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 хи-
мии, теоретические основы химических – титриметрического и гравиметри-
ческого – методов анализа, указаны области применения, их достоинства и не-
достатки. Изложены основные закономерности равновесий и протекания реак-
ций в водных растворах (кислотно-основных, окислительно-восстановительных,
комплексообразования и осаждения).
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по нехимичес-
ким специальностям.

Лакиза, Н. В.
Основы химических методов анализа : учебное пособие /
Н. В. Лакиза ; Министерство науки и высшего образования Рос-
сийской Федерации, Уральский федеральный университет име-
ни 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 «Осно-
вы анализа состава вещества», читаемых студентам департамен-
тов биологии и фундаментальной медицины, наук о Земле и космо-
се, фундаментальной и прикладной физики Института естествен-
ных наук и математики Уральского федерального университета.
Учебное пособие представляет курс аналитической химии
в объеме, предусмотренном для ее освоения в вузе учебными пла-
нами. В пособии рассмотрены основы титриметрического (кис-
лотно-основного, окислительно-восстановительного и комплексоно-
метрического титрования) и гравиметрического методов анализа.
Каждой главе, в которой рассматривается та или иная разновид-
ность химического метода анализа, соответствует глава, содержа-
щая теоретические основы соответствующего метода. Приведены
примеры решения типовых заданий.
Список литературы включает в себя учебники, учебные посо-
бия, 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, кото-
рые широко используются при проведении научных исследований
в области неорганической, органической, физической и коллоид-
ной 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 фи-
зических методов анализа, в основе которых лежат процессы, свя-
занные со строением электронной оболочки и ядра атома.
Аналитическая химия тесно связана с техникой и приборо-
строением, так как совершенствование методов анализа направле-
но на все более широкое использование инструментальных методов.

Методами аналитической химии пользуются также биологи-
ческие, медицинские, технические и другие науки. Так, в медицине
большое значение имеет качественное и количественное опреде-
ление отдельных элементов, которые входят в состав тканей жи-
вых организмов и обусловливают их нормальную физиологичес-
кую деятельность. Не менее важную роль играет аналитическая
химия в геологии, геохимии, сельском хозяйстве, фармацевтичес-
кой, 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 технологичес-
кими выбросами, сточными водами и т. д. В России и многих дру-
гих 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 кос-
мических 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 хи-
мия не только обеспечила эти области эффективными методами
анализа, но и послужила основой разработки многих новых техно-
логических процессов.

1.1. Основные термины и определения

Аналитическая химия – это наука, развивающая теоретичес-
кие основы химического анализа веществ и материалов и разра-
батывающая 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 ко-
личественный состав анализируемого объекта.
В соответствии с двусторонним характером решаемых задач
аналитическую химию разделяют на две основные части: качест-
венный и количественный анализ. Это деление в какой-то степени
условно и традиционно. Задача качественного анализа – обнару-
жить, какие именно элементы или их соединения входят в состав
анализируемого материала. Качественный анализ обычно пред-
шествует количественному; цель последнего – установить коли-
чественные 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 концентри-
рования и методы определения.
Методы разделения различных элементов или их соединений
ставят своей задачей подготовку исследуемого объекта для ана-
лиза. Чем сложнее смесь, которую нужно анализировать, тем
в большей степени нужна такая подготовка. Необходимость раз-
деления вызвана тем, что в целом ряде случаев невозможно не-
посредственное определение элемента или соединения прямо
из образца, поскольку методы определения являются недостаточ-
но специфичными. Поэтому требуется предварительное отделе-
ние интересующего аналитика элемента или соединения от ме-
шающих определению веществ в виде, пригодном для количест-
венного определения. Однако нередко определение интересующего
компонента производится прямо в пробе без предварительного
разделения. Иногда необходимо не только разделение, но и кон-
центрирование определяемого компонента, если он находится
в исследуемом объекте в виде микропримесей. Эта цель достига-
ется 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 проис-
ходит при разделении веществ методами осаждения, соосажде-
ния, адсорбции, ионного обмена; между твердой и газообразной
фазами – методами адсорбции и возгонки; между двумя жидкими
фазами – методом экстракции; между жидкой и газообразной фа-
зами – методом дистилляции.
Методы определения – это методы анализа, позволяющие
непосредственно определить качественный и количественный со-
став образца. Данную группу методов принято разделять на хи-
мические, физико-химические, физические и биологические. При-
веденная классификация достаточно условна, так как четкого раз-
граничения между названными методами провести нельзя.
Химические или, как их еще называют, классические методы
анализа базируются на химических реакциях. О качественном со-
ставе анализируемого вещества судят по свойствам продуктов ре-
акции (образование или растворение осадков, образование окра-
шенных продуктов, выделение газов). В химических методах ко-
личественного анализа проводят химическую реакцию и измеряют
либо массу полученного продукта (гравиметрический метод ана-
лиза), либо затраченный объем реагента (титриметрический ме-
тод анализа), что дает возможность судить о количестве опреде-
ляемого вещества.
Физико-химические методы анализа стали применять позднее,
когда была установлена и изучена связь между физическими свой-
ствами веществ и их составом. Это позволило разработать группу
методов, основанных на измерении физических свойств опреде-
ляемого вещества после проведения химической реакции. Электро-
химические методы – это одна из групп физико-химических мето-
дов анализа, основанная на измерении электрических параметров:
силы тока, разности потенциалов и т. д. К ним относятся потен-
циометрические, полярографические, амперометрические, кулоно-

метрические, кондуктометрические методы анализа. Другая груп-
па физико-химических методов анализа – оптические методы
анализа – основана на способности веществ поглощать или про-
пускать 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 из-
лучения 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 приме-
няют 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 жизне-
деятельности живых существ необходима среда строго определен-
ного химического состава. Установление связи характера или ин-
тенсивности ответного сигнала организма с количеством введен-
ного в среду или исключенного из среды компонента служит
для его обнаружения и определения.
В некоторых случаях методы разделения и определения на-
столько связаны между собой, что составляют неразрывное целое.
Представителем таких методов является хроматография. В про-
цессе хроматографирования смесь разделяется на компоненты,
и их содержание определяется количественно. Такие методы ана-
лиза 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 про-
цессом 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 малораствори-
мых 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 результа-
та анализа от истинного значения измеряемой величины (рис. 1.1).
Прецизионность характеризует степень близости друг к другу
единичных результатов, рассеяние единичных результатов относи-
тельно 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 рассея-
ние результатов параллельных определений, а под воспроизводи-
мостью – рассеяние результатов, полученных различными мето-
дами, в разных лабораториях, в разное время и т. п.
Когда говорят о высокой точности, предполагают, что резуль-
таты правильные и разброс данных анализа незначителен.