Основные понятия аналитической химии

Лекция №1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

«Анализ объектов окружающей среды» - дисциплина, которую студенты химических вузов изучают после освоения основного курса по аналитической химии. В учебном плане экологов эти две дисциплины объединены в одну, поэтому мы начнем изучать основы аналитической химии, в каждом конкретном случае заостряя внимание на применении того или иного метода именно для анализа объектов окружающей среды. Несколько последних лекций будут посвящены особенностям анализа объектов окружающей среды.

1. Предмет аналитической химии. Классификация методов анализа

Аналитической химией называют науку о методах определения качественного и количественного состава веществ и их смесей по интенсивности аналитического сигнала.

Аналитический сигнал (или признак) – изменение свойств анализируемой системы, которое человек может зафиксировать с помощью органов чувств или инструментально. Это может быть образование осадка, изменение окраски раствора, появление характерных линий в спектре, выделение газа, имеющего определённый запах, изменение электропроводности, величины окислительно-восстановительного потенциала и т. п.

Для получения аналитического сигнала проводят аналитические реакции – химические превращения анализируемого вещества, которые происходят при добавлении аналитического реагента с образованием продуктов реакции с заметными аналитическими признаками.

В качестве аналитических реакций чаще всего используют реакции с образованием окрашенных соединений, с выпадением или растворением осадка, с выделением газа с характерным запахом, с образованием кристаллов определённой формы, с возникновением люминесценции в растворе и т. п.

Анализом вещества называют получение опытным путём данных о химическом составе вещества любыми методами: физическими, химическими, физико-химическими.

Метод анализа вещества – это краткое определение принципов, положенных в основу анализа вещества.

В химических методах анализа аналитический сигнал возникает в результате химической реакции и наблюдается обычно визуально. К химическим методам относят весовой (гравиметрический) и объёмный (титриметрический) методы анализа.

В физических методах анализа аналитический сигнал получают и регистрируют с помощью специальной аппаратуры. Химическую реакцию при этом обычно не проводят. К физическим методам анализа относятся, например, атомно-эмиссионная спектроскопия, инфракрасная спектроскопия метод ядерно-магнитного резонанса и др.

В физико-химических методах анализа проводят химическую реакцию, а за изменением аналитического сигнала следят с помощью специальных приборов. К этим методам относят потенциометрическое, кондуктометрическое титрование, спектрофотометрию и др.

Эта классификация методов анализа достаточно условная.

Методика анализа – это подробное описание всех условий и операций, которые следует выполнить для обнаружения или количественного определения вещества. Точное соблюдение методики анализа позволяет обеспечить правильность и воспроизводимость результатов анализа.

Современная аналитическая химия включает три раздела:

1) качественный химический анализ;

2) количественный химический анализ;

3) инструментальные методы анализа.

Выделение инструментальных методов в отдельный раздел аналитической химии достаточно условно, так как инструментальные методы служат для решения задач как качественного, так и количественного анализа.

Качественный химический анализ – это обнаружение химических элементов, ионов, атомов, функциональных групп, молекул в анализируемом веществе.

Количественный химический анализ – это определение количественного состава вещества. Результат количественного анализа обычно представляют в виде концентрации определяемых веществ в виде границ доверительного интервала.

Инструментальные методы анализа основаны на использовании зависимости между измеряемым физическим свойством вещества и его качественным и количественным составом.

В зависимости от целей анализа различают: элементный, функциональный, молекулярный, фазовый анализ.

Элементный анализ проводится для качественного обнаружения и количественного определения химических элементов, входящих в состав анализируемого вещества.

Функциональный анализ – это обнаружение и количественное определение функциональных групп (аминогруппы, карбоксильной, карбонильной, спиртовой групп).

Молекулярный анализ – обнаружение молекул и определение молекулярного состава анализируемого вещества.

Фазовый анализ – обнаружение и определение количества различных фаз (твёрдых, жидких, газообразных), входящих в анализируемую систему.

Классификация методов анализа по размеру анализируемой пробы приведена в таблице 1.

Таблица 1

Классификация методов анализа по размеру анализируемой пробы

Название метода	Навеска твёрдой пробы, г	Количество раствора, мл
Макрометод	0,1 - 10	10 – 100
Полумикрометод	0,01 – 0,1	0,1 - 10
Микрометод	10-3 – 10-2	0,01 – 0,1
Ультрамикрометод	10-4 – 10-3	10-3 – 10-2
Субмикрометод	меньше 10-4	меньше 10-3

2. Аналитическая реакция и её характеристики

Важными характеристиками аналитической реакции являются: предел обнаружения, чувствительность, селективность.

Предел обнаружения – это минимальная концентрация или минимальное количество вещества, которое может быть обнаружено данным методом с допустимой погрешностью. При анализе растворов обязательно указывают предел обнаружения в определённом объёме. Для аналитических реакций, проводимых в обычных пробирках, предел обнаружения указывают для объёма 1 мл. Для микрокристаллоскопических реакций объём равен 0,05 мл.

Предел обнаружения не является постоянной величиной. Он зависит от условий проведения реакции, от кислотности среды, от концентрации реактива, от присутствия примесей, от температуры и т. п. Хорошим считается предел обнаружения 10-7 г (0,1 мг) в 1 мл раствора.

Физические методы позволяют снизить предел обнаружения в твёрдых образцах до 10-15 г. Метод лазерной спектроскопии позволяет селективно обнаружить десятки отдельных атомов, а метод электронной микроскопии в некоторых случаях позволяет обнаружить отдельные атомы.

Для обеспечения низкого предела обнаружения используют следующие приёмы:

1) микрокристаллоскопический анализ;

2) капельный анализ;

3) флотация;

4) экстракция;

5) метод «умножающихся реакций» - ряд последовательных реакций, в результате которых получается новое вещество в количестве, во много раз превышающем первоначальное количество обнаруживаемого вещества:

например: 1) Cl - + AgIO3 = AgCl + IO3-;

2) IO3- + 5I - +6H+ = 3I2 + H2O.

6) каталитические реакции;

7) люминесцентные реакции;

8) реакции на носителях.

Избирательность, или селективность – следующая важная характеристика аналитической реакции. От этой характеристика зависит, много ли других веществ будут мешать обнаружению и определению искомого вещества.

В зависимости от этой характеристики различают специфические и избирательные реакции. Специфические реакции позволяют в определённых условиях обнаружить только одно вещество. При этом другие вещества, присутствующие в пробе, мешать не будут. Таких реакций очень немного.

Избирательные реакции позволяют обнаружить небольшое число веществ. Повысить избирательность, то есть уменьшить количество одновременно обнаруживаемых веществ можно изменением кислотности среды, концентрации реагентов, добавлением маскирующих агентов, изменением степени окисления элементов, охлаждением или нагреванием.

По избирательности аналитические реагенты (то есть вещества, с помощью которых проводят обнаружение) делят на следующие группы:

1) специфические реагенты – дают аналитический сигнал только с одним веществом;

2) избирательные реагенты – дают схожий аналитический сигнал с несколькими веществами (NH4SCN образует ярко окрашенные растворы с ионами трёхвалентного железа и двухвалентного кобальта);

3) групповые реагенты – используют в систематическом анализе для отделения одной аналитической группы ионов от другой.

Чувствительность реакции связана с пределом обнаружения. Чем ниже предел обнаружения, тем выше чувствительность аналитической реакции.

3. Качественный анализ

Определение качественного анализа мы уже записали в первом параграфе. Качественный анализ подразделяется на дробный и систематический.

Дробный анализ – это обнаружение иона или вещества в отдельной порции пробы с помощью специфического реагента в присутствии всех остальных компонентов. При проведении дробного анализа предварительное разделение веществ не требуется.

Систематический анализ предусматривает последовательное разделение смеси анализируемых ионов по аналитическим группам с последующим обнаружением каждого иона.

Известно три аналитических классификации катионов, основанные на их химических свойствах, связанные с их положением в периодической таблице Менделеева, с их электронным строением.

1. Сульфидная (сероводородная) – в настоящее время практически не применяется из-за высокой токсичности сероводорода.

2. Аммиачно-фосфатная – обычно используется для анализа объектов, содержащих большое количество фосфат – ионов (почв, удобрений). В других схемах анализа фосфат-ион удаляется осаждением в виде фосфата циркония, или ионообменным методом.

3. Кислотно-основная схема анализа катионов основана на различной растворимости хлоридов, сульфатов и гидроксидов катионов в минеральных кислотах, гидроксиде натрия и аммиаке. В настоящее время эта схема анализа используется чаще других (Таблица 2).

Таблица 2

Кислотно-основная схема анализа катионов

Номер группы	Катионы	Групповой реагент	Аналитический признак
1	NH4+, Na+, K+, Mg2+	нет	хлориды, сульфаты и гидроксиды растворимы в воде; Mg(OH)2 в воде растворим частично, но растворим в избытке солей аммония
2	Ca2+, Sr2+, Ba2+	H2SO4	Сульфаты нерастворимы в воде и разбавленных килотах
3	Ag+, Hg+, Pb2+	HCl	Хлориды нерастворимы в воде и разбавленных кислотах
4	Zn2+, Al3+, Sn (II, IV), Cr3+	NaOH + H2O2	H2O2 переводит ионы олова и хрома в высшую степень окисления, гидроксиды этих металлов растворяются в избытке щёлочи
5	Sb (III, V), Bi3+, Mn2+, Fe (II, III)	NH3 + H2O2	H2O2 переводит ионы сурьмы, марганца и железа (II) в высшую степень окисления, гидроксиды этих элементов нерастворимы в избытке аммиака
6	Co2+, Ni2+, Cu2+, Cd2+, Hg2+	NH3 + H2O2	H2O2 переводит ионы кобальта в высшую степень окисления, гидроксиды этих элементов растворимы в избытке аммиака

Для систематического анализа анионов используют различную растворимость солей бария и серебря в воде и минеральных кислотах (таблица 3).

Таблица 3

Схема анализа анионов, основанная на растворимости солей серебра и бария

Номер группы	Анионы	Групповой реагент	Аналитический признак
1	B(OH)4-, CO32-, SiO32-, PO43-, F-, AsO43-, AsO33-, SO42-, SO32-, S2O32-	BaCl2	соли бария нерастворимы в воде, соли серебра растворимы в кислотах
2	S2-, Cl-, Br-, I-, IO3-, SCN-	AgNO3	соли серебря нерастворимы в воде и в разбавленной азотной кислоте
3	NO3-, NO2-, CH3COO-	нет	соли бария и серебра хорошо растворимы в воде

Существует также классификация анионов, основанная на из окислительно-восстановительных свойствах, но она охватывает не все ионы.