Аналитическая химия и физико-химические методы анализа

Серия «Учебные издания для бакалавров»




В. Д. Валова (Копылова), Е. И. Паршина



АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА



Практикум



5-е издание, стереотипное





Москва

Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°»

2023

УДК 543
ББК 24.4
   В15

Авторы:
  В. Д. Валова (Копылова) — доктор химических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации;
Е.  И. Паршина — преподаватель.



В15

    Валова (Копылова) В. Д.
     Аналитическая химия и физико-химические методы! анализа : практикум / В. Д. Валова (Копылова), Е. И. Паршина. — 5-е изд., стер. — Москва : Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2023. — 198 с.

          ISBN 978-5-394-05402-0.
          Практикум включает качественный анализ неорганических соединений (8 лабораторных работ) и количественный анализ (11 лабораторных работ, в том числе 3 работы по физико-химическим методам анализа). В каждой работе приводится перечень вопросов для теоретической подготовки, а также вопросы и задачи для самостоятельной работы студентов.
          Для студентов бакалавриата, обучающихся по направлениям подготовки «Технология продукции и организация общественного питания», «Продукты питания из растительного сырья», «Продукты питания животного происхождения», а также для студентов колледжей.



ISBN 978-5-394-05402-0

                          Подписано в печать 16.11.2022. Формат 60x90 1/16.
     Печать цифровая. Бумага офсетная № 1.
     Печ. л. 12,5. Тираж 30 экз. Заказ № 184985
Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°»
129347, Москва, Ярославское шоссе, д. 142, к. 732
     Тел.: 8 (495) 668-12-30, 8 (499) 182-01-58
     E-mail: sales@dashkov.ru — отдел продаж;
office@dashkov.ru — офис; http://www.dashkov.ru

© Валова (Копылова) В. Д., Паршина Е. И., 2011
© ООО «ИТК «Дашков и К°», 2011

            Оглавление


Введение...................................................7
Часть I. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ 1. Классификация методов качественного анализа.............8
2. Условия выполнения аналитических реакции и их основные характеристики........................................... 12
3. Лабораторное оборудование и техника полумикроанализа....17
Контрольные вопросы.......................................18
4. Качественный анализ катионов...........................20
   4.1. Классификация катионов............................20
Контрольные вопросы.......................................22
   4.2. Лабораторные работы...............................22
Лабораторная работа № 1. Качественный анализ катионов
I аналитической группы Na⁺, К⁺, NH₄⁺......................22
Контрольные вопросы.......................................27
Лабораторная работа № 2. Качественный анализ катионов
II аналитической группы Ag⁺, Pb²⁺, Hg₂²⁺..................28
Контрольные вопросы.......................................33
Лабораторная работа № 3. Качественный анализ катионов
III аналитической группы Ba²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺.................33
Контрольные вопросы и задачи..............................36
Лабораторная работа № 4. Качественный анализ катионов
IV  аналитической группы Al³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺, Sn²⁺, Sn⁴⁺......37
Контрольные вопросы.......................................44
Лабораторная работа № 5. Качественный анализ катионов
V  аналитической группы Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Mg²⁺.............45
Контрольные вопросы.......................................49
Лабораторная работа № 6. Качественный анализ катионов
VI  аналитической группы Cu²⁺, Ni²⁺, Co²⁺..................50
Контрольные вопросы.......................................58

3

5. Качественный анализ анионов..............................60
   5.1. Классификация анионов...............................60
   5.2. Лабораторные работы.................................62
Лабораторная работа № 7. Качественный анализ анионов........62
Контрольные вопросы.........................................69
Лабораторная работа № 8. Качественный анализ сухой соли.....70
Контрольные вопросы.........................................75


Часть II. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ


1. Классификация методов количественного анализа............77


2. Химические методы количественного анализа...................79
   2.1. Гравиметрический (весовой) метод.......................79
     2.1.1. Общая характеристика метода........................79
     2.1.2. Посуда и приборы гравиметрического метода..........80
Лабораторная работа № 9. Определение гигроскопической влаги в образце......................................................84
Контрольные вопросы и задачи...................................87
   2.2. Титриметрические (объемные) методы.....................88
     2.2.1. Общая характеристика методов.......................88
     2.2.2. Классификация титриметрических методов.............90
     2.2.3. Мерная посуда и методика ее использования..........91
     2.2.4. Приготовление титрованных растворов................98

     2.2.5. Расчеты в титриметрическом анализе............... 100
Контрольные вопросы и задачи................................. 103
     2.2.6. Кислотно-основное титрование (методы нейтрализации). 105
        2.2.6.1. Общая характеристика методов. Алкалиметрия.. 105
        2.2.6.2. Лабораторные работы..........................107
Лабораторная работа № 10. Приготовление титрованного раствора щелочи........................................................107
Лабораторная работа № 11. Определение массы серной кислоты в растворе................................................... 112
Контрольные вопросы и задачи................................. 114
     2.2.7. Окислительно-восстановительные методы (оксидиметрия) .... 115
        2.2.7.1. Общая характеристика методов................ 115
        2.2.7.2. Перманганатометрия...........................116
        2.2.7.3. Лабораторные работы......................... 118
Лабораторная работа № 12. Приготовление титрованного раствора перманганата калия............................................118


4

Лабораторная работа № 13. Определение содержания железа в соли Мора..................................................122
Контрольные вопросы и задачи.................................124
        2.2.7.4. Йодометрия..................................125
        2.2.7.5. Лабораторные работы.........................128
Лабораторная работа № 14. Приготовление титрованных рабочих растворов тиосульфата натрия и йода......................... 128
Лабораторная работа № 15. Определение концентрации меди в растворе сульфата меди.................................... 132
Лабораторная работа № 16. Определение процентной концентрации сульфита натрия в растворе...................................134
Контрольные вопросы и задачи................................ 135
     2.2.8. Методы осадительного титрования................. 136
        2.2.8.1. Общая характеристика методов. Аргентометрия.136
        2.2.8.2. Лабораторные работы.........................137
Лабораторная работа № 17. Приготовление титрованного раствора нитрата серебра............................................. 137
Лабораторная работа № 18. Определение процентного содержания поваренной соли в растворе.................................. 139
Контрольные вопросы и задачи................................ 141
     2.2.9.     Методы комплексонометрического титрования (методы комплексонометрии).......................................... 141
        2.2.9.1. Общая характеристика методов. Трилонометрия. 141
        2.2.9.2. Лабораторные работы........................ 144
Лабораторная работа № 19. Приготовление титрованного раствора трилона Б................................................... 144
Лабораторная работа № 20. Определение общей жесткости воды... 146
Контрольные вопросы и задачи................................ 149

3. Физико-химические методы количественного анализа......... 150
   3.1. Общая характеристика методов........................ 150
   3.2. Приемы в физико-химических методах количественного анализа ... 151
   3.3. Спектральные методы анализа. Абсорбционная спектроскопия ... 154
Лабораторная работа № 21. Определение концентрации меди (II) в растворе фотоэлектроколориметрическим методом............. 160
Контрольные вопросы и задачи................................ 164
   3.4. Оптические методы анализа. Рефрактометрия............165
Лабораторная работа № 22. Определение концентрации этилового спирта в водном растворе.....................................170

5

Контрольные вопросы и задачи............................... 173
   3.5. Хроматографические методы анализа (хроматография)...174
     3.5.1. Основы и классификация методов................. 174
     3.5.2. Ионообменная хроматография......................180
Лабораторная работа № 23. Определение общего содержания солей методом ионного обмена..................................... 185
Контрольные вопросы и задачи............................... 187

Литература................................................. 189

Приложения..................................................191
Приложение 1. Правила работы в аналитической лаборатории.... 191
Приложение 2. Плотность и процентный состав растворов кислот и щелочей.................................................. 194
Приложение 3. Формулы для определения концентрации водородных ионов в растворах различных электролитов................... 196
Приложение 4. Нормальные окислительно-восстановительные потенциалы................................................. 197


6

            Введение



    Аналитическая химия — наука о методах качественного и количественного анализа веществ.
    Цель качественного анализа — установить, из каких химических элементов состоит анализируемое вещество, какие ионы, группы атомов или молекул входят в его состав. При исследовании неизвестного вещества качественный анализ всегда предшествует количественному.
    Цель количественного анализа — определить, сколько интересующего нас компонента содержится в анализируемом веществе, он позволяет установить количественное соотношение составных частей анализируемого объекта.
    В данном практикуме рассматривается качественный анализ только неорганических веществ. Их специфика заключается в том, что в водных растворах они практически полностью распадаются на ионы (катионы и анионы). Как следствие, анализ огромного количества неорганических веществ (около 300 тысяч) сводится к определению в растворах наличия катионов и анионов различных элементов, количество которых в тысячу раз меньше, что значительно упрощает анализ неорганических веществ. Описываемые в практикуме методы количественного анализа могут быть использованы во многих случаях для количественного анализа как неорганических, так и органических веществ.
    При выполнении лабораторных работ по аналитической химии студентам приходится использовать химические вещества, некоторые из которых ядовиты, огнеопасны и взрывоопасны. Поэтому, прежде чем приступить к выполнению лабораторных работ, необходимо изучить правила работы в химической лаборатории и неукоснительно следовать им.

7

            Часть I. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ


   Задача полного качественного анализа — установить химический состав образца, т. е. определить, из каких компонентов он состоит. В аналитической практике очень редко приходится анализировать образец, состав которого совершенно неизвестен и необходима его полная химическая характеристика. Гораздо чаще требуется провести так называемый частный анализ, цель которого установить присутствие или отсутствие одного или нескольких компонентов в анализируемой пробе. В таком случае задача исследования значительно облегчена.


            1. Классификация методов качественного анализа


   Существует два принципа классификации методов анализа:
   1) по природе процессов, используемых в анализе;
   2) по количеству анализируемого вещества.
   По природе процессов, используемых для качественного анализа веществ и их смесей, применяют химические, физические и физико-химические методы анализа.
   Химические методы качественного анализа основаны на химических превращениях, которые приводят к образованию осадков, окрашенных соединений или газообразных веществ. Химические процессы, используемые в целях анализа, называют аналитическими реакциями. Вещества, вызывающие химические превращения, называют реактивами или реагентами.


8

    Химический анализ вещества проводят в основном двумя способами: «сухим путем» — вещество анализируют, не растворяя его, и «мокрым путем» — сначала исследуемое вещество растворяют, а затем определяют его состав.
    Анализ «сухим путем» (окрашивание пламени, образование окрашенных сплавов и др.) применяют при предварительных исследованиях.
    При анализе «мокрым путем» анализируемое вещество предварительно растворяют в подходящем растворителе. Растворимые неорганические вещества, являясь сильными электролитами, диссоциируют на ионы, и анализ сводится к определению в растворе катионов и анионов. При проведении аналитических реакций в исследуемый раствор вводят определенные реагенты, образующие с открываемым ионом характерный продукт взаимодействия (газ с характерным запахом, окрашенное труднорастворимое или растворимое вещество, обесцвечивание реактива и др.). Реакции, по результату которых можно определить присутствие конкретного иона или соединения, называются специфическими (характерными) реакциями данного иона или соединения.
    Физические методы анализа основаны на существовании определенных зависимостей между физическими свойствами вещества и химическим составом. К ним относится спектральный и другие оптические методы.
    Физико-химические методы основаны на наблюдении физических явлений, происходящих при химических реакциях. Многие физические и физико-химические методы анализа отличаются быстротой выполнения и позволяют открывать искомое вещество, когда его содержание в анализируемом объекте незначительное (10'⁵-10'⁴%). Они также позволяют автоматизировать контроль выпускаемой продукции.
    Несмотря на отдельные преимущества физических и физикохимических методов анализа, пока наибольшее значение в анализе продукции производства предприятий общественного питания, сельском хозяйстве и других отраслях народного хозяйства имеют

9

химические методы, не требующие сложной и дорогой аппаратуры и отличающиеся простотой выполнения.
     В зависимости от количества анализируемого вещества, объема растворов, используемых для анализа, и главным образом от применяемой техники выполнения эксперимента методы анализа подразделяют на макро-, полумикро-, микро-, ультрамикрометоды (табл. 1.1).
Таблица 1.1

Классификация химических методов анализа, основанная на массе (объеме) анализируемого объекта

     Метод         Количество веще-   Объем раствора, мл
                  ства, необходимое                     
                 для полного анализа,                   
                          г                             
Макрометод       от 1до 0,1           >5                
Полумикрометод   от 0,1 до 0,01       от 5 до 0,5       
Микрометод       от 0,01 до 0,001     от 0,5 до 0,05    
Ультрамикрометод 0,001                0,05              

     Макрометод требует больших объемов реактивов для выполнения анализа и в настоящее время практически не используется.
     Микрометод требует специальную аппаратуру для анализа небольших количеств вещества и в товароведной практике и общественном питании не применяется, так как всегда имеется достаточное количество вещества для проведения анализа.
     Полумикрометод занимает промежуточное положение между макро- и микрометодом. Он сохраняет в основном принципы макро-химического метода анализа, но так как при выполнении анализа приходится работать с меньшими количествами вещества, то и аппаратура и техника работы здесь другие. Вместо больших пробирок и колб пользуются микропробирками. Характерным для полумикрометода является применение капельниц для дозирования и переноса растворов. Вместо фильтрования осадок отделяется от раствора центрифугированием.
     В полумикроанализе широко применяются микрокристалло-скопические и капельные реакции на фильтровальной бумаге или на

10

капельных пластинках из стекла или фарфора, где для выполнения аналитической реакции достаточно нескольких капель исследуемого раствора и реагентов.
    Полумикрометодом пользуются многие современные аналитические лаборатории, так как он позволяет уменьшить расход реактивов, время выполнения определения, избежать загрязнения воздуха лаборатории вредными газами. При достаточно тщательной работе он дает вполне надежные результаты.
    В настоящем практикуме изложена техника качественного химического полумикроанализа.

11

            2.   Условия выполнения аналитических реакции и их основные характеристики



    Для успешного проведения анализа аналитические реакции должны проводиться при строго определенных условиях: оптимальной концентрации ионов водорода, гидроксила и реагента, “на холоду”, т. е. при комнатной температуре, или при нагревании, в отсутствие мешающих примесей посторонних ионов и т. д.
    Так, осадки, растворимые в кислотах, не могут выпадать из раствора при наличии в нем избытка свободной кислоты, так же как и осадки, растворимые в щелочах, не выпадут в щелочной среде; если осадок растворим и в кислотах, и в щелочах, его можно получить только в нейтральной среде.
    Отсюда следует, что одним из важнейших условий выполнения реакций является надлежащая среда, которая в случае необходимости должна быть создана прибавлением к анализируемому раствору кислоты или щелочи.
    Другим важнейшим условием является температура раствора. Осадки, растворимость которых сильно возрастает с повышением температуры, не следует получать из нагретого раствора, соответствующие реакции должны выполнятся на холоду, т. е. при комнатной температуре, иногда даже при охлаждении раствора. Некоторые реакции, наоборот, протекают только при нагревании.
    Очень важным условием течения реакции является достаточно большая концентрация открываемого иона в растворе. Если концентрация его меньше требуемой, то реакция не пройдет, так как

12

осадок образуется только при условии, когда его концентрация в растворе превышает его растворимость в данных условиях.
    Если вещество труднорастворимо, оно выпадает в осадок уже при очень малой концентрации открываемого иона, такие реакции называется чувствительными. При значительной растворимости образующегося соединения реакция малочувствительна и может удаваться лишь при условии, когда концентрация открываемого иона сравнительно велика. То же самое относится к реакциям, связанным с появлением окраски или ее исчезновением, окрашиванием пламени и т. д.
    Чувствительность реакции — это возможность обнаружения с помощью ее реакции минимального количества искомого вещества.
    Мерой чувствительности реакции является открываемый минимум, т. е. минимальное количество, которое все еще достоверно может быть обнаружено с помощью этой реакции. Чаще всего выражается в микрограммах (1 мкг = 1-10⁻³ мг = 1-10⁻⁶ г). Для полной характеристики чувствительности реакции необходимо знать предельную концентрацию, так как одно и то же количество, например 1 мкг, может быть обнаружено при помощи данной реакции в 1 мл раствора, но уже не может быть обнаружено, например, в 0,5 л раствора. Предельная концентрация представляет собой наименьшую концентрацию (1 г вещества растворен в соответствующем количестве миллилитров растворителя), при которой все еще может быть обнаружено искомое вещество с помощью данной реакции.
    Очень часто наряду с предельной концентрацией используют обратную величину, которая называется предельным разбавлением. Например, если предельная концентрация составляет 1 : 100 000, то предельное разбавление будет равно 100 000.
    Чувствительность реакции будет тем выше, чем меньше величина открываемого минимума и ниже предельная концентрация (соответственно, большое предельное разбавление).
    Отсюда следует, что качественные реакции носят относительный характер. Положительный результат аналитической реакции свидетельствует о наличии искомого вещества в исследуемом объ

13

екте, но отрицательный результат означает только то, что оно не содержится в системе с концентрацией выше предельной для данной реакции. Использование более чувствительных химических реакций или других методов качественного анализа позволяет определить, присутствует ли искомое вещество в системе.
    Из сказанного следует, что весь арсенал химических реакций, которыми располагают аналитики, можно подразделить на реакции общие, групповые, селективные и специфичные.
    Общие реакции — реакции, аналитические сигналы которых одинаковы для многих ионов. Применяемый реагент также называют общим. При анализе смеси катионов в качестве общих реакций используют осаждение гидроксидов, карбонатов, сульфатов, сульфидов и т. д. Полученные осадки обладают различной растворимостью в кислотах, щелочах, растворах аммиака. На основании этих свойств можно создать определенные условия (рН среды, присутствие солей аммония), когда с помощью данного общего реагента осаждаются только некоторые ионы. В этом случае общий реагент становится групповым.
    Групповые реакции — это частный случай общих реакций, используемых в конкретных условиях для выделения определенной группы ионов, обладающих близкими свойствами. Общие и групповые реакции применяют для выделения и разделения ионов сложной смеси.
    Селективными, или избирательными, называют реакции, позволяющие в смеси ионов обнаруживать ограниченное число катионов или анионов.
    Еще одной характеристикой аналитической реакции является ее специфичность. Специфичной реакцией называется такая реакция, которая в данных условиях характерна для определенного иона или молекулы и, следовательно, может использоваться для их обнаружения в присутствии других веществ. Например, в аммиачной среде раствор диметилглиоксима образует с никелем интенсивно окрашенный красный осадок нерастворимого комплекса. Если можно было бы подобрать специфические реакции для всех ионов, задача качественного анализа была бы существенно облегчена, так как это

14