🗊Презентация Аналитическая химия. Общие понятия

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Что такое аналитическая химия раздел химии, разрабатывающий на основе фундаментальных законов физики и химии принципиальные методы и приемы качественного и количественного анализа химического состава вещества. наука о принципах, способах и методах определения химического состава и структуры химических соединений Наука о способах получения и интерпретации аналитического сигнала Научная дисциплина, которая развивает и применяет методы, средства и общую методологию получения информации о составе и природе вещества (в пространстве и времени) – определение Отделения аналитической химии Федерации европейских химических обществ (ОАХ ФЕХО)

ЛИТЕРАТУРА Барковский Е.В. Аналитическая химия: Учеб. Пособ. - Мн.: Высш.шк.,2004. Харитонов Ю.Я. Аналитическая химия (аналитика) В 2 кн. – М.: Высшая школа., 2010

Классификация методов химического анализа Методы анализа: качественный ( ЧТО? ) количественный (СКОЛЬКО?) По количеству определяемого компонента макрокомпоненты – 1-100% микрокомпоненты – 0,01-1% следовые компоненты – <0,1% Содержание следовых компонентов часто выражают в единицах: 1 ppm (part per million) =1/106 (10-4 %), 1 ppb (part per billion) =1/109 (10-7 %), 1 ppt (part per trillion) =1/1012 (10-10 %).

Классификация методов химического анализа По цели исследования: • молекулярный анализ, • элементный анализ, • фазовый анализ, • функциональный анализ, • изотопный анализ. По способу получения аналитического сигнала: • химические (>10-1%), • физико-химические (10-1 – 10-4%), • физические ( <10-4%), • биологические

Аналитический сигнал Аналитический сигнал (отклик)–измерительный сигнал, регистрируемый в ходе анализа пробы вещества объекта анализа, содержащий количественную информацию о величине, функционально связанной с содержанием определяемого компонента (конкретных атомов, изотопов, ионов, молекул). Требования, предъявляемые к аналитическому сигналу: • воспроизводимость, • способ измерения интенсивности сигнала, • известная связь интенсивности сигнала с количеством определяемого компонента, • экстенсивность.

Квалификация химических реактивов

Квалификация высокочистых веществ

Метод и методика анализа Метод анализа – это определение принципов, лежащих в основе анализа, безотносительно к определяемому компоненту (аналиту) и анализируемому объекту. Например: гравиметрия, титриметрия. Методика анализа включает в себя адаптацию метода, чтобы он стал селективным по отношению к заданному аналиту. Например: определение кальция(II) методом комплексоно-метрического титрования. Пропись представляет собой подробное описание всех условий и операций проведения анализа конкретного объекта. Например: определение кальция(II) в фармацевтических препаратах методом комплексонометрического титрования.

Этапы анализа 1. Выбор метода и методики анализа: • содержание компонента, • избирательность метода, • необходимая точность, • время (экспрессность), • стоимость анализа. 2. Отбор пробы: • представительность, • устойчивость, • отсутствие загрязнений, • количество, достаточное для проведения анализа. 3. Обработка пробы. 4. Устранение мешающего влияния компонентов. 5. Измерение количества компонента. 6. Математическая обработка результатов анализа.

Качественный химический анализ

Окраска пламени

Требования к химическим реакциям, применяемым в аналитической химии 1. Реакция должна сопровождаться аналитическим признаком: а) образование или растворение осадка с определенными свойствами (цвет, растворимость в определенных растворителях, форма кристаллов. б) получение при действии окрашенного растворимого соединения в) выделение газа с известными свойствами: 2. Аналитический признак должен определяться визуально или инструментально

Условия протекания реакций Определенное значение pH среды Осадки, которые растворимы в кислотах не будут выпадать при избытке свободной кислоты. Температура Осадки, растворимость которых повышается с увеличением температуры не образуются в нагретом растворе, их следует получать на холоде. Концентрация ионов Необходима определенная концентрация ионов, при которой осадки будут выпадать.

Чувствительность реакции

Открываемый или определяемый минимум Наименьшее количество вещества или ионов, которое может быть открыто при помощи данной реакции при соответствующих условиях. Его выражают в микрограммах мкг или в граммах г, иногда обозначаемых греческой буквой γ (гамма): 1 мкг = 1 γ = 10-3 мг = 10-6 г

Минимальная (предельная) концентрация Наименьшая концентрация раствора при которой данная реакция позволяет еще однозначно открывать обнаруживаемое вещество в небольшой порции (обычно в одной капле) анализируемого вещества. 1 капля раствора (объем 0,01-0,03 мл) 2К+ + Н2[PtCl6] ⅓ → K2[PtCl6] + 2Н+ Предельная концентрация 1:10000. Это означает, что К+ еще можно обнаружить в виде K2[PtCl6] в водном растворе, содержащем 1 г К+ в 10000 мл.

Vmin = m·Wпред/106 Vmin = m·Wпред/106 Wпред = 1/Cmin = Vmin·106/m Cmin = 1/Wпред = 1 : Vmin·106/m m = Vmin·106/ Wпред = Cmin·Vmin·106 m – открываемый минимум, мкг; Cmin – минимальная (предельная) концентрация; Wпред – предельное разбавление; Vmin – минимальный необходимый объем раствора для обнаружения определяемых ионов , мл.

Пример 1. Вычислить минимальный объем раствора, требуемый для обнаружения К+ ионов в виде желтого кристаллического осадка K2Ag[Cо(NO2)6]. Открываемый минимум К+ ионов этим путем равен 1 мкг; предельная концентрация 1:50000; предельное разбавление 50000. Пример 1. Вычислить минимальный объем раствора, требуемый для обнаружения К+ ионов в виде желтого кристаллического осадка K2Ag[Cо(NO2)6]. Открываемый минимум К+ ионов этим путем равен 1 мкг; предельная концентрация 1:50000; предельное разбавление 50000. Решение: Минимальный объем вычисляют по формуле Vmin = m·Wпред/106 Vmin = 1·50000/106 = 0,05 мл Таким образом, для обнаружения К+ в виде указанного осадка необходимо взять не менее 0,05 мл предельно разбавленного раствора, содержащего 1 г К+ в 50000 мл. Пример 2. Вычислить открываемый минимум К+, осаждаемого в виде K2[PtCl6] из 0,05 мл (Vmin), если известна предельная концентрация, равная 1:10000 (предельное разбавление 10000). Решение: Открываемый минимум рассчитывают по формуле m = Vmin·106/ Wпред = CminVmin·106 m = 0,05·106/10000 = 5 мкг

Отбор средней пробы Проба – часть анализируемого материала, представительно отражающая его химический состав.

Аналитическая классификация катионов и анионов Для проведения анализа твердую пробу обычно растворяют в подходящем растворителе: в воде, водных растворах кислот или щелочей, в органических растворителях, в растворах, содержащих комплексообразующие компоненты, и т.д. В качественном анализе неорганических веществ преимущественно исследуют растворы солей, кислот и оснований, которые в водных растворах находятся в диссоциированном состоянии. Поэтому химический анализ водных растворов электролитов сводится к открытию отдельных ионов (катионов и анионов), а не элементов или их соединений. Для удобства обнаружения ионы делят на аналитические группы. Аналитической группой ионов называется такая группа химических элементов, которая с определенным реактивом при соответствующих условиях дает тождественные аналитические реакции.

Методы качественного анализа Систематический - основан на последовательном открытии и удалении ионов, которых мешают дальнейшему определению. Для удаления ионов используют групповые или специфические реактивы. Дробный - обнаружение ионов с помощью специфических реакций в отдельных порциях анализируемого раствора, производимое в любой последовательности.

Системы группового разделения ионов сероводородная; кислотно-основная; аммиачно-фосфатная; тиоацетамидная и т. д.

Кислотно-основный метод анализа катионов Метод основан на делении всех катионов на шесть аналитических групп. Преимущества метода: используются основные свойства катионов группы катионов практически полностью соответствуют группам периодической системы элементов Д.И. Менделеева быстрота выполнения анализов простота, не требует дорогостоящих реактивов; не требует применения вредных реактивов широкое применение систематического и дробного хода анализа. Недостатки: включает не все известные элементы, недостаточно отражены свойства гидроксидов катионов 4 и 5 групп, условия их осаждения.

Аналитические группы катионов (кислотно-основный метод)

Аналитическая классификация анионов

Применение катионов 1 и 2 аналитических групп в медицине Натрий и калий. Ионы Nа+ и К+ распределены по всему организму, причем первые входят преимущественно в со­став межклеточных жидкостей, а вторые находятся глав­ным образом внутри клеток. С ионами Nа+ связано осмотическое давление жидкостей, удержание воды тканями (15 г NаС1 задержи­вает в организме человека до двух литров жидкости), под­держание кислотно-щелочного равновесия в организме (NаНСО3 - щелочной резерв крови - компонент гидрокар­бонатной буферной системы), перенос аминокислот и cа­харов через клеточную мембрану Ионы Nа+ и К+ оказывают существенное влияние на дея­тельность ЦНС. Избы­ток ионов Nа+ в клетках коры головного мозга вызывает де­прессию, т.е. угнетение деятельности ЦНС. Избы­ток ионов К+ в клетках коры головного мозга вызывает ма­ниакальное состояние, т.е. возбуждение деятельности ЦНС.

Медицинские препараты

Медицинские препараты

Применение катионов 3й аналитической группы в медицине Свинец. Его соединения токсичны. У рабочих различных произ­водств, связанных с получением и применением свинца, могут встречаться явления острого и хронического отрав­ления (сатурнизм). При сатурнизме наблюдается ряд симптомов поражения ЦНС (головная боль, бессонница, судороги, галлюцинации, атрофия зрительного нерва), а также нарушения функции почек (альбуминурия) и желу­дочно-кишечного тракта («свинцовые колики»). В медицине соединения свинца применяются только наружно как антисептические и вяжущие средства. Ок­сид свинца РЬО входит в состав свинцового пластыря, ис­пользуемого при воспалительных заболеваниях кожи, фу­рункулезе. Добавки свинца используют при изготовлении одежды для медперсонала рентгеновских кабинетов (фар­туки, рукавицы, шлемы), так как свинец поглощает рент­геновские лучи

Применение катионов 3й аналитической группы в медицине Серебро. Физиологическая роль серебра в живом орга­низме изучена недостаточно. Серебро относится к ультра микроэлементам. Это означает, что оно находится в орга­низме в концентрации менее 10-12 % . Нитрат серебра АgNO3 (ляпис) - вяжущее и прижи­гающее средство, используется наружно. Применяется в стоматологии для серебрения корневых каналов и кариоз­ных полостей зубов перед их пломбированием. Сначала из нитрата серебра получают аммиачный раствор оксида се­ребра, затем добавляют водный раствор формальдегида с его массовой долей 10 %. Образующаяся серебряная пленка посылает в окружа­ющее пространство ионы серебра, которые обладают бак­терицидным действием. Нитрат и хлорид серебра применяются для пропит­ки перевязочного материала - бумаги, ваты, марли.

Применение катионов 3й аналитической группы в медицине Ртуть. Ртутное заражение почвы, природных вод, рас­тений и животных в настоящее время характерно для многих регионов планеты. Оно связано с поступлением в биосферу большого количества ртути в виде продуктов промышленного производства, выхлопов транспорта, ядо­химикатов. Ртуть накапливается главным образом в пече­ни и почках. При хроническом отравлении ртутью и ее со­единениями («меркуризм») появляются металлический привкус во рту, сильное слюнотечение, слуховые и обоня­тельные галлюцинации, головные боли, наблюдается ослабление памяти Желтая ртутная мазь - оксид ртути (II). Использу­ется для лечения кожных заболеваний. Хлорид ртути (II) НgС12 (сулема). Обладает высокой токсичностью, при работе с ней необходимо соблюдать большую осторожность; растворы в разведении 1:1000 применяются для дезинфекции белья, предметов ухода за больными, помещений, медицинского инструментария. Ртуть и ее пары Hg. Ртутные термометры, ртутные ма­нометры в аппаратах для измерения кровяного давле­ния. УФ-лучи, полученные от ртутно-кварцевых ламп, глубоко прогревают ткани, губительно действуют на многие микроорганизмы

Количественный анализ

Классификация методов количественного анализа Химические Весовой анализ – измерение массы определяемого вещества или его составных частей, выделяемых в химически чистом состоянии или в виде соответствующих соединений Объемный анализ – измерение объема жидких, твердых и газообразных продуктов или их водных и неводных растворов Объемный титриметрический – измерение объема израсходованного на реакцию реактива точно известной концентрации Газовый объемный – анализ газовых смесей, основанный на избирательном поглощении из анализируемой газовой смеси определяемого компонента подходящими поглотителями Седиментационный объемный – основан на расслоении дисперсных систем под действием силы тяжести, сопровождающемся отделением дисперсной фазы в виде осадка и последующем измерении объема осадка в калиброванной центрифужной пробирке Физические Физико-химические (инструментальные)

Чувствительность некоторых методов Количественного анализа, в % 

ТИТРИМЕТРИЧЕСКИЙ (ОБЪЕМНЫЙ) АНАЛИЗ Титриметрический или объемный анализ – метод количественного анализа, основанный на измерении объема (или массы) реагента Т, затраченного на реакцию с определяемым веществом Х. Титрование – процесс определения вещества Х постепенным прибавлением небольших количеств вещества Т, при котором каким-нибудь способом обеспечивают обнаружение точки (момента), когда все вещество Х прореагировало

Термины и понятия ТИТРИМЕТРИЧЕСКого АНАЛИЗа Титрант – раствор, содержащий активный реагент Т, с помощью которого проводят титрование. Аликвотная доля (аликвота) – это точно известная часть анализируемого раствора, взятая для анализа. Точка эквивалентности (ТЭ) – такая точка (момент) титрования, в которой количество прибавленного титранта Т эквивалентно количеству титруемого вещества Х. Конечная точка титрования (КТТ) – точка(момент) титрования, в которой некоторое свойство раствора (например, его окраска) оказывает заметное изменение. Индикатор – вещество, которое проявляет видимое изменение в ТЭ или вблизи её. Интервал перехода индикатора – область концентрации ионов водорода, металла, в пределах которой глаз способен обнаружить изменение в оттенке, интенсивности окраски, вызванное изменением соотношения двух форм индикатора.

ПОСУДА, ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАСТВОРОВ Мерные колбы служат для измерения объемов растворов, приготовления растворов определенной концентрации. Мерные колбы бывают различной емкости: от 5 до 2000 мл.

ХИМИЧЕСКИЙ ШТАТИВ С БЮРЕТКОЙ ХИМИЧЕСКИЙ ШТАТИВ С БЮРЕТКОЙ

Пипетки служат для отмеривания небольших объемов растворов и перенесения определенного объема раствора из одного сосуда в другой. Пипетки бывают объёмом от 1 до 100 мл, градуировка на 0,1-1,0 мл. Пипетки служат для отмеривания небольших объемов растворов и перенесения определенного объема раствора из одного сосуда в другой. Пипетки бывают объёмом от 1 до 100 мл, градуировка на 0,1-1,0 мл. Мерные цилиндры и мензурки используют только для приблизительного отмеривания растворов вспомогательных реактивов, объемы которых не учитывают при вычислении.

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РЕАКЦИЯМ В ТИТРИМЕТРИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ Реакция должна протекать: по строго определенному стехиометрическому уравнению количественно, т.е. практически до конца. быстро, чтобы в любой момент титрования равновесие устанавливалось мгновенно. с возможностью точно и удобно определять КТТ вблизи ТЭ.

РЕАКТИВЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ТИТРИМЕТРИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ Первичное стандартное вещество (первичный стандарт) – вещество высокой чистоты, которое применяется для установления концентрации титранта бура – десятиводный кристаллогидрат тетрабората натрия Na₂B₄O₇∙10H₂O безводный карбонат натрия Na₂CO₃ бикарбонат калия КНСО₃ карбонат таллия (I) TI₂CO₃ дигидрат щавелевой кислоты Н₂СО₃∙Н₂О Вторичное стандартное вещество (вторичный стандарт) – вещество, используемое для стандартизации; содержание активного компонента в нем находят с помощью первичного стандарта.

СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ В ТИТРИМЕТРИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ Молярная концентрация с(А) – количество растворенного вещества А в молях, содержащееся в одном литре раствора: С(А) = n(A)/V(A) = m(A)/M(A)V(A) CM = n /V = m / Mr . V Молярная концентрация эквивалента с(1/ZА) или нормальность - количество растворенного вещества А в молях, соответствующее эквиваленту вещества А, содержащееся в одном литре раствора: с(1/Z А) = n(1/Z A)/V(A) = m(A)/M(1/Z A)V(A) N = nэ/V = m / Mэ . V

Виды титрования, применяемые в титриметрическом анализе

Прямое титрование

Обратное титрование Обратное титрование (титрование по остатку) – титрование непрореагировавшего вещества, которое прибавлено в избытке к анализируемому раствору. Химизм процесса: 1) Х + Т1(избыток) = продукты реакции + (Т1 (остаток)) 2) Т1(остаток) + Т2 = продукты реакции По закону эквивалентов: n(⅟zT1) = n(⅟zХ) + n(⅟zT2) c(⅟zТ1)V(T1) = c(⅟zХ)V(Х) + c(⅟zТ2)V(T2) c(⅟zХ) = [c(⅟zТ1)V(Т1) - c(⅟zТ2)V(T2)]/V(Х) m(Х) = c(⅟zХ) М(⅟zХ)Vк = Т(Х) V’к

Заместительное титрование Заместительное (косвенное) титрование – титрование, при котором определяемое вещество не реагирует с титрантом непосредственно, а определяется косвенно в результате использования стехиометрически протекающей реакции с образованием другого вещества, реагирующего с титрантом. 1) Х + А(избыток) = продукты реакции + В(заместитель) 2) В(заместитель) + Т = продукты реакции По закону эквивалентов: n(⅟zХ) = n(⅟zВ) = n(⅟zT) c(⅟zХ)V(Х) = c(⅟zТ)V(T) c(⅟zХ) = c(⅟zТ)V(Т)/V(Х), Т(Х)=c(⅟zХ)М(⅟zХ)/1000 m(Х) = c(⅟zХ) М(⅟zХ)Vк = Т(Х) V’к

Классификация титриметрических методов анализа по типам протекающих реакций Методы кислотно-основного титрования (алкалиметрия и ацидиметия), Метод восстановительного титрования (редоксиметрия), Метод осаждения (гравиметрия), Комплексообразование (комплексометрия).

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Спектроскопические методы Абсорбционная спектроскопия. Фотоколориметрия и спектрофотометрия.

Общая характеристика Спектральный анализ - совокупность методов качественного и количественного определения состава веществ, основанный на исследовании спектров испускания, поглощения, люминесценции, отражения и рассеяния электромагнитного излучения Задачи атомного спектрального анализа – определение элементного состава образца молекулярного спектрального анализа – определение молекулярного состава вещества В основе спектрального анализа: Абсорбция – взаимодействие исследуемого вещества с внешним ЭМИ, приводящее к частичному поглощению последнего; Люминесценция – возбуждение частиц исследуемого вещества внешним излучением и последующее испускание квантов излучения с другой длиной волны; Самопроизвольная эмиссия (испускание) излучения анализируемым веществом, находящимся в состоянии плазмы: в пламени горелки, в электрическом разряде – дуговом, искровом или высокочастотном; Рассеяние падающего на образец электромагнитного излучения анализируемым веществом.

Спектральный анализ Методы анализа, основанные на: явлении излучения электромагнитных волн предварительно возбужденными атомами, ионами или молекулами- эмиссионный спектральный анализ На изучении спектра испускания свободных атомов и ионов в газовой фазе – атомно-эмиссионный метод анализе излучения вещества, которое предварительно возбуждают излучением мощных ламп, лазера - люминесцентный (флуоресцентный ) метод (или спектроскопия люминесценции) анализе излучения вещества, которое предварительно возбуждают в результате химической реакции – хемилюминесцентный метод измерении интенсивности поглощения ЭМИ анализируемым веществом при неупругом взаимодействии (изменяется как внутреннее состояние анализируемых частиц, так и энергия/длина волны излучения) – абсорбционный спектральный анализ поглощении излучения в видимой, ИК и УФ областях спектра молекулами определяемого компонента - фотометрический анализ: Визуальная фотометрия, или колориметрический анализ Спектрофотометрия Фотоколориметрия – видимая область + ближний ИК и УФ упругом взаимодействии ЭМИ с веществом (энергия волны остается неизменной, но меняется направление её распространения) – рефрактометрические методы

Области ЭМИ

Орбласти ЭМИ

Выбор оптимальных условий спектрофотометрического анализа

Основной закон светопоглощения

Ограничения и условия применимости закона Бугера-Ламберта-Бера

Основные узлы приборов абсорбционной спектроскопии Источник света Монохроматор Кювета с исследуемым веществом Рецептор (приемник света) – фотоэлемент Оптическая система Система для уравнивания интенсивности световых потоков

Источник света Вольфрамовые лампы накаливания Газонаполненные лампы

Монохроматизаторы Светофильтры: Абсорбционные Интерференционные Интерференционно- поляризационные Призмы Дифракцион- ные решетки

кюветы

приборы Фотоэлектроколориметры (ФЭКи) Прибор с двумя фотоэлементами Назначение: измерения T или А растворов Диапазон измерений: видимая, УФ, ИК Монохроматизаторы: светофильтры, дифракционные решетки Спектрофотометры (СФ) Прибор с одним фотоэлементом. Однолучевые или двулучевые Назначение: измерения T или А растворов. Запись спектра Диапазон измерений: видимая, видимая + УФ, ИК Приемники излучения: фотоэлементы различных типов Монохроматизаторы: призмы, дифракционные решетки Принцип работы: сравнение интенсивности потоков света, прошедшего через растворитель и раствор

Основные операции количественного анализа Растворение пробы и перевод определяемого компонента в окрашенное соединение (фотометрическая реакция) Выбор оптимальных условий для фотометрического определения: Участка спектра или длины волны Оптической плотности Толщины слоя Определение оптической плотности анализируемого и стандартного растворов Построение градуировочного графика и использование других приемов для определения интересующего компонента

Методы определения концентрации Метод градуировочного графика Метод молярного коэффициента поглощения Метод добавок Метод дифференциальной фотометрии

Выбор оптимальных условий анализа

Метод добавок

Метод добавок

Метод градуировочного графика

Метод молярного коэффициента поглощения

Метод добавок

Метод дифференциальной фотометрии

Источники ошибой и методы их исправления

ПОЛЯРИМЕТРИЯ

Поляриметрический метод анализа основан на способности оптически активных веществ отклонять плоскость поляризации при прохождении через них пучка плоскополяризованного света Такой способностью обладают органические вещества, в молекулу которых входит один или несколько асимметричных атомов углерода .

Явление вращения плоскости поляризации

Оптически активное вещество

Оптическая схема поляриметра

поляризатор

Анализатор и поляризатор

Преобразование плоскополяризованного луча при прохождении через полутеневую пластинку

Преобразование освещенностей двух половин зрения при прохождении света через правовращающее вещество

Устройство компенсатора

Общий вид поляриметра

Работа со шкалой нониуса

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ И РЕКОМЕНДОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Учебная литература Аналитическая химия. Проблемы и подходы. В 2 т: пер. с англ. / Под ред. Р. Кельнера, Ж.-М. Мерме, М. Отто, М. Видмера. – М.: Мир, 2004 Аналитическая химия и физико-химические методы анализа. В 2 т. / Под ред. А.А. Ищенко. – М. Издательский центр «Академия», 2010 Основы аналитической химии. В 2 кн. Кн.2 / Ю.А. Золотов. - М.: Высшая школа, 2004

Справочная литературы