Основные положения качественного анализа. Способы проведения аналитических реакций
1. Сущность и методы качественного анализа
Основной задачей качественного анализа является установление химического состава, т.е. обнаружение ионов (катионов и анионов), содержащихся в анализируемом веществе.
Химические методы обнаружения и идентификации веществ основаны на проведении аналитических реакций.
Аналитические реакции — качественные реакции, сопровождающиеся видимым изменением:
Образованием или растворением осадка.
Ba 2+ + SO4 2- → BaSO4↓ (белый кристаллический)
Ba 2+ + CO3 2- → BaCO3↓ (белый кристаллический)
BaSO4 не растворяется в кислотах, BaCO3 растворяется в кислотах.
Образованием характерных кристаллов.
Кристаллы CaSO4⋅2H2O в виде пучков или звездочек. Кристаллы
натрийуранилацетата CH3COONa⋅UO2(CH3COO)2 правильной тетраэдрической
или октаэдрической формы.
Появлении или изменении окраски растворов.
Водные растворы солей железа (III) окрашены в желтый цвет. При взаимодействии ионов Fe 3+ c тиоцианат-ионами раствор приобретает темно-красную окраску:
Fe 3+ + 3SCN — → Fe(SCN)3(темно-красная)
Выделение газа.
Реакции выделения газов используются для обнаружения анионов летучих и неустойчивых кислот, а также катионов аммония:
Химические реакции проводят в основном двумя способами: «сухим путем» и «мокрым путем». Если реакции проводят между твердыми веществами, то их относят к реакциям «сухим путем», а реакции в растворах называют реакциями «мокрым путем».
Реакции «сухим путем»:
Анализ «сухим» способом проводят без переведения исследуемого твердого вещества в раствор. Этот способ анализа играет вспомогательную роль и применяется для предварительных испытаний. Его осуществляют с помощью таких приемов, как проба на окрашивание пламени и получение окрашенных перлов.
1. Растирание исследуемого твердого вещества с определенным твердым реактивом (предложен русским химиком Ф.М.Флавицкаим)
Так для обнаружения тиоцианат-иона NCS — несколько кристаллов исследуемого твердого вещества, например KNCS, растирают на фарфоровой пластинке с твердым нитратом железа Fe(NO3)3 . Смесь приобретает красную окраску.
При растирании солей аммония с известью образуется аммиак, который легко определить по характерному запаху или с помощью смоченной лакмусовой бумажки.
2. Пирохимические реакции – реакции окрашивания пламени.
Некоторые элементы, входящие в состав исследуемого вещества окрашивают пламя в характерный для них цвет. Для выполнения реакции на очищенной платиновой или нихромовой проволоке вносят вещество в основание пламени горелки, а затем переводят в часть с наивысшей температурой и по окрашиванию пламени делают вывод о наличии определенного иона. Натрий окрашивает пламя в желтый цвет, калий — в фиолетовый, барий – в желто-зеленый, кальций – в кирпично-красный. Вместо проволоки можно применять грифель.
3. Образование окрашенных перлов (стекол) тетрабората натрия Na2B4O7 · 10H2O (бура) или карбоната натрия (сода) Na2CO3. Соединения отдельных элементов, сплавленные с бурой или содой, образуют стекловидные шарики – «перлы», окрашенные в характерный для данного иона цвет. Например, соединения хрома – в зеленый, кобальта – в синий.
Реакции «мокрым путем»:
При этом анализируемое вещество сначала растворяют, затем проводят исследование. В качестве растворителя применяют дистиллированную воду, растворы минеральных кислот (НCl, HNO3 , H2SO4), щелочей, «царскую водку» (смесь из 3 объемов концентрированной соляной кислоты и 1 объема концентрированной азотной кислоты).
В зависимости от того, с каким количеством вещества проводят аналитические реакции, различают следующие методы качественного анализа: макро-, полумикро-, микро-, ультро-, субмикро-, субультромикрометоды. В учебной практике аналитической химии применяют макро-, полумикро- и микроанализы. Для проведения ультромикро-, субмикро-, субультромикроанализа необходимы специальные условия и аппаратура.
1) макрометод – обычно для анализа берется проба от 0,1 до 1 г, которая растворяется в 30-50 мл растворителя. Реакции проводят в пробирках с 2-3 мл полученного раствора;
2) микрометод – масса анализируемого вещества колеблется от 0,001 до 0,01 г. Реакции проводят капельным методом или микрокристаллоскопическим методом, о присутствии определяемого иона судят по форме кристаллов, которые рассматриваются в микроскоп;
3) полумикрометод – анализ проводят с количеством вещества от 0,01 до 0,1 г. Объем раствора пробы составляет 0,1–2 мл.
Принципиально ход анализа макро- и полумикрометодом не различается, но при выполнении анализа полумикрометодом для быстрого отделения малых количеств осадка необходимы центрифуга и посуда меньших размеров.
Описание методов приведено в таблице:
В зависимости от массы или объема раствора исследуемого вещества реакции выполняют пробирочным, капельным и микрокристаллоскопическим методами.
При выполнении анализа реакции проводят в пробирках объемом 2-5 см 3 . Для отделения осадков от растворов применяют центрифугирование, выпаривание ведут в тиглях.
Метод разработан в 1920 г. Н.А.Тананаевым, осуществляется на фарфоровых или стеклянных пластинках, а также на полосках фильтровальной бумаги нанесением 1 капли исследуемого раствора и 1 капли реактива. Появление осадка удобно наблюдать на стеклянной пластинке, появление окраски – на белой пластинке или на полоске бумаги.
Капельный анализ отличается высокой чувствительностью, экономичностью и специфичностью.
Этот метод основан на обнаружении компонентов при помощи реакций, в результате которых образуются соединения с характерной формой кристаллов. При этом используют микроскоп. Реакции проводят на предметных стеклах, куда помещают 1 каплю исследуемого раствора и 1 каплю характерного реактива на определенный ион. Через некоторое время появляются определенной формы и цвета кристаллы соединения искомого иона. Таким образом, можно обнаружить катионы натрия, магния, кальция.
Источник
Виды качественного анализа способы проведения аналитических реакций
Аналитическая химия: предмет, цель и задачи, основные понятия, принципы
Анализ – это метод исследования, основанный на разложении данного сложного вещества на более простые составные части и последующее определение этих составных частей особыми способами. Противоположностью анализа в химии является синтез – получение сложного вещества из более простых.
Аналитическая химия — это наука, разрабатывающая теоретические основы и практические методы химического анализа.
Аналитическая химия позволяет решать многие задачи:
1. Выяснить природу вещества (органическое или неорганическое).
2. Установить формы нахождения отдельных составляющих (ионы, молекулы, атомы) и степени окисления элементов.
3. Определить состав и содержание главного (основного) компонента и посторонних в нем примесей, а также микропримесей в особо чистых технических объектах.
4. Установить формулу неизвестного соединения.
5. Установить структурные элементы и строение соединения.
Аналитическая химия состоит из двух больших разделов – качественного и количественного анализа.
Качественный анализ — обнаружение или «открытие» отдельных элементов или ионов, входящих в состав веществ.
Количественный анализ — определение количественного содержания отдельных составных частей исследуемого вещества.
Задачи аналитической химии могут быть решены с помощью различных методов: химических, физических и физико-химических.
В химических методах качественного анализа определяемый элемент или ион переводят в какое-либо соединение химическим путем, обладающее теми или иными свойствами, на основании которых можно установить, что образовалось именно это соединение. Происходящее химическое превращение называется аналитической реакцией, а вещество, его вызывающее, — реагентом. Примером аналитической реакции может быть реакция взаимодействия хлорид -ионов с катионами серебра, в результате которой образуется белый творожистый осадок AgCl↓. При этом можно сказать, что хлориды являются реагентом на катионы серебра, и наоборот.
Cl ˉ + Ag + = AgCl↓
Физические методы анализа — это методы, которые позволяют определить состав вещества, не прибегая к использованию химических реакций. Физические методы основаны на измерении каких-либо параметров системы (оптических, электрических, магнитных, тепловых), которые являются функцией состава. К физическим методам анализа относятся спектральный, люминесцентный, рентгеноструктурный, масс-спектрометрический методы анализа. Например, в спектральном анализе исследуют спектры излучения, возникающие при внесении вещества в пламя горелки, электрической дуги и др. По наличию в спектре линий, характерных для данных элементов, судят о присутствии этих элементов в исследуемом веществе, а по яркости линий — об их количественном содержании.
Физико-химические методы анализа основаны на изучении физических явлений, которые происходят при химических реакциях. Например, колориметрия – использует явление изменения цвета раствора в ходе хим. реакции, кондуктометрия – изменение электропроводности и т.д.
Между физическими и физико-химическими методами не всегда можно провести строгую границу. Иногда их объединяют под общим названием «инструментальные» методы, так как для выполнения тех или иных измерений нужны «инструменты» — приборы, позволяющие с большой точностью измерять значения определенных параметров, характеризующих те или иные свойства вещества.
В зависимости от того, с какими количествами вещества оперируют при выполнении аналитических реакций, различают: макро-, полумикро-, микро- и ультрамикрометоды качественного анализа.
При макроанализе исследуют сравнительно большие количества вещества (0,5—1 г) или 20—50 мл растворов. Реакции проводят в обычных пробирках (емкостью 10—20 мл), химических стаканах.
При микроанализе обычно имеют дело с примерно в 100 раз меньшими количествами исследуемого вещества, т. е. с несколькими миллиграммами твердого вещества или с несколькими десятыми долями миллилитра раствора. При этом пользуются высокочувствительными реакциями, позволяющими обнаружить присутствие отдельных составных частей даже при малом содержании их в исследуемом веществе. Реакции выполняют либо микрокристаллоскопическим, либо капельным методом.
При анализе микрокристаллоскопическим методом реакции обычно проводят на предметном стекле и о присутствии обнаруживаемого иона (элемента) судят по форме образующихся кристаллов, рассматриваемых под микроскопом.
В капельном методе применяют реакции, сопровождающиеся изменением окраски раствора или образованием окрашенных осадков. Реакции чаще всего выполняют на полоске фильтровальной бумаги, нанося на нее в определенной последовательности по каплям исследуемый раствор и реагенты. В результате реакции на бумаге получается окрашенное пятно, по цвету которого судят о наличии в исследуемом растворе обнаруживаемого иона.
Полумикроанализ занимает промежуточное положение между макро- и микроанализом. Количество исследуемого вещества составляет в этом методе приблизительно 50 мг твердого вещества или 1 мл раствора.
При работе по полумикрометоду, в основном, сохраняется вся система работы макроанализа с последовательным разделением и обнаружением ионов, но операции выполняются с малыми количествами вещества при помощи специальных методов и аппаратуры.
При ультрамикроанализе исследованию подвергают количества вещества меньше 1 мг. Почти все операции анализа проводят под микроскопом.
Способы выполнения аналитических реакций
Аналитические реакции могут выполняться «сухим» и «мокрым» путем. В первом случае исследуемое вещество и реагенты берут в твердом состоянии и обычно осуществляют реакцию, нагревая их до высокой температуры; во втором случае наблюдают взаимодействие исследуемого вещества и соответствующих реагентов в растворе.
К реакциям, выполняемым сухим путем, относятся реакции окрашивания пламени солями металлов, а также реакции окрашивания плава, полученного при нагревании вещества с тетраборатом калия или фосфатом натрия в ушке платиновой проволоки.
Большинство аналитических реакций проводят мокрым путем, т. е. в растворах, а в процессе растворения многие вещества распадаются (диссоциируют) на ионы – положительно и отрицательно заряженные частицы.
В качественном анализе для установления состава вещества к нему прибавляют другие вещества, вызывающие химические превращения, сопровождающиеся образованием новых соединений, которые имеют характерные свойства, а именно:
— определенное физическое состояние (осадок, жидкость, газ)
— известную растворимость в воде, кислотах, щелочах
— характерный цвет, запах и т.п.
Требования к качественным реакциям:
1. Реакция должна протекать быстро, практически мгновенно,
2. Быть необратимой, т. е. протекать преимущественно в одном направлении,
3. Быть по возможности специфической,
4. Отличаться высокой чувствительностью.
Специфическими называются реакции, которые дают возможность обнаруживать (открывать) одни ионы в присутствии различных других ионов.
Чувствительность реакции определяется наименьшим количеством искомого вещества, которое может быть обнаружено данным реактивом в капле раствора.
Реакции, позволяющие обнаружить искомые ионы в отдельных порциях сложной смеси при условии устранения влияния других ионов, называют дробными реакциями, а метод анализа, основанный на применении дробных реакций, называют дробным анализом. При этом порядок обнаружения катионов и анионов не имеет особого значения. При систематическом анализе, в отличие от дробного, соблюдается определенный порядок разделения и последующего открытия ионов. К обнаружению ионов приступают лишь после удаления из раствора всех других ионов, мешающих открытию искомых.
КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ КАТИОНОВ
В аналитической химии все ионы делят на аналитические группы. Классификация катионов основана на растворимости их солей или других соединений. На основании различных классификаций катионов разработаны разные методы систематического анализа кати онов.
Методы систематического хода анализа катионов.
Наиболее распространенными являются сероводородный, аммиачно-фосфатный, кислотно-основной. Исторически первым был сероводородный метод , (1871 г. Предложен русским ученым М. О. Меншуткиным). В основу положена разная растворимость сульфидов катионов в зависимости от рН среды (табл. 1.1). Аммиачно-фосфатный метод — основан на разной растворимости фосфатов катионов (табл. 1.2), кислотно-основной — на разной растворимости гидроксидов и солей (табл. 1.3).
Классификация катионов по сероводородному методу
Источник
