Конспект лекций по аналитической химии для студентов СПОУ
© ЛОГВИНОВ АЛЕКСАНДР ВАЛЕРИЕВИЧ 2015
Лекция 1 Введение. Предмет аналитической химии. Современные методы анализа веществ
История развития аналитической химии
Аналитическая химия сформировалась в современную науку в процессе длительного исторического развития. С глубокой древности известны простейшие приемы качественного распознавания веществ по их твердости, вкусу, цвету и запаху, а также несложные приемы очистки их с помощью перекристаллизации, фильтрования или перегонки. В IX-X в.в. на Руси уже умели определять чистоту некоторых металлов, например чистоту серебра по его плотности, а в XVII-XVIII в.в. довольно широко пользовались так называемым „пробирным методом”. Его в совершенстве освоил Петр I при исследовании руд.
Термин „химический анализ” был введен англичанином Бойлем в первой половине XVII в. Становление аналитической химии как науки относят к XIX в. К этому времени относится открытие законов кратных отношений (Ж. Гей-Люссак), разработка теории электрохимического дуализма (И.Я. Берцеллиус), на основе которых создана теория электролитической диссоциации. В середине XIX в. накопились сведения о частных реакциях веществ и появились первые учебники с разработанной системой качественного и количественного анализа. Однако аналитическая химия начала формироваться в самостоятельную науку лишь после работ М.В. Ломоносова, который открыл закон сохранения массы вещества и ввел количественный учет при химических процессах. В книге „Первые основания металлургии или рудных дел” он описал многие методы анализа. Периодический закон позволил систематизировать знания о соединениях, важных для химического анализа. Аналитическая классификация катионов связана с положением элементов в периодической системе. Методы разделения также базируются на периодическом законе. Таким образом, труды Д.И. Менделеева составили теоретический фундамент методов аналитической химии и определили основные направления ее развития.
Основы качественного и количественного анализа в его современном виде заложил Карл Ремигиус Фрезениус (1818-1897г.г.), предложив в 1841г. усовершенствованную схему разделения неорганических ионов. Развитию аналитической химии в России как науки способствовали работы академика В.М. Севергина (1796 г.) „Руководство к испытанию минеральных вод”, „Пробирное искусство или руководство к химическому испытанию металлических руд и других ископаемых тел”(1801).
В XVII – XIX в.в. большой вклад в разработку методов анализа ряда неорганических веществ внесли шведские химики Бергман (1732-1784) и Берцелиус (1779-1848), немецкий химик Фрезениус (1818-1837). Французский ученый Гей-Люссак (1778-1850) впервые осуществил количественное определение веществ с помощью объемного анализа. В результате работ немецких ученых Бунзена и Кирхгофа в 1859 г. был основан метод спектрального анализа. Начиная с середины XIX в., сначала для целей идентификации, а затем и для количественных определений в аналитической химии стали использовать инструментальные методы анализа, обладающие преимуществами в чувствительности, скорости, точности выполнения анализа. Развитие инструментальных методов привело к появлению новых методов: хроматография (М.С. Цвет, 1906г.), фотометрические методы анализа (И.П. Алимарин, В.И. Кузнецов), радиометрических (В.Г. Хлопин), электрохимических (В.И. Вернадский, А.П. Виноградов, Б.П. Никольский, И.П. Алимарин). С развитием ЭВМ изменилась принципиально методология проведения химического анализа – моделирование, алгоритмизация, системного подхода – все это привело к „перестройке” в аналитической химии, которую теперь квалифицируют как науку, занимающуюся получением информации о химическом составе вещественных систем.
Развитие аналитической химии осуществляется в следующих направлениях:
- в области теории: развитие теории химических процессов, расчет сложных химических систем на основе термодинамических и квантово-химических представлений с применением алгоритмов и вычислительной техники.
- в методическом аспекте: внедрение автоматизации в аналитический контроль на основе новых методов, устанавливающих зависимость между составом и свойствами химических систем без их измерения (физико-химический анализ, лазерная, электронная, полупроводниковая техника).
- в прикладном аспекте:
повышение предела обнаружения, то есть снижение минимальных концентраций и количеств определяемых веществ, что связано с получением вещества особой чистоты;
увеличение точности анализа;
создание методов анализа, обладающих высокой избирательностью, исключающих необходимость устранения мешающих компонентов;
разработка экспрессных методов анализа, позволяющих исследовать процессы, протекающие в короткие промежутки времени (ядерные реакции);
разработка методов микроанализа;
разработка безразрушительных и дистанционных методов анализа (радиоактивные вещества, морские воды на больших глубинах, космические объекты).
В развитие этих направлений большой вклад внесли русские аналитики: всемирно известны их работы по анализу веществ высокой чистоты, разработке органических аналитических реагентов, фотометрии и другие. В нашей стране создан ряд методов, которые используют во многих странах (тонкослойная хроматография, бесстружковый метод анализа).
Согласно академика И.П. Алимарина дадим определение науки – аналитической химии.
Аналитическая химия – наука, развивающая теоретические основы анализа химического состава веществ, разрабатывающая методы идентификации и обнаружения, определения и разделения химических элементов, их соединений, а также методы установления химического строения соединений.
2. Классификация аналитических методов анализа
Согласно рекомендации ИЮПАК (Международный союз чистой и прикладной химии) аналитический процесс включает в себя несколько уровней.
Методом анализа называют принципы, положенные в основу анализа вещества, то есть вид и природу энергии, вызывающей возмущение химических частиц вещества.
В основе анализа лежит зависимость между фиксируемым аналитическим сигналом от наличия или концентрации определяемого вещества.
Аналитический сигнал – это фиксируемое и измеряемое свойство объекта.
В аналитической химии методы анализа классифицируют по характеру определяемого свойства и по способу регистрации аналитического сигнала:
1.химические
2.физические
3.физико-химические
Физико-химические методы называют инструментальными или измерительными, так как они требуют применения приборов, измерительных инструментов.
Рассмотрим полную классификацию химических методов анализа.
Химические методы анализа - основаны на измерении энергии химической реакции.
В ходе реакции изменяются параметры, связанные с расходом исходных веществ или образованием продуктов реакции. Эти изменения можно либо наблюдать непосредственно (осадок, газ, цвет), либо измерять такие величины, как расход реагента, массу образующегося продукта, время реакции и т.д.
По цели проведения методы химического анализа подразделяют на две группы:
I.Качественный анализ – заключается в обнаружении отдельных элементов (или ионов), из которых состоит анализируемое вещество.
Методы качественного анализа классифицируются:
анализ катионов
анализ анионов
анализ сложных смесей.
II.Количественный анализ – заключается в определении количественного содержания отдельных составных частей сложного вещества.
Количественные химические методы классифицируют:
Гравиметрический (весовой) метод анализа основан на выделении определяемого вещества в чистом виде и его взвешивании.
Гравиметрические методы по способу получения продукта реакции делят:
а) химиогравиметрические методы основаны на измерении массы продукта химической реакции;
б) электрогравиметрические методы основаны на измерении массы продукта электрохимической реакции;
в) термогравиметрические методы основаны на измерении массы вещества, образующегося при термическом воздействии.
2. Волюмометрические методы анализа основаны на измерении объема реагента, израсходованного на взаимодействие с веществом.
Волюмометрические методы в зависимости от агрегатного состояния реагента делят на:
а) газоволюметрические методы, которые основаны на избирательном поглощении определяемого компонента газовой смеси и измерением объема смеси до и после поглощения;
б) ликвидоволюметрические (титриметрические или объёмные) методы основаны на измерении объема жидкого реагента, израсходованного на взаимодействие с определяемым веществом.
В зависимости от типа химической реакции выделяют методы объемного анализа:
протолитометрия – метод, основанный на протекании реакции нейтрализации;
редоксометрия – метод, основанный на протекании окислительно-восстановительных реакциях;
комплексонометрия – метод, основанный на протекании реакции комплексообразования;
методы осаждения – методы, основанные на протекании реакций образования осадков.
3. Кинетические методы анализа основаны на определении зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ.
Лекция 2 Общие теоретические основы химии
2.1 Строение атома, молекулы. Зависимость свойств элемента от строения электронных оболочек
2.2 Химическое равновесие в химических системах. Закон действующих масс
Лекция 2 Главные понятия качественного анализа. Классификация катионов и анионов. Аналитические группы ионов
Лекция Характеристика анализа катионов второй группы
Лекция Анализ катионов третьей группы
Лекция Анионы
Лекция Количественный анализ. Сущность гравиметрического анализа.Операции гравиметрического анализа
Лекция Расчеты в гравиметрическом анализе. Решение задач в гравиметрическом анализе.
Лекция – практическое занятие Взвешивание на аналитических весах
Лекция Титриметрический анализ
15