Аналитическая химия (часть 1). Методические указания для студентов биолого-почвенного факультета (ОЗО)

Министерство образования Российской Федерации

ГОУВПО РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ для студентов биолого-почвенного факультета (ОЗО)

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ (часть 1)

Ростов-на-Дону -2004-

Печатается по решению кафедры аналитической химии РГУ Протокол N 7 от 21 ноября 2003 г. Ответственный редактор – профессор Черновьянц М.С. Авторы: доцент Нарежная Е.В., доцент Аскалепова О.И., доцент Евлашенкова И.В.

Методические указания предназначены для студентов 1 курса заочного отделения биолого-почвенного факультета в качестве учебного пособия при выполнении практических работ и при подготовке к зачету по аналитической химии. Пособие включает практические работы по качественному (часть 1) и количественному (часть 2) анализам с описанием порядка выполнения работ, расчетными формулами и примерами расчета. ПЛАН ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ Занятие 1. Изучение типов реакций, используемых в качественном анализе. Занятие 2. Изучение сульфидной классификации катионов. Занятие 3. Кислотно-основное титрование: 1) Приготовление раствора соляной кислоты; 2) Установление точной концентрации раствора HCl; 3) Определение содержания щелочи в растворе; 4) Определение карбонатной жесткости воды. Занятие 4.Окислительно-восстановительное и комплексонометрическое титрование: 1) Определение концентрации рабочего раствора KMnO4; 2) Определение содержания железа в растворе; 3) Комплексонометрическое определение общей жесткости воды.

КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ Аналитическая химия представляет собой один из разделов химии, т.е. аналитическая химия – это наука, изучающая свойства и процессы превращения веществ с целью установления их химического состава. Установить химический состав вещества означает ответить на вопрос о том, какие химические элементы или их соединения (задача качественного анализа) и в каких именно количественных соотношениях (задача количественного анализа) образуют это вещество. ЗАНЯТИЕ 1 Изучение типов реакций, используемых в качественном анализе Для проведения химического анализа необходимо, чтобы вещество или его составные части обладали химическими или физическими свойствами, называемыми аналитическими свойствами. Аналитическими свойствами веществ могут быть: цвет, запах, способность образовывать осадки, цветные соединения, газы и т.д. Химические реакции, при проведении которых наблюдается аналитический эффект, называются аналитическими химическими реакциями. Аналитическая реакция должна протекать достаточно быстро и должна быть практически необратимой. Для открытия ионов наиболее желательны те реакции, которые не идут с другими ионами, находящимися в растворе (избирательные реакции) и обладают достаточной чувствительностью. Реактивы, применяемые для проведения аналитической реакции, называют аналитическими реагентами, которые могут быть неорганическими или органическими соединениями. По технике выполнения аналитические реакции можно разделить на микрокристаллоскопические, капельные, экстракционные, люминесцентные, реакции окрашивания пламени, реакции выполняемые в пробирках и др.. Рассмотрим основные типы реакций: 1. Микрокристаллоскопические реакции К этому типу относят реакции, в результате которых образуются соединения с характерными формой (обладает определенной симметрией) и

цветом кристаллов, которые рассматривают под микроскопом. Микрокристаллоскопические реакции являются высокочувствительными и специфическими. При проведении таких реакций чаще используют реактивы, имеющие сложный состав, что увеличивает характерность образующихся кристаллов. 1.1. Гексанитритокупрат(ΙΙ) натрия-свинца Na2Pb[Cu(NO2)6] c катионами калия образует кубические кристаллы черного или коричневого цвета: Na2Pb[Cu(NO2)6] + 2 KCl → К2Pb[Cu(NO2)6](тв) + 2 NaCl Выполнение реакции: каплю раствора, содержащего ионы калия, поместите на предметное стекло, и выпарьте его над электроплитой до влажного состояния. После того, как стекло остынет до комнатной температуры, обработайте остаток реактивом гексанитритокупрат(ΙΙ) натрия-свинца. Образование характерных кубических кристаллов наблюдают через 2-3 минуты. При проведении реакции следует иметь в виду, что рН раствора исходной соли должен быть равен 6-7. Этой реакции мешают ионы аммония, образующие с реактивом схожие кристаллы. 1.2. Уранилацетат цинка Zn(UO2)3(CH3COO)8 образует с ионами натрия кристаллы правильной тетраэдрической или октаэдрической формы: Zn(UO2)3(CH3COO)8 + CH3COO¯ + Na+ + 9H2O → →NaZn(UO2)3(CH3COO)9·9H2O(тв) Выполнение реакции: поместите на предметное стекло каплю раствора, содержащего ионы натрия, осторожно выпарьте ее до влажного состояния. Охлажденный остаток обработайте каплей раствора уранилацетата. Через 2-3 минуты рассмотрите под микроскопом образовавшиеся кристаллы натрийцинкуранилацетата. Реакция должна проводиться в слабокислой среде. Обнаружению Na+ мешает присутствие больших количеств таких ионов как: NH4+, K+ и др., влияние которых можно устранить разбавлением исследуемого раствора.

1.3. Серная кислота H2SO4 образует с ионами кальция в разбавленных растворах характерные игольчатые кристаллы: CaCl2 + H2SO4 + 2H2O → CaSO4·2H2O (тв) + 2HCl Выполнение реакции: одну каплю раствора, содержащего ионы кальция, поместите на предметное стекло, добавьте каплю 1М раствора серной кислоты и осторожно нагрейте над плитой до появления белой каймы. По краям капли образуются игольчатые кристаллы гипса в виде пучков или звездочек. Рассмотрите их под микроскопом. Следует иметь в виду, что проведению реакции мешает присутствие в растворе катионов Ва2+, Pb2+ и Sr2+ , влияние которых можно устранить осаждением серной кислотой (растворимость сульфатом этих катионов намного меньше растворимости сульфата кальция). 2. Капельные реакции Реакция в капельном анализе чаще всего проводится на поверхности пористого материала (фильтровальная бумага) или на часовом стекле, куда поочередно капают каплю анализируемого раствора и каплю реактива. При этом появляется окрашенное пятно. В качестве реактивов чаще используются растворы органических соединений, которые дают с обнаруживаемым ионом осадки или растворимые соединения, обладающие специфической окраской. 2.1. Родизонат натрия Na2C6O6 образует с солями бария и стронция краснобурые осадки родизонатов бария и стронция: O

O

O

ONa

O

ONa O

Sr2+ -2Na+

O

O

O

O

O

Sr

O

O

O

O

Ba ONa

O O

Ba2+

O

O

O

O

ONa O

Ba

HCl

O

O

O

OH

O

O

O

O

HO

O O

Родизонат стронция растворим в кислотах, а родизонат бария в солянокислой среде переходит в красный гидрородизонат. Выполнение реакции: на два кусочка фильтровальной бумаги нанести по 1 капле нейтральных растворов, содержащих ионы бария и стронция, соответственно. Влажные пятна обработать каплей раствора родизоната натрия. Появившиеся красно-бурые пятна обработать каплей 2М раствора HCl (или парами HCl). Пятно родизоната стронция обесцветилось, а родизоната бария – покраснело. В присутствии хромат-ионов реакция образования родизоната бария не получается, так как ионы Ba2+ полностью связываются в малорастворимый хромат бария, в отличие от ионов Sr2+. 2.2. Ализарин образует с ионами алюминия в щелочной среде ярко-красный осадок (алюминиевый лак): HO O

OH OH

Al(OH)3

OH

Al O

O OH

+ -H2O

O

O

Выполнение реакции: на полоску фильтровальной бумаги наносят каплю раствора K4[Fe(CN)6]. В центр этого влажного пятна помещают каплю исследуемого раствора, содержащего ионы алюминия. Затем наносят в центр пятна каплю дистиллированной воды (для нанесения капель используйте тонкие капилляры, чтобы пятно получалось компактным). Бумагу помещают над отверстием склянки с концентрированным раствором аммиака, после чего пятно по периферии обводят капилляром с раствором ализарина и снова обрабатывают парами аммиака. Появляется розовое окрашивание ализарина-

та алюминия на фоне фиолетовой окраски, которую дает ализарин в щелочной среде (при высушивании бумаги фиолетовая окраска исчезает). Реакцию с ализарином дают многое катионы, поэтому для обнаружения Al3+ на фоне других катионов используют K4[Fe(CN)6], который связывает мешающие катионы в малорастворимые гексацианоферраты, остающиеся в центре пятна. 2.3. Дитизон образует с ионами цинка в щелочной среде красный дитизонат цинка: C 6H 5

N=N C6H5 Zn2+ + S C

-2H+ NH

NH

NH

C

C 6H 5 C 6H 5

Zn

N

N= N

S

S

N

NH

C 6H 5

C N=N

C 6H 5

Выполнение реакции: 2-3 капель исследуемого раствора помещают в пробирку, добавляют 2-3 капли 2М раствора NaOH и обрабатывают небольшим количеством твердой перекиси натрия. После прекращения бурной реакции каплю полученной смеси наносят капилляром на полоску фильтровальной бумаги. Кончик капилляра не отнимают до тех пор, пока вокруг осадка не появится водянистая зона шириной в несколько миллиметров. Затем влажное пятно обводят по периферии капилляром с раствором дитизона в CCl4. По периферии появляется характерное малиново-красное кольцо. 2.4. Металлическая медь Cu (Al, Zn, Fe и др.) восстанавливают ионы ртути(II) до металлической ртути: Cu + Hg2+ → Cu2+ + Hg Выполнение реакции: поместите несколько капель слегка подкисленного раствора соли Hg2+ в центр медной пластинки. Слегка нагрейте пластинку (реакцию проводите под тягой!). На пластинке через 4-5 минут образуется черное пятно, при потирании которого появляется серебристый налет амальгамы меди.

Медную пластинку предварительно обработать азотной кислотой и начистить до блеска. Проведению реакции мешают Ag+, Bi3+, Hg22+, Sb(III). 2.5. Гексацианоферрат(II) калия K4[Fe(CN)6] в присутствии NH4Cl (при рН>7) взаимодействует с ионами Сa2+ с образованием белого кристаллического осадка сложного состава: Ca2+ + [Fe(CN)6]4⎯ + NH4+ + K+ → KNH4Ca[Fe(CN)6]↓ Выполнение реакции: на часовое стекло поместите 1 каплю раствора, содержащего ионы Cа2+, добавьте 1-2 капли раствора NH4Cl и обработайте 2 каплями раствора K4[Fe(CN)6]. Помутнение или появление кристаллического осадка указывает на присутствие ионов кальция (аналитический эффект будет четче если часовое стекло поместить на черную бумагу). Проведению реакции мешают ионы Ba2+ и Mg2+. 3. Реакции, проводимые в объеме раствора в пробирке Многие реакции обнаружения проводятся в объеме раствора в пробирках. В основе таких реакций лежат реакции образования осадков (цветные и белые), комплексных соединений (растворимые и нерастворимые), окислительно-восстановительные и газо-выделительные реакции. В качестве аналитических реагентов используются неорганические и органические соединения. Для выполнения реакции в пробирку помещают 3-5 капель исследуемого раствора, несколько капель вспомогательных реактивов (растворы кислот, оснований; буферный раствор или растворы маскирующих агентов) для создания оптимальных условий проведения реакции и 2-3 капли раствора аналитического реагента (или несколько кристаллов сухого вещества), при необходимости раствор нагревают. 3.1. Реакции с образованием осадков 3.1.1. Гидрофосфат натрия Na2HPO4 образует с катионом Mg2+ в присутствии раствора аммиака белый кристаллический осадок магний-аммоний фосфата:

Mg2+ + HPO42⎯ + NH3 → MgNH4PO4↓ Выполнение реакции: 3-4 капли раствора, содержащего ионы магния, смешайте с 3-4 каплями 2М раствора HCl и 3-5 каплями раствора Na2HPO4, раствор перемешать. К полученному раствору по каплям добавлять 2М раствор NH3, перемешивая раствор после каждой капли (до появления явного запаха аммиака). После окончания реакции выпадает характерный кристаллический осадок - фосфат магния-аммония MgNH4PO4. Катионы всех аналитических групп, кроме первой, могут мешать проведению реакции. 3.1.2. Оксалат аммония (NH4)2C2O4 образует с катионом кальция белый кристаллический осадок: Ca2+ + C2O42- → CaC2O4↓ Выполнение реакции: в пробирку к 3 каплям раствора, содержащего ионы кальция, добавьте 2-3 капли раствора (NH4)2C2O4. Выпадает белый кристаллический осадок. Проведению реакции мешают ионы бария и стронция, дающие аналогичные осадки, которые (в отличие от оксалата кальция) растворимы в уксусной кислоте. 3.1.3. Бихромат калия K2Cr2O7 дает с катионом бария в ацетатном буферном растворе желтый осадок хромата бария: 2Ba2+ + Cr2O72⎯ + 2CH3COO⎯ + H2O → 2BaCrO4↓ + 2CH3COOH Хромат калия K2CrO4 и бихромат калия K2Cr2O7 также образуют с катионами свинца малорастворимый хромат свинца желтого цвета: Pb2+ + CrO42− → PbCrO4↓ Хромат свинца растворим в гидроксидах (в отличие от хромата бария), но нерастворим в уксусной кислоте. Выполнение реакции: в две пробирки поместите по 3-4 капли растворов, содержащих ионы бария и свинца, соответственно; 3-4 капли ацетатного

буферного раствора (CH3COOH и CH3COONa) с рН 4-5, после перемешивания добавьте 3 капли раствора K2Cr2O7. После нагревания на водяной бане выпадают желтые осадки соответствующих хроматов. Ионы кальция и стронция в этих условиях (рН