Якісний аналіз
Предмет, задачі та методи якісного аналізу Методи визначення складу речовини, що ґрунтуються на використанні їх хімічних властивостей, називаються хімічними методами. Методи аналізу, за допомогою яких можна визначити склад досліджуваних речовин без використання хімічних реакцій, називаються фізичними методами аналізу. Ці методи ґрунтуються на вивченні оптичних, електричних, магнітних, теплових та інших фізичних властивостей речовин. До фізичних методів відносяться: спектральний, люмінесцентний, рентгеноструктурний, мас-спектрометричний та ін. Хімічні методи якісного аналізу Якісний хімічний аналіз більшою частиною ґрунтується на перетворенні речовини, яка аналізується, у яку-небудь нову сполуку, що володіє характерними властивостями: кольором, певним фізичним станом, кристалічною або аморфною структурою, специфічним запахом та ін. Хімічне перетворення, що відбувається при цьому, називається якісною аналітичною реакцією, а речовини, які викликають це перетворення, називають реактивами (реагентами). Для виявлення окремих елементів використовуються прості та зручні методи аналізу, що ґрунтуються на хімічних реакціях, які характерні для елементів, йонів даних елементів, груп атомів, і які відбуваються за певних умов. Аналітичними ознаками можуть бути: – утворення характерних осадів та газів; – певна розчинність у воді, кислотах, лугах, органічних розчинниках; – відношення до нагрівання; – дія окисників та відновників; – відношення до концентрованої сульфатної кислоти; – утворення кристалів певної форми; – зміна кольору розчину; – забарвлення безбарвного полум’я пальника. Реакції, що використовуються в якісному аналізі, можна поділити на наступні групи: 1. Реакції осадження. Осади можуть відрізнятися певною кристалічною структурою, розчинністю в кислотах, лугах, амоніаку, кольором. 2. Реакції, що супроводжуються утворенням газів, які володіють відомим запахом, розчинністю. 3. Реакції, що супроводжуються утворенням слабких електролітів. До таких реакцій відносяться реакції, в результаті яких утворюються: оцтова кислота (CH3COOH), фторидна кислота (HF), амоній гідроксид (NH4OH), ферум (ІІІ) роданід (Fe(SCN)3) та ін., реакції нейтралізації. 4. Реакції комплексоутворення. 5. Реакції окиснення-відновлення. Реакції, що використовують в якісному аналізі, частіш за всього проводять у розчинах. Речовину, що аналізують, спочатку розчиняють (у воді, оцтовій кислоті і мінеральних кислотах, царській горілці, водному розчині амоніаку, органічних розчинниках). Речовину, що знаходиться у розчині піддають систематичному аналізу. Систематичний аналіз складається з ряду попередніх проб та послідовно виконаних операцій. Хімічний аналіз досліджуваних речовин у розчині називають аналізом мокрим шляхом. У деяких випадках речовини аналізують сухим шляхом без переведення їх у розчин. Макро-, полумікро- та мікрометоди В залежності від кількості речовини, що аналізується, об’єму розчину та техніки виконання окремих операцій, хімічні методи якісного аналізу розділяють на: макро-, полумікро-, мікро- та ультрамікрометоди та ін. (табл. 3.1). Таблиця 3.1 – Методи якісного аналізу
Специфічність та чутливість реакцій Особливе значення у якісному аналізі мають специфічні реакції. Специфічними реакціями (або реактивами) називають реакції (або реактиви), за допомогою яких можна в певних умовах виявити одні йони або речовини у присутності інших йонів або речовин за специфічною зміною кольору, утворенню характерного осаду, виділенню газу та ін. Наприклад, нікол-іони можна виявити по утворенню рожево-червоного осаду при додаванні диметилгліоксиму. Чутливість реакції визначається найменшою кількістю досліджуваної речовини, яка може бути виявлена даним реактивом у краплі розчину (0, 01-0, 03 см3). Чутливість реакції виражають рядом взаємопов’язаних величин: мінімум, що відкривається; мінімальна (гранична) концентрація; граничне розведення. Мінімум, що відкривається, – це найменша кількість речовини, що міститься у досліджуваному розчині, яка відкривається даним реактивом за певних умов виконання реакції. Величина мінімуму, що відкривається, дуже мала, вона складає мільйоні частки грама. Мінімальна концентрація показує при якій найменшій концентрації розчину дана реакція дозволяє однозначно відкрити речовину, яку знаходять, у невеликій порції (в одній краплі) аналізованого розчину. Граничне розведення виражають граничним числом мілілітрів водного розчину, який містить 1 г аналізованої речовини, яку ще можна відкрити за допомогою даної реакції. Граничне розведення є величина обернена граничній концентрації. Можливість виявлення тієї чи іншої речовини обмежена концентрацією її розчину. Кращою аналітичною реакцією слід вважати таку, яка дає можливість виявляти не абсолютно малі, а відносно малі кількості речовини. Аналітична реакція тим більш чутлива, чим менший мінімум, що відкривається, чим менша мінімальна концентрація аналізованого розчину, чим більше граничне розведення. Способи підвищення чутливості реакцій На чутливість реакції впливають різні фактори, тому для хіміка-аналітика велике значення мають способи підвищення чутливості реакції. Так як чутливість реакції обумовлена мінімумом, що відкривається, мінімальною концентрацією та граничним розведенням, тобто зв’язана з концентрацією речовини, що відкривається, то підвищення чутливості реакції в першу чергу може бути досягнута в результаті підвищення концентрації даної речовини у розчині. Підвищити чутливість реакції можна, використовуючи хімічно чисті реактиви, вільні від яких-небудь домішок, а також попереднім відокремленням або маскуванням сторонніх йонів або молекул, які заважають реакції. Для цього використовують випаровування розчинів, попереднє осадження у вигляді малорозчинної сполуки з наступним розчиненням його у відповідному розчиннику, екстракцію сполук органічними розчинниками, відгонку, вибірну адсорбцію та ін. Речовини, що перетворюють сполуки, які досліджуються, у речовини, з характерними властивостями, називаються хімічними реактивами. В залежності від складу реактиви можуть бути неорганічними та органічними. За ступенем чистоти реактиви розрізняють на “хімічно чисті” (х. ч.), “чисті для аналізу” (ч. д. а.), “чисті” (ч.) і “технічні” (т), які використовують в лабораторіях та на виробництві. Для більшості аналізів, які проводяться в аналітичних лабораторіях, цілком придатні реактиві “чисті для аналізу”. Найменша кількість домішок міститься в реактивах марці “хімічно чисті”, які використовуються для точних аналітичних дослідів. Реактиви, що використовують в аналітичних лабораторіях, підрозділяють на специфічні, вибірні, або селективні та групові. Вимоги до реактивів: а) чистота; б) чутливість; в) специфічність. Якісний аналіз неорганічних речовин В якісному аналізі неорганічних речовин розрізняють загальні та окремі аналітичні реакції. Загальними реакціями називаються реакції, у яких реактив реагує з декілька йонами. Наприклад, загальною реакцією для Ca2+, Sr2+, Ba2+ є їх взаємодія з SO42-, з яким вони утворюють білі кристалічні осади CaSO4, SrSO4, BaSO4. Загальні реакції дозволяють виявити наявність або відсутність певної групи йонів. Тому їх ще називають груповими. Окремими реакціями називають реакції, у яких різні реактиви утворюють характерні сполуки з певними йонами. Окремі реакції характерні для даного йона. В якісному аналізі поділяють реакції на виявлення або відкриття йонів і реакції розділення. Реакція Fe3+ з K4[Fe(CN)6] є прикладом реакції виявлення. Реакції, за допомогою яких відокремлюють певні йони від інших, називають реакціями розділення. Дуже часто реакції виявлення є також реакціями розділення. Реакції розділення повинні задовольняти головну умову: вони повинні практично повно відокремлювати одні йони від інших. Специфічні реакції призначаються для виявлення досліджуваних йонів у присутності інших йонів. Вибірні або селективні реактиви реагують з обмеженим числом індивідуальних йонів, які інколи належать до різних груп. Групові реактиви – реагують з цілою групою йонів. У досліджуваному розчині можуть бути присутні декілька йонів. Причому більшість катіонів дають подібні реакції і заважають відкриттю один одному. Звідси виходить, що неможливо проводити реакції на окремі йони у довільно вибраній послідовності. Їх треба комбінувати таким чином, щоб до того часу, коли аналітик приступає до відкриття якого-небудь йона, усі йони, що заважають досліду, були б відокремлені. Послідовність реакцій, яка задовольняє цим вимогам, називається систематичним шляхом аналізу, при якому катіони відокремлюють не по одному, а цілими групами. Використання групових реагентів і осадження елементів цілими групами має велике значення, так як складна задача аналізу катіонів або аніонів розділяється на ряд більш простих задач. Крім того, якщо яка-небудь група катіонів відсутня, то груповий реагент вкаже на це. У багатьох випадках використання групових реагентів позв’язано з тривалими операціями осадження, фільтрування, промивання осадів, повторного розчинення і так далі, що займає багато часу. Тому нині більше уваги приділяють дробним реакціям, а саме таким реакціям, за допомогою яких можна виявити йон, що досліджуються, у присутності інших йонів. Для проведення дробних реакцій необхідні специфічні реагенти. Дробний аналіз вигідно відрізняється від систематичного аналізу швидкістю виконання. В якісному аналізі неорганічних речовин переважно досліджують розчини солей, кислот та основ, які у водних розчинах знаходяться у дисоційованому стані. Тому хімічний аналіз водних розчинів електролітів зводиться до відкриття окремих йонів (катіонів та аніонів), а не елементів та їх сполук. Для зручності виявлення йони поділяють на аналітичні групи. Класифікація катіонів та аніонів за аналітичними групами ґрунтується на відношенні йонів до дії реактивів, на схожості та відмінності розчинності деяких сполук, які вони утворюють, і на інших ознаках. В основі сульфідної системи якісного аналізу лежить розчинність сульфідів, хлоридів та карбонатів. На підставі різної їх розчинності катіони елементів розділяють на п’ять аналітичних груп. За кислотно-лужною системою аналізу катіонів (яку будемо розглядати більш детально), катіони металів на підставі їх відношення до хлоридної та сульфатної кислот, до розчинів лугів і амоніаку розділяють на шість аналітичних груп (табл. 3.2, 3.3) Таблиця 3.2 – Розподіл катіонів на аналітичні групи
Таблиця 3.3 – Реакції виявлення катіонів
Позитивне в цій системі – використання характерних властивостей елементів: відношення їх до кислот та лугів, амфотерність гідроксидів та здатність елементів до комплексоутворення. Аналітичні групи катіонів кислотно-лужної системи у більшості відповідають групам періодичної системи Д.І. Менделєєва і лише частково являють собою сполуки катіонів, які належать до різних груп. Негативні сторони: кислотно-лужна система ще недостатньо розроблена. Загальноприйнятої класифікації аніонів не існує. Найчастіше використовується класифікація, за якою усі аніони поділяють на три аналітичні групи в залежності від розчинності їх солей Барію та Аргентуму (табл. 3.4, 3.5). Таблиця 3.4 – Розподіл аніонів на аналітичні групи
Якісний аналіз органічних речовин Належність органічних речовин до певних класів встановлюється функціональним аналізом, їх чистота – хроматографією, будова – усіма існуючими фізико-хімічними методами. Якісний елементний аналіз дозволяє визначити, з атомів яких елементів побудовані молекули органічної речовини; кількісний елементний аналіз встановлює елементний склад сполуки та емпіричну формулу. При виконанні елементного аналізу органічні речовини “мінералізують” і подальше визначення проводять звичайними методами аналітичної хімії. У функціональному аналізі використовують хімічні, фізичні та фізико-хімічні методи. Таблиця 3.5 – Реакції виявлення аніонів
Для якісних проб на характеристичні (функціональні) групи вибирають реакції при яких відбувається зміна забарвлення або розподіл фаз (випадання осаду, виділення газу). Велике значення при цьому має вибірковість та чутливість реакцій. Реакцій, що характерні тільки для якої-небудь одної функціональної групи, відомо небагато, і для того, щоб встановити, до якого класу сполук відноситься дана речовина, необхідно проробити декілька якісних реакцій. Висновок, що зроблений на основі якісних проб та фізико-хімічних даних, звичайно підтверджують одержанням похідних. Одержання похідних – важливий етап в аналізі органічних сполук. Кожному представнику даного класу сполук відповідає похідне з певною температурою плавлення. За температурою плавлення похідного можна зробити висновок про будову відповідної до нього речовини, якщо вона була раніше описана. Ідентифікація органічних сполук звичайно проводиться порівнянням фізико-хімічних констант (температури плавлення, температури кипіння, коефіцієнта заломлення, густини), хроматограм або спектрів речовин з табличними константами, хроматограмами та спектрами еталонів. Для ідентифікації рідин використовують порівняння температур кипіння, коефіцієнтів заломлення та густини з табличними. Так як температура кипіння залежить від тиску, а густина – від температури, порівнювати треба тільки константи, що одержані за однакових умов. Ідентифікація твердих речовин проводиться за температурами плавлення. Для того щоб висновок, зроблений на основі збігання констант, був надійним, необхідно провести проби на функціональні групи і одержати похідне препарату, що ідентифікують, з чіткою температурою плавлення (табл. 3.6). Таблиця 3.6 – Реакції виявлення органічних сполук
Задача встановлення будови карбонового скелету (гетероциклічного ядра) та положення характеристичних груп вирішується за допомогою деструктивного окиснення, озонування, гідрування, ароматизації т. ін., мета яких перетворити невідому сполуку у відомі або більш прості, а також за допомогою фізико-хімічних методів дослідження.
|
