Методы качественного анализа

Методы  качественного анализа

Для определения качественного  состава какого-либо вещества необходимо изучить его свойства, которые  с точки зрения аналитической  химии, могут быть двоякого рода: свойства вещества как такового, и свойства его в химических превращениях.

К числу первых относятся: физическое состояние (твёрдое вещество, жидкость, газ), структура его в твердом  состоянии (аморфное или кристаллическое  вещество), цвет, запах, вкус и др. При  этом нередко уже по одним только внешним свойствам, определяемым при  помощи органов чувств человека, представляется возможным установить природу данного вещества. В большинстве же случаев приходится превращать данное вещество в какое-либо новое с ясно выраженными характерными свойствами, пользуясь для этой цели некоторыми специально подбираемыми соединениями, носящими название реактивов.

Качественный химический анализ базируется на системе химических реакций, характерных для данного вещества - разделения, отделения и обнаружения.

К химическим реакциям в качественном анализе предъявляют следующие требования:

1. Реакция должна протекать практически  мгновенно. 

2. Реакция должна быть необратимой. 

3. Реакция должна сопровождаться внешним эффектом :

а) изменением окраски раствора;

б) образованием или растворением осадка;

в) выделением газообразных веществ;

г) окрашиванием пламени и др.

4. Реакция должна быть чувствительной  и по возможности специфичной.

В основе качественного химического  анализа  лежит аналитическая  реакция, по результатам которой  делают вывод о наличии или  отсутствии определяемого компонента.

Аналитическая реакция- это химическая реакция, позволяющая получить аналитический сигнал с определяемым веществом- реагентом.

Аналитический сигнал- это визуально наблюдаемое, инструментально фиксируемое изменение свойств веществ, вступающих в аналитические реакции.

Аналитические реакции, проводимые между  твердыми веществами, относят к реакциям «сухим путем», а в растворах - «мокрым путем».

К реакциям «сухим путем» относятся реакции, выполняемые путем растирания твердого исследуемого вещества с твердым реагентом, а также путем получения окрашенных стекол (перлов) при сплавлении некоторых элементов с бурой.

Эти реакции применяются в химическом анализе, главным образом, при т. н. «предварительном испытании», при  испытании осадков на чистоту, для  проверочных реакций и при исследовании минералов. Важнейшие реакции этого рода состоят в испытании вещества в отношении:

- плавкости его при нагревании,

- способности окрашивать несветящееся пламя газовой горелки,

- летучести при нагревании,

- способности к окислению и восстановлению.

Для производства этих испытаний пользуются в большинстве случаев несветящимся пламенем газовой горелки. Главные  составные части светильного  газа (водород, окись углерода, болотный газ и др. углеводороды) являются восстановителями, но при горении  его на воздухе образуется пламя, в различных частях которого можно найти условия, необходимые для восстановления или окисления, а также для нагревания до более или менее высокой температуры.

Испытание на плавкость проводится преимущественно при исследовании минералов. Для чего очень небольшой осколочек их, укреплённый в тонкой платиновой проволоке, вносится в часть пламени, обладающую наиболее высокой температурой, и затем при помощи лупы наблюдают, насколько закругляются края пробы.

 

Испытание на окрашивание  пламени проводится внесением небольшой пробы вещества на платиновой проволоке сперва в основание пламени, а затем в часть его с наиболее высокой температурой.

Испытание на летучесть проводится нагреванием пробы вещества в пробирном цилиндре или в запаянной с одного конца стеклянной трубочке, причём летучие вещества превращаются в пары, которые затем конденсируются в более холодной части.

Окисление и восстановление в сухом виде можно проводить  следующими способами: накаливанием в стеклянной трубке с металлами — натрием, калием или магнием, простым нагреванием.

Значительно чаще анализ проводят «мокрым путем», для чего анализируемое вещество переводят в раствор. Реакции с растворами могут выполняться пробирочным, капельным и микрокристаллическим  методами. При пробирочном полумикроанализе его выполняют в пробирках вместимостью 2-5 см3. Для отделения осадков используют центрифугирование, а выпаривание ведут в фарфоровых чашечках или тиглях.

Капельный анализ (Н.А. Тананаев, 1920 г.) осуществляют на фарфоровых пластинках или полосках фильтрованной бумаги, получая цветные реакции при добавлении к одной капле раствора вещества одной капли раствора реактива.

Микрокристаллический анализ основан на обнаружении компонентов с помощью реакций, в результате которых образуются соединения с характерным цветом и формой кристаллов, наблюдаемых визуально (в микроскоп).

В качественном химическом анализе  применяются только такие реакции  в растворах, которые легко воспринимаются человеческими органами чувств, причём момент появления реакции узнаётся по одному из следующих явлений:

-образование нерастворимого в воде осадка;

-изменение окраски раствора,

-выделение газа.

Образование осадка в реакциях химического анализа зависит от образования какого-либо нерастворимого в воде вещества; если, например, к раствору какой-либо соли бария прибавить серной кислоты или растворимой в воде соли её, образуется белый порошкообразный осадок сернокислого бария:

BaCl2 + H2SO4 = 2HCl + BaSO4↓

Для успешного проведения реакции  образования осадков, кроме подбора  соответственного реактива, необходимо ещё соблюдать ряд очень важных условий в отношении крепости растворов исследуемой соли и  реактива, пропорции того и другого, температуры, продолжительности взаимодействия и т. д . При рассмотрении осадков, образующихся в реакциях химического анализа, необходимо обращать внимание на их внешний вид, то есть на цвет, структуру (аморфные и кристаллические осадки) и др., а также на их свойства в отношении влияния на них нагревания, кислот или щелочей и т. д. При взаимодействии слабых растворов необходимо выжидать иногда образования осадка до 24—48 часов, при условии сохранения их при некоторой определенной температуре.

Реакция образования осадка, независимо от её качественного значения в химическом анализе, нередко применяется для  отделения некоторых элементов  друг от друга. С этой целью на раствор, содержащий соединения двух или нескольких элементов, действуют соответствующим реактивом, способным перевести некоторые из них в нерастворимые соединения, и затем посредством фильтрования отделяют образовавшийся осадок от раствора (фильтрата), производя дальнейшее исследование их отдельно. Если взять, например, соли хлористого калия и хлористого бария и прибавить к ним серной кислоты, то образуется нерастворимый осадок сернокислого бария BaSO4, и растворимый в воде сернокислый калий К2SO4, каковые и могут быть разделены посредством фильтрования. При этом отделении осадка нерастворимого в воде вещества от раствора необходимо позаботиться прежде всего о том, чтобы он получил соответственную структуру, позволяющую без труда произвести работу фильтрования, а затем, собравши его на фильтре, необходимо тщательно отмыть его от посторонних примесей. По исследованиям В. Оствальда, нужно при этом иметь в виду, что при употреблении определенного количества воды для промывания более целесообразно промывать осадок много раз небольшими порциями воды, чем наоборот — немного раз большими порциями. Что касается успешности проведения самой реакции отделения какого-либо элемента в виде нерастворимого осадка, то, на основании теории растворов, В. Оствальд установил, что для достаточно полного отделения какого-либо элемента в виде нерастворимого осадка необходимо всегда брать избыток реактива, служащего для осаждения.

Изменение окраски раствора является одним из очень важных признаков в реакциях химического анализа и имеет очень важное значение, в особенности в связи с процессами окисления и восстановления, а также в работах с химическими индикаторами.

Примерами цветных реакций в  качественном химическом анализе могут  служить следующие: роданистый калий KCNS дает характерное кровяно-красное  окрашивание с солями окиси железа; с солями закиси железа тот же реактив  не дает ничего. Если к раствору хлористого железа FeCl2, слабо-зелёного цвета прибавить  какой-либо окислитель, например, хлорную  воду, происходит окрашивание раствора в жёлтый цвет благодаря образованию  хлорного железа, являющегося высшей степенью окисления этого металла. Если взять дихромат калия K2Cr2O7 оранжевого цвета и прибавить к нему в  растворе немного серной кислоты  и какого-нибудь восстановителя, например, винного спирта, происходит изменение  оранжевой окраски в тёмно-зеленую, соответствующую образованию низшей степени окисления хрома в  виде соли сернокислого хрома Cr3(SO4)3.

В зависимости от хода химического  анализа в нём нередко приходится производить эти процессы окисления  и восстановления. Важнейшими окислителями служат: галогены, азотная кислота, перекись водорода, марганцовокислый калий, двухромокислый калий; важнейшими восстановителями являются: водород в момент выделения, сернистый водород, сернистая кислота, хлористое олово, иодистый водород.

Реакции выделения газов в растворах при производстве качественного химического анализа чаще всего не имеют самостоятельного значения и являются реакциями вспомогательными; чаще всего приходится встречаться с выделением углекислого газа CO2 — при действии кислот на углекислые соли, сернистого водорода — при разложении сернистых металлов кислотами и т. п.