Химические методы анализа
Покупка
Издательство:
Лаборатория знаний
Авторы:
Жуков Александр Федорович, Кузнецов Владимир Витальевич, Саморукова Ольга Леонидовна, Тимербаев Андрей Роландович
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 481
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-93208-601-8
Артикул: 801708.01.99
В настоящем издании для химико-технологических и других вузов, в которых курс аналитической химии является частью общехимической подготовки специалистов, рассмотрены химические методы анализа. Приведена классификация методов количественного и качественного химического анализа: химических и инструментальных. Отдельная глава посвящена метрологической характеристике методов аналитической химии и результатов
анализа. Даны описания практических работ по анализу неорганических и органических объектов. Включены вопросы и задачи для самостоятельной работы студентов с примерами их решения. Таким образом, в одной книге
собраны учебник, практикум и задачник. Для студентов, аспирантов и преподавателей химических факультетов университетов и химико-технологических вузов, а также химиков-аналитиков и всех, кто связан с аналитической химией и химическим анализом.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 04.03.01: Химия
- 18.03.01: Химическая технология
- ВО - Магистратура
- 04.04.01: Химия
- ВО - Специалитет
- 04.05.01: Фундаментальная и прикладная химия
- 30.05.01: Медицинская биохимия
- 31.05.03: Стоматология
- 33.05.01: Фармация
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Москва Лаборатория знаний 2023 Под редакцией д-ра хим. наук проф. О. М. Петрухина, канд. хим. наук доц. Л. Б. Кузнецовой ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА У Ч Е Б Н И К Д Л Я В Ы С Ш Е Й Ш К О Л Ы УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ для химико-технологических вузов Электронное издание
УДК 543 ББК 24.4я73 Х46 С е р и я о с н о в а н а в 2009 г. А в т о р с к и й к о л л е к т и в: А. Ф. Жуков, В. В. Кузнецов, О. Л. Саморукова, А. Р. Тимербаев Х46 Химические методы анализа : учебное пособие для химико- технологических вузов / А. Ф. Жуков [и др.] ; под ред. О. М. Пет- рухина, Л. Б. Кузнецовой. — Электрон. изд. — М. : Лаборатория знаний, 2023. — 481 с. — (Учебник для высшей школы). — Сис- тем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный. ISBN 978-5-93208-601-8 В настоящем издании для химико-технологических и других вузов, в которых курс аналитической химии является частью общехимической подготовки специалистов, рассмотрены химические методы анализа. Приве- дена классификация методов количественного и качественного химического анализа: химических и инструментальных. Отдельная глава посвящена мет- рологической характеристике методов аналитической химии и результатов анализа. Даны описания практических работ по анализу неорганических и органических объектов. Включены вопросы и задачи для самостоятельной работы студентов с примерами их решения. Таким образом, в одной книге собраны учебник, практикум и задачник. Для студентов, аспирантов и преподавателей химических факультетов университетов и химико-технологических вузов, а также химиков-аналити- ков и всех, кто связан с аналитической химией и химическим анализом. УДК 543 ББК 24.4я73 Деривативное издание на основе печатного аналога: Химические методы анализа : учебное пособие для химико-технологических вузов / А. Ф. Жу- ков [и др.] ; под ред. О. М. Петрухина, Л. Б. Кузнецовой. — М. : Лаборатория знаний, 2023. — 478 с. : ил. — (Учебник для высшей школы). ISBN 978-5-93208-320-8 В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации ISBN 978-5-93208-601-8 © Лаборатория знаний, 2023
СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ .....................................................................................................9 Часть I. Общие теоретические основы аналитической химии 13 Глава 1. Введение в аналитическую химию ................................................14 1.1. Классификация методов анализа .............................................................14 1.1.1. Химические методы анализа .......................................................15 1.1.2. Инструментальные методы анализа ...........................................18 1.2. Значение аналитической химии ...............................................................31 1.3. Роль химических методов анализа в подготовке химика-технолога .......................................................................................33 Литература ...............................................................................................................34 Глава 2. Химические равновесия ...................................................................36 2.1. Константы равновесия ..............................................................................36 2.2. Протолитические равновесия ...................................................................39 2.2.1. Водные растворы сильных и слабых протолитов ....................40 2.2.2. Буферные растворы ......................................................................44 2.2.3. Неводные растворители ...............................................................48 2.3. Реакции комплексообразования ...............................................................54 2.3.1. Основные понятия ........................................................................55 2.3.2. Равновесия в растворах комплексов ..........................................57 2.3.3. Устойчивость комплексов ............................................................58 2.3.4. Примеры использования комплексов в аналитической химии ..............................................................................................62 2.4. Окислительно-восстановительные равновесия .....................................65 2.5. Гетерогенные равновесия .........................................................................69 Литература ...............................................................................................................71 Глава 3. Органические аналитические реагенты ......................................73 3.1. Функционально-аналитические группировки и аналитико-активные группы .................................................................73 3.2. Реакции осаждения ....................................................................................77 3.3. Реакции образования окрашенных комплексов .....................................78 3.4. Другие типы реакций ................................................................................79 3.5. Индикаторы ................................................................................................81 Литература ...............................................................................................................83
Содержание Глава 4. Отбор и подготовка пробы к анализу ..........................................85 4.1. Отбор пробы ...............................................................................................85 4.2. Подготовка пробы ......................................................................................87 4.2.1. Разложение пробы ........................................................................87 4.2.2. Методы разделения и концентрирования ..................................89 Литература .............................................................................................................105 Глава 5. Погрешности аналитических определений и их оценка ........107 5.1. Виды погрешностей ................................................................................107 5.2. Оценка случайных отклонений ..............................................................110 5.3. Статистическое распределение погрешностей. Предел обнаружения ...............................................................................113 5.4. Исключение промахов из выборки. Результаты статистической обработки ......................................................................121 5.5. Сравнение двух выборок. Обнаружение систематических погрешностей ...........................................................................................123 5.6. Классификация систематических погрешностей. Коэффициент корреляции .......................................................................127 5.7. Сложение случайных и систематических погрешностей. Представление результатов анализа ......................................................129 5.8. Погрешности некоторых методов анализа ...........................................131 5.8.1. Гравиметрический метод ...........................................................131 5.8.2. Прямой титриметрический метод .............................................132 Литература .............................................................................................................137 Часть II. Качественный анализ 139 Глава 6. Аналитическая химическая реакция ..........................................140 6.1. Типы аналитических реакций ................................................................141 6.2. Условия проведения аналитических реакций ......................................143 Глава 7. Систематический и дробный качественный анализ ...............145 Глава 8. Техника эксперимента ....................................................................152 Глава 9. Идентификация индивидуальных ионов. Анализ смеси катионов ........................................................................160 9.1. Аналитические реакции катионов .........................................................160 9.2. Аналитические реакции анионов ..........................................................182 9.3. Анализ смеси катионов ...........................................................................184 Глава 10. Анализ неизвестного вещества ..................................................188 Вопросы и задачи .................................................................................................192 Литература .............................................................................................................193 Часть III. Количественный анализ 195 Глава 11. Гравиметрический метод анализа .............................................196 11.1. Теоретические основы метода осаждения ...........................................197 11.1.1. Механизм процесса осаждения .................................................197
Содержание 5 11.1.2. Растворимость осадков ..............................................................200 11.1.3. Загрязнение осадков ...................................................................205 11.1.4. Выбор осадителя .........................................................................207 11.2. Органические аналитические реагенты-осадители .............................208 11.3. Применение реакций внешнесферного комплексообразования.........211 11.4. Получение осаждаемой формы ..............................................................212 11.5. Фильтрование и промывание осадка ....................................................213 11.6. Получение гравиметрической формы ...................................................214 11.7. Расчеты в гравиметрическом анализе ...................................................216 11.8. Применение гравиметрического метода анализа.................................217 11.9. Техника эксперимента .............................................................................219 11.9.1. Оборудование ..............................................................................219 11.9.2. Техника проведения гравиметрического анализа ...................222 Практические работы ...........................................................................................226 Работа 1. Определение сульфатов .....................................................226 Работа 2. Определение железа(III) ....................................................228 Работа 3. Определение никеля(II) ......................................................229 Работа 4. Определение кобальта(II) ...................................................230 Работа 5. Определение перхлоратов..................................................231 Работа 6. Определение салициловой кислоты .................................232 Работа 7. Определение витамина В1 .................................................232 Вопросы и задачи .................................................................................................233 Литература .............................................................................................................235 Глава 12. Титриметрические методы анализа ..........................................237 12.1. Принципы титриметрических методов анализа ..................................237 12.2. Теоретические кривые титрования ........................................................239 12.3. Установление точки эквивалентности ...................................................242 12.4. Погрешности в титриметрических методах анализа ..........................242 12.5. Расчеты в титриметрическом методе анализа .....................................244 12.6. Способы титрования ...............................................................................247 12.6.1. Прямое титрование .....................................................................247 12.6.2. Обратное титрование ..................................................................247 12.6.3. Титрование заместителя ............................................................248 12.7. Первичные и вторичные стандартные растворы .................................249 12.8. Техника эксперимента .............................................................................250 12.8.1. Измерение объемов растворов, мерная посуда .......................250 12.8.2. Приготовление стандартных растворов ...................................256 12.8.3. Установка титра растворов титрантов .....................................259 12.8.4. Общие указания по выполнению титриметрических определений .................................................................................261 Литература .............................................................................................................262 Глава 13. Методы кислотно-основного титрования ...............................263 13.1. Теоретические основы методов .............................................................263 13.1.1. Теории кислот и оснований ......................................................263 13.1.2. Протонная теория Брёнстеда–Лоури ........................................265
Содержание 13.1.3. Кислотно-основное взаимодействие и количественная оценка кислотности и основности .....................................................................268 13.2. Кислотно-основное титрование .............................................................269 13.2.1. Кривые титрования сильных одноосновных протолитов ......271 13.2.2. Кривые титрования слабых одноосновных протолитов ........275 13.2.3. Кривые титрования смесей кислот (оснований) ....................279 13.2.4. Кривые титрования многоосновных кислот и многокислотных оснований ...................................................283 13.2.5. Влияние различных факторов на кривые титрования ...........287 13.2.6. Определение точки эквивалентности. Кислотно-основные индикаторы ..................................................................................289 13.3. Стандартные растворы ............................................................................297 13.3.1. Приготовление 0,1М-го раствора кислоты ..............................298 13.3.2. Приготовление 0,1М-го раствора щелочи ...............................301 13.4. Вещества, определяемые методом кислотно-основного титрования ................................................................................................302 Практические работы ...........................................................................................305 Работа 1. Определение Na2CO3 .........................................................305 Работа 2. Анализ смесей NaOH + Na2CO3 и Na2CO3 + NaHCO3 ....307 Работа 3. Определение солей аммония .............................................308 Работа 4. Определение азота в органических соединениях по Кьельдалю ......................................................................311 Работа 5. Определение некоторых оксидов и карбонатов ..............311 Работа 6. Определение солей щелочноземельных металлов .........312 Работа 7. Определение кислот ...........................................................313 Работа 8. Определение солей с использованием ионного обмена ...316 Работа 9. Определение спиртов .........................................................317 Работа 10. Определение фенолов в неводных растворах .................318 Работа 11. Определение кислотного числа и числа омыления в полимерах .........................................................................319 Вопросы и задачи .................................................................................................320 Литература .............................................................................................................328 Глава 14. Методы окислительно-восстановительного титрования ..............................................................................................330 14.1. Теоретические основы методов .............................................................330 14.1.1. Окислительно-восстановительные системы ............................330 14.1.2. Уравнение Нернста......................................................................334 14.1.3. Факторы, влияющие на потенциал ...........................................335 14.1.4. Термодинамика окислительно-восстановительных реакций .........................................................................................341 14.1.5. Окислительно-восстановительные равновесия и способы их смещения .............................................................342 14.1.6. Расчет констант равновесий окислительно- восстановительных реакций при стандартных условиях ......343
Содержание 7 14.1.7. Механизмы окислительно-восстановительных реакций ........345 14.1.8. Кинетика окислительно-восстановительных реакций ...........347 14.1.9. Окислительно-восстановительные реакции в неводных средах ...........................................................................................351 14.2. Кривые титрования ..................................................................................353 14.2.1. Расчет теоретических кривых ...................................................353 14.2.2. Влияние условий титрования на ход кривых .........................356 14.2.3. Титрование многокомпонентных систем .................................358 14.2.4. Определение точки эквивалентности .......................................360 14.2.5. Окислительно-восстановительные индикаторы ......................360 14.2.6. Классификация методов окислительно-восстановительного титрования ...................................................................................364 14.3. Перманганатометрия ................................................................................368 14.3.1. Особенности и возможности метода ........................................369 14.3.2. Приготовление и стандартизация раствора перманганата калия (вторичного стандарта) ...................................................374 Практические работы ...........................................................................................376 Работа 1. Определение железа(II) ......................................................376 Работа 2. Определение железа(III) ....................................................377 Работа 3. Анализ растворов, содержащих железо(II) и железо(III) ........................................................................378 Работа 4. Определение кальция .........................................................378 Работа 5. Определение дихромата калия ..........................................380 Работа 6. Определение пероксида водорода ....................................381 Работа 7. Определение нитритов .......................................................381 Работа 8. Определение муравьиной кислоты в присутствии уксусной кислоты ...............................................................382 14.4. Иодометрия ...............................................................................................383 14.4.1. Особенности и возможности метода ........................................383 14.4.2. Приготовление и стандартизация раствора тиосульфата натрия (вторичный стандарт) ....................................................388 Практические работы ...........................................................................................390 Работа 1. Определение меди(II) .........................................................390 Работа 2. Определение сильных кислот ...........................................390 Работа 3. Определение сульфитов .....................................................391 Работа 4. Определение формальдегида .............................................392 14.5. Иодиметрия ...............................................................................................393 14.5.1. Особенности и возможности метода ........................................393 14.5.2. Приготовление и стандартизация раствора иода (вторичный стандарт) .................................................................395 Практические работы ...........................................................................................396 Работа 1. Определение аскорбиновой кислоты ...............................396 Работа 2. Определение β-нафтола .....................................................397 Вопросы и задачи .................................................................................................398 Литература .............................................................................................................403
Содержание Глава 15. Методы комплексоно метрического титрования .....................404 15.1. Реакции комплексообразования в титриметрическом анализе ..........404 15.2. Скорость и механизм реакций комплексообразования .......................407 15.3. Комплексоны класса аминополикарбоновых кислот ..........................410 15.3.1. Протолитические свойства ЭДТА .............................................414 15.3.2. Хелатообразование ЭДТА с ионами металлов .......................415 15.3.3. Равновесия реакций комплексообразования............................418 15.3.4. Условные константы устойчивости ..........................................422 15.3.5. Выбор условий титрования .......................................................425 15.4. Кривые комплексонометрического титрования ...................................430 15.4.1. Скачок на кривой титрования ...................................................432 15.4.2. Определение точки эквивалентности .......................................433 15.5. Комплексонометрические индикаторы (металлоиндикаторы) ...........433 15.5.1. Типы металлоиндикаторов ........................................................435 15.5.2. Условия применения металлоиндикаторов ..............................438 15.6. Приемы улучшения избирательности титрования ..............................440 15.6.1. Влияние кислотности среды .....................................................441 15.6.2. Использование маскирующих реагентов .................................441 15.7. Прямые и косвенные способы комплексонометрического титрования ................................................................................................444 15.8. Определение анионов ..............................................................................445 Практические работы ...........................................................................................447 Работа 1. Приготовление и стандартизация раствора ЭДТА .........447 Работа 2. Определение кальция .........................................................449 Работа 3. Определение магния ...........................................................450 Работа 4. Определение железа(III) ....................................................451 Работа 5. Определение алюминия .....................................................452 Работа 6. Определение марганца(II) ..................................................454 Работа 7. Определение меди(II) ........................................................455 Работа 8. Определение свинца(II) ....................................................457 Работа 9. Определение никеля(II) ....................................................458 Работа 10. Определение жесткости воды ...........................................459 Вопросы и задачи .................................................................................................460 Литература .............................................................................................................462 Приложения .........................................................................................................463 Приложение 1. Произведения растворимости некоторых малорастворимых веществ .......................................................463 Приложение 2. Константы ионизации некоторых кислот и оснований ........464 Приложение 3. Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы .................................................................................472 Приложение 4. Логарифмы ступенчатых (Kn) и общих констант устойчивости (βn) некоторых комплексов ионов металлов с различными лигандами .........................................474
ПРЕДИСЛОВИЕ Курс химических методов анализа в химико-технологических вузах играет в существенной степени роль общеобразовательного курса, тесно связанного с другими дисциплинами. Распределение материала в учеб нике вполне традиционно. Во введении дана классификация методов анали- тической химии, определены основные понятия этой нау ки. В первой части приведены основные сведения из курса общей и неорганической химии и других дисциплин, изложенные под углом зрения аналитиче- ской химии, рассмотрены методы статистической обработки результатов измерения и метрологические характеристики методов анализа. Вторая часть полностью посвящена качественному анализу. Дано большое ко- личество качественных избирательных и групповых реакций, обсужда- ются методы систематического и дробного анализа. Авторы считают изучение качественного анализа и выполнение соответствующих работ необходимым этапом в профессиональной подготовке химика. Кроме того, именно на этом этапе отрабатываются основные приемы практи- ческой работы студента в лаборатории. Методы количественного хими- ческого анализа рассмотрены в третьей части. Приложения содержат необходимые справочные данные. Данный учебник написан для химико-технологических и хими- ческих вузов, в которых аналитическая химия является обязательной частью естественнонаучной подготовки студента. Выдающийся рус- ский химик Н. А. Меншуткин* писал: «Представив весь ход занятий по аналитической химии в виде задач, решение которых предостав- лено занимающемуся, мы должны указать на то, что для подобного решения задач аналитическая химия даст строго определенный путь. Эта определенность (систематичность решения задач аналитической химии) имеет большое педагогическое значение. Занимающийся при- учается применять свойства соединений к решению вопросов, выво- дить условия реакций, комбинировать их. Весь этот ряд умственных процессов можно выразить так: аналитическая химия приучает хими- * Меншуткин Н. Аналитическая химия. Изд. 8-е. – СПб: Типография В. Ди ма но ва, 1897. – 485 с.
Предисловие чески думать. Достижение последнего представляется самым важным при практических занятиях аналитической химией». Несмотря на то, что цитата заимствована из учебника, вышедшего в 1897 г., добавить к ней нечего. Изложение методов химического анализа в данном учебнике ос- новано на многолетнем опыте работы сотрудников кафедры аналити- ческой химии РХТУ им. Д. И. Менделеева. Одна из основных задач, которые перед собой ставил авторский коллектив, заключается в том, чтобы в одной книге собрать весь необходимый для обучения матери- ал, охватив важнейшие разделы аналитической химии. Особенность настоящего издания – в совмещении в себе учебника, практикума и задачника. Практикум содержит описание практических работ по качественному химическому анализу, гравиметрическому и титриме- трическим количественным методам анализа. Вводные разделы со- держат теорию соответствующих методов в объеме, достаточном для выполнения практических задач. В конце некоторых глав приведены вопросы для самоконтроля и типовые задачи с примерами решения. Таким образом, эта книга, сохранившая традиции учебника, на- писанного в свое время под редакцией основателя кафедры аналити- ческой химии проф. А. П. Крешкова, будет достаточна для изучения материала курса «Аналитическая химия: химические методы анали- за». В то же время необходимо еще раз подчеркнуть, что это учеб- ник, который не предполагает подготовку химиков-профессионалов в аналитической химии (для студентов, желающих углубить свои зна- ния, и аспирантов химиков-аналитиков можно рекомендовать учебни- ки, подготовленные коллективом кафедры аналитической химии МГУ им. М. В. Ломоносова). Более того, надо учитывать, что объем инфор- мации, накопленный в аналитической химии и смежных областях зна- ния очень велик; об этом свидетельствует, например, объем изданной в Евро пе энциклопедии по аналитической химии – для изложения со- временной теории и практики аналитической химии авторам потребо- валось более 14 000 страниц текста. Так что прежде чем «углублять» свои знания по аналитической химии правильнее все-таки проконсуль- тироваться со специалистом в соответствующей области. Книга будет полезна преподавателям, а также сотрудникам научно- исследовательских институтов. Примерами химического анализа, пре- жде всего анализа объектов окружающей среды, можно будет восполь- зоваться и для изучения экологии и химии в старших классах, особен- но в школах с углубленным изучением химии. Учебник подготовлен коллективом кафедры аналитической химии РХТУ им. Д. И. Менделеева. Общая идея написания этого учебника, составление плана, предисловия, оглавления, написание указанных в
Предисловие 11 предисловии разделов, научное редактирование рукописи – заслуга проф. Петрухина О. М., им подготовлены также главы 1, 3 и раздел 2.3; общую проверку, правку и редактирование всего учебника, написание отдельных разделов, указанных ниже, проверка вопросов после каждой главы, техническое редактирование электронного варианта рукописи выполняла доц. Кузнецова Л. Б. Разделы 2.1 и 2.5 главы 2 написаны доц. А. Ф. Жуковым, разделы 2.2.1, 2.2.2 – доц. Л. Б. Оганесян, раз- дел 2.2.3 – доц. Л. Б. Кузнецовой, раздел 2.4 – доц. С. Л. Рогатинской; глава 4 – проф. А. Р. Тимербаевым; глава 5 – доц. Е. А. Кучкаревым; главы 6 и 7 – доц. И. Ф. Колосовой; глава 8 – доц. Л. Б. Кузнецовой; глава 9 – доц. И. Ф. Колосовой и доц. Л. Б. Кузнецовой; глава 10 – доц. И. Ф. Колосовой; разделы 11.1 и 11.3–11.9 главы 11 – доц. Л. Б. Кузнецовой, раздел 11.2 и практические работы 3–7 главы 11 – доц. Е. Г. Власовой; практические работы 1, 2 главы 11 – доц. Н. Д. Румянцевой; глава 12 и разделы 13.1, 13.3, 13.4, а также практические работы в главе 13 – доц. Л. Б. Оганесян, раздел 13.2 – доц. Л. Б. Кузнецовой; раздел 14.1 главы 14 – доц. С. Л. Рогатинской, раздел 14.2 – доц. К. А. Комаровой, разделы 14.3–14.5 и практические работы главы 14 – доц. Л. Н. Мед ведевой; разделы 15.1–15.5 главы 15 – проф. В. В. Кузнецовым, разде лы 15.6–15.8 – доц. М. Б. Огаревой; практические работы главы 15 – доц. О. Л. Са моруковой. Приложения 1 и 2 составлены доц. Л. Б. Кузнецо вой, приложение 3 – доц. С. Л. Рогатинской, приложение 4 – доц. Л Н. Медведевой. Редакторы выражают признательность проф. Кузнецову В. В. за ценные советы и консультации.
Часть I ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Глава 1 ВВЕДЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКУЮ ХИМИЮ Целью аналитической химии является определение химического со- става материальных тел. При этом иногда различают аналитическую химию как научную дисциплину, задачей которой является развитие собственно методов анализа, и химический анализ как сервисную служ- бу, непосредственно отвечающую за обеспечение общества результа- тами анализа. В составе этой системы находятся тысячи отраслевых лабораторий, специализирующихся на анализе различных промышлен- ных и сельскохозяйственных продуктов и объектов окружающей сре- ды. Таким образом, область знания и практики аналитической химии огромна. В том или ином виде курс аналитической химии представлен в программах большинства учебных заведений. Богатое разнообразие аналитических задач и средств их решения обусловили развитие системы понятий и терминов, используемых для характеристики и обсуждения методов и методик анализа. Остановимся только на основных терминах аналитической химии. 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ АНАЛИЗА Задачи аналитической химии могут быть решены с помощью различ- ных методов: химических, физических и физико-химических. В химическом анализе используют различные химические реак- ции, в результате которых изменяется то или иное свойство раство- ра, например, образуется окрашенное соединение или малораство- римый осадок. Такая реакция называется аналитической реакцией, а используемый при этом реагент – аналитическим реагентом. Наряду с неорганическими аналитическими реагентами большое значение в аналитической химии имеют органические аналитические реагенты. Химические реакции сопровождаются изменением физических свойств раствора, например, изменением электропроводности или кислотности раствора, измеряя которые можно контролировать полноту химической
Глава 1. Введение в аналитическую химию 15 реакции. Примером аналитической реакции может быть реакция вза- имодействия хлорид-ионов с катионами серебра, в результате которой образуется осадок AgCl белого цвета. При этом можно сказать, что хлориды являются реагентом на катионы серебра, и наоборот: Cl– + Ag+ = AgCl Физические методы анализа позволяют определить состав веще- ства, не прибегая к использованию химических реакций. Физические методы основаны на измерении каких-либо параметров системы (оптических, электрических, магнитных, тепловых), являющихся функ- цией состава. К ним относятся спектральный, люминесцентный, рент- геноструктурный, масс-спектрометрический методы анализа. Наиболее наглядным примером является изменение спектра поглощения раство- ра или эмиссии, проявляющиеся в изменении окраски раствора или пламени, в широкораспространенной реакции обнаружения щелочных металлов. По наличию в спектре линий, характерных для данных эле- ментов, судят о наличии этих элементов в исследуемом веществе, а по яркости линий – об их количественном содержании. Методы анализа, основанные на измерении физических свойств системы, которые происходят в результате химической реакции, назы- ваются физико-химическими методами. Таким методом является, на- пример, колориметрия, которая использует явление изменения цвета раствора в ходе химической реакции, или кондуктометрия – изменение электропроводности и т. д. С изменением концентрации соединений часто связано изменение физических свойств системы. Такие методы называют физическими методами анализа. Между физическими и физико-химическими методами не всегда можно провести строгую границу. Иногда их объединяют под общим названием «инструментальные» методы, так как для выполнения тех или иных измерений нужны «инструменты» – приборы, позволяющие с большой точностью измерять значения определенных параметров, характеризующих те или иные свойства вещества. 1.1.1. Химические методы анализа Методы химического анализаоснованы на использовании функцио- нальной зависимости какого-либо свойства определяемого элемента или соединения либо исследуемой системы в целом от его количества или содержания в анализируемой пробе. Качественное или количе- ственное значение этой функции называется аналитическим сигна- лом. В качестве аналитического сигнала может использоваться любое свойство системы. Под пробой понимают часть анализируемой смеси,
Часть I. Общие теоретические основы аналитической химии химический состав и физические свойства которой полностью совпа- дают с основной частью анализируемого объекта. При этом исполь- зуются самые различные свойства; классификация методов анализа, прежде всего, и основана на природе этих свойств. В химическом ана- лизе используют различные химические реакции, в результате кото- рых изменяется то или иное свойство раствора, например, образуется окрашенное соединение или малорастворимый осадок. Такая реакция называется аналитической реакцией, а используемый при этом реа- гент – аналитическим реагентом. Наряду с неорганическими аналити- ческими реагентами большое значение в аналитической химии имеют органические аналитические реагенты. Исторически для определения состава вещества использовали в основном аналитические химические реакции получения соедине- ний, обладающих тем или иным аналитическим признаком, например массой. Такая ситуация, для которой было характерно, что за опреде- ление состава материальных тел несла ответственность химия, закре- пилась в названии области знания и практики – аналитическая химия и химический анализ. Правда, и в тот период развития аналитическая химия как часть, пусть небольшую, содержала, например, атомный эмиссионный анализ в виде качественной реакции на щелочные и ще- лочноземельные элементы, не говоря уже о том, что такой важнейший метод количественного анализа, как гравиметрический, основывается на измерении массы, т. е. физического свойства. В настоящее же время именно физико-химические и физические методы анализа чаще всего используются в химическом анализе (появилось предложение использовать понятие аналитика вместо понятия аналитическая химия). Кроме того, активно развиваются биохимические методы анализа. В этих методах в качестве аналитических реагентов используют природные и синтетические биохимически активные соединения. Различают качественный химический анализ, целью которого является обнаружение того или иного элемента или соединения, и количественный химический анализ. Качественный анализ приобретает особенно большое значение в настоящее время при анализе объектов окружающей среды, воды, почвы на содержание тяжелых металлов и ряда органических соединений (пестицидов, диоксинов, отравляющих веществ). Биохимические методы анализа имеют особенно большое значение при анализе объектов окружающей среды на содержание различных органических соединений, прежде всего пестицидов. В настоящее время химический качественный анализ вышел за пределы лаборатории и используется в полевых условиях как система тест-анализов. Тест-система представляет собой твердый носитель, например бумагу или силикагель, на который нанесен аналитический