Свириденко В.Г. Лекции

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования «Гомельский государственный университет

имени Франциска Скорины»

Кафедра химии

В.Г. Свириденко, В.А. Шумилин, Н.И. Дроздова, А.В. Хаданович

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Гомель 2004

1

УДК 543 ББК 24.4 А 64

Рецензенты:

В.А.Филиппова, к.х.н., доцент кафедры общей и бионеорганической химии Гомельского государственного медицинского Университета; Ю.А. Пролесковский, к.х.н., доцент кафедры химии Учреждения образования «Гомельский государственный университет им. Ф.Скорины»

Рекомендовано научно-методическим советом Учреждения образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины» 29 октября 2003 г протокол № 2.

А64 Свириденко В.Г., Шумилин В.А., Дроздова Н.И., Хаданович А.В. Аналитическая химия: Учебно-методический комплекс.- Гомель: Учреждения образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины», 2004 - 278с.

В пособие включены материалы по аналитической химии: программа, тексты лекций, рекомендуемые источники, тематика лабораторно-практических занятий и задания к ним.

Предназначено для студентов биологического и геологогеографического факультетов.

УДК 543 ББК 24.4

А 64

©В.Г. Свириденко, В.А. Шумилин Н.И. Дроздова, А.В. Хаданович

©Учреждение образования

«Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины», 2004

2

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………...4

1 Требования образовательного стандарта………………………………..5

2 Учебная программа……………………………………………………….6

3 Тексты лекций…………………………………………………………...12

Лекция 1. Качественный химический анализ……………………………12

Лекция 2. Применение закона действующих масс к растворам электролитов…………………………………………………………24

Лекция 3. Кислотно-основное равновесие в растворах электролитов……………………………………………………37

Лекция 4. Закон действия масс и гетерогенные процессы……………...52 Лекция 5. Закон действия масс и процессы

Лекция 9. Титриметрический (объемный) анализ……………………...107

4Планы лабораторно-практических занятий…………………………..160

5Контрольные задания…………………………………………………..242

3

ВВЕДЕНИЕ

Аналитическая химия – наука о методах анализа веществ, наряду с общей, неорганической, физической химией, она является частью химической науки.

Аналитическая химия изучает теоретические основы и методы химического анализа: устанавливает закономерности определения качественного состава вещества, т.е. из каких элементов, групп элементов или ионов состоит это вещество и количественного определения состава вещества, а также в каких количественных соотношениях находятся обнаруженные составные части в данном веществе.

Основная цель преподавания дисциплины – развить у студентов навыки аналитических приёмов, изучить теоретические основы качественного и количественного анализа, развить у студентов химическое мышление, чтобы будущий специалист смог не только самостоятельно осуществлять качественное и количественное определение компонентов природных объектов, но и перенести общие методы научной работы в работу по специальности.

Задачи изучения дисциплины:

•создание теоретической и практической основы для успешного овладения специальными дисциплинами.

•развитие теории химических и физико – химический методов анализа.

•совершенствование старых и разработка новых методов анализа природных веществ окружающей среды и технических материалов.

•разработка экспрессных методов анализа, позволяющих исследовать процессы, протекающие в короткие промежутки времени; продуктов жизнедеятельности (тесты на нитраты, те или иные токсиканты, пестициды).

•разработка безразрушительных и дистанционных методов анализа, когда аналитик не может непосредственно контактировать с анализируемым объектом.

•разработка методов ультрамикроколличеств (для ультрамикроколличеств анализируемых веществ).

•развитие у студентов в процессе обучения аналитической химии нестандартного мышления для работы в смежных с химией областях науки – минералогии, геологии, физиологии, микробиологии, а также в медицинских, агрономических и технических науках.

Аналитическая химия связана со смежными дисциплинами: неорганической химией, физической химией, биохимией.

4

1 ТРЕБОВАНИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО СТАНДАРТА

(Руководящий документ Республики Беларусь РД РБ 02100.5.040 - 98)

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Специальность I – 31 01 01 02 – Биология (научно-педагогическая деятельность)

ДИСЦИПЛИНА «АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ»

Предмет, цели и задачи; значение в развитии других наук и народном хозяйстве; качественный и количественный анализ; химические, физико-химические методы анализа; аналитический сигнал; аналитический контроль в службе охраны природы, биологии и медицине; химическое равновесие; кислотно-основное равновесие; окислительновосстановительное равновесие; равновесие в растворах комплексных соединений; органические реагенты в аналитической химии; гравиметрический анализ; титриметрические методы анализа; кислотно-основное титрование; окислительно-восстановительное титрование; пермангана-

химические методы анализа; потенциометрия; вольтамперометрия; методы разделения и концентрирования: осаждение и соосаждение, экстракция, хроматография.

ТРЕБОВАНИЯ К ЗНАНИЯМ И УМЕНИЯМ Специалист должен:

- иметь представление об основных аналитических методах, о качественном анализе катионов, анионов, количественном определении методами химического анализа, закономерностях определения качественного и количественного состава вещества, количественных соотношениях, обнаруженных составных частей в данном веществе, о химических и биологических методах исследования.

- знать и уметь использовать теоретические основы качественного анализа, теоретические основы количественного анализа, навыки различных аналитических приёмов, навыки решения аналитических задач по математической обработке результатов анализа, о математическом моделировании, о методах выделения и исследования субмикроскопических микроструктур, о методах анализа и моделирования экологических процессов, химические основы формирования целостного ес-

5

тественнонаучного представления об окружающем мире и верных знаний на рациональное использование богатств природы.

- владеть основами естественнонаучных дисциплин и специальных дисциплин, основами теоретической и практической аналитической химии для успешного владения специальными дисциплинами, физикохимическими и химическими методами анализа, создающими углубленную базу знаний по соответствующей специализации, аналитическими умениями и навыками титрования, анализа с использованием современной аппаратуры, компьютерными методами сбора, хранения и обработки информации, полученных по материалам полевых и лабораторных исследований.

- иметь опыт самостоятельно принимать решения, разрабатывать и вести научно-техническую и научно-методическую документацию по аналитической химии, прививать обучаемым навыки нестандартного мышления для работы в смежных с аналитической химией областях науки - минералогии, биологии, физиологи, микробиологии, использовать аналитические методы исследования при анализе современных естественнонаучных процессах и в природных объектах, распространять навыки аналитических приёмов обучаемым и учить их применять на практике, анализировать современные биологические проблемы и осуществлять мероприятия по рациональному использованию природных ресурсов и охране природы.

2 УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

1 Качественный и количественный анализ. Химические, физи-

ко-химические и физические методы анализа. Аналитический сигнал. Макро-, полумикро-, микро- и ультрамикроанализ. Характеристика методов и примеры применения их в химических и биологических исследованиях; биогенные элементы, макро- и микроэлементы, их значение для жизни растений и животных. Требования к методам анализа: правильность, воспроизводимость, селективность, экспрессность. Аналитический контроль в службе охраны природы, биологии и медицине.

2 Теоретические основы аналитической химии Химическое равновесие. Основные типы реакций, используемых

в аналитической химии: кислотно-основные, осаждения-растворения, окисления-восстановления, комплексообразования. Активность и концентрация. Ионная сила раствора. Понятие о конкурирующих реакциях.

6

Общая (аналитическая) концентрация. Коэффициент конкурирующей реакции. Константы равновесия: концентрационная, термодинамическая и условная, их взаимосвязь. Факторы, влияющие на равновесие: концентрация реагирующих веществ, температура, ионная сила, природа растворителя, конкурирующие реакции.

Кислотно – основное равновесие. Теории кислот и оснований:

Льюиса, сольвосистем, Бренстеда-Лоури. Понятие кислоты, основания, амфолита, сопряжённой кислотно-основной пары с позиций теории Бренстеда-Лоури. Кислотные и основные свойства растворителей. Автопротолиз амфипротных растворителей. Влияние природы растворителя на силу кислот и оснований. Нивелирующее и дифференцирующее действие растворителя. Вычисление рН в водных растворах кислот, оснований, солей. Буферные растворы. Вычисление рН и ёмкости буферных растворов. Биологические важные буферные растворы.

Окислительно – восстановительное равновесие. Уравнение Нернста.

Понятие о стандартном и реальном потенциале. Константа равновесия, её связь со значениями окислительно-восстановительных потенциалов. Влияние соотношения концентраций окислённой и восстановленной форм, комплексообразования, концентрации ионов водорода, образования малорастворимых соединений на величину окислительно-восстановительного потенциала. Направление реакций окисления-восстановления. Индуцированные (цеп-

ные и сопряжённые) реакции. Понятие об акторе, индукторе, акцепторе. Фактор индукции. Каталитические реакции. Автокатализ. Роль окисли- тельно-восстановительных процессов в биологических системах.

Равновесие в растворах комплексных соединений. Комплексные со-

единения и их характеристики. Ступенчатые (последовательные) и общие константы устойчивости. Влияние комплексообразования на растворимость осадков, кислотно-основное равновесие, окислительно-восстановительный потенциал, стабилизацию неустойчивых степеней окисления элементов. Использование комплексных соединений для обнаружения, маскирования, разделения и концентрирования.

Органические реагенты в аналитической химии. Теоретические ос-

новы действия органических реагентов. Понятие о функциональноаналитических группах. Хелаты и их свойства. Комплексные соединения ионов металлов с органическими лигандами как модели биологически важных систем. Влияние различных факторов на устойчивость циклов: природа центрального атома, дентатность лиганда, пространственный фактор. Хелатный эффект. Важнейшие органические реагенты, используемые в анализе.

3 Методы обнаружения (качественный анализ) Аналитические реакции и реагенты. Способы повышения се-

лективности реакций: маскирование, экстракция, флотация и др. Мето-

7

ды обнаружения элементов: пирохимические, микрокристаллоскопические, капельные, люминесцентные, спектральные. Дробный и систематический анализ.

Подготовка биологического объекта к анализу. Методы отбора средней пробы, её представительность и размер. Разложение биологического объекта. Мокрые и сухие способы разложения. Разложение кислотами, щелочами, окислителями. Сплавление. Плавни для биологических объектов. Анализ без разложения.

4 Методы определения (количественный анализ)

Гравиметрический анализ. Сущность гравиметрического анализа и границы его применимости. Требования к осаждаемой и гравиметрической формам. Схема образования осадков. Загрязнение осадка: совместное осаждение, соосаждение, послеосаждение. Условия получения кристаллических и амфорных осадков. Примеры гравиметрических определений. Применение органических осадителей в гравиметрическом анализе.

Титриметрические методы анализа. Общие сведения о титри-

метрическом анализе, его достоинства и применение в анализе биологических объектов. Классификация методов. Требования, предъявляемые к реакциям в титриметрическом анализе. Виды титриметрических определений. Первичные стандарты, требования, предъявляемые к ним. Вторичные стандарты.

Кислотно – основное титрование. Построение кривых титрова-

ния сильных и слабых кислот и оснований. Титрование в неводных и смешанных средах. Кислотно-основные индикаторы. Ионнохромофорная теория индикаторов. Интервал перехода окраски индикаторов. Выбор индикатора для различных случаев титрования. Ошибки титрования. Примеры практического применения метода кислотноосновного титрования.

Окислительно-восстановительное титрование. Вычисление окислительно-восстановительного потенциала в различных точках титрования. Построение кривых титрования. Окислительно – восстановительные индикаторы. Расчёт молярной массы эквивалентов в методах окислительно-восстановительного титрования. Методы предварительного окисления и восстановления.

Перманганатометрия. Общая характеристика метода. Стандартизация раствора перманганата калия. Определение солей железа, нитритов, «окисляемости» воды (ХПК).

Иодометрия. Определение окислителей и восстановителей. Рабочие растворы в иодометрии. Приготовление и свойства раствора тио-

8

сульфата натрия. Крахмал как индикатор. Условия проведения иодометрических определений.

Комплексонометрическое титрование. Применение солей ами-

нополикарбоновых кислот (комплексонов) в титриметрическом анализе. Способы титрования (прямое, обратное, косвенное). Методы обнаружения конечной точки титрования.Металлохромные индикаторы. Роль рН в комплексонометрии. Определения кальция, меди, общей жёсткости воды.

Физические и физико – химические методы анализа. Общая характеристика физических и физико-химических методов анализа. Классификация. Использование физико-химических и физических методов при исследовании биологических систем и процессов.

Спектроскопические методы анализа. Электромагнитный спектр и классификация спектроскопических методов. Особенности взаимодействия атомов и молекул с электромагнитным излучением. Атомные и молекулярные спектры. Абсорбционные и эмисионные методы.

Молекулярная абсорбционная спектрометрия. Сущность спек-

трофотометрического метода анализа. Основной закон светопоглощения. Величины, характеризующие поглощение электромагнитного излучения: оптическая плотность, молярный коэффициент поглощения. Причины отклонения от основного закона светопоглощения. Выбор фотометрической реакции и оптимальных условий измерения поглощения света: длина волны, интервал оптических плотностей, размеры кювета. Способы определения концентраций спектрофотометрическим методом: метод градуировочного графика, метод добавок, дифференциальный метод. Определение токсичных и жизненно важных микроэлементов в растительных и животных организмах спектрофотометрическим методом (определение фосфора, марганца, железа, меди).

Атомная эмиссионная спектрометрия (фотометрия пламени).

Теоретические основы метода. Температурные характеристики пламени. Процессы, протекающие в пламени. Интенсивность спектральной линии и её связь с концентрацией вещества. Определение биологически важных неорганических ионов методом фотометрии пламени.

Атомная абсорбционная спектрометрия. Теоретические основы и достоинства метода. Законы поглощения света атомами. Источники первичного излучения. Источники атомизации: пламя и не пламенные атомизаторы. Преимущества не пламенных атомизаторов. Определение концентрации микроэлементов в биологических пробах атомноабсорбционным методом.

9

Электрохимические методы анализа. Теоретические основы электрохимических методов. Электрохимическая ячейка, индикаторные электроды и электроды сравнения. Чувствительность и селективность электрохимических методов анализа. Потенциометрия. Сущность метода. Схема потенциометрической установки. Индикаторные электроды в различных потенциометрических методах. Ионометрия. Типы ионоселективных электродов. Стеклянный электрод. Определение активности ионов водорода и щелочных металлов. Ионоселективные электроды с жидкими мембранами. Принцип действия калий- и кальцийселективных электродов. Ионометрическое определение нитрат-иона в биологических объектах. Потенциометрическое титрование. Преимущества и недостатки метода. Кривые потенциометрического титрования. Определение кислот, оснований, галогенид ионов.

Вольтамперометрия. Индикаторные электроды и электроды сравнения в вольтамперометрии, их достоинства и недостатки. Полярография. Общая характеристика полярографической волны, уравнение волны, потенциал полуволны. Качественный и количественный полярографический анализ. Способы повышения чувствительности и разрезающей способности полярографического метода. Определение ионов металлов, растворённого кислорода, поверхностно-активных веществ полярографическим методом.

5 Методы разделения и концентрирования Осаждение и соосаждение. Применение неорганических и орга-

нических реагентов для осаждения. Групповые реагенты, требования к ним. Характеристика малорастворимых соединений, наиболее часто используемых в анализе. Концентрирование микроэлементов соосаждением на неорганических соосадителях (коллекторах).

Экстракция. Основные количественные характеристики экстракции. Типы экстракционных систем. Скорость экстракции. Основные органические реагенты, используемые для разделения элементов методом экстракции.

Хроматография. Классификация хроматографических методов. Методы получения хроматограмм (фронтальная, элюентная, вытеснительная хроматография). Удерживаемый объём, время удерживания и идентификация веществ, понятие о высоте эквивалентной теоретической тарелке (ВЭТТ). Хроматография на бумаге. Специфические особенности метода. Способы определения величины подвижности (R1), Разделение и качественное обнаружение смеси органических соединений (аминокислот) методом бумажной хроматографии. Тонкослойная хроматография. Ионообменная хроматография. Основные представления о механизме ионного обмена. Катиониты и аниониты. Практические

10