1.Предмет аналітичної хімії

Аналітична хімія – це наука, яка розробляє методи хімічного аналізу. Хімічним аналізом називають процес встановлення хімічного складу речовин. Оскільки хімічний склад визначає властивості речовини, методи аналітичної хімії використовують скрізь. У наукових дослідженнях – це методи пізнання природи, на виробництві – це методи контролю технологічних процесів, навіть у побуті використовують дуже прості прилади для контролю, приміром, вмісту нітратів в овочах.

Хімічний аналіз має два етапи. Якісний аналіз з’ясовує, які компоненти входять до складу досліджуваної речовини, а кількісний – у яких кількісних співвідношеннях. Отже якісний і кількісний аналіз – це не розділи аналітичної хімії, а етапи її вивчення. Вони використовують одні й ті самі аналітичні реакції. Аналітична реакція – це така хімічна реакція, виконавши яку можна зробити висновки про хімічний склад речовини. Аналітичні реакції виконуються за допомогою аналітичних реактивів, у відповідних умовах і супроводжуються певним ефектом, який спостерігається візуально у якісному аналізі і вимірюється у кількісному.

Хімічні (або класичні) методи аналітичної хімії базуються на вимірюванні маси і об’єму – класичних властивостей речовини (які вимірюються навіть у побуті), тому основна увага приділяється правильному виконанню хімічної реакції. Методи, які базуються на вимірюванні, крім маси і об’єму, інших властивостей речовини, що пов’язані з її хімічним складом (оптична густина, електропровідність та ін.) потребують більш складних приладів і називаються інструментальними.

У загальному вигляді аналітичну реакцію можна записати так: X + R ® P,

де X –речовина, яку треба визначити, R –аналітичний реактив, P –продукт реакції.

Методи аналітичної хімії поділяються на дві основні групи залежно від того, що вимірюється:

1) Вимірюється кількість продукту аналітичної реакції Р, якщо він має такі властивості, що його кількість легко виміряти (гравіметрія, колориметрія та ін.)

2) Вимірюється кількість реактиву R, що витрачається на реакцію з Х, якщо реакція між Х і R проходить у точних кількісних співвідношеннях (титриметрія).

У першому випадку додають надлишок реактиву, щоб якомога повніше перевести речовину Х, яку треба визначити, у продукт Р, кількість якого вимірюється. У другому випадку ніякого надлишку реактиву не повинно бути. Додаючи реактив R у вигляді розчину точної (титр) концентрації, треба зупинитися саме у той момент, коли його кількість стане еквівалентною кількості Х. Процес додавання реактиву називають титруванням, а той момент, коли треба зупинитися – точкою еквівалентності.

Аналітичні реакції, які використовуються у титриметрії повинні відповідати певним вимогам.

1) Реакція між реактивом R, який вимірюється, і речовиною Х, яка визначається, повинна проходити у точних кількісних (стехіометричних) співвідношеннях. Реактив не повинен витрачатись на побічні реакції.

2) Повинна бути можливість встановити точку еквівалентності (вчасно зупинитись).

3) При прямому титруванні реакція повинна проходити швидше ніж додається реактив. Не всі реакції відповідають цим вимогам, тому використовують непрямі методи титрування – метод заміщення і метод титрування залишку. 1.Розрахунки у титриметрії (об’ємний аналіз)

Знаючи кількість реактиву R, кількість речовини Х, яку визначають, розраховують за законом еквівалентів: речовини взаємодіють між собою у вагових кількостях, які пропорційні їхнім еквівалентам. А еквівалентом називають таку вагову кількість речовини, яка у певній реакції відповідає одній ваговій кількості гідрогену. Отже для розрахунку еквівалента треба знати не тільки формулу, але й реакцію, у якій приймає участь речовина. Еквівалент речовини у різних реакціях може бути різним.

Якщо визначають органічні кислоти у харчових продуктах, вимірюють кількість NаОН, що витрачається у реакції нейтралізації:

СН₃СООН + NаОН → СН₃СООNа +Н₂О

1 60 40 1

0,1 6 4 0,1

0,01 0,6 0,4 0,01

0,02 1,2 0,8 0,02

г-екв г г г-екв (моль/екв)

Співвідношення речовин такі: на 60 г (1 моль-екв) СН₃СООН витрачається 40 г (1 моль-екв) NаОН, на 6 г (0,1 моль-екв) – 4 г (0,1 моль-екв) і т.д. Отже, якщо кількості взаємодіючих речовин вимірювати у грамах, то вони пропорційні їхнім еквівалентам, а якщо в еквівалентах – то кількість еквівалентів однакова (n) для усіх учасників реакції: n_х = n_R (1)

Кількість реактиву можна точно розрахувати, якщо, знаючи точну концентрацію, правильно виміряти об’єм (V) розчину. Саме тому титриметрію називають ще об’ємним аналізом. Концентрацію розчину виражають різними способами.

Титр Т – це кількість грамів (іноді – міліграмів) розчиненої речовини у 1 мл розчину.

Молярність М – це кількість молів (грам-молекул) розчиненої речовини у 1л (1000 мл) розчину.

Нормальність N – це кількість моль-еквівалентів (грам-еквівалентів) розчиненої речовини у 1 л розчину.

Отже, закон еквівалентів (1) для концентрацій і об’ємів двох реагуючих розчинів, що виміряні у точці еквівалентності, має такий вигляд: (NV)_х = (NV)_R або (CV)_X = (CV)_R (2)

Якщо моль і моль-еквівалент співпадають (для НСІ, NаОН, СН₃СООН та ін.) нормальність співпадає з молярністю. Останнім часом, відповідно до нових стандартів, нормальну концентрацію стали називати молярною концентрацією еквівалента і обидві концентрації позначати С, тому треба бути уважним і звертати увагу на розмірність (моль/л або моль-екв/л), а також на індекс: СН₂SO₄ – молярна (моль/л), а С½Н₂SO₄ – нормальна (моль-екв/л) концентрація. Замість літра вживають дм³: моль/л і моль/дм³ – це одне й те саме (для хіміка-аналітика), як і г/мл те саме, що г/см³.

Еквівалент у реакціях нейтралізації визначається кількістю гідрогенів, яка приймає участь у реакції (а не тією, що міститься у молекулі). Якщо у молекулі кислоти заміщуються два гідрогени, кожна молекула містить два еквіваленти: Н₂С₂О₄ + 2NаОН = Nа₂С₂О₄ + 2Н₂О;

H₂SO₄ + 2NаОН = Nа₂SО₄ + 2Н₂О; отже:

еквівалент(H₂SO₄) = ½Mr(H₂SO₄) =Mr(½H₂SO₄); еквівалент(Н₂С₂О₄) = ½Mr(Н₂С₂О₄) = Mr(½Н₂С₂О₄). Для розчинів таких речовин нормальність удвічі більша за молярність – оскільки еквівалент удвічі менший, кількість еквівалентів буде удвічі більшою у тому ж розчині.

Для розрахунку кількості речовини у грамах кількість еквівалентів множимо на величину еквівалента: m_x = Mr_x·(CV)_x = Mr_x·(CV)_R (3) Зверніть увагу, що (CV)_x можна замінити на·(CV)_R, оскільки у точці еквівалентності вони однакові, але Mr_x залишається – треба завжди підставляти еквівалент тієї речовини, кількість якої потрібна у грамах.

У лабораторії вимірювальний посуд (піпетки, бюретки, колби) градуйований у мл (або см³), які треба перевести у літри (дм³) – 1 л = 1000 мл. Тоді формула для розрахунку маси має вигляд

Mr_x·(CV)_x Mr_x·(CV)_R

m_x =------------- = --------------- (4)

1000 1000

Якщо С – молярна концентрація, множимо на молекулярну масу (Мr), а не на еквівалент:

Мr_x·(CV)_x

m_x =-------------- (5),

1000

Але для молярних концентрацій не завжди (CV)_X = (CV)_R у точці еквівалентності – це залежить від коефіцієнтів у рівнянні реакції (для нормальності – не залежить).

Якщо один з двох розчинів, що приймають участь у титруванні, має невідому концентрацію, її можна розрахувати за результатами титрування – у точці еквівалентності (CV)_X = (CV)_R, отже:

(CV)_R

С_х = --------- (6),

V_X

Підставляємо у (4) і маємо: Mr_x·(CV)_x Mr_x·(CV)_R·V_{Х(колби)}

m_x =------------= ----------------------- (7)

1000 1000·V_{Х(піпетки)}

Якщо титрують не весь розчин, а тільки його частину, відібрану піпеткою (аліквотну частину), то V_{Х(колби)} – це загальний об’єм розчину, у якому треба розрахувати кількість розчиненої речовини, а V_{Х(піпетки)} – це об’єм розчину, відібраний на титрування. Приміром, якщо з мірної колби на 100,0 мл відібрали піпеткою 10,0 мл, це означає, що на титрування взяли 1/10 аліквотну частину (або аліквоту) розчину.

Розрахувавши кількість речовини m_х, можна визначити її %-ний вміст, якщо для аналізу взяли певну наважку g (г) досліджуваної проби: m_x·100%

%X = ----------- (7а)

g

Історично об’ємний аналіз (титриметрія) починався з титру (г/мл):

m_x Mr_x·C_x C_R·Mr_x

Т_х = ------ = ------- ; титр реактиву R за речовиною Х: T_R/X = ---------- (8)

V_x 1000 1000

Кількість речовини, що визначається, у такому випадку: m_х =T_R/X·V_R. (9)

Такий спосіб розрахунків особливо зручний для масових аналізів, коли лаборант весь робочий час титрує однотипні проби: після кожного титрування вимірювання за бюреткою (мл) треба тільки помножити на титр за визначуваною речовиною.

Наведені формули достатні для розрахунків у титриметрії. Непрямі методи будуть розглянуті пізніше.