Качественный анализ. Общие сведения

Целью анализа является выявление отдельных элементов и ионов, входящих в состав вещества. Качественный анализ осуществляют химическими, физико-химическими физическими или биологическими методами. Химические методы основаны на химических реакциях между веществом аналитом и соответствующими реагентами. Следствием реакции должны быть изменения в системе, которые можно наблюдать визуально или с помощью приборов. Если изменения фиксируют визуально, то метод считают химическим. Если же изменения фиксируют прибором, то метод считают физико-химическим. Анализ можно осуществить и без химических реакций, лишь физическими операциями. Соответствующие методы считают физическими. Поскольку в физико-химических и физических методах используют специальные приборы, эти методы называют инструментальными. Наличие токсичных веществ в объектах окружающей среды можно определить биологическими методами.

Мы будем изучать напивмикрометоды анализа с элементами микроанализа. Их преимуществами являются умеренные затраты объекта и реагентов, сокращение затрат времени из-за замены фильтрации на центрифугирования, резкое сокращение выбросов вредных газообразных веществ и связанное с этим улучшение санитарно-гигиенических условий работы.

«Сухой» способ анализа. Здесь аналиты и реагенты имеем в твердом состоянии. Большинство таких определений связано с нагревом, образуя группу пирохимичних методов - окраска пламени, «перлов» (буры, соды и других веществ), нагрев в трубке для прожарки и др. В «сухих» относят и метод растирания порошков. Все «сухие» методы анализа используют только для вспомогательных и контрольных выражений.

Метод окраски пламени основывается на способности некоторых элементов (щелочных, щелочно-земельных металлов, меди, бора и др.) Окрашивать пламя в определенный цвет. К примеру,

 

 

Елемент	Цвет пламени	Елемент	Цвет пламени
Натрий	Желтый	Стронций	Карменно-красный
Калий	фиолетовый	Барий	Желто-зеленый
Кальций	Кирпично-красный	Купрум(медь)	Ярко-зеленый

 

Готовят тщательно очищенную платиновую или нихромовую проволоку, один конец которой впаян в стеклянную
трубку малого диаметра, а другой согнут в маленькую петлю (ушко). Ушко раскаленной проволочки вводят в вещество, анализируют, а затем вносят в самую горячую часть пламени газовой горелки. Проволочку сохраняют в пробирке с хлористоводородной кислотой.

Метод окрашенного жемчуга. Некоторые вещества, стоплюючись с бурой (тетраборат натрия, Na₂B₄O₇∙10 H₂O) или с «фосфатной солью» (NaNH₄HPO₄∙4 H₂O) и некоторыми другими соединениями, образуют окрашенное стекло - «перл». Получая «перлы» буры, ушко раскаленной платиновой проволочки вводят в твердую бурю, нагревают в пламени горелки, пока не прекратится вспучивание, охлаждают и, прикоснувшись к веществу, анализирующие полученным «перлом», снова вводят в пламя, затем охлаждают. Цвет «жемчуга» указывает на наличие того или иного элемента.

Нагрев в трубке для прожарки позволяет анализировать вещества, способные к сублимации или разложения при нагревании. Если вещество сублимируется полностью, то можно
предположить, что в его состав не входят нелетучие соединения. А если она совсем не сублимируется, то такие компоненты отсутствуют. Говорить о наличии или отсутствии тех или иных соединений можно по цвету продукта сублимации. Так соли
аммония, хлорид и бромид ртути, оксиды мышьяка и сурьмы дают сублимата белого цвета. Сульфидные соединения ртути и мышьяка, иодид ртути, серы дают желтые сублимата. Другие соединения ртути, мышьяка, иодид дают серые или черные сублимата.

Рядом с сублимацией нагрева может вызвать выделение различных газов и паров, которые дают информацию о качественном составе вещества. Например, кислород выделяется, если в пробе присутствуют перманганаты, нитраты, пероксиды и т.д.; диоксид углерода (СО₂) - если разлагаются карбонаты; оксиды азота - если разлагаются нитраты или нитриты; испарения воды - если разлагаются кристаллогидраты, гидроксиды, органические соединения и др.

Трубка для прожарки - это пробирка из тугоплавкого стекла или кварца, длиной 5-6 см, диаметром 0,5 см. Небольшое количество анализируемого вещества насыпают в эту пробирку, медленно и осторожно нагревают в пламени горелки и наблюдают за изменениями.

Растирания порошков. Наличие компонентов обнаруживают по образованию соединений характерного цвета или запаха. Так, растирая смесь тиоцианата аммония (NH₄SCN) и тиоцианата калия (KSCN) с солями железа(III) возникает красно-бурая окраска, а с солями кобальта(II) - синяя. Растирают в
фарфоровой ступке или на специальной фарфоровой пластинке.

«Мокрые» методы анализа. Большинство реакций
химического анализа осуществляют «мокрыми» методами, то есть в растворах. Анализируя неорганические вещества, многие из реакций осуществляют между ионами, входящих в состав объекта анализа и реагентов. Так, ион Cl^- проявляют действием иона Ag⁺. Твердую фазу AgCl(s) можно получить из любой соединения, содержащего ион Cl^-, действием любого растворимого реагента, дает ион Ag⁺, например,

KCl + AgNO₃ Þ AgCl(s) + KNO₃, BaCl₂ + 2 CH₃COOAg Þ 2 AgCl(s) + (CH₃COO)₂Ba.

 

Соединения хлора (например, KClO₃), не дают иона хлорида, не образуют такой твердой фазы. Эти факты объясняет
реакция между ионами

Cl^‑ + Ag⁺ D AgCl(s), або Cl^‑ + Ag⁺ D AgCl¯.

Теоретически изучая анализ неорганических соединений, учитываем то, что большинство реакций обратимы (идут как в одну, так и в другую сторону). Призыв записывать реакции не в «молекулярной», а в «ионной форме» - слишком упрощен. Правильнее в них записывать те формы (ионы или молекулы), которые являются предпочтительными в системе. Представление о разнообразии реакций в системе и условия преобладание приведены в разделах «Закон действия масс. Алгебра химических реакций»и«Концентрационный-логарифмические диаґрамы».

Химические элементы способны существовать в растворе как различные ионы, например Fe³⁺, Fe²⁺и комплексный ион Fe Fe(CN)₆^4‑; Mn²⁺, MnO₄^‑и MnO₄^2‑; Sn²⁺, Sn(OH)^-₃(гидроксокомплексов, то есть комплекс с лигандом ОН^-, образованный Sn(II) заметим, что с точностью до H₂O, на который часто не обращают внимания, записывая формулы реагентов в воде, совпадает с анионом кислоты станула(II), HSnO₂^‑, последняя форма характерна для российских учебников) и Sn(OH)₄^2‑(гидроксокомплексов, образованный Sn(IV), или, по традициям российских учебников, SnO₃^{2 ‑}, анион оловянной кислоты). Характерные реакции разработаны для многих различных окислительных состояний элементов, а также для различных инертных комплексов (то есть, что, в отличие от «лабильных комплексов», теряют лиганд с очень малой скоростью). Например, Fe³⁺ с ионом SCN^- дает комплексы Fe(SCN) n ^{3‑ n} , окрашенные в характерный красный цвет, тогда как Fe²⁺ подобного окраса не дает. Ион Fe²⁺ в растворе можно открыть действием реагента K₃Fe(CN)₆(красной кровяной соли), а ион Fe³⁺ - действием K₄Fe(CN)₆(желтой кровяной соли). В обоих случаях образуется синий осадок, который когда-то считали различные вещества, краску «берлинскаая лазурь» и «турнбулевой синь». Однако, способность реагентов к
окислительно-восстановительных превращений,

Fe(CN)₆^3‑ + е^‑ D Fe(CN)₆^4‑, Fe²⁺ ‑ е^‑ D Fe³⁺,

ведет к тому, что в обоих случаях образуется осадок «берлинськой лазури»,

4 Fe³⁺ + 3 Fe(CN)₆^4‑ D Fe₄{Fe(CN)₆}₃(s),

причем интенсивную окраску как раз и связывают с наличием в составе элемента с различными окислительными состояниями. В литературе приводят значение произведения
растворимости, такого как lg K_s = ‑40,5. Однако в учебниках последнее время вместо химической формулы с достаточно большими стехиометрическими индексами приводят более простую формулу двойной соли: КFe{Fe(CN)₆}(s), произведения растворимости которого не приводят. Что же образуется на самом деле?

Выполнение качественных реакций в «мокрых» методах анализа. По способу выполнения различают пробирочные, микрокристалло-скопические и капельные реакции.

Пробирочный метод заключается в том, что реагенты смешивают в специальных пробирках. В них наблюдают за образованием осадков, окрашенных соединений, газообразных продуктов. В центрифужных пробирках отделяют твердую фазу от раствора, используя центрифуґу (см дальше подразделение «Техника работы в лаборатории»).

Микрокристаллоскопические реакции. Под микроскопом наблюдают за формой и окраской кристаллов, образованных с участием исследуемого компонента на поверхности тщательно вымытого и обезжиренного стекла. Каплю анализируемого раствора помещают на предметное стекло, рядом наносят каплю раствора реагента, соединяют капли стеклянной палочкой, не перемешивая растворы. Кристаллы, образовавшиеся в месте соприкосновения капель наблюдают через несколько минут.

Зеркало микроскопа устанавливают так, чтобы хорошо осветить поле зрения. Поместив предметное стекло на предметный столик, устанавливают на расстоянии 10-12 мм объектив
№ 8 (малое увеличение). Поворачивая макро и микровинты, находят положение тубуса, которому соответствует резкий. Фокусируют осторожно, предотвращая столкновение объектива с предметным стеклом.

Предел обнаружения микрокристаллоскопических реакций, как правило, достаточно низкая. Чтобы еще ее снизить, каплю раствора подсушивают или испаряют и только после этого добавляют реагент. Преимущества метода - малый расход исследуемого веществ и реагента, скорость и простая техника.
Необходимо предварительно удалить все компоненты, мешающие образованию характерных кристаллов.

Микроскоп и его схема: 1 - переходные кольца; 2 переходная муфта; 3 - гнездо, чтобы закрепить тубус микроскопа.

 

Капельный анализ включает реакции как выявление, так и отделения. Их выполняют на фильтровальной бумаге. Одним из главных преимуществ этого метода является низкий предел обнаружения, что связано с капиллярными и адсорбционными явлениями в волокнах бумаги. Компоненты отличаются друг от друга скоростью диффузии в капиллярах и способностью к адсорбции. Поэтому компоненты с нанесенной капли накапливаются и отделяются в концентрических зонах, где их обнаруживают соответствующими реакциями. Распределение по зонам позволяет выявлять компонент без предварительного разделения многих других.

Итак, в капельном анализе неспецифическая реакция может стать специфической. Чтобы обеспечить более полный распределение по зонам, часто на фильтровальную бумагу предварительно наносят «подстилку» - каплю реагента, который в центре пятна дает с компонентами, мешающих малорастворимую соединение.

По капельной методике возможно анализировать смеси раздробленным методом, сокращая затраты времени и реагентов.

Рассмотрим в качестве примера капельную реакцию обнаружения Al³⁺ с ализарином, что образует с Al(ОН)₃(s) растворим ярко-красный «алюминиевый лак». Окрашенные лаки способны образовывать и другие катионы. Поэтому применяют «подстилку» с K₄[Fe(CN)₆], гексацианоферрата(II) калия, образует малорастворимые соединения с нежелательными компонентами, оставляя их в центре пятна. Ионы Al³⁺ диффундируют на внешнюю часть, где их обнаруживают в аммиачной среде. Добавляя воду в центр пятна, вымывают и увеличивают скорость диффузии Al³⁺ с осадка сторонних компонентов.