Физико-химические методы анализа

министерство образования 

республики беларусь

 

Учреждение образования

«Гомельский государственный  университет 

имени Франциска  Скорины»

 

 

Кафедра химии

 

 

 

 

 

 

АналитиЧЕСКАЯ  ХИМИЯ

Физико-химические методы анализа

 

 

 

 

 

 

Тексты  лекций

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гомель 2005

 

УДК 543.5 (075.8)

ББК 24.46 Я 73

        А64

 

 

Рецензенты:

А.В. Лысенкова, к.х.н, доцент кафедры общей и бионеорганической химии Гомельскогого сударственного медицинского Университета;

Ю.А. Пролесковский к.х.н, доцент кафедры химии Учреждения образования  «Гомельский государственный университет имени Ф. Скорины»

 

Рекомендовано научно-методическим советом Учреждения образования  «Гомельский государственный университет имени Ф. Скорины»________ октября 2004 г. протокол № _____

 

  

А64

Аналитическая химия. Физико-химические методы анализа : тексты лекций  для биологических специальностей вузов/Авторы-составители: В. Г. Свириденко, В.А.. Шумилин Н.И.Дроздова, А.В. Хаданович; Мин. обр. РБ, УО «ГГУ имени Ф. Скорины». – Гомель, 2004 .     с.

 

ISBN

В тексты лекций включены материалы по физико-химическим методам анализа курса “Аналитическая химия”. Рассматриваются разделы фотометрического, электрохимического методов анализа и физико-химические методы разделения. Тексты лекций предназначены для студентов биологического факультета дневной и заочной форм обучения

 

 

ISBN        УДК 543.5 (075.8)

© В. Г. Свириденко,  В.А..Шумилин 

Н.И.Дроздова, А.В. Хаданович, 2004

 

                            © Учреждения образования

  «Гомельский государственный университет

 имени Ф. Скорины», 2004

 

содержание

 

Лекция 1.  Физико-химические методы анализа  Лекция 2.  Теория фотометрического метода анализа  Лекция 3.  Методы фотометрического анализа Лекция 4.  Основы качественного  и количественного атомного спектрального  анализа Лекция 5.  Электрохимические методы анализа Лекция 6.  Полярография Лекция 7. Экстракция Лекция 8. Хроматография   Литература

4     7   18     26   34   40   47   55     62

 

 

Лекция 1. Физико-химические методы анализа

 

1. Сущность физико-химического анализа
2. Классификация физико-химических  методов анализа
3. Принцип устройства систем анализаторов

 

1.  Сущность  физико-химического анализа

 

Сущность физико-химического  анализа, созданного на основе трудов Д. И. Менделеева, Я. Г. Ван-Гоффа, Н. С. Курнакова и других ученых, заключается в изучении соотношений между составом и свойствами химических равновесных систем. Результаты подобных исследований выражаются в диаграммах «состав-свойство». Исследование этих диаграмм дает возможность обнаружить образование новых стойких и нестойких химических соединений между исследуемыми компонентами, изучить влияния отдельных компонентов на свойства всей системы. Частным случаем физико-химического анализа является использование различных свойств сложных систем для определения их состава.

В большинстве случаев  зависимость свойства от состава  очень сложна. Часто одно и то же свойство соответствует различным значениям состава, т. е. свойство оказывается многозначной функцией состава, что затрудняет использование его для аналитических целей. Поэтому для прямых физико-химических методов, когда состав определяется как функция свойства, используют только те участки полной диаграммы «состав-свойство», на которых состав однозначно определяет свойство. В практику аналитической химии широко вошли и косвенные физико-химические методы, в которых то или другое свойство используется как индикатор для установления точки эквивалентности титрования.

Широкое распространение  физико-химических методов анализа, в первую очередь, связано с тем, что эти методы обладают значительно большей чувствительностью по сравнению с химическими методами. Если обычными химическими методами можно определить концентрацию вещества порядка 10^-5 моль/л, то для некоторых физико-химических методов определяемый минимум составляет 10^-9 – 10^-10 моль/л. В связи с тем, что в практике аналитической химии все большее место занимает определение следов веществ, это преимущество физико-химических методов становится особенно актуальным. Другим преимуществом этих методов является их селективность. Спектральный, полярографический, масс-спектрометрический и другие методы позволяют одновременно качественно и количественно определять десятки компонентов, что значительно ускоряет проведение анализов, а это особенно важно в производственных условиях. Для анализов малых навесок и определения следовых количеств примесей эти методы оказываются незаменимыми.

Физико-химические методы в настоящее время широко используются для анализов полупроводниковых материалов, материалов атомной промышленности, определения следовых количеств средств защиты растений, определения загрязненности воздуха, воды и в ряде других областей.

 

2.  Классификация  физико-химических  методов анализа

 

В зависимости от используемых свойств различают следующие группы физико-химических методов анализа:

А. Оптические методы, основанные на исследовании оптических свойств анализируемых систем:                       

Фотометрические методы

Рефрактометрический метод 

Поляриметрический метод 

Люминесцентный метод 

Спектральный метод

Б. Электрохимические методы, основанные на исследовании электрохимических свойств анализируемых систем:

Электроанализ

Кондуктометрический метод 

Потенциометрический метод 

Полярографическне методы

В. Методы анализа, основанные на исследовании других свойств анализируемых систем:

Масс-спектрометрический метод

Термометрические методы

Радиохимический анализ

Метод электронного парамагнитного резонанса

Метод ядерного магнитного резонанса

Анализ по теплопроводности

Из физико-химических методов разделения веществ следует отметить экстракцию, ионный обмен, хроматографию, диализ, электрофорез и другие.

 

3.  Принцип  устройства систем анализаторов

 

Применение физико-химических методов анализа дает возможность проводить автоматический контроль процессов и их автоматическое регулирование. В качестве контролирующих приборов применяют различные автоматические анализаторы. Любой автоматический анализатор состоит из следующих основных частей (рисунок 1.1а):

Блок контролирования - сосуд, в котором протекают регулируемые процессы и происходит изменение регулируемых параметров.

Измерительный блок - прибор, определяющий значения регулируемого параметра.

Регистрирующий блок - прибор, регистрирующий значения регулируемого параметра. Регистрирующий блок может быть указывающим или автоматически записывающим.

 

               а                                                    б

Рисунок 1.1 -  Схема  автоматического контроля:

а—с помощью автоматического анализатора;

б—с помощью автоматического  регулятора.

 

Схемы для автоматического регулирования процессов вместо регистрирующего блока включают следующие приборы (рисунок 1.1 б):

Регулирующий  блок - прибор, обеспечивающий сравнение измеренного значения параметра с определенным, ранее заданным значением параметра, нормальным для данного технологического процесса. В зависимости от технологического процесса заданное значение параметра может быть постоянным или переменным по ходу технологического процесса.

Исполнительный  механизм управляется регулирующим блоком в зависимости от значений регулируемого параметра. Исполнительный механизм воздействует на регулятор подачи реагирующего вещества. В некоторых схемах регулятор подачи отсутствует и его роль выполняет исполнительный механизм.

Действие измерительных  блоков основано на изменениях некоторых   физико-химических   величин — электропроводности, окраски веществ, мутности, электродвижущей силы и др. В качестве регулирующих и регистрирующих блоков применяют приборы для измерения фототоков, гальванометры, приборы для измерения показателей преломления и др.

 

 

Лекция 2. ТЕОРИЯ ФОТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА анализа

 

1. Характеристика фотометрического метода анализа
2. Устройства для фотометрического анализа
3. Основной закон светопоглощения

 

1.  Характеристика  фотометрического метода анализа

 

Метод анализа, основанный на переведении  определяемого компонента в поглощающее свет соединение с последующим определением количества этого компонента путем измерения светопоглощения раствора полученного соединения, называется фотометрическим.

По окраске растворов окрашенных веществ можно определять концентрацию того или иного компонента или визуально, или при помощи фотоэлементов — приборов, превращающих световую энергию в электрическую. В соответствии с этим различают фотометрический визуальный метод анализа, называемый часто колориметрическим, и метод анализа с применением фотоэлементов — собственно фотометрический метод анализа. Фотометрический метод является объективным методом, поскольку результаты его не зависят от способностей наблюдателя, в отличие от результатов колориметрического — субъективного метода.  Его распространению способствовали сравнительная простота необходимого оборудования, высокая чувствительность и возможность применения для определения почти всех элементов периодической системы и большого количества органических веществ. Открытие новых реагентов, образующих окрашенные соединения с неорганическими ионами и органическими веществами, делает в настоящее время применение этого метода почти неограниченным.

Фотометрический метод анализа может применяться для большого диапазона определяемых концентраций. Его используют как для определения основных компонентов различных сложных технических объектов с содержанием до 20-30% определяемого компонента, так и для определения микропримесей в этих объектах при содержании их до 10^-3 - 10^-4%. Комбинирование фотометрических методов с некоторыми методами разделения – хроматографическим,  экстракционным позволяет на 1-2 порядка повысить чувствительность определения, доведя его до 10^-5 %. В некоторых случаях фотометрический метод может быть применен для одновременного определения в растворе нескольких ионов, хотя его возможности ограничены.

Способность химического  соединения, неорганического иона и  органической группировки поглощать лучистую энергию определенных длин волн используется в фотометрическом анализе. Среди неорганических веществ сравнительно немного соединений, обладающих собственной окраской: это соединения марганца (VII), хрома (VI), меди (II) и некоторые другие. В ряде случаев окрашенные соединения образуются при взаимодействии неорганических реагентов, например, возникновение ярко-красной окраски при взаимодействии железа (III) с роданидом, никеля (II) с аммиаком и некоторые другие, однако и таких реакций сравнительно мало. Обычно для колориметрических определений неорганических ионов приходится использовать многочисленные реакции их с органическими реактивами, сопровождающиеся образованием окрашенных соединений.

Следует отметить, что  образование окрашенных в видимой области спектра соединений необходимо только для визуальных методов колориметрического анализа. При определении инструментальными методами могут быть использованы линии и полосы поглощения, лежащие как в ультрафиолетовой, так и в инфракрасных областях спектра.

В настоящее время  почти для всех неорганических ионов  имеются довольно большие наборы органических реактивов, взаимодействующих с образованием окрашенных соединений. В качестве примера в таблице 2.1 приведены известные реакции на ванадий (IV).

 

Таблица 2.1 - Цветные реакции на V^IV

 

Реактив	Окраска
	до реакции	после реакции
Родизонат Галлоцианин Карминовая кислота  Эриохромцианин R	Желтая Розовая Розовая Розовая	Желто-зеленая Фиолетовая Красно-фиолетовая Ярко-фиолетовая

 

Цветные реакции с неорганическими ионами обеспечивает наличие в органических соединениях специфических группировок. Некоторые такие группировки и неорганические ионы, с которыми они реагируют, указаны ниже:

 

Группировка                  Определяемые ионы

            Fe^III, Ti^lV, Zr^iv

 

            Sn^iv, Zr^iv, Hf^iv, Ta^iv, Ti^iv

 

            Cu^II, Zn^II, Cd^II, Pb^II, Fe^II, Ni^II

 

            Bi^III, Sb^III