Предмет качественного анализа

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Уральская Государственная Сельскохозяйственная академия

Кафедра химии

“Качественный анализ”

Методическое пособие

По аналитической химии

 

Екатеринбург, 2002

 

УДК 546 (0758)

“Качественный анализ” Методическое пособие по аналитической химии

Составитель: доцент кафедры химии УрГСХА Андронникова Г.П.

Екатеринбург, УрГСХА, 2002, с.

 

Рецензент

 

 

Утверждено методической комиссией агрономического факультета

“ “ ____ 2002г. Методическое пособие предназначено для студентов

УрГСХА для подготовки к занятиям по аналитической химии.

 

 

ã Уральская государственная

сельскохозяйственная академия -

УрГСХА, 2002г.

Предисловие

 

Методические указания составлены в соответствии с образовательными стандартами и программами курсов курсов неорганической и аналитической химии, общей химии, и химии для различных специальностей специальностей УрГСХА (“агрономия” “ветеринария”,”зоотехния”, “технология производства сельскохозяйственной продукции”, ”экономика и управление”, “товароведение и экспертиза” и других) и предназначены для самостоятельной подготовки студентов к практическим занятиям по аналитической химии.

В практической деятельности специалистов аграрного профиля возникает необходимость обнаружения (идентификации) того или иного вещества и количественная оценка его содержания. Например, при исследовании качества почвы, воды, анализе кормов, продуктов

животноводства и растениеводства. Среди проблем, возникающих в условиях химизации сельскохозяйственного производства, особое внимание уделяется нитратному загрязнению питьевой воды и продуктов питания.

Все более актуальным является анализ тяжелых металлов и других токсичных элементов, появляющихся в почве в результате техногенного загрязнения атмосферы, а также присутствующие в качестве примесей в минеральных удобрениях.

Качественный анализ является важной составляющей предмета аналитической химии и содержит в своей основе знания закономерностей химических процессов и свойств неорганических и органических веществ.

Изучения аналитической химии в аграрном вузе способствует формирование профессиональных знаний, позволяющих при внедрении прогрессивных технологий уметь прогнозировать применение химических материалов, без вредных последствий для окружающей среды, владеть методами анализа и технологиями переработки отходов производства, проводить специальные мероприятия улучшающие окружающую среду и качество жизни человека.

Полученные знания предмета аналитической химии понадобятся студентам в дальнейшем и при изучении специальных дисциплин.

 

Рекомендуемая литература.

1.Цитович И.К. Курс аналитической химии. М. -Высш. школа - 1994.

2. Основы аналитической химии. Под ред. Золотова Ю.М. М.- Высш. школа - 2001.

3. Кунце У, Шведт Г. Основы качественного и количественного анализа, М.-Мир-1997

 

Реакции, обеспечивающие превращение анализируемого

вещества в новое соединение, обладающее характерными свойствами, называется качественной аналитической реакцией.

Реакции в растворах протекают между ионами, поэтому аналитические реакции применяются при обнаружении

катионов и анионов.

Окислительно-восстановиительные реакции

Связаны с переносом электронов:

Сu²⁺ + Fe => Сu + Fe²⁺

Реакции с выделением газов:

При обнаружении карбонат-ионов при действии кислот на соответствующие соли протекает реакция с выделением углекислого газа:

СО₃^2- + 2Н⁺ => СО₂ + Н₂O

Требования к аналитическим реакциям

Проведение качественного анализа требует соблюдения некоторых условий:

- быстроты протекания химического процесса;

- наличия необходимой среды;

- определенного температурного режима;

- реакции должны обладать достаточным уровнем чувствительности.

Одним из условий обнаружения ряда ионов является поддержание необходимого характера среды. Например,

ион Ca²⁺ обнаруживают действием оксалатом аммония

(NH₄)₂C₂O₄. При этом выпадает белый мелкокристаллический осадок

оксалата кальция:

Ca²⁺ + C₂O₄ ^2- => Са C₂O₄

Соли щавелевой кислоты растворимы в сильных кислотах, поэтому в их присутствии осадок оксалата кальция растворится.

СаC₂O₄ + 2НCl => CaCl₂ + H₂C₂O₄

Другим условием реакции является поддержание определенного температурного режима. Так, например, обнаружение иона аммония

действием раствора щелочи на анализируемый раствор проводят при нагревании. В этом случае выделяется газообразный аммиак:

NH₄Cl + NaOH => NH₃ + H₂O +NaCl

Не менее важным является чувствительность аналитической реакции. Чувствительность реакции характеризуется понятиями

обнаруживаемый минимум (предел обнаружения) и предельная концентрация.

Предельная концентрация (ПК) - это минимальная концентрация вещества в растворе (г/мл), при которой вещество может быть обнаружено.

Обнаруживаемый минимум - это наименьшая масса вещества, которое можно обнаружить в одной капле (0.05 мл) раствора с помощью данной реакции.

 

4. Систематический и дробный анализ

Существуют специфические химические реакции, позволяющие обнаружить отдельный ион, не считаясь с присутствием других ионов (не мешающих обнаружению данного), при этом последовательность обнаружения может быть произвольной. Такой анализ приводит к тому,

что анализируемый раствор разбивают на порции и проводят так называемый дробный анализ.

Анализ раствора, проводимый с помощью специфических реакций в отдельных порциях в любой последовательности, называют дробным анализом.

Дробный анализ проводят в тех случаях, когда состав анализируемого вещества известен, необходимо проверить отсутствие примесей, или подтвердить состав.

Если же используемые реакции не специфичны (т.е. характерны для нескольких ионов) то в этом случае применяют систематический анализ.

Систематический ход анализа - это определенная последовательность выполнения аналитических реакций, при которых каждый ион открывают после того, как будут открыты и удалены все другие ионы, мешающие его обнаружению.

В качестве примера можно привести реакцию обнаружения иона кальция:

СаСl₂ + (NH₄)₂C₂O₄ = CaC₂O₄ + 2NH₄Cl

^{белый крист.осадок}

Эта реакция не специфична, поскольку такой же осадок оксалат аммония дает и с ионом бария:

Ba²⁺ + C₂O₄^2- = BaC₂O₄

поэтому, прежде, чем открывать ион кальция, необходимо проверить наличие иона бария, применяя специфическую

Наличие кальция не мешает открытию бария, так как хромат кальция хорошо растворим и не выпадает в осадок. Если в ходе анализа окажется, что иона бария нет, то далее следует определять ион кальция с помощью оксалата аммония, если же катион бария присутствует, то прежде, чем обнаруживать ион кальция, следует удалить ион бария. С этой целью на весь анализируемый раствор действуют хроматом калия К₂СrO₄,

с которым ион бария дает характерный желтый осадок хромата бария:

BaCl₂ + K₂CrO₄ = BaCrO₄ + 2KCL

осаждают полностью ион бария в виде осадка BaCrO₄

и, отделив осадок, в растворе определяют ион кальция.

Отсюда видно, что в систематическом анализе не только открывают отдельные ионы, но также удаляют ионы, мешающие их обнаружению.

 

5. Групповые реагенты.

В ходе систематического анализа ионы из сложной смеси выделяют не по одному, а отдельными группами. Для разделения ионов на группы применяют:

- осаждение ионов в виде малорастворимого соединения

- восстановление ионов в соответствии с окислительно-восстановительными свойствами,

- избирательная адсорбция ионов.

Классификация катионов

В основе методов разделения ионов в качественном анализе

лежат процессы образования и растворения осадков, позволяющие разделить ионы на несколько групп.

Существует несколько различных схем систематического анализа катионов. Ниже предлагается одна из классических схем разделения катионов.

Все катионы в зависимости от растворимости их карбонатов, сульфидов, хлоридов, гидроксидов делятся на пять аналитических групп по отношению к групповым реагентам.

Реакции катиона аммония

Щелочи выделяют из солей аммония газообразный аммиак: NH₄Cl + NaOH = NH₃ +H₂O + NaCl

выделение аммиака происходит при температуре и его обнаруживают по запаху, и по посинению влажной лакмусовой бумаги, помещенной над пробиркой, в которой протекает реакция.

Если в анализируемом веществе обнаружен ион аммония, то прежде, чем перейти к обнаружению ионов калия или натрия необходимо удалить ион аммония. С этой целью раствор анализируемого вещества выпаривают досуха на водяной бане, при этом аммонийные соли разлагаются:

NH₄Cl = NH₃ + HCl; NH₄ NO₃ = N₂O + 2H₂O и т д.

выпаривание следует проводить тщательно, иначе ион аммония будет присутствовать в пробе.

Реакции катиона магния

Гидрофосфат натрия Na₂HPO₄ в присутствии хлорида аммония и гидроксида аммония образует белый кристаллический осадок двойной соли магний, аммонийфосфата:

MgCl₂ + Na₂HPO₄ + NH₄OH = MgNH₄PO₄ + 2NaCl + H₂O

Опыт 1. Открытие иона аммония действием щелочей.

В пробирку налейте 3 мл раствора хлорида аммония, добавьте 1 мл гидроксида натрия или калия. Пробирку слегка нагрейте на водяной бане и положите сверху полоску красной лакмусовой бумаги. Наличие характерного запаха и посинение лакмусовой бумаги свидетельствует о выделении газообразного аммиака:

NH₄Cl + KOH = NH₃ + H₂O + NaCl

Приведите уравнение данной реакции в ионной форме, объясните, с чем связано изменение цвета индикатора.

Опыт 6. Открытие сульфат-иона.

К 1 мл раствора сульфата натрия прилейте раствор хлорида бария, наблюдайте выделение белого кристаллического осадка сульфата бария.

Приведите уравнение реакции. Проверьте растворимость сульфата бария в кислотах.

Опыт 7. Открытие карбонат –иона.

а) реакции с кислотами.

К 1 мл раствора карбоната натрия прилейте несколько капель соляной или серной кислоты. Бурное вспенивание раствора в пробирке свидетельствует о выделении углекислого газа. Приведите уравнение в ионной и молекулярной форме.

 

б) растворимость карбоната бария в кислотах.

К раствору карбоната натрия добавьте хлорида бария, до выпадения белого осадка карбоната бария. Изучите растворимость карбоната бария в кислотах, добавляя в пробирку соляной кислоты, уксусной или азотной кислоты. Приведите уравнения реакций.

Опыт 8. Открытие фосфат-иона.

В пробирку налейте 1 мл гидрофосфата натрия, добавьте 5-6 капель молибденовой жидкости, нагрейте на водяной бане. Наблюдайте появление желтого кристаллического осадка фосфомолибдата аммония:

Na₂HPO₄ + 12 (NH₄)₂MoO₄ +23 HNO₃= (NH₄)₃ [P(Mo₃O₁₀)₄] +2 NaNO₃ +

21 NH₄NO₃ + 12H₂O

Приведите ионное уравнение этой реакции.

Опыт 9. Открытие хлорид-иона.

К 1 мл хлорида натрия добавьте 2-3 капли раствора азотнокислого серебра. Наличие белого творожистого осадка хлорида серебра свидетельствует о наличии иона хлора. Приведите уравнение реакции. Проверьте растворимость осадка в растворе гидроксида аммония c образованием комплексного соединения:

AgCl + 2NH₄OH = [Ag(NH₃)₂] Cl =2H₂O

Опыт 10. Открытие нитрат-иона.

В сухую фарфоровую чашечку внесите одну каплю раствора дифениламина в концентрированной азотной кислоте и 1-2 капли раствора нитрата натрия. Наличие темно-синего осадка свидетельствует о присутствии нитрат-иона.

Анализ смеси солей

При анализе смеси солей часть образца смеси растворяют в воде, остальную часть хранят для повторного анализа в случае неудачного определения элементов. Вначале выполняют анализ катионов, затем проводят анализ анионов.

Анализ катионов проводится систематическим методом в следующей последовательности:

1. Открытие катиона аммония действием раствором щелочи и его удаление в случае положительной пробы на катион аммония. Удаление катиона аммония проводится упариванием 1-2 мл испытуемого раствора в фарфоровой чашечке досуха. Операцию упаривания проводят дважды. Для дальнейшего открытия катиона калия к сухому остатку в чашечке добавляют несколько капель дистиллированной воды и анализируют полученный раствор на присутствие катиона калия.

2. Открытие катиона калия реакцией с Na₃[Co(NO₂)₆]

3. Открытие катиона кальция реакцией с оксалатом аммония. В случае положительной пробы на кальций, его необходимо удалить для дальнейшего исследования реакции на катион магния. К испытуемому раствору добавляют избыток оксалата амммония, раствор нагревают и выпавший осадок центрифугируют. Фильтрат используют для обнаружения иона магния.

4. Открытие иона магния реакцией с дигидрофосфатом натрия.

Анализ анионов проводят дробным методам в любой последовательности.

Результаты анализа приводят в таблице “Анализ смеси солей”:

 

Ионы	Реактив	Краткое ионное уравнение	Признак Реакции	Наличие иона (+; -)

 

Вопросы для контроля и усвоения материала.

1. Приведите качественную реакцию на катион калия в ионной и молекулярной форме.

2. На примере комплексного соединения, используемого при обнаружении катиона калия, покажите его состав с точки зрения координационной теории.

3.Приведите качественную реакцию на ион аммония. Открытию какого иона он мешает и почему? Приведите реакции

4. Приведите в ионной и молекулярной форме реакцию обнаружения иона магния.

5. Приведите групповой реагент на катионы 2- группы. Как отделить катионы первой и второй группы?

6. Как отделить катионы 3-группы от катоинов 2-группы?

6. Чем отличаются дробный и систематический метод анализа?

7. Приведите групповые реагенты и реакции на анионы первой и второй группы.

8. Как различить между собой хлорид и сульфид-ионы?

9. Как различить между собой фосфат, сульфат и карбонат-ионы?

10. Как определяют ацетат- ион?

11. Для смеси солей нитрата аммония, карбоната калия и хлорида магния приведите качественные реакции и ход анализа.

12. Как различить, в какой пробирке находится хлорид калия и хлорид аммония, не применяя реактивы?

13. Как перевести галогенид серебра в раствор? Приведите химическую реакцию.

14. Приведите ход анализа и качественные реакции для обнаружения соответствующих ионов в смеси, содержащей хлорид бария, карбонат калия, нитрат аммония, фосфат кальция,

сульфид магния.

15.Для смеси солей нитрат кальция, карбонат аммония, хлорид калия приведите ход реакций, подтверждающий наличие катионов и анионов.

16.Для смеси солей сульфида калия, хлорида аммония, нитрата магния приведите ход анализа, подтверждающий наличие катионов и анионов

 

 

“Качественный анализ” Методическое пособие по аналитической химии

Составитель: доцент кафедры химии УрГСХА Андронникова Г.П.

Екатеринбург, УрГСХА, 2002, с.19

 

____________________________________________________________

Подписано в печать Формат 60 х 84 1/16

объем 1.3 п.л. Тираж 100 экз Заказ №

_____________________________________________________________

Уральская государственная сельскохозяйственная академия

620019, Екатеринбург, ул. К. Либкнехта, 42

 

 

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Уральская Государственная Сельскохозяйственная академия

Кафедра химии

“Качественный анализ”

Методическое пособие

По аналитической химии

 

Екатеринбург, 2002

 

УДК 546 (0758)

“Качественный анализ” Методическое пособие по аналитической химии

Составитель: доцент кафедры химии УрГСХА Андронникова Г.П.

Екатеринбург, УрГСХА, 2002, с.

 

Рецензент

 

 

Утверждено методической комиссией агрономического факультета

“ “ ____ 2002г. Методическое пособие предназначено для студентов

УрГСХА для подготовки к занятиям по аналитической химии.

 

 

ã Уральская государственная

сельскохозяйственная академия -

УрГСХА, 2002г.

Предисловие

 

Методические указания составлены в соответствии с образовательными стандартами и программами курсов курсов неорганической и аналитической химии, общей химии, и химии для различных специальностей специальностей УрГСХА (“агрономия” “ветеринария”,”зоотехния”, “технология производства сельскохозяйственной продукции”, ”экономика и управление”, “товароведение и экспертиза” и других) и предназначены для самостоятельной подготовки студентов к практическим занятиям по аналитической химии.

В практической деятельности специалистов аграрного профиля возникает необходимость обнаружения (идентификации) того или иного вещества и количественная оценка его содержания. Например, при исследовании качества почвы, воды, анализе кормов, продуктов

животноводства и растениеводства. Среди проблем, возникающих в условиях химизации сельскохозяйственного производства, особое внимание уделяется нитратному загрязнению питьевой воды и продуктов питания.

Все более актуальным является анализ тяжелых металлов и других токсичных элементов, появляющихся в почве в результате техногенного загрязнения атмосферы, а также присутствующие в качестве примесей в минеральных удобрениях.

Качественный анализ является важной составляющей предмета аналитической химии и содержит в своей основе знания закономерностей химических процессов и свойств неорганических и органических веществ.

Изучения аналитической химии в аграрном вузе способствует формирование профессиональных знаний, позволяющих при внедрении прогрессивных технологий уметь прогнозировать применение химических материалов, без вредных последствий для окружающей среды, владеть методами анализа и технологиями переработки отходов производства, проводить специальные мероприятия улучшающие окружающую среду и качество жизни человека.

Полученные знания предмета аналитической химии понадобятся студентам в дальнейшем и при изучении специальных дисциплин.

 

Рекомендуемая литература.

1.Цитович И.К. Курс аналитической химии. М. -Высш. школа - 1994.

2. Основы аналитической химии. Под ред. Золотова Ю.М. М.- Высш. школа - 2001.

3. Кунце У, Шведт Г. Основы качественного и количественного анализа, М.-Мир-1997

 

Предмет качественного анализа

Раздел аналитической химии, связанный с открытием элементов или ионов, входящих в состав исследуемого вещества, называется качественным анализом. Качественный химический анализ используется для идентификации атомов при определении элементного

состава сложных веществ, при исследовании почв, распознавании удобрений, в контроле кормов, продуктов питания. Особенное значение приобретает его применение для контроля окружающей среды.

При обнаружении какого-либо компонента фиксируется появление аналитического сигнала - образование осадка, изменение окраски, появление линии (пика) в спектрах.

Качественный анализ в химических методах наиболее часто проводят в растворах. При обнаружении какого-либо элемента, или иона применяют только те химические реакции, которые сопровождаются внешним эффектом: выпадением или растворением осадка, изменением окраски раствора, выделением газообразных веществ. Такие реакции называют аналитическими реакциями.

Например, ион трехвалентного железа в растворе можно определить, действуя на раствор тиоцианатом аммония (NH₄SCN)

при этом раствор приобретает кроваво-красную окраску:

FeCl₃ + NH₄SCN => Fe [ SCN]Cl₂ + NH₄Cl

Эту аналитическую реакцию можно проводить в пробирке, или капельным методом на фильтре.