Лекция 23. Химическая идентификация, анализ вещества

Ключевые слова: химическая идентификация, качественный и количественный

анализ, аналитический сигнал, аналитическая реакция, групповой реагент,

специфические реакции, дробный и систематический анализ, гравиметрический

метод, титриметрический метод, метод нейтрализации, метод комплексонометрии,

окислительно-восстановительное титрование, осадительное титрование. Химические,

физико-химические, физические, биологические методы анализа.

Химическая идентификация –это установление вида и состояния фаз, молекул, атомов, ионов и других составных частей вещества на основе сопоставления экспериментальных и соответствующих справочных данных для известных веществ. Идентификация – цель качественного анализа вещества, при котором определяют, из каких атомов, ионов, молекул состоит вещество. Количественный анализ– определение содержания (концентрации, массы и т.п.) компонентов в анализируемом веществе.

Все методы анализа можно разделить на химические, физико-химические, физические и биологические, в которых измеряют соответственно химические, физико-химические, физические и биологические параметры анализируемого вещества, которые зависят от его состава. При химических методах открываемый элемент переводят в какое-либо новое соединение, обладающее характерным свойством (аналитический сигнал). Происходящее при этом химическое превращение называется аналитической реакцией.

Любой катион можно идентифицировать с помощью какой-либо реакции, если удалить другие катионы, мешающие этой реакции. Существуют некоторые реакции, которые позволяют обнаружить то или иное вещество (ион) в присутствии других веществ, такие реакции называют специфическими. Так, катион NH₄⁺ можно обнаружить в присутствии любых других действием щелочи на анализируемое вещество по характерному запаху аммиака.

NH₄Cl + NaOH → NH₃↑ + H₂O + NaCl

Анион CO₃^2- - при воздействии кислотой, при этом протекает реакция с образованием пузырьков диоксида углерода.

CO₃^2- + 2H⁺ → H₂CO₃ H₂O + CO₂↑

Применяя специфические реакции, открывают соответствующие ионы дробным методом, т.е. непосредственно в отдельных порциях исследуемого раствора. Если открытие ионов дробным методом невозможно, используют систематический анализ, при котором ионы выделяют из сложной смеси группами. Для этого используют групповые реагенты. Групповым реагентом для ионов Ag⁺, Pb²⁺, Hg²⁺ является HCl, для ионов Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺ - (NH₄)₂CO₃ и т.д. Если присутствует несколько катионов, используют дробный анализ, в ходе которого осаждают все труднорастворимые соединения, а затем обнаруживают оставшиеся катионы с помощью специфических реакций.

Химические методы количественного анализа делят на гравиметрический и объемный (титриметрический). Так, определить содержание Ca²⁺ в анализируемом веществе можно воздействием на него щавелевой кислоты.

Ca²⁺ + H₂C₂O₄ → CaC₂O₄ + 2H⁺

По массе образующегося осадка определяют содержание Ca²⁺ в анализируемом веществе (гравиметрический метод).

Сущность титриметрического метода заключается в измерении объема рабочего раствора с точно известной концентрацией того или иного реагента, израсходованного на реакцию с анализируемым компонентом. Методы объемного химического анализа подразделяются по типу реакции, лежащей в основе анализа: метод кислотно-основного титрования (нейтрализации), методы осаждения и комплексообразования, метод окисления – восстановления.

Метод нейтрализацииоснован на реакции H⁺ + OH^- → H₂O. При комплексонометрическом титрованиипроисходит связывание исследуемого иона в комплекс. В основе окислительно-восстановительного титрованиялежит реакция Ox + ne Red^n-. При осадительном титровании используются реакции, связанные с осаждением определяемого иона.

Физико-химические методы анализа основаны на изучении физических свойств веществ, меняющихся в ходе химической реакции. При потенциометрическом методе измеряется потенциал электрода в исследуемом растворе, при кондуктометрическом – электрическая проводимость и т. д. Физические методы анализа основаны на использовании зависимости между физическим свойством и составом вещества. К ним относят спектральные, люминесцентный метод и т. д. Биологические методыоснованы на изучении зависимости отклика микроорганизмов на то или иное вещество.

Контрольные вопросы:

1. Основные понятия: химическая идентификация, качественный и количественный анализ, групповой реагент, специфические реакции.

2. Идентификация катионов.

3. Идентификация анионов.

4. Классификация методов количественного анализа.

5. Классификация методов титриметрического анализа.

Список рекомендуемой литературы:

1. Коровин Н.В. Общая химия: учебник для технических направл. и спец. вузов - 7-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 2006. - С. 499 - 515.

2. Васильев В.П. Аналитическая химия. Кн. 1. Титриметрические и гравиметрический методы анализа. - М.: Дрофа, 2005. - 366 с.

3. Харитонов Ю.Я. Аналитическая химия (аналитика): учебник для вузов. В 2 кн. Кн.1. Общие теоретические основы. Качественный анализ. – М.: Высшая школа, 2001. – 615 с.

4. Харитонов Ю.Я. Аналитическая химия (аналитика): учебник для вузов. В 2 кн. Кн. 2. Количественный анализ. Физико- химические (инструментальные) методы анализа. – М.: Высшая школа, 2001. - 559 с.

Контрольные вопросы

для подготовки к экзамену по дисциплине «Химия»

для студентов нехимических специальностей АГ, АТ, АЭ, БАГ, БАТ, БАЭ, БМЗ, БМП, БТЭ, МЗ, МП, МС, ТЭ, ЭГ, ЭТ

Вопросы к модулю 1 «Строение вещества»

1. Квантово-механическая модель строения атома. Корпускулярно-волновые свойства электрона: уравнение Де Бройля, принцип неопределенности Гейзенберга.

2. Уравнение Шредингера. Квантовые числа, волновая функция, понятие об атомной орбитали.

3. Энергетическая диаграмма возможных состояний электрона в атоме водорода.

4. Распределение электронов по АО в многоэлектронных атомах. Принцип Паули, правило Гунда, правила Клечковского.

5. Периодический закон. Периодическая система. Электронные конфигурации атомов.

6. Периодические свойства атомов (радиусы атомов, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность).

7. Характерные степени окисления элементов.

8. Ковалентная химическая связь: механизмы её образования, разновидности. Длина, энергия, порядок (кратность) ковалентной связи.

9. Насыщаемость ковалентной связи и валентные возможности атомов.

10. Направленность ковалентной связи и геометрия молекулы.

11. Полярность и поляризуемость ковалентной связи. Полярность молекулы.

12. Металлическая связь. Деление элементов на металлы и неметаллы. Металлические структуры.

13. Ионная связь и её свойства. Ионные кристаллы.

14. Типы межмолекулярных взаимодействий.

15. Водородная связь и её влияние на физические свойства вещества.

Вопросы к модулю 2 «Закономерности протекания химических процессов»

16. Термохимические уравнения. Закон Гесса, следствия из него. Энтальпия.

17. Направление осуществления химических реакций. Энтропия. Энергия Гиббса.

18. Понятие о скорости реакции. Факторы, влияющие на скорость реакции. Влияние концентраций на скорость реакции.

19. Зависимость скорости реакции от температуры. Уравнение Вант-Гоффа, уравнение Аррениуса.

20. Понятие об энергии активации. Гомогенные и гетерогенные катализаторы, каталитические системы, механизм действия катализаторов.

21. Обратимые и необратимые реакции. Химическое равновесие и его признаки. Константа химического равновесия.

22. Факторы, влияющие на химическое равновесие. Принцип Ле-Шателье.

Вопросы к модулю 3 «Дисперсные системы и растворы»

23. Классификация дисперсных систем. Понятие о растворах. Растворимость. Концентрации растворов.

24. Физико-химические свойства растворов нелетучих веществ (давление насыщенного пара, температура замерзания, температура кипения, осмотическое давление).

25. Понятие об электролитах, степень диссоциации. Растворы сильных электролитов. Ионная сила растворов. Активность ионов.

26. Растворы слабых электролитов. Константа диссоциации слабого электролита. Факторы, влияющие на степень диссоциации слабого электролита.

27. Диссоциация воды. Ионное произведение воды. Водородный и гидроксильный показатели.

28. Понятие о кислотах. Константы диссоциации слабых кислот. рН в растворах слабых кислот.

29. Понятие об основаниях. Константы диссоциации слабых оснований. рН в растворах слабых оснований.

30. Плохо растворимые электролиты. Произведение растворимости. Условия образования и растворения осадков.

31. Ионно-обменные реакции. Реакция нейтрализации.

32. Гидролиз солей, константа гидролиза. Степень гидролиза и факторы, влияющие на неё.

Вопросы к модулю 4 «Окислительно-восстановительные реакции. Электрохимические процессы»

33. Окислительно-восстановительные реакции (ОВР). Основные понятия. Направление протекания ОВР.

34. Понятие об окислительно-восстановительном потенциале (ОВП). Стандартный водородный электрод. Стандартные ОВП. Ряд стандартных электродных потенциалов металлов.

35. Факторы, влияющие на величину ОВП. Уравнение Нернста.

36. Гальванические элементы. Элемент Даниэля-Якоби. Основные типы и области практического использования гальванических элементов.

37. Электролиз расплава соли. Основные понятия. Потенциал разложения. Перенапряжение.

38. Электролиз растворов солей. Ряд разряжаемости катионов и ряд разряжаемости анионов. Области практического применения электролиза.

Вопросы к модулю 5 «Химические свойства металлов»

39. Химические свойства металлов, взаимодействие металлов с неметаллами.

40. Взаимодействие металлов с водой.

41. Взаимодействие металлов с кислотами.

42. Взаимодействие металлов со щелочами.

43. Классификация неорганических веществ. Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов металлов.

44. Коррозия металлов. Защита металлов от коррозии.

45. Общая характеристика физических и химических свойств металлов IIА подгруппы. Магний, кальций. Жесткость воды. Умягчение воды.

46. Основные конструкционные металлы - хром, марганец, железо, алюминий. Общая характеристика физических и химических свойств.

Вопросы к модулю 6 «Полимеры. Химическая идентификация. Качественный и количественный анализ»

47. Полимеры и олигомеры.

48. Химическая идентификация. Аналитический сигнал, химический анализ.

49. Классификация методов качественного анализа.

50. Классификация методов количественного анализа.

51. Классификация методов титриметрического анализа.

52. Теоретические основы кислотно-основного, окислительно-восстановительного титрования. Индикаторы. Принцип их действия.

53. Трилонометрический метод определения жесткости воды.

54. Физические, физико-химические методы анализа.

Контрольные вопросы

для подготовки к экзамену по дисциплине «Химия»

для студентов нехимических специальностей ПГ, БПГ, ПС, БПС, ВВ,

ДС, ЭС, ГФ

Вопросы к модулю 1 «Реакционная способность веществ»

1. Предмет химии. Классификация неорганических соединений. Моль. Атомная единица массы. Закон Авогадро. Закон химических эквивалентов. Эквиваленты кислот, оснований, солей, оксидов.

2. Теория строения атома по Бору. Постулаты Бора. Расчет радиусов орбит и скоростей движения электронов по орбитам. Оптический спектр атома водорода. Схема возникновения спектральных линий и серий.

3. Принципы, на которых основана квантово-механическая модель строения атома. Особенность решения и информация, получаемая при решении уравнения Шредингера. Квантовые числа. Форма атомных орбиталей (АО).

4. Строение многоэлектронных атомов. Принцип Паули. Правило Клечковского. Правило Хунда.

5. Периодический закон Д.И. Менделеева. Периодическая система элементов. Структуры короткопериодного и длиннопериодного вариантов периодической системы элементов. Электронные аналоги.

6. Энергия ионизации атомов. Сродство к электрону. Электроотрицательность. Закономерности их изменений по периодам и группам элементов периодической системы. Зависимость от их величин окислительно - восстановительных и кислотно-основных свойств атомов и веществ.

7. Химическая связь. Ковалентная связь (КС). Механизм образования и свойства КС. Энергия химической связи. Длина связи. Свойства КС - направленность и насыщаемость, полярность. Теория гибридизации КС. Донорно-акцепторная связь. Водородная связь. Межмолекулярное взаимодействие.

Вопросы к модулю 2 «Химическая термодинамика и кинетика»

1. Энергетические эффекты химических реакций. Внутренняя энергия. Энтальпия. Закон Гесса. Расчет тепловых эффектов реакций.

2. Химическое сродство. Направление химических реакций. Свободная энергия Гиббса. Энтропия. Энтальпийный и энтропийный факторы энергии Гиббса.

3. Химическая кинетика. Скорость химических реакций. Закон действующих масс. Влияние температуры на скорость реакций. Энергия активации. Катализаторы, каталитические системы, механизм действия катализаторов.

4. Обратимые и необратимые реакции. Химическое равновесие. Константа равновесия. Сдвиг равновесия. Принцип Ле-Шателье. Фазовое равновесие. Правило фаз.

Вопросы к модулю 3 «Химические системы»

1. Растворы. Растворимость газов, жидкостей, твердых тел в жидкостях. Способы выражения концентрации растворов. Термодинамика растворения.

2. Растворы неэлектролитов. Давление пара над раствором. Тонометрический закон Рауля. Явление криоскопии и эбуллиоскопии. Осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа.

3. Растворы электролитов. Изотонический коэффициент. Электролитическая диссоциация. Константа диссоциации. Закон разведения Оствальда. Сильные и слабые электролиты. Активность ионов. Коэффициент активности ионов.

4. Ионообменные реакции. Направление протекания реакции.

5. Ионизация воды. Ионное произведение воды. Водородный показатель. Индикаторы кислотные и щелочные. Механизм их действия.

6. Произведение растворимости солей.

7. Гидролиз солей. Типичные случаи гидролиза солей. Степень гидролиза. Константа гидролиза.

8. Характеристики кислот, оснований и солей с точки зрения теории электролитической диссоциации. Амфотерность гидроксидов.

9. Классификация гетерогенных дисперсных систем по степени дисперсности и агрегатному состоянию.

10. Поверхностные явления в дисперсных системах. Поверхностная энергия. Поверхностное натяжение. Поверхностно-активные вещества и их адсорбция на границе раздела фаз. Изотермы адсорбции и поверхностного натяжения.

11. Адсорбция из растворов электролитов. Ионная и ионно-обменная адсорбция. Иониты - катиониты и аниониты.

12. Жесткость воды. Трилонометрический метод ее определения. Умягчение воды катионитами.

13. Коллоидно-дисперсные системы. Электрокинетические явления. Электрокинетический потенциал. Коагуляция электролитами.

14. Грубодисперсные системы - эмульсии, пены, взвеси.

Вопросы к модулю 4 «Электрохимические системы»

1. Окислительно-восстановительные реакции (ОВР). Степень окисления атома (окислительное число). Основные окислители и восстановители. Классификация ОВР. Составление уравнений ОВР методами электронного и ионно-электронного баланса.

2. Электродный потенциал. Измерение электродного потенциала. Ряд “напряжений” металлов. Свойства этого ряда.

3. Принцип работы гальванического элемента Даниэля-Якоби. Устройство и принцип работы бытовых “сухих” элементов.

4. Разновидности гальванических элементов - окислительно-восстановительные и концентрационные.

5. Электролиз. Законы электролиза. Электролиз водных растворов солей.

6. Коррозия металлов. Химическая, электрохимическая, электрическая. Основные способы защиты от коррозии

Вопросы к модулю 5 «Избранные вопросы химии»

1. Основные конструкционные металлы - хром, марганец, железо, алюминий. Общая характеристика физических и химических свойств. Практика измененияв стройиндустрии.

2. Магний, кальций. Представление о вяжущих веществах на основе соединений магния и кальция.Жесткость воды. Умягчение воды.

3. Кремний. Двуокись кремния. Кремневые кислоты. Силикаты, алюмосиликаты, гидросиликаты кальция. Портландцементный клинкер. Стекло. Стекломатериалы. Ситаллы.

4. Полимеры и олигомеры. Строительные изделия и материалы на их основе. Методы синтеза высокомолекулярных соединений.

5. Вещество и его чистота. Аналитический сигнал и его виды.

6. Теоретические основы кислотно-основного окислительно-восстановительного титрования. Индикаторы. Принцип их действия.

7. Теоретические основы физических, физико-химических методов анализа – колориметрических, электрохимических, спектрофотометрических и т.д.

Список рекомендуемой литературы

1 Основная