Аналитическая химия. Часть 3. Физико-химические методы анализа

МИНПРОСВЕЩЕНИЯ РОССИИ 
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего образования 
«Тульский государственный педагогический университет 
им. Л. Н. Толстого» 
 
Факультет естественных наук 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 
 
В трех частях 
 
Часть III 
 
Физико-химические методы анализа  
 
 
Учебно-методическое пособие  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Москва 
2020 
 

УДК 543(075) 
ББК 24.4я73 
А64 

Рецензенты: 
Якунина И. Е. — канд. хим. наук, доц. (ГОУ ДПО ТО «Институт повышения квалификации 
и профессиональной переподготовки работников образования Тульской области»); 
Субботин В. А. — д-р хим. наук, проф. (ФГБОУ ВО ТГПУ им. Л. Н. Толстого) 

Составители: 
Ю. Н. Власова, О. И. Бойкова, Т. Н. Валуева, Е. В. Иванова, Ю. М. Атрощенко 

А64
Аналитическая химия : в 3 ч. Часть 3. Физико-химические методы анализа :
учебно-

методическое пособие / сост. Ю. Н. Власова, О. И. Бойкова, Т. Н. Валуева, Е. В. Иванова, 
Ю. М. Атрощенко. — Москва : Директ-Медиа, 2020. — 133 с.

ISBN 978-5-4499-1831-4 (Ч. 3) 
ISBN 978-5-4499-3141-2 

В данном учебно-методическом пособии изложены основные теоретические положения физико-
химических (инструментальных): оптических, хроматографических и электрохимических методов анализа, 
а также содержатся методические рекомендации к выполнению лабораторных работ, вопросы и задачи для 
обеспечения самостоятельной работы студентов по курсу «Аналитическая химия». Пособие разработано в 
соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования по 
направлению подготовки 330501 Фармация (уровень специалитет).  

УДК 543(075) 
ББК 24.4я73

ISBN 978-5-4499-1831-4 (Ч. 3) 
ISBN 978-5-4499-3141-2  

© Власова Ю. Н., Бойкова О. И., Валуева Т. Н., Иванова Е. В., Атрощенко Ю. М., сост., 2020
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2020

Оглавление 

Оглавление ............................................................................................................................................................3 

Глава 1. Спектрометрические методы. ...............................................................................................................5 

1.1 Молекулярно-абсорбционный спектральный анализ ..............................................................................7 

1.1.1 Фотоколориметрия .............................................................................................................................9 

Лабораторная работа № 1. ...................................................................................................................11 

Лабораторная работа № 2. ...................................................................................................................12 

Лабораторная работа №3 .....................................................................................................................13 

Лабораторная работа №4 .....................................................................................................................14 

1.1.2 УФ-спектроскопия .............................................................................................................................15 

Лабораторная работа № 5 ....................................................................................................................19 

1.1.3 ИК-спектроскопия .............................................................................................................................23 

Лабораторная работа № 6 ....................................................................................................................27 

1.2 Молекулярно-эмиссионный спектральный анализ (Люминесцентный анализ) .................................35 

Лабораторная работа №7. ....................................................................................................................40 

1.3 Атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный спектральный анализ .............................................42 

1.3.1 Атомно-абсорбционная спектроскопия .......................................................................................43 

1.3.2 Атомная эмиссионная спектроскопия .........................................................................................48 

Лабораторная работа №8 .....................................................................................................................53 

1.4 Спектроскопия ядерно-магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопия) ....................................................57 

1.5 Масс-спектрометрия .................................................................................................................................65 

Лабораторная работа №9 .........................................................................................................................71 

Глава 2. Неспектральные оптические методы .................................................................................................74 

2.1 Нефелометрия и турбидиметрия .............................................................................................................74 

2.2 Поляриметрия ............................................................................................................................................76 

2.3 Рефрактометрия ........................................................................................................................................78 

Лабораторная работа №10 ...................................................................................................................81 

Глава 3. Хроматографические методы анализа ...............................................................................................85 

Теоретические основы хроматографического разделения ..........................................................................87 

3.1 Колоночная адсорбционная хроматография ......................................................................................90 

3.2 Колоночная ионообменная хроматография. ......................................................................................91 

Лабораторная работа №11 ...................................................................................................................93 

Лабораторная работа № 12 ..................................................................................................................94 

Изучения состава пробы посредством ионообменной хроматографии ...............................................94 

3.3 Бумажная и тонкослойная хроматография (планарная) .................................................................96 

Лабораторная работа №13 ...................................................................................................................99 

Лабораторная работа №14 .................................................................................................................100 

3.4 Газовая хроматография .....................................................................................................................101 

Лабораторная работа № 15 ................................................................................................................111 

Идентификация и количественное определение веществ с помощью газовой хроматографии ......111 

3.5 Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) ........................................................113 

Лабораторная работа №16 .................................................................................................................116 

Устройство жидкостного хроматографа и апробирование его устройств. Получение 
хроматограммы ........................................................................................................................................116 

Глава 4. Электрохимические методы анализа ...............................................................................................119 

Прямая потенциометрия ...............................................................................................................................122 

Потенциометрическое титрование ..............................................................................................................123 

Лабораторная работа № 17 ................................................................................................................125 

Лабораторная работа № 18 ................................................................................................................126 

Лабораторная работа №19 .................................................................................................................127 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................................................................................131 

Глава 1. Спектрометрические методы 

Все 
спектрометрические 
методы 
в 
основаны 
на 
изучении 
взаимодействия 

электромагнитного излучения с атомами (молекулами, ионами) исследуемого вещества. Это 

взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются 

экспериментально в виде спектра. Спектр
– зависимость интенсивности поглощения 

(излучения или рассеяния) электромагнитного излучения атома (молекулы) от частоты или 

длины волны излучения. 

 
Электромагнитное излучение может быть охарактеризовано следующими параметрами:

длина волны (λ) – расстояние между двумя максимумами волны, м, нм, мкм. 

волновое число ( ) – число длин волн, приходящихся на 1 см пути излучения в вакууме, см‾1. 

 

частота (ν) – число колебаний в 1 секунду, с‾1 (Гц). 

, 

где с – скорость света в вакууме (2,9979∙108 м/с). 

энергия излучения (Е), Дж (эВ).  

Е = hν,, 

где h – постоянная Планка (6,626∙10‾34 Дж∙с). 

Частота сигнала зависит от специфических свойств анализируемого вещества, то есть 

является основой для проведения качественного анализа, а интенсивность сигнала 

пропорциональна количеству вещества.  

Для аналитических целей используют область электромагнитного излучения, в которую 

входят радиоволны, микроволны, оптическая область, рентгеновское излучение. Оптическая 

область включает: невакуумную ультрафиолетовую (УФ) с λ = 200-400 нм, видимую (В) с λ = 

400-760 нм и инфракрасной (ИК) области с λ = 760-25000 нм. 

Электромагнитное взаимодействие проявляется в поглощении или испускании фотонов 

(квантов). В зависимости от характера взаимодействия пробы с электромагнитным излучением 

выделяют две группы методов – эмиссионные и абсорбционные. В эмиссионных методах 

анализируемая проба в результате ее возбуждения излучает фотоны (кванты). В 

абсорбционных методах излучение постороннего источника пропускают через пробу, при этом 

часть квантов избирательно поглощается атомами или молекулами. 

В зависимости от того, какие частицы формируют аналитический сигнал, различают 

методы атомной спектрометрии  и методы молекулярной спектрометрии. 

Кроме спектрометрических, известны и другие методы анализа, основанные на оптических 

явлениях. 
В 
частности, 
в 
нефелометрии 
используют 
эффект 
рассеяния 
света, 
в 

рефрактометрии — преломление светового потока, в поляриметрии — вращение плоскости 

поляризации. Эти оптические методы к числу спектрометрических не относят. 

Механизм взаимодействия электромагнитного излучения с веществом в разных областях 

электромагнитного спектра (табл.1) различен, но в любом случае происходит поглощение 

молекулой определенного количества энергии (абсорбционная спектроскопия).  

Таблица 1 

Спектральная 

область 

 

Мягкое

рентгеновское 
излучение 

Ультра-

фиолетовая 

(УФ) 

Видимая

 

Инфра-

красная (ИК) 
 

Микроволновая 
 


Короткие

радиоволны 
 

Причина

поглощения, 
излучения 
 

Переходы
внутренних 
электронов в 
атомах 

Переходы валентных

электронов 
 

Колебательные 

переходы 
молекул 

 

Вращательные

переходы 
молекул 
 

Спиновые
переходы 
ядер и 
электронов 

Наблюдаемый 

спектр 

поглощения

УФ - спектр
ИК спектр
ЯМР

 
Электронные спектры

 

Для атома возможны только совершенно определенные энергетические уровни, каждый из 

которых соответствует характеристической конфигурации электронов. Все изменения энергии 

в пределах одного атома осуществляются через электронные переходы  между орбиталями 

разных энергий. Из-за их ограниченного числа обмен энергией с окружающей средой не может 

осуществляться непрерывно, но происходит в совершенно определенных границах 

(ΔЕ= разности энергий электронных уровней), которым соответствуют строго установленные 

частоты поглощенного (излученного) света, так называемые «собственные частоты» атомной 

системы. Взаимодействуя с электромагнитным излучением, атом поглощает лишь те частоты, 

которые соответствуют его собственной частоте, при этом электроны переходят на орбитали с 

большей энергией. Также частоты могут излучаться возбужденным атомом при обратных 

электронных переходах на орбитали с меньшей энергией. Таким образом, атомные спектры 

имеют линейчатую структуру (рис.1). 

 
Рис.1. Виды атомных и молекулярных спектров 

В силу более сложной структуры у молекул возможны более разнообразные энергетические 

переходы, чем у атомов. Электронная система молекулы тоже строится из дискретных 

электронных уровней с разной энергией. Поэтому и у молекул наблюдаются поглощения,  

основанные на электронных переходах в видимой области спектра. Однако молекулярный 

спектр 
представляет 
собой 
полосы 
поглощений, 
состоящие 
из 
отдельных 
линий 

соответствующих атомов, входящих в ее структуру (рис. 1). У молекул в отличие от атомов 

электронный переход является не единственно возможным способом изменения количества 

энергии, а именно имеет место колебательная энергия связи. Но кванты энергии ΔЕ, 

определяемые собственными частотами колебаний и необходимые для их возбуждения гораздо 

слабее  количества энергии, требуемое для возбуждения электронов, поэтому поглощение 

колебаний происходит в обладающей меньшей энергией инфракрасной области спектра 

электромагнитного излучения. Также в отличие от атома, молекула способна поглощать 

вращательную энергию связи, которая характеризуется меньшим значением чем колебательная 

энергия и следовательно находятся в длинноволновой  дальней ИК- микроволновой области. 

1.1 Молекулярно-абсорбционный спектральный анализ 
Объединенный Закон Бугера-Ламберта-Бера 

Зависимость интенсивности поглощения монохроматического излучения от концентрации 

вещества и толщины поглощающего слоя выражается законом Бугера-Ламберта-Бера: 

lc
I
I
A
ε
=
−
=

0
lg
, 

где А – абсорбция или оптическая плотность (старое обозначение D), 

I0 – интенсивность падающего потока излучения, 

I – интенсивность потока после прохождения поглощающего слоя, 

с – молярная концентрация исследуемого вещества, 

l – толщина поглощающего слоя, 

ε – молярный коэффициент поглощения (коэффициент экстинкции). Является качественной 

характеристикой исследуемого вещества, и зависит только от его природы и длинны волны (λ) 

излучения. Эта величина отображает оптическую плотность одномолярного раствора 

толщиной 1 см. 

 
В ИК-области обычно измеряют пропускание (Т), равное отношению I к I0 и связанное с 

оптической плотностью, следующим соотношением:  

T
A
lg
−
=
, 

если Т приведено в долях от единицы 

T
T
T
A
lg
2
100
lg
lg
−
=
−
−
=
,  

если Т приведено в процентах. 

Оптическая плотность является аддитивной величиной. Поэтому для смесей нескольких 

поглощающих свет соединений, не взаимодействующих между собой, необходимо учитывать, 

что:  

n
общ
A
A
A
A
+
+
+
=
...
2
1
 

Причины отклонения от закона Бугера-Ламберта-Бера 

Поведение поглощающих свет систем подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера лишь при 

монохроматичности светового потока, отсутствии химических изменений в поглощающей 

системе и постоянстве коэффициента преломления. При нарушении этих условий молярный 

коэффициент поглощения изменяется, и график зависимости оптической плотности (А) от 

концентрации (с) искривляется. Если концентрация уменьшается, наблюдаются отрицательные 

отклонения, если возрастает – положительные. 

Причины отклонения от основного закона светопоглощения могут быть кажущимися и 

истинными. Кажущиеся причины, обусловленные немонохроматичностью светового потока, 

рассеянием света и случайными излучениями, называют инструментальными, а вызванные 

химическими воздействиями – химическими. Истинные причины связаны с изменением 

коэффициента преломления. 

Немонохроматичность светового потока обусловлена несовершенством оптических 

приборов: каждый монохроматор имеет определенную разрешающую силу, и выходная щель 

пропускает излучение в каком-то интервале длин волн. На практике при проведении 

количественных определений, отклонения данного типа не существенны, т.к. измеряются 

вещества с широкой полосой поглощения. Также нужно избегать смеси веществ с 

перекрывающимися полосами поглощения. 

Исследуемое 
вещество 
может 
взаимодействовать 
(протонирование 
или 

депротонирование, ассоциация или диссоциация и др.) с растворителем или другими 

компонентами раствора. В результате появляются поглощающие частицы с другими 

оптическими свойствами. Отсюда возможны положительные и отрицательные отклонения от 

основного закона поглощения. Чтобы предотвратить возможное протекание подобных 

процессов, необходимо строго соблюдать все оговоренные в используемой методике условия 

проведения анализа: порядок прибавления реактивов, время проведения реакции, величину рН 

раствора. 

Для измерения поглощения излучения в видимой области спектра используют 

фотоэлектроколориметры и спектрофотометры в УФ- и ИК-областях. 

Вся аппаратура старится по общей схеме: 

 
Для каждого прибора элементы схемы различны (табл.2). 
Таблица 2 

Узел аппаратуры
Область спектра

УФ
Видимая
ИК

Источник 
излучения 

Водородная лампа
Лампа накаливания 
с вольфрамовой 
нитью 

Глобар-стержень из карбида кремния, 
нагретый до 1500 °С, 
Лампа Нернста стержень из оксидов Zr и It, 
нагретый до 1500 °С

Монохроматор
Кварцевая лампа
Светофильтр, 
стеклянная призма 

Призмы из NaCl, LiF, KBr

Приемники 
излучения 

Фотоэлементы, фотоумножители
Термоэлементы, болометр

Материал кюветы
Кварц
Стекло
Материал из которого выполнен 
монохроматор 

 

1.1.1 Фотоколориметрия 
Метод, основанный на измерении степени поглощения немонохроматического света 

испытуемым веществом с помощью фотоэлектроколориметров (ФЭК). Данный метод 

применим для окрашенных прозрачных растворов.  

Монох
ромат
ор 

Кюветное отделение 

с анализируемым 
веществом 

Приемник 
излучения 

Измерительное 
устройство 

Источник 
сплошного 
излучения 

Фотоколориметр – оптический прибор, использующийся для измерения оптической 

плотности растворов в узком диапазоне спектра. Действие фотоколориметра основано на 

свойстве окрашенных растворов поглощать проходящий через них свет тем сильнее, чем выше 

в них концентрация светопоглощающего вещества  

Применение 
различных 
светофильтров 
с 
узкими 
спектральными 
диапазонами 

пропускаемого света позволяет определять по отдельности концентрации разных компонентов 

одного и того же раствора, так как они поглощают при разных длинах.  

Обычно фотоколориметры используются для измерения оптической плотности растворов 

в диапазоне 315 – 630 нм и последующего определения концентрации этих растворов. 

Перед началом проведения измерений необходимо выбрать светофильтр. Светофильтры 

нужно выбирать так, чтобы максимум и минимум поглощения определяемого вещества 

попадал в диапазон между максимумом пропускания и минимумом поглощения светофильтра 

(таблица 3).  

Светофильтры необходимо выбирать по окраске анализируемого раствора. В зависимости 

от цвета раствора, а значит области поглощения, необходимо выбрать светофильтр, 

вырезающий соответствующий диапазон длин волн. 

Фотоколориметрический метод достаточно точен, погрешность составляет 3-5 %. 

Наименьшая ошибка достигается при величине оптической плотности 0,434.  

Измерения, выполненные с помощью фотоколориметра, отличаются простотой и 

быстротой проведения. Нижние границы определяемых концентраций в зависимости от рода 

вещества составляют от 10−3 до 10−8 моль/л.  

Таблица 3. Характеристики светофильтров 

Цвет раствора
Область 
максимального 

светопоглощения (нм)

Цвет светофильтра

Желто-зеленый
400-450
Фиолетовый

Желтый
450-480
Синий

Оранжевый
480-490
Зелено-синий

Красный
490-500
Сине-зеленый

Пурпурный (фиолетовый)
500-560
Зеленый

Синий
575-590
Желтый

Сине-зеленый
590-625
Оранжевый

 

Лабораторная работа № 1. 

 Знакомство с устройством и работой приборов для фотоколометрического анализа на 
примере КФК-2 
 
КФК-2 (рис. 2) предназначен для измерения в отдельных участках диапазона длин волн 
315-980 нм, выделяемых 11 светофильтрами, коэффициентов пропускания и оптической 
плоскости жидкостных растворов и твердых тел, а так же определения концентрации веществ в 
растворах.  
КФК-2 позволяет производить измерения коэффициентов пропускания рассеивающих 
взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в проходящем свете. 
 
 Порядок работы 
1. Включить колориметр в сеть за 15 мин до начала измерений. 
2. Установить нужный цветной светофильтр. 
3. Установить чувствительность (1,2,3). 
4. Перед измерением открыть крышку фотоприемника и проверить установку «0» (слева на 
шкале). 
5. Закрыть крышку кюветного отделения и ручками чувствительность и установка «100» 
грубо и плавно установить отсчет 100 (справа по шкале). Ручка чувствительности может быть в 
одном из трех положений (1,2,3). 
6. В световой пучок поместить кювету с контрольным раствором и провести все операции 
пунктов 4-5. 
7. Заменить кювету с контрольным раствором на кювету с исследуемым раствором. Снять 
показания 3-4 раза и учесть среднее значение. 
При переключении светофильтров чувствительность должна быть «1», а «100» грубо – в 
крайнем левом положении.  

 
 
Рис. 2. Вид колориметра спереди 
1-регистрирующий прибор со шкалой, оцифрованной в коэффициентах пропускания  Т,% и оптической 
плотности D, 2-блок питания, 3-ручка установки светофильтра, 4-ручка переключения кювет в световом 
пучке, 5-ручка переключения чувствительности, 6-ручка установки и регулировки чувствительности, 7-
крышка кюветного отделения. 

Лабораторная работа № 2. 

Фотоколориметрическое определение содержания хрома методом сравнения. 
 
Сущность метода 
Метод сравнения используется для однократных определений. Величины абсорбционности 
(оптических плотностей) эталонных и исследуемых растворов измеряют при одной и той же 
длине волны и толщине поглощающего слоя. Обычно приготавливают 2-3 эталонных раствора, 
чтобы определить среднее значение концентрации исследуемого раствора. Концентрации 
исследуемого и стандартных растворов должны быть близки по величине, чтобы избежать 
больших ошибок в измерении оптических плотностей. 
Расчет содержания хрома производится по формуле: 
 

x

cp

x
A
A
C
C
⋅








=

∋

∋
, где 

 
Аэ и Ах – значения абсорбционности (оптических плотностей) эталонного и исследуемого 
растворов; 
Сэ и Сх – значения величин концентраций эталонного и исследуемого растворов; 
 
Метод изучается на примере определения концентрации хрома, содержащегося в растворе в 
виде дихромат-ионов (Cr2O7
2-). Максимум поглощения этого иона наблюдается при 400-450 нм. 
Поскольку в водных растворах, содержащих Cr(VI) равновесие: 
 

+
−
−
+
↔
+
H
CrO
O
H
O
Cr
2
2
2
4
2
2
7
2
, 
 
определение проводится в кислой среде. 
 
Ход работы 
Включить прибор для нагрева в течение 15 мин.  
Приготовить эталонные растворы. Для этого в три мерные колбы вместимостью 50 мл 
отмерить из пипетки 2 мл, 3 мл и 4 мл соответственно 0,05 н раствора дихромата калия 
(К2Сr2O7). Прибавить в каждую колбу по 5 мл раствора серной кислоты (H2SO4 – 1:1), довести 
до метки дистиллированной водой, тщательно перемешать. Колориметрировать в кювете с 
рабочей длинной кюветы 2 см, используя синий (440 нм) светофильтр. В качестве раствора 
сравнения используют воду. 
Измерив оптическую плотность трех эталонных  растворов, рассчитать три соотношения 
Сэ/Аэ, сравнить их между собой и рассчитать среднее значение. 
 
Таблица 4. Результаты измерения оптической плотности эталонных растворов 
 

Содержание хрома в эталонных 
растворах Сэ, г
Оптическая плотность 
эталонных растворов Аэ

Отношение Сэ/Аэ 

 
Получить у преподавателя контрольный анализируемый раствор в мерную колбу той же 
вместимости, добавить к нему 5 мл раствора серной кислоты (H2SO4 – 1:1), довести до метки