается в том, что в них непосредственно
измеряют какие-либо физические параметры системы, связанные
с количеством определяемого элемента, без предварительного
проведения химической реакции. Физические методы анализа
включают две главные группы методов: методы, основанные
на взаимодействии излучения с веществом или на измерении излучения вещества (спектроскопические методы анализа); методы,
основанные на измерении параметров электрических и магнитных
свойств вещества (ядерно-физические, радиохимические методы
анализа).
В физико-химических и физических методах анализа применяют приборы, регистрирующие физические свойства веществ
или изменение этих свойств, поэтому их объединяют под общим
названием «инструментальные методы анализа».
Биологические методы анализа основаны на том, что для жизнедеятельности живых существ необходима среда строго определенного химического состава. Установление связи характера или интенсивности ответного сигнала организма с количеством введенного в среду или исключенного из среды компонента служит
для его обнаружения и определения.
В некоторых случаях методы разделения и определения настолько связаны между собой, что составляют неразрывное целое.
Представителем таких методов является хроматография. В процессе хроматографирования смесь разделяется на компоненты,
и их содержание определяется количественно. Такие методы анализа называют гибридными, подчеркивая тесную связь разделения
и определения как характерную особенность.

1.3. Основные типы реакций,
используемые в аналитической химии

Основа классических и физико-химических методов анализа –
применение химических реакций для определения вещества.
С точки зрения химика-аналитика целесообразно выделить
следующие типы химических реакций:
1) кислотно-основные реакции;
2) окислительно-восстановительные реакции;
3) реакции комплексообразования;
4) реакции осаждения.
Реакции кислотно-основного взаимодействия связаны с процессом передачи протона:

H+ + OH–  H2O,

CH3COOH + OH–  CH3COO– + H2O,

CO3
2 – + H+  HCO3
– .

Реакции комплексообразования связаны с образованием координационных соединений:

Fe3+ + 6SCN–  [Fe(SCN)6]3–,

BiI3 + I–  [BiI4]–.

Реакции осаждения основаны на образовании малорастворимых соединений:

Ag+ + Cl–  AgCl,

Cd2+ + S2–  CdS.

Реакции окисления – восстановления основаны на процессе
переноса электронов от восстановителя к окислителю:

5Fe2+ + MnO4
–  + 8H+  5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O.

1.4. Основные характеристики методов
аналитической химии

Точность метода. Одной из важнейших характеристик метода анализа является его точность. Увеличение точности анализа – одна из основных задач химического анализа.
Требования к точности анализа обычно определяются целью
и задачами анализа, природой объекта. Достаточно точны гравиметрический и титриметрический методы, погрешность которых
обычно составляет соответственно 0.05–0.2 и 0.1–0.5 %. Из современных методов наиболее точен кулонометрический, позволяющий проводить определение компонентов с погрешностью
0.001–0.01 %.
Точность анализа – это собирательная характеристика метода
или методики, включающая их правильность и прецизионность.
Правильность характеризует отклонение полученного результата анализа от истинного значения измеряемой величины (рис. 1.1).
Прецизионность характеризует степень близости друг к другу
единичных результатов, рассеяние единичных результатов относительно среднего (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1. Прецизионность и правильность
химического анализа

Прецизионность

Правильность

х1
х2 х5
хср
х4 х3
хист

Прецизионность делят на воспроизводимость и сходимость
(повторяемость). При этом под сходимостью понимают рассеяние результатов параллельных определений, а под воспроизводимостью – рассеяние результатов, полученных различными методами, в разных лабораториях, в разное время и т. п.
Когда говорят о высокой точности, предполагают, что результаты правильные и разброс данных анализа незначителен.