В практической деятельности специалистов часто возникает необходимость идентификации (обнаружения) того или иного вещества, а также количественной оценки (измерения) его содержания. В последние годы возрос интерес к идентификации и анализу тяжелых металлов и некоторых токсичных соединений, находящихся в окружающей среде.

Химическая идентификация (обнаружение) - это установление вида и состояния фаз, молекул, атомов, ионов и других основных частиц вещества на основе составления экспериментальных и соответствующих справочных данных для известных веществ. Идентификация является целью качественного анализа.

При идентификации обычно определяется: цвет, фазовое состояние, плотность, вязкость, растворимость, температуры кипения, замерзания и фазового перехода. Анализы бывают: элементный, молекулярный, изотопный, фазовый.

В зависимости от массы сухого вещества или объема раствора анализуруемого вещества различают:

1. макрометод - 0,5 - 10 г или 10 - 100 мл;
2. полумикрометод - 10 - 50 мг или 1 - 5 мл ;
3. микрометод - 1 - 5 г или 0,1 - 0,5 мл ;
4. ультрамикрометод - ниже 1 мг или 0,1 мл.

Качественный анализ характеризуется пределом обнаружения (обнаруженным минимумом) сухого вещества, т.е. минимальным количеством надежно идентифицируемого вещества и предельной концентрацией раствора.

В качественном анализе применяются только такие реакции, пределы обнаружения которых не превышают 50 мкг.

Имеются некоторые реакции, которые позволяют обнаружить то или иное вещество или ион в присутствии других веществ или ионов. Такие реакции называются специфическими.

В большинстве случаев реакции обнаружения вещества не являются специфическими, поэтому мешающие идентификации вещества переводят в осадок, слабодиссоциирующее или комплексное соединение. Анализ неизвестного вещества проводят в определенной последовательности, при которой то или иное вещество идентифицируют после обнаружения и удаления мешающих анализу других веществ, т.е. применяют не только реакции обнаружения веществ, но и реакции отделения их друг от друга.

Элементное вещество или соединение содержит основной (главный) компонент и примеси. Если примеси содержатся в очень малых количествах то их называют "следами".

Вещество называется высокочистым, при содержании примесей не более 10^-4-10^-3 % молярных долей, особо чистым (ультрачистым) при содержании примесей ниже 10^-7% (мол.доли). Значение имеет не любая примесь, а примесь, оказывающая влияние на свойства чистого вещества. Таким примеси называются лимитирующими или контролирующими примесями.

Количественный анализ. Химические методы анализа. Общие понятия

Определение содержания (концентрации, массы и т.п.) компонентов в анализируемом веществе называется количественным анализом. С помощью количественного анализа выявляют массовые соотношения компонентов в анализируемом образце, концентрацию вещества в растворе или газе. При количественном анализе измеряют те или иные химические, физико-химические и физические параметры анализируемого образца, которые зависят от его состава или содержания того или иного компонента. В большинстве методом полученные при анализе результаты сравнивают со свойствами известных веществ. Результаты анализа обычно выражают в массовых долях, в %.

Количественный анализ проводят в определенной последовательности, в которую входит отбор и подготовка проб, проведения анализа, обработка и расчет результатов анализа. Различают макрометоды, полумикрометоды, микро- и ультрамикрометоды.

Количественный анализ широко используется для получения состава руд, металлов, неорганических и органических соединений. Особое внимание обращается на определение токсичных веществ в воздухе, водоемах, почвах, в продуктах питания, различных товарах.

Классификация методов

Все методы количественного анализа можно разделить на две большие группы: химические и инструментальные. Это разделение условно, так как многие инструментальные методы основаны на использовании химических законов свойств веществ. Обычно количественные методы анализа классифицируют по измеряемым физическим или химическим свойствам.

Основные методы количественного анализа

Гравиметрический метод

Сущность метода заключается в получении труднорастворимого соединения, в которое входит определяемый компонент. Для этого навеску вещества растворяют в том или ином растворителе, обычно в воде, осаждают с помощью реагента, образующего с анализируемым соединением малорастворимое соединение с низким значением ПР. Затем после фильтрования осадок высушивают, прокаливают и взвешивают. По массе вещества находят массу определяемого компонента и проводят расчет его массовой доли в анализируемой навеске.

Имеются разновидности гравиметрического метода. В методе отгонки анализируемый компонент выделяют в виде газа, который взаимодействует с реактивом. По изменению массы реагента судят о содержании определяемого компонента в навеске. Например, содержание карбонатов в породе можно определить путем воздействия на анализируемый образец кислотой, в результате которого выделяется CO₂:

Количества выделившегося СО₂ можно определить по изменению массы вещества, например СаО, с которым реагирует СО₂.

Одним из основных недостатков гравиметрического метода является его трудоемкость и относительно большая продолжительность. Менее трудоемким является электрогравиметрический метод, при котором определяемый металл, например медь, осаждают на катоде (платиновой сетке)

Cu²⁺ + 2e = Cu

По разности массы катода до и после электролиза определяют массу металла в анализируемом растворе. Однако этот метод пригоден лишь для анализа металлов, на которых не выделяется водород (медь, серебро, ртуть).

Титриметрический анализ

Сущность метода заключается в измерении объема раствора того или иного реагента, израсходованного на реакцию с анализируемым компонентом. Для этих целей используют так называемые титрированные растворы, концентрация которых (обычно титр раствора) известны. Титром называется масса вещества, содержащегося в 1 мл (1 см³) титрованного раствора (г/мл и г/см³). Определение проводят способом титрования, т.е. постепенного приливания титрованного раствора к раствору анализируемого вещества, объем которого точно измерен. Титрование прекращается при достижении точки эквивалентности, т.е. достижения эквивалентности реагента титруемого раствора и анализируемого компонента.

Существует несколько разновидностей титриметрического анализа: кислотно-основное титрование, осадительное титрование, комплексонометрическое титрирование и окислительно-восстановительное титрование.

В основе кислотно-основного титрования лежит реакция нейтрализации

Н⁺ + ОН- « Н₂О

Метод позволяет определить концентрацию кислоты или катионов, гидролизирующихся с образованием ионов водорода, титрованием раствором щелочи или определить концентрацию оснований, в том числе анионов, гидролизирующихся с образованием гидроксид-ионов титрированием растворами кислот. Точка эквивалентности устанавливается при помощи кислотно-основных индикаторов, изменяющих окраску в определенном интервале рН (водородный показатель). Например, методом кислтно-основного титрования можно определить карбонатную жесткость воды, т.е. концентрацию в воде путем титрования ее раствора HCl в присутствии индикатора метилового оранжевого

В точке эквивалентности желтая краска индикатора переходит в бледно-розовую. Расчет производится по уравнению закона эквивалентов

где V₁ и V₂ - объемы анализируемого и титрованного растворов;

- нормальная концентрация эквивалентов вещества HCl в титрованном растворе;

- определяемая молярная концентрация эквивалентов ионов НСО^-₃ в анализируемом растворе.

При осадительном титровании анализируемый раствор титрируется реагентом, образующим с компонентом титрованного раствора малорастворимое соединение. Точка эквивалентности определяется с помощью индикатора, образующего с реагентом окрашенное соединение, например, красный осадок Ag₂CrO₄ при взаимодействии индикатора K₂CrO₄ с избытком ионов Ag при титровании раствора хлорида раствором нитрата серебра.

Комплексонометрическое титрование

При комплексонометрическом титровании определяемый компонент в растворе титруется раствором комплексона, чаще всего этилендиаминотетрауксусной кислоты (ЕДТА, комлексона II) или ее двунатриевой соли (комплексона III или трилона Б). Комплексоны являются лигандами и образуют со многими катионами комплексы. Индикаторами точки эквивалентности обычно служат лиганды, образующие с анализируемым ионом окрашенное комплексное соединение. Метод комплексонометрического титрования используется, например, для определения общей жесткости воды.

Окислительно-восстановительное титрование

Данный способ заключается в титровании раствора восстановителя титрованным раствором окислителя или в титровании раствора окислителя титрованным раствором восстановителя. В качестве титрованных растворов окислителей нашли применение растворы перманганата калия KMnO₄ (перманганатометрия), дихромата калия K₂Cr₂O₇ (дихроматометрия), иода I₂ (иодометрия). Из титрованных растворов восстановителей следует отметить растворы гидразина N₂H₄ (гидразинометрия).

При перманганатометрическом титровании в кислой среде Mn (VII) (малиновая окраска) переходит в Mn (II) ( бесцветный раствор).

При дихроматометрическом титровании индикатором служит дифениламин, окрашивающий раствор в синий цвет при избытке дихромат-ионов. При иодометрическои титровании используется для анализа растворов окислителей, в этом случае титрованный раствор содержит иодид-ион.

Среди химических методов анализа наиболее распространены титрометрические и гравиметрические методы.

Инструментальные методы анализа. Электрохимические методы

К наиболее применимым электрохимическим методам анализа относятся потенциометрический, полярографический и кондуктометрический.

Потенциометрический метод базируется на измерении электродных потенциалов, которые зависят от активности ионов, а в разбавленных растворах - от концентрации ионов. Потенциалы металлических электродов определяются уравнением Нернста

По значению потенциала можно судить о концентрации ионов. Измерительная ячейка состоит из измерительного (индикаторного) электрода и электрода сравнения, который не чувствителен к определенному веществу.

Все более широкое применение находят ионоселективные электроды, на границе раздела фаз которых протекает ионообменные реакции. Потенциал ионоселективного электрода зависит от активности, а в разбавленных растворах - от концентрации ионов.

Полярографический метод предложен чешским ученым Я.Гейеровским в 1922 г. В этом методе строят кривые напряжение-ток для ячейки, укоторой два, обычно ртутных, электрода. Один электрод капающий, второй электрод неподвижный с большой площадью поверхности. В ячейку заливается анализируемый раствор. При прохождении тока анализируемый ион осаждается на капле ртути и растворяется в этой капле.

Напряжение ячейки определяется прежде всего потенциалом капающего электрода, на котором возникает значительная концентрационная поляризация, т.к. он имеет небольшую площадь поверхности и соответственно высокую плотность тока.

Кондуктометрия

Электрическая проводимость разбавленных растворов пропорциональна концентрации электролитов. Поэтому, определив электрическую проводимость и сравнив полученное значение со значением на калибровочном графике., можно найти концентрацию электролита в растворе. Методом кондуктометрии определяют общее содержание примесей в воде высокой чистоты.

Хроматографический анализ

Анализ основан на хроматографии, позволяющей разделять двух- и многокомпонентные смеси газов, жидкостей и растворенных веществ методами сорбции в динамических условиях. Анализ производится с помощью специальных приборов - хроматографов. Разработано несколько методов анализа, которые классифицируются по механизму процесса и природе частиц (молекулярная, ионообменная, осадительная, распределительная хроматография) и по формам применения (колоночная, капиллярная, тонкослойная и бумажная). Молекулярная хроматография основана на различной адсорбируемости молекул на адсорбентах, ионообменная хроматография - на различной способности к обмену ионов раствора. В осадительной хроматографии используется различная растворимость осадков, образуемых компонентами анализируемой смеси при взаимодействии с реактивами, нанесенными на носитель. Распределительная хроматография базируется на различном распределении веществ между двумя несмешивающимися жидкостями. Молекулярная, ионообменная и осадительная хроматография обычно проводятся в хроматографических колонках соответственно с адсорбентом, ионообменным материалом или инертным носителем с реагентом.

Распределительная хроматография выполняется на бумаге или в тонком слое абсорбента.

К достоинствам хроматографического метода анализа относятся быстрота и надежность, возможность определения нескольких компонентов смеси или раствора.

Оптические методы анализа

Эти методы основаны на измерении оптических свойств и излучений, взаимодействия электромагнитного излучения с атомами или молекулами анализируемого вещества, вызывающего излучение, поглощение или отражение лучей. Они включают в себя эмиссионные, люминесцентные и абсорбционные спектральные методы.

Использование законов электрохимии, сорбции, эмиссии, поглощения или отражения излучения и взаимодействия частиц с магнитными полями, позволило создать большое число инструментальных методов анализа, характеризуемых высокой чувствительностью, быстротой и надежностью определения, возможностью анализа многокомпонентных систем.