Методы анализа в аналитической химии

Правильность - близость полученного результата к истинному.

Точность - характеристика воспроизводимости определения от опыта к опыту. Анализ считается выполненным более точным, чем меньше различаются результаты параллельных определений между собой.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Абсолютная ошибка - разность между полученным результатом и истинным или наиболее достоверным значением.

Относительная ошибка - отношение абсолютной ошибки к истинному значению.

Группы методов анализа.

Принято делить методы анализа на три большие группы:

1) химические методы анализа - когда данные получаются в результате выделения осадка, выделения газа, изменения цвета окраски;

2) физико-химические методы анализа - может быть зафиксировано какое-нибудь физическое или химическое изменение величин;

3) физические методы анализа

К химическим методам относят:

- гравиметрический (весовой) анализ

- титриметрический (объемный) анализ

- газоволюмометрический анализ

К физико-химическим методам относят все способы инструментального анализа:

- фотоколориметрический

- спектрофотометрический

- нефелометрический

- потенциометрический

- кондуктометрический

- полярографический

К физическим относятся:

- спектральный эмиссионный

- радиометрический (метод меченых атомов)

- рентгеноспектральный

- люминесцентный

- нейтронно-активизационный

- эмиссионный (пламенная фотометрия)

- атомно-абсорбционный

- ядерно-магнитный резонанс

Лекция 2. Гравиметрический метод анализа

Гравиметрический анализ основан на точном измерении массы определяемого вещества в виде соединения или простого вещества определенного состава. Основным инструментом являются весы.

Гравиметрические методы подразделяются на две подгруппы:

I. методы осаждения

II. методы отгонки.

В методах осаждения навеску анализируемого вещества переводят в раствор, после этого определяемый элемент осаждают в виде малорастворимого соединения. Выпавший осадок отделяют фильтрованием, тщательно промывают или высушивают, и точно взвешивают. По массе осадка и его формуле рассчитывают содержание определенного элемента в % по массе.

В методах отгонки определяемый компонент удаляют в виде летучих продуктов, и по убыли в весе судят о содержании элемента.

Требования к осадкам:

Осаждаемой формой - называют то соединение, которое образуется при взаимодействии с реагентом - осадителем, а весовой формой - соединение, которое взвешивают для получения окончательного результата анализа.

Например, при определении кремния в чугунах формой осаждения является кремниевая кислота H₂SiO₃·nH₂O, а весовой формой является безводная двуокись кремния, получающаяся в результате прокаливания при температуре около 1000^оС. иногда осаждаемая и весовая форма могут представлять собой одно и тоже соединение. Например, при определении серы весовым методом ее осаждают из раствора, и взвешивают в виде сульфата бария, который при прокаливании химически не изменяется.

Требования к осаждаемой форме:

1) Малая растворимость осаждаемой формы соединения, содержащего определенное вещество и как более низкое содержание в ней определяющего вещества.

осаждаемая форма весовая форма

Требование к осаждению - малая растворимость.

Произведение растворимости

К ним относятся: AgCl, BaSO₄, Fe(OH)₃, Sb₂S₃

2) Структура осадка должна отвечать условиям фильтрования и позволять отмывку осадков с достаточной скоростью.

Мелкокристаллические осадки, могут пройти через поры фильтра. Наиболее удобны крупнокристаллические осадки, т.к. они не забивают поры фильтра, имеют слабо развитую поверхность, мало адсорбируют посторонние ионы и легко отмываются от них. Фильтруются через фильтр средней плотности, маркируемый Белой лентой. Аморфные осадки, например, многие гидроксиды имеют сильно развитую поверхность, адсорбируют посторонние вещества из раствора и трудно от них отмываются. Фильтрование таких осадков проводят через неплотный фильтр, маркируемый Красной лентой. Самые мелкокристаллические осадки (например, BaSO₄), фильтруются через фильтр с Синей лентой.

Окклюзия - внедрение посторонних ионов в структуру кристаллической решетки.

K⁺ - 1, 37 A

Na⁺ - 0, 95 A

Ba⁺² -1,35 A

3) Важно, чтобы осаждаемая форма легко переходила в весовую.

Осаждаемая и весовая формы должны быть химически инертными, чтобы не приводить к количественным ошибкам.

Пример:

1)

2)

CaO - высокореакционное вещество, это означает, что оно может «захватить» пары воды или углекислый газ

белая лента

красная лента фильтры

синяя лента

Требования к весовой форме:

1) Точное соответствие ее состава химической формуле. Если такого соответствия нет, вычисление результатов невозможно.

2) Химическая устойчивость весовой формы.

3) Содержание определяемого в весовой форме должно быть как можно меньшим, тогда погрешности определения меньше скажутся на окончательном результате анализа.

Искомое процентное содержание ( Р ) рассчитывают по формуле:

,

где b - количество весовой формы

a - навеска исследуемого вещества

F - фактор пересчета

Фактор пересчета показывает, скольким граммам определяемого элемента соответствует 1 г весовой формы.

Из двух возможных гравиметрических методов определения элемента при прочих равных условиях будет более точным тот, для которого фактор пересчета будет меньше.

; ;

Анализ может быть:

а) частным - определяется один или несколько веществ, а другие не интересуют

б) полным - на содержание всех входящих составных частей (У = 100%).

Полный анализ проводится для того, чтобы узнать все составные части данного вещества.

Цемент - CaO, MgO, Fe₂O₃, Al₂O₃, SiO₂, CaSO₄, SO₃.

FeCl₃ + NH₄OH > Fe₂(OH)₃.

Лекция 3. Титриметрический метод анализа

Титриметрический анализ - метод определения количества вещества путем точного измерения объема растворов веществ, вступающих между собой в реакцию.

Титр - количество г. вещества содержащегося в 1 мл. раствора или эквивалентное определяемому веществу. Например, если титр H₂SO₄ равен 0,0049 г/мл, это значит, что каждый мл раствора содержит 0,0049 г. серной кислоты.

Раствор, титр которого известен, называется титрованным. Титрование - процесс добавления к исследуемому раствору или его аликвотной части эквивалентного количества титрованного раствора. При этом используются стандартные растворы - фиксаналы - растворы с точной концентрацией вещества (Na₂CO₃, HCl).

Реакция титрования должна отвечать следующим требованиям:

1) высокая скорость реакции;

2) реакция должна протекать до конца;

3) реакция должна быть высоко стехиометричной;

4) иметь удобный метод фиксирования конца реакции.

HCl + NaOH > NaCl + H₂O

Главная задача титриметрического анализа - не только использовать раствор точно известной концентрации (фиксанал), но и правильно определить точку эквивалентности.

Существует несколько способов зафиксировать точку эквивалентности:

I. По собственной окраске ионов определяемого элемента, например марганца в виде аниона MnO₄^-

II. По веществу-свидетелю

Пример: Ag⁺ + Cl^- AgCl

Ag⁺ + CrO₄ Ag₂CrO₄ (ярко оранжевая окраска)

В колбу, где требуется определить ион хлора, добавляют небольшое количество соли K₂CrO₄ (свидетель). Затем из бюретки постепенно добавляют исследуемое вещество, при этом первыми в реакцию вступают ионы хлора и образуется белый осадок (AgCl), т. е. ПР _AgCl << ПР _{Ag2Cr O4.}

Таким образом, лишняя капля нитрата серебра даст ярко оранжевую окраску, т. к. весь хлор уже прореагировал.

III. С помощью индикаторов: например, при реакции нейтрализации используют кислотно-щелочные индикаторы: лакмус, фенолфталеин, метил оранж - органические соединения изменяющие окраску при переходе от кислой к щелочной среде.

Индикаторы - органические красители, которые меняют свою окраску при изменении кислотности среды.

Схематически (опуская промежуточные формы) равновесие индикатора можно представить как кислотно-основную реакцию

HIn +H₂O In^- + H₃O⁺

H₂O H⁺ + OH^-

H⁺ + H₂O H₃O⁺

На область перехода окраски индикатора (положение и интервал) влияют все факторы, от которых зависит константа равновесия (ионная сила, температура, посторонние вещества, растворитель), а также индикатора.

Классификация методов титриметрического анализа.

1) кислотно-основное титрование (нейтрализация): этим методом определяют количество кислоты или щёлочи в анализируемом растворе;

2) осаждение и комплексообразование (аргентометрия)

AgNO₃ + HCl

Ag⁺ + Cl^- AgCl

3) окислительно-восстановительное титрование (редоксиметрия):

а) перманганатометрия (KMnO₄);

б) йодометрия (Y₂);

в) броматометрия (KBrO₃);

г) дихроматометрия (K₂Cr₂O₇);

д) цериметрия (Ce(SO₄)₂);

е) ванадометрия (NH₄VO₃);

ж) титанометрия (TiCl₃) и т.д.

Способы титрования.

1. прямое титрование. При прямом титровании титрант непосредственно добавляют к титруемому веществу. Такой способ применим только при выполнении всех требований, перечисленных выше.

2. обратное титрование (с избытком), используется при медленно протекающей реакции. Если скорость реакции мала, или не удается подобрать индикатор, или наблюдаются побочные эффекты, например потери определяемого вещества вследствие летучести, можно использовать прием обратного титрования: добавить к определяемому веществу заведомый избыток титранта Т₁, довести реакцию до конца, а затем найти количество непрореагировавшего титранта титрованием его другим реагентом Т₂ с концентрацией с₂. очевидно, что на определяемое вещество затрачивается количество титранта Т₁, равное разности с_Т1V_T1 - c_T2V_T2.

Очень важным вопросом является способы выражения концентрации раствора.

· Молярные растворы - моль/ л

1М_р-р - в 1 литре находится 1 г/моль вещества

· Нормальные растворы (раствор должен содержать в 1 л заданное число эквивалентных масс).

Химическим эквивалентом называется количество вещества эквивалентное одному г атома водорода.

· Титр Т

Титр по рабочему веществу

[г/мл]

Титр по рабочему веществу надо перевести в титр по определяемому веществу, воспользовавшись фактором пересчёта.

T_onp = T_раб· F

Пример:

Основные уравнения для титриметрического анализа

N₁V₁ = N _xV _x,

где N₁ - нормальность титранта

V₁ - количество раствора, которое вылили из бюретки для химической реакции

N _xV _x - характеристика искомого вещества

а - навеска анализируемого вещества

Лекция 4. Оптические методы анализа

Суть метода основывается на взаимодействии вещества со средой, а в качестве среды имеют электромагнитные волны оптического диапазона. В результате взаимодействия происходит изменение свойств веществ, вступивших в реакцию.

Применяется два общих способа измерения:

1) На глаз

2) Инструментальный метод

При взаимодействии вещества с электромагнитными волнами можно зафиксировать следующие изменения:

- угол преломления, который обусловлен поляризацией молекул вещества

- поглощение света веществом

- электрическая проводимость, которая может меняться и т. д.

Диапазон э\м волн =100 - 100`000 м

J = с / [Гц] V = 1/ [см ^-1]

Для оптических методов анализа присущи такие характеристики, как коэффициент преломления, оптическая плотность и т.д.

L = kМc

Весь спектр обладает различными свойствами.

Есть методы, основывающиеся на поглощении света веществом. Поглощать свет могут молекулы и ионы.

1) колориметрия

2) фотоколориметрия

3) спектрофотометрия (использует весь диапазон) получают спектр вещества

Также может поглощаться атомами вещества - атомноабсоркционный метод.

Вещества, находящиеся в состоянии плазмы (высокая t), могут сами излучать свет.

Эмиссионный метод.

- флюорометрия;

Излучать свет могут и отдельные атомы, когда вещество переходит в состояние плазмы (800 - 5000 ⁰С).

- эмиссионный спектральный анализ;

- пламенная фотометрия.

Есть методы, которые основаны на интенсивности проницаемости света.

- эмульсия - два несовместимых по фазе вещества (пример: ода и жир)

- нефелометрия («мутнометрия») - оценивается степень мутности;

- турбодиметрия.

Все оптические методы используют специальные приборы

1) источник излучения;

2) фокусирующее устройство;

3) селектор (преобразователь)

4) кювета с изучаемым веществом;

5) детектор излучения (глаз, фотоэлемент, фотоэлектронный умножитель);

6) блок усиления сигнала;

7) регистрирующий или показывающий прибор (самописец).

Источники излучения:

· пламя горелки;

· вольтова дуга;

· лампа накаливания(320-10000);

· натриевые лампы (л=585 нм);

· водородные и дейтеривые лампы (180-320);

· для тепловых волн используются глобары - спрессованный карбид кремния SiС (от 1 мкм и выше);

· для диапазона ультрафиолетового используются ртутно-кварцевые лампы (200-500 нм).

Фокусирующее устройство?

Селекторы (преобразователь света)

· преломляющая призма

· обычные светофильтры

· призмодифракционные решетки

Кюветы (например, держатели для вещества)

Детекторы излучения?

· глаз

· фотоколориметр

· болометры

· фотоэлементы

· фотоэлектронные умножители

· термоэлементы

Усилитель сигнала

Регистратор и анализатор

· микроамперметр

· вольтметр

· самописцы

· компьютеры с анализаторами