Физико-химические методы анализа веществ

В основе кислотно-основного  титрования лежит реакция нейтрализации

 

Н⁺ + ОН^- Û Н₂О

 

Метод позволяет определить концентрацию кислоты или катионов, гидролизирующихся с образованием ионов водорода, титрованием раствором  щелочи или определить определить концентрацию оснований, в том числе анионов, гидролизирующихся с образованием гидроксид-ионов титрованием растворов кислот. Точка эквивалентности устанавливается при помощи кислотно-основных индикаторов, изменяющих окраску в определенном интервале рН. Например, методом кислотно-основного титрования можно определить карбонатную жесткость воды, т.е. концентрацию НСО₃^- в воде путем титрования ее раствора HCl в присутствии индикатора метилового оранжевого

 

НСО₃^- + Н⁺ Û Н₂О + СО₂

 

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

 

С_{эк.НСО3-}·V₁= С_эк.HCl·V₂,

 

Где V₁,V₂ – объемы анализируемого и титрованного растворов; С_эк.HCl - нормальная концентрация эквивалентов вещества HCl в титрованном растворе; С_{эк.НСО3-} -определяемая молярная концентрация эквивалентов ионов НСО₃^- в анализируемом растворе. При осадительном титровании анализируемый раствор титруется 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 К₂CrO₄ с избытком ионов Ag⁺ при титровании раствора хлорида раствором нитрата серебра.

 

7. Комплексометрическое титрование

 

При комплексонометрическом титровании определяемый компонент  в растворе титруется раствором  комплексона, чаще всего этилендиаминотетрауксусной кислоты (ЕДТА, комплексона П) или  ее двунатриевой соли (комплексона III или трилона Б). Индикаторами точки эквивалентности обычно служат лиганды, образующие с анализируемым ионом окрашенное комплексное соединение.

 

8. 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 КМпО₄ (перманганатометрия), дихромата калия К₂Сг₂0₇ (дихроматометрия), иода 1₂ (иодометрия). При перманганатометрическом титровании в кислой среде Мп (VII) (малиновая окраска) переходит в Мп (II) (бесцветный раствор). Например, перманганатометрическим титрованием можно определить содержание нитритов в растворе.

 

2КМпО₄ + 5KNO₂ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 5KNO₃ + 3H₂O

 

Итак, существует большое  число разновидностей количественного  химического анализа, позволяющих  определять разнообразные вещества в широких пределах концентраций. Среди химических методов анализа  наиболее распространены титрометрические и гравиметрические методы.

 

9. Инструментальные методы анализа

 

Инструментальные метода анализа обладают многими достоинствами: быстротой анализа, высокой чувствительностью, возможностью одновременного определения  нескольких компонентов, сочетания нескольких методов, автоматизации и использования компьютеров для обработки результатов анализа. Как правило, в инструментальных методах анализа применяются сенсоры (датчики), и, прежде всего химические сенсоры, которые дают информацию о составе среды, в которой они находятся. Остановимся на некоторых методах, основанных на законах и принципах, рассмотренных ранее в данном курсе химии.

 

10. 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

 

 

;

 

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

Полярографический метод предложен чешским ученым Я. Гейеровским в 1922 г. В этом методе строят кривые напряжение-ток для ячейки, у которой 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:

 

Мⁿ⁺ + nе + Hg = M (Hg)

 

Напряжение ячейки определяется прежде всего потенциалом капающего  электрода, на котором возникает значительная концентрационная поляризация, так как он имеет небольшую площадь поверхности и соответственно высокую плотность тока. Восстановление его ионов протекает в режиме предельного тока, которое для капающего электрода имеет выражение:

 

I_nv = K₁D^1/2m^2/3t^1/6c = K₂c,

 

где К\ и К₂ - константы; D - коэффициент диффузии; т - масса капли ртути; t - время образования капли; с - концентрация анализируемого металла в растворе.

Потенциал ртутного электрода  определяется природой разряжающихся  ионов и током, зависящим от концентрации ионов:

 

,

 

где Е_1/2 - потенциал полуволны, определяемый природой ионов; I – ток, I_пр - предельный ток Если в растворе присутствует один разряжающийся ион, то полярографическая кривая (полярограмма) имеет одну волну, при наличии нескольких ионов - несколько волн (рис. .1).

 

Рис.1. Полярограмма раствора, содержащего несколько катионов.

 

По значению потенциала полуволны определяется вид ионов, а по величине предельного тока - их концентрация. Таким образом полярографический метод позволяет определять концентрацию нескольких ионов в растворе.

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, например, 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 (жидкостная адсорбционная), ионообменная и осадительная хроматография обычно проводятся в хроматографических колонках соответственно с адсорбентом, ионообменным материалом или инертным носителем с реагентом. Распределительная хроматография, как правило, выполняется на бумаге или в тонком слое адсорбента. К достоинствам хроматографического метода анализа относятся быстрота и надежность, возможность определения нескольких компонентов смеси.

 

11. Оптические методы анализа

 

Эти методы основаны на измерении  оптических свойств веществ 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.

Методы, основанные на изучении спектров излучения получили название эмиссионных спектральных методов анализа. В методе эмиссионной спектроскопии проба вещества нагревается до очень высоких температур (2000 - 15000°С). Вещество, испаряясь, диссоциирует на атомы или ионы, которые дают излучение. Проходя через спектрограф, излучение разлагается на компоненты в виде спектра цветных линий. Сравнение этого спектра со справочными данными о спектрах элементов позволяет определить вид элемента, а по интенсивности спектральных линий — количество вещества. Метод дает возможности определять микро- и ультрамикро-количества вещества, анализировать несколько элементов, причем за короткое время.

Разновидностью эмиссионного анализа является эмиссионная пламенная  фотометрия, в которой исследуемый  раствор вводят в бесцветное пламя  горелки. По изменению цвета пламени  судят о виде вещества, а по интенсивности окрашивания пламени - о концентрации вещества. Анализ выполняют с помощью прибора - пламенного фотометра. Метод в основном используется для анализа щелочных, щелочноземельных металлов и магния.

Методы, основанные на свечении анализируемого вещества под воздействием ультрафиолетовых (фотолюминесценция), рентгеновских (рентгенолюминесценция) и радиоактивных (радиолюминесценция) лучей называются люминесцентными. Некоторые вещества обладают люминесцентными свойствами, другие вещества могут люминесцировать после обработки специальными реактивами. Люминесцентный метод анализа характеризуется очень высокой чувствительностью (до 10^-10 – 10^-13 г люминесцирующих примесей). Методы, основанные на изучении спектров поглощения лучей анализируемыми веществами, получили название абсорбционно-спектральных. При прохождении света через раствор свет или его компоненты поглощаются или отражаются. По величине поглощения или отражения лучей судят о природе и концентрации вещества.

В соответствие с законом Бугера-Ламберта-Бера зависимость изменения интенсивности потока света, прошедшего через раствор, от концентрации окрашенного вещества в растворе с, выражается уравнением

 

Ig (I_o/I) = elC,

 

где I_o и I - интенсивность потока света, падающего на раствор и прошедшего через раствор; e - коэффициент поглощения света, зависящий от природы растворенного вещества (молярный коэффициент поглощения); l - толщина слоя светопоглощающего раствора. Измерив изменение интенсивности потока света, можно определить концентрацию анализируемого вещества. Определение ведут с помощью спектрофотометров и фотоколориметров. В спектрофотометрах используют монохроматическое излучение, в фотоколориметрах - видимый свет. Сравнивают полученные при измерении данные с градуированными графиками, построенными на стандартных растворах. Если измеряют поглощение лучей атомами определяемого компонента, которые получают распылением раствора анализируемого вещества в пламени горелки, то метод называют атомно-абсорбционным (атомно-абсорбционная спектроскопия). Метод позволяет анализировать вещества в очень малых количествах.

Оптический метод, основанный на отражении света твердыми частицами, взвешенными в растворе, называется нефелометрическим. Анализ проводится с помощью приборов нефелометров.

Таким образом, 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.