Связь аналитической химии с другими науками

Для возможно более полного осаждения употребляют избыток осадителя.  
Например, осаждаем соль BaCO3: BaCl2 + Na2CO3 = BaCO3¯ + 2NaCl. После прибавления эквивалентного количества Na2CO3 в растворе остаются ионы Ba2+, концентрация которых обусловлена величиной ПР.  
Повышение концентрации ионов CO32-, вызванное прибавлением избытка осадителя (Na2CO3), повлечет за собой соответственное уменьшение концентрации ионов Ba2+ в растворе, т.е. увеличит полноту осаждения этого иона.  
Влияние одноименного иона

Растворимость труднорастворимых электролитов понижается в присутствии других сильных электролитов, имеющих одноименные ионы. Если к ненасыщенному раствору BaSO4 понемногу прибавлять раствор Na2SO4, то ионное произведение, которое было сначала меньше ПРBaSO4 (1,1·10-10), постепенно достигнет ПР и превысит его. Начнется выпадение осадка.

Влияние температуры

ПР является постоянной величиной при постоянной температуре. С увеличением температуры ПР возрастает, поэтому осаждение лучше проводить из охлажденных растворов.  
Растворение осадков

Правило произведения растворимости важно для переведения труднорастворимых осадков в раствор. Предположим, что надо растворить осадок BaСO3. Раствор, соприкасающийся с этим осадком, насыщен относительно BaСO3.

Это означает, что [Ba2+] · [CO32-] = ПРBaCO3.

Если добавить в раствор кислоту, то ионы H+ свяжут имеющиеся в растворе ионы CO32- в молекулы непрочной угольной кислоты:  
2H+ + CO32- ® H2CO3 = H2O + CO2

Вследствие этого резко снизится концентрация иона CO32- , ионное произведение станет меньше величины ПРBaCO3. Раствор окажется ненасыщенным относительно BaСO3 и часть осадка BaСO3 перейдет в раствор. При добавлении достаточного количества кислоты можно весь осадок перевести в раствор. Следовательно, растворение осадка начинается тогда, когда по какой-либо причине ионное произведение малорастворимого электролита становится меньше величины ПР. Для того, чтобы растворить осадок, в раствор вводят такой электролит, ионы которого могут образовывать малодиссоциированное соединение с одним из ионов труднорастворимого электролита. Этим объясняется растворение труднорастворимых гидроксидов в кислотах  
Fe(OH)3 + 3HCl = FeCl3 + 3H2O 

Ионы OH- связываются в малодиссоциированные молекулы H2O. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ситуационные задачи

2. Написать константу химического равновесия для реакции

 2H2S+3O2↔ 2 H2O+2SO2

Кс = [H2O]2 · [SO2]2 / [ H2S]2 ·[ O2]3

6. В какую сторону  сдвинется состояние равновесия, если снизить давление:

2SO2+O2 ↔2SO3 ( ← )

10. В какую сторону  сдвинется состояние равновесия, если снизить давление, для уравнения:

4NH3+3O2↔2N2+6H2O – Q  ( ← )

14. Написать уравнение  диссоциации K2S; Na2CO3

K2S ↔ 2К+ + S2-

Na2CO3 ↔ 2 Na+ + CO32-

18. Написать уравнение  диссоциации NaHCO3; Mn(OH)NO3

NaHCO3 ↔ Na+ + HCO3-

Mn(OH)NO3 ↔ Mn(OH)- + NO3+

22. Как измениться степень диссоциации цианистоводородной кислоты, если к ее раствору прибавить цианид калия?

 Степень диссоциации уменьшиться.

26. Написать в ионной  форме уравнение реакции:

 BaCl2 +Na2SO4→ BaSO4+2NaCl

Ba2+ +2Cl- + 2Na+ + SO42- → Ba2+ + SO42- + 2Na+ + 2Cl-

30. Написать в ионной форме уравнение реакции: Fe(OH)2+2HCl→FeCl2+2H2O

Fe2+ + 2OH- + 2H+ +2Cl-→ Fe2+ +2Cl- + 2H+ +2OН-

34. Какой раствор необходимо  добавить, чтобы понизить растворимость CaCO3?

 

 

38. Какова концентрация  ионов Н+ в щелочных растворах?

Концентрация ионов Н+ в щелочных растворах >1 · 107 (1· 108-1 ·1013)

42. Чему равна [Н+] раствора, если  [ОН-]=10-12

[Н+]=10 -14/ [ОН-] = 10 -14/10-12 = 10-2

46. рН раствора равен 4,0. Чему равен рОН?

рОН = 14,0 - рН = 14,0 – 4,0 = 10,0

50. Какова среда в растворе  солей: Mn (NO3)2 ; AlCl3

Mn (NO3)2

AlCl3

54. Какова среда в растворе  солей: NH4NO3 ; (CH3COO)2 Ba

NH4NO3

(CH3COO)2 Ba

 

 

 

 

Задачи на расчет концентрации растворов

2. В каком объеме 0,1М  раствора серной кислоты содержится 2, 452 г серной кислоты?

Дано:

m (Н2SO4) = 2,452г

М = 0,1 м

Найти:

V (р-ра) = ?

 

Решение:

 

M(Н2SO4)= 2·1 +32 + 16·4 = 98

mэ (Н2SO4) = 98  = 49 г    0,1Э = 0,1м = 4,9 г.

                      1·2

1000 мл – 4,9 г

Х мл – 2,452г

Х = 1000·2,452= 500,4мл

              4,9

Ответ: V (р-ра) = 500,4мл

 

6.Сколько миллилитров концентрированной серной кислоты (96%, d=1,84) потребуется для приготовления 2 л 0,01 н. раствора?

Дано:

m (H2SO4)=96%

Р (H2SO4)=1,84 г/мл

V (р-ра)=2 л

Сн (р-ра)=0,01 н

Найти:

V (H2SO4)=?

 

Решение:

1). Рассчитаем сколько г кислоты содержится  в 0,05 растворе

МH2SO4=98    мэ=     м(H2SO4 в 0,01 н) = 49·0,01=0,49 г

2). Рассчитаем сколько г H2SO4 содержится в 2 л 0,01 н раствора  H2SO4

1 л р-ра  ____ 0,49  г H2SO4     2 л ______х г H2SO4   х=0,49·2=0,98г

3). Найдем какая масса 96% H2SO4 содержит 0,98 г H2SO4

100 г р-ра 96 г H2SO4     у г __0,98 г         у=100·0,98:96=1,02 г.

 

4). Найдем необходимый объем H2SO4

V=     V= 1,02 : 1,84 = 0,55 мл

5). Найдем объем H2O:  V (H2O)=2000-0,55=1999,5 мл или 1,9995 л

 

Ответ: V (H2SO4)=0,55 мл, V (H2O)=1,9995 л

 

10. Вычислите   процентную   концентрацию    2,8  н.   раствора  соляной кислоты (d=1,04).

Дано:

NНСI =2,8н

d=1,04

Найти:

СНСI = ?%

 

Решение:

М НСI = 36,5г

Э НСI = 36,5г

С = Э·N/ d·10

С = 36,5 · 2,8 / 1,04 · 10 = 9,82%

 

Ответ: СНСI =9,82%

 

14. Какова молярная  концентрация 0,5 н. раствора сульфата  меди?

Дано:

N (CuSO4) = 0,5н

Найти:

М (CuSO4) = ? моль

 

Решение:

М = N·Э/m

Э(CuSO4) = (63,5 + 32 + 16·4) / 2 = 159,5 / 2 = 79,75

М(CuSO4) = 0,5 · 79,75/159,5 = 0,25 моль

 

Ответ: М (CuSO4) = 0,25 моль.

 

18. Сколько граммов хлорида калия и сколько воды нужно взять, чтобы приготовить:  500 г 3% раствора

Дано:

m(р-ра) = 500г

С (р-ра) =3%

 

Найти:

m(KCI) = ?

m(H2O) = ?

 

Решение:

100г р-ра содержит 3г  в-ва

500г р-ра содержит  Хг в-ва

Х= 500·3:100 = 15г

 

m(H2O)= m(р-ра) - m(в-ва)

m(H2O)= 500-15 = 485г

 

Ответ: m(KCI) = 15г, m(H2O) = 485г.

 

22. Сколько граммов соли CuSO4 ·5H2O и сколько воды нужно взять для приготовления 200 г. 8% раствора сульфата меди?

Дано:

m(р-ра) = 200г

W(р-ра) = 8%

 

Найти:

m (CuSO4) = ?

m(H2O) = ?

 

Решение:

Для безводной соли:

100г р-ра содержит 8г в-ва

500г р-ра содержит Хг в-ва

Х = 500·8: 100 = 40г

 

М(CuSO4)= 223г

М(CuSO4·5 H2O) = 313г

 

313г CuSO4·5 H2O содержит 223г CuSO4

Уг CuSO4·5 H2O содержит 40г CuSO4

У= 313·40:223= 56,14г

 

m(H2O)= m(р-ра) - m(в-ва)

m(H2O)= 200 – 56,14 = 143,86г

 

Ответ: m (CuSO4) = 56,14г, m(H2O) = 143,86г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Раздел 2. Качественный анализ

2. Классификация  методов качественного анализа по количеству реагентов

Методы анализа в зависимости от количества исследуемого вещества, объема раствора и техники выполнения классифицируют на макро-, полумикро-, микро-, ультра, микро-, субмикро- и субультрамикрометоды. В таблице представлены массы анализируемых веществ и объемы растворов, необходимые для проведения анализа каждым из этих методов. В этой же таблице представлены новая классификация и номенклатура методов анализа, принятая секцией аналитической химии ИЮПАК (Международный союз теоретической и прикладной химии).

 

Классификация методов анализа по массе и объему взятого для анализа вещества

Название	Новое название	Масса и объем исследуемого вещества
		г	мл
Макроанализ Полумикроанализ Микроанализ Ультрамикроанализ Субмикроанализ Субультрамикроанализ	Грамм-метод Сантиграмм-метод Миллиграмм-метод Микрограмм-метод Нанограмм-метод Пикограмм-метод	1- 10 0,05 - 0,5 10-6 – 10-3 10-9 – 10-6 10-12 – 10-9 10-12	1-100 1-10 10-4 – 10-1 10-6 – 10-4 10-10 – 10-7 10-10

 

 

Метод анализа выбирают в зависимости от предполагаемого содержания вещества и от предела обнаружения применяемой реакции.

В настоящее время при изучении качественного химического анализа в учебных лабораториях применяется полумикрометод (полумикроанализ).

 

6. Дробный и систематический  анализы

 

Классический качественный анализ основан на применении качественных аналитических реакций, т.е. химических реакций, сопровождающихся определенным внешним эффектом (выпадением или растворением осадка, выделением газа, изменением окраски раствора), например:

Сu2+ + 4NН3 = [Сu(NН3)4]2+. 
Голубой раствор Ярко-синий раствор

Важными характеристиками аналитических реакций являются их чувствительность и специфичность.

Чувствительность реакции характеризуется минимальным количеством определяемого компонента или минимальной его концентрацией в растворе, при которых с помощью данного реагента этот компонент может быть обнаружен.

Предельная концентрация Сmin - это минимальная концентрация вещества в растворе, при которой данная реакция еще дает положительный результат. Предельное разбавление G - величина, обратная предельной концентрации. Предельную концентрацию выражают отношением 1: G, которое показывает, в какой массе растворителя должна содержаться одна массовая часть вещества, чтобы внешний эффект был еще заметен. Например, для реакции Сu2+ с аммиаком предельное разбавление равно 250 000 и предельная концентрация 1:250 000, что означает возможность открыть ионы меди в растворе, содержащем 1 г Сu2+ в 250 000 г воды. Реакция считается тем чувствительнее, чем больше предельное разбавление.

Чувствительность реакции зависит от многих условий: кислотности среды, температуры, ионной силы раствора и других, поэтому каждую аналитическую реакцию следует проводить в строго определенных условиях. Если не соблюдать требуемых условий, то реакция может или совсем не пойти, или пойти в нежелательном направлении.

Аналитическая реакция, свойственная только данному иону, называется специфической реакцией. Это, например, реакция обнаружения иона NH4+ действием щелочи в газовой камере, синее окрашивание крахмала при действии йода и некоторые другие реакции. При наличии специфических реакций можно было бы открыть любой ион непосредственно в пробе исследуемой смеси, независимо от присутствия в ней других ионов. Открытие ионов специфическими реакциями в отдельных пробах всего исследуемого раствора в произвольно выбранной последовательности называется дробным анализом.

Отсутствие специфических реакций для большинства ионов делает невозможным проведение качественного анализа сложных смесей дробным методом. Для таких случаев разработан систематический анализ. Он состоит в том, что смесь ионов с помощью особых групповых реагентов предварительно разделяют на отдельные группы. Из этих групп каждый ион выделяют в строго определенной последовательности, а потом уже открывают характерной для него аналитической реакцией.

Реактивы, позволяющие в определенных условиях разделять ионы на аналитические группы, называются групповыми реагентами (реактивами). В основе использования групповых реагентов лежит избирательность их действия. В отличие от специфических избирательные (или селективные) реакции проходят с несколькими ионами или веществами. Например, С1~-ионы образуют осадки с катионами А&+, Н§2+ и РЬ2+, следовательно, эта реакция является селективной для указанных ионов, а соляная кислота НС1 может использоваться в качестве группового реагента аналитической группы, включающей эти катионы.

Применение групповых реагентов представляет большие удобства при исследовании состава сложных смесей, так как при этом сложная задача анализа распадается на ряд более простых. Если либо группа полностью отсутствует, ее групповой реагент не даст с анализируемым раствором ожидаемого осадка. В этом случае нет смысла проводить реакции на отдельные ионы этой группы.

Дробный анализ. Для обнаружения индивидуальных ионов берут отдельную порцию исследуемого раствора и приливают к нему при определенных условиях реактив, специфически реагирующий с обнаруживаемыми ионами. Применяя специфические реакции и используя отдельные порции исходного раствора, можно обнаружить ограниченное число ионов, так как для открытия отдельных ионов не всегда удается подобрать специальный реактив, который дает характерный осадок или окрашивание только с определенными ионами. Задача значительно затрудняется в присутствии посторонних ионов, которые могут давать аналогичные  продукты реакции или вызывать другие затруднения в процессе анализа. Особенно усложняется анализ в тех случаях, когда концентрация посторонних ионов значительно превышает концентрацию обнаруживаемых ионов. Поэтому очень часто при анализе сложных смесей из отдельных порций исследуемого раствора предварительно выделяют искомые ионы, а затем с помощью характерных реакций доказывают их присутствие.

Метод анализа, основанный на применении реакций, при которых можно в любой последовательности обнаруживать искомые ионы в отдельных порциях исходного раствора, не прибегая к определенной схеме систематического хода обнаружения ионов, называют дробным анализом.

Метод заключается в том, что отдельные небольшие пробы исследуемого раствора обрабатывают такими реактивами (или смесями нескольких реактивов), чтобы устранить влияние всех ионов, мешающих открытию искомых ионов. Например, осаждают мешающие ионы в виде малорастворимых осадков. Выпавший осадок отфильтровывают и в фильтрате открывают искомые ионы при помощи характерных реакций. При этом порядок обнаружения катионов или анионов не имеет особого значения. При дробном анализе в первую очередь используют высокочувствительные специфические реактивы, позволяющие открывать данный ион в присутствии других. Такой метод не требует много времени и позволяет открывать те или иные ионы, минуя длительные операции последовательного отделения одних ионов от других. Дробный анализ дает возможность быстро определять ограниченное число (от одного до пяти) ионов, содержащихся в смеси состав, который приблизительно известен. В этом случае нет необходимости в полном качественном анализе исследуемого образца, требуется лишь установить присутствие или отсутствие в нем определенных компонентов.