Лекции Аналитическая химия, ее задачи и методы. Виды анализа. Этапы анализа

1. 
   Аналитическая химия, ее задачи и методы. Виды анализа. Этапы
   

2, 3. Титриметрические методы анализа. Кислотно-основное равновесие.

Кислотно-основное титрование.

4, 5. Комплексные соединения в аналитической химии. Органические

реагенты. Комплексонометрическое титрование.

6, 7. Равновесие в окислительно-восстановительных системах.

Окислительно-восстановительное титрование. Скорость реакций в

аналитической химии.

8, 9. Равновесие в системе осадок   раствор. Образование осадков. Виды

загрязнений осадков. Гравиметрические методы анализа.

10. Методы разделения и концентрирования. Осаждение и экстракция.

11. Пробоотбор и пробоподготовка.

12, 13. Метрологические основы аналитической химии.
Темы семинарских занятий
1, 2. Равновесие в гомогенных системах. Кислотно-основное равновесие.

3, 4. Кислотно-основное титрование.

5, 6. Комплексные соединения. Органические реагенты.

7 Комплексонометрическое титрование.

8 Равновесие в окислительно-восстановительных системах.

9,10 Окислительно-восстановительное титрование.

11,12 Равновесие в системе осадок   раствор. Гравиметрический анализ.

13,14 Методы разделения и концентрирования: осаждение и экстракция.

Коллоквиумы

1. 
   Равновесие в гомогенных системах. Кислотно-основное равновесие. Кислотно-основное титрование.
   
2. 
   Равновесия реакций комплексообразования. Комплексонометрическое титрование. Органические реагенты.
   
3. 
   Равновесия реакций окисления-восстановления. Окислительно-восстановительное титрование.
   
4. 
   Равновесие в системе осадок   раствор. Гравиметрический метод. Методы разделения и концентрирования: осаждение и экстракция. Пробоотбор и пробоподготовка.
   

1. 
   Равновесие в гомогенных системах. Кислотно-основное равновесие. Кислотно-основное титрование.
   
2. 
   Равновесия реакций комплексообразования. Комплексонометрическое титрование. Органические реагенты.
   
3. 
   Равновесия реакций окисления-восстановления. Окислительно-восстановительное титрование.
   
4. 
   Равновесие в системе осадок   раствор. Гравиметрический анализ. Методы разделения и концентрирования: осаждение и экстракция.
   
5. 
   Метрологическая обработка результатов анализа
   

• 
  Построение распределительной диаграммы раствора многоосновной кислоты или основания.
  

• 
  Построение кривой титрования слабой кислоты сильным основанием (или наоборот), выбор индикатора, расчет погрешности титрования.
  

• 
  Составление схемы разделения и качественного анализа смеси катионов и анионов (~ 15 ионов) на основе кислотно-щелочного метода разделения.
  

Сдача зачетной задачи   1 занятие.

Константы равновесия реакций и процессов. Ионное состояние вещества в идеальных и реальных системах. Структура растворителей и раствора. Сольватация, ионизация, диссоциация. Поведение электролитов и неэлектролитов в растворах. Теория Дебая-Хюккеля. Термодинами-ческая константа равновесия. Активность и коэффициент активности. Концентрационные константы. Общая и равновесная концентрации. Условные константы.

Кислотно-основное равновесие в многокомпонентных системах. Буферные растворы и их свойства. Буферная емкость. Вычисление рН растворов одно- и многоосновных кислот и оснований, смесей кислот и оснований. Графическое описание кислотно-основного равновесия (распределительные диаграммы).

Практическое применение. Первичные стандартные растворы для установления концентрации растворов кислот и оснований. Приготовление и стандартизация растворов соляной кислоты и гидроксида натрия. Титрование кислот, оснований, смесей кислот и смесей оснований. Анализ смесей карбоната и гидрокарбоната натрия, карбоната и гидроксида натрия. Определение солей аммония и азота по методу Кьельдаля. Определение нитратов и нитритов.

Ступенчатое комплексообразование. Количественные характеристики реакций образования комплексных соединений: константы устойчивости (ступенчатые и общие), функция и степень образования. Скорость реакций комплексообразования. Факторы, влияющие на устойчивость комплексов. Хелатный эффект.

Аналитически важные свойства комплексных соединений. Влияние комплексообразования на кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства соединений, растворимость, стабилизацию различных степеней окисления элементов. Возможности использования комплексных соединений в различных методах анализа.

Органические реагенты. Функционально-аналитические группы. Влияние структуры органических реагентов на их свойства. Роль различных функциональных групп. Теория аналогий взаимодействия ионов металлов с неорганическими и органическими реагентами. Важнейшие органические реагенты, применяемые в анализе.

Практическое применение. Определение кальция, магния, железа, алюминия, меди, цинка в растворах чистых солей и при совместном присутствии. Определение анионов.

Перманганатометрия. Определение железа(II), марганца(II), оксала-тов, пероксида водорода, нитритов.

Иодометрия и иодиметрия. Система иод-иодид как окислитель или восстановитель. Определение арсенитов, арсенатов, железа (III), меди(II), галогенид-ионов, пероксидов, кислот. Определение воды и функциональных групп органических соединений.

Бихроматометрия. Определение железа(II), урана(IV).

Броматометрия, цериметрия, ванадатометрия, титанометрия, хромометрия. Первичные и вторичные стандарты. Индикаторы. Определение неорганических и органических соединений.

Скорость реакций в химическом анализе. Быстрые и медленные реакции. Элементарные стадии реакции. Скоростьопределяющая стадия. Кинетические уравнения. Молекулярность и порядок реакций. Факторы, влияющие на скорость реакций. Катализаторы, ингибиторы. Автокаталитические реакции. Индуцированные и сопряженные реакции. Понятие об индукторе, акторе, акцепторе. Индукционный фактор. Примеры ускорения и замедления реакций и процессов, используемых в химическом анализе.
IV коллоквиум. Равновесие в системе осадок   раствор. Гравиметри-ческий метод. Методы разделения и концентрирования: осаждение и экстракция. Пробоотбор и пробоподготовка.

Равновесие в системе осадок   раствор. Произведение раствори-мости. Правило произведения растворимости. Растворимость. Факторы, влияющие на растворимость: температура, ионная сила, одноименный ион, конкурирующие реакции, структура и размер частиц.

Гравиметрический метод. Сущность гравиметрического анализа, преимущества и недостатки. Требования к осаждаемой и гравиметрической формам. Образование осадка. Образование и свойства коллоидных частиц. Кристаллические и аморфные осадки. Зависимость структуры осадка от его индивидуальных свойств (растворимости, полярности молекул) и условий осаждения (концентрации осаждаемого иона и осадителя, солевого состава раствора и рН, температуры). Зависимость формы осадка от скорости образования первичных частиц, их роста. Условия получения кристаллических и аморфных осадков. Гомогенное осаждение. Старение осадка. Причины загрязнения осадка (совместное осаждение, соосаждение, последующее осаждение). Классификация различных видов соосаждения (адсорбция, окклюзия, изоморфизм и др.). Способы уменьшения соосаждения. Положительное и отрицательное значения явления соосаждения в анализе. Погрешности в гравиметрическом анализе. Изменения состава осадка при высушивании и прокаливании.

Практическое применение. Прямые и косвенные методы определения. Важнейшие органические и неорганические осадители. Определение железа, алюминия, кальция, магния, никеля, кобальта, цинка. Определение серы, фосфора, кремния и хлора в органических и неорганических соединениях.

Разделение элементов методом экстракции. Основные органические реагенты, используемые для разделения элементов методом экстракции. Селективное разделение элементов методом подбора органических растворителей, изменения рН водной фазы, маскирования и демаскирования. Приборы для экстракции.

Основные способы переведения пробы в форму, необходимую для данного вида анализа: растворение в различных средах; спекание, сплавление, разложение под действием высоких температур, давления, высокочастотного разряда; комбинирование различных приемов; особенности разложения органических соединений. Способы устранения и учета загрязнений и потерь компонентов при пробоподготовке.

1. 
   Основы аналитической химии. В двух книгах /под ред. Ю.А. Золотова/. М.: Высш. шк., 2004. 361, 503 с.
   
2. 
   Скуг Д., Уэст Д. Основы аналитической химии. Т.1 и 2. М.: Мир, 1979. 480, 438 с.
   
3. 
   Васильев В.П. Аналитическая химия. В двух частях. М.: Высш. шк., 1989. 320, 384 с.
   
4. 
   Основы аналитической химии. Практическое руководство /под ред. Ю.А. Золотова/. М.: Высш.шк., 2001. 463 с.
   
5. 
   Основы аналитической химии. Задачи и упражнения /под ред. Ю.А. Золотова/. М.: Высш. шк., 2002.
   
6. 
   Дорохова Е.Н., Прохорова Г.В. Задачи и вопросы по аналитической химии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1997. 189 с. или М.: Мир, 2001. 267 с.
   
7. 
   Белявская Т.А. Практическое руководство по гравиметрии и титриметрии. М.: Ньюдиамед, 1996. 163 с.
   
8. 
   Методы обнаружения и разделения элементов /под ред. И.П. Алимарина/. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984. 206 с.
   
9. 
   Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1989. 446 с.
   

Дополнительная

1. 
   Петерс Д., Хайес Дж., Хифтье Г. Химическое разделение и измерение. Теория и практика аналитической химии. В двух книгах. М: Химия, 1978. 477, 338 с.
   
2. 
   Лайтинен Г.А., Харрис В.Е. Химический анализ. М.: Химия, 1979.
   624 с.
   
3. 
   Батлер Дж.Н. Ионные равновесия. М.: Химия, 1973. 446 с.
   
4. 
   Мейтис Л. Введение в курс химического равновесия и кинетики. М.: Мир, 1984. 480 с.
   
5. 
   Янсон Э.Ю. Теоретические основы аналитической химии. Учебное пособие. М.: Высш. шк., 1987. 261 с.
   
6. 
   Фритц Дж., Шенк Г. Количественный анализ. М.: Мир, 1978. 557 с.
   
7. 
   Кунце У., Шведт Г. Основы качественного и количественного анализа. М.: Мир, 1997. 424 с.
   
8. 
   Гуляницкий А. Реакции кислот и оснований в аналитической химии. М.: Мир, 1975. 239 с.
   
9. 
   Хольцбехер З., Дивиш Л., Крал М., Шуха Л., Влачил Ф. Органические реагенты в неорганическом анализе. М.: Мир, 1979. 752 с.
   

II семестр включает 16 лекций, 16 семинаров, 4 коллоквиума, 3 контрольные работы и 20 практических занятий.

1. 
   Спектроскопические методы анализа. Основные принципы и понятия. Спектры атомов и молекул. Законы поглощения и излучения. Классификация методов. Приборы.
   
2. 
   Атомно-эмиссионные методы.
   
3. 
   Атомно-абсорбционные методы.
   
4. 
   Метод молекулярной абсорбционной спектроскопии.
   
5. 
   Люминесцентные методы.
   
6. 
   Методы рентгеновской спектроскопии.
   
7. 
   Масс-спектрометрические методы анализа.
   
8. 
   Электрохимические методы анализа. Основные понятия. Классификация методов.
   
9. 
   Потенциометрические методы. Ионометрия и потенциометрическое титрование.
   
10. 
    Электрохимические методы, основанные на измерении силы тока. Кулонометрия.
    
11. 
    Вольтамперометрические методы. Классическая полярография. Современные разновидности вольтамперометрических методов.
    
12. 
    Хроматографические методы анализа. Основные понятия.
    

13. 
    Газовая хроматография.
    

16. 
    Современное состояние и перспективы развития аналитической химии (обзорная лекция).
    

4,5,6 Методы молекулярной спектроскопии.

7,8,9 Методы потенциометрического и кулонометрического анализа.

10,11,12.Вольтамперометрические методы анализа.

13,14,15 Хроматографические методы анализа.


Коллоквиумы
I Методы атомной спектроскопии

II Методы молекулярной спектроскопии

III Электрохимические методы анализа.

IV Хроматографические методы анализа.

1. 
   Спектроскопические методы анализа.
   
2. 
   Электрохимические методы анализа.
   
3. 
   Хроматографические методы анализа.
   

• 
  Эмиссионная фотометрия пламени. Определение натрия и калия при совместном присутствии методом ограничивающих растворов.
  

• 
  Определение меди в природной воде.
  

• 
  Анализ однокомпонентных систем методом абсолютной фотометрии. Определение одного из элементов: никеля, титана, марганца, хрома, фосфора или железа.
  
• 
  Определение больших количеств веществ методом дифференциальной абсорбционной спектроскопии. Определение одного из ионов: меди (в виде аммиачного или аквакомплекса), марганца или никеля.
  
• 
  Анализ двухкомпонентных смесей. Одна из трех задач:
  

1. 
   Спектроскопический анализ двухкомпонентной смеси метиловый фиолетовый   бриллиантовый зеленый.
   
2. 
   Определение равновесных концентраций сопряженных кислотно-основных форм метилового оранжевого в растворе.
   
3. 
   Определение аналитической концентрации метилового оранжевого в растворах различной кислотности.
   

• 
  Определение константы диссоциации слабой органической кислоты (тимолового синего, фенолового красного или бромкрезолового синего).
  

¨ Проверка правила зеркальной симметрии спектров поглощения и флуоресценции родамина 6Ж. Определение концентрации родамина 6Ж в водном растворе.

¨ Определение содержания хрома (или формальдегида) в растворах каталитическим методом.

¨ Одна из двух задач:

1. 
   Определение фторида в водах с использованием фторидселективного электрода.
   
2. 
   Определение активности ионов натрия.
   

• 
  Кислотно-основное титрование: определение фосфорной кислоты в растворе (либо бинарных смесей кислот: соляной и уксусной кислот или соляной и борной);
  
• 
  Окислительно-восстановительное титрование. Определение кобальта в растворе.
  

¨ Определение тиосульфат-иона (или соляной кислоты).

• 
  Регистрация и расшифровка вольтамперограмм индивидуального деполяризатора   ионов кадмия (либо ионов меди, таллия, цинка, свинца, никеля, кобальта) и смеси деполяризаторов.
  
• 
  Определение концентрации деполяризатора по методу градуировочного графика (или по методу добавок).
  

¨ Определение ионов цинка (или дихромат-ионов).

¨ Качественный и количественный анализ смеси н-углеводородов (или смеси паров алифатических спиртов).

¨ Определение неорганических ионов в водах методом двухколоночной ионной хроматографии.

Спектр электромагнитного излучения. Энергия фотонов, длина волны, частота, волновое число; связь между ними; термины, символы, единицы измерения. Составляющие внутренней энергии частиц и соответствующие им диапазоны электромагнитного излучения. Основные типы взаимодействия вещества с излучением: эмиссия (тепловая, люминесценция), поглощение, рассеяние. Классификация спектроскопических методов по природе частиц, взаимодействующих с излучением (атомные, молекулярные); характеру процесса (абсорбционные, эмиссионные); диапазону электромагнитного излучения.

Спектры атомов. Основные и возбужденные состояния атомов, характеристики состояний. Энергетические переходы, правила отбора. Вероятности электронных переходов и времена жизни возбужденных состояний. Характеристики спектральных линий: положение в спектре, интенсивность, полуширина. Причины уширения спектральных линий.

Спектры молекул; их особенности. Схемы электронных уровней молекулы. Электронные, колебательные и вращательные спектры молекул. Зависимость вида спектра от агрегатного состояния вещества.

Основные законы испускания и поглощения электромагнитного излучения. Связь аналитического сигнала с концентрацией определяемого компонента. Основные способы определения концентрации в спектроскопических методах.

Аппаратура. Способы монохроматизации лучистой энергии. Классификация спектральных приборов, их характеристики: дисперсия, разрешающая способность, светосила. Приемники излучения: фотоэмульсия, фотоэлементы, фотоумножители, полупроводниковые приемники. Инструментальные помехи. Шумы и отношение сигнал-шум.

Физические и химические процессы в атомизаторах. Спектральные и физико-химические помехи, способы их устранения. Особенности подготовки пробы и ее введения в атомизаторы различного типа. Качественный и количественный анализ методом атомно-эмиссионной спектрометрии. Метрологические характеристики и аналитические возможности.

Спектральные и физико-химические помехи, способы их устранения. Возможности, достоинства и недостатки метода, его сравнение с атомно-эмиссионным методом. Метрологические характеристики.

Примеры практического применения атомно-эмиссионного и атомно-абсорбционного методов.
II коллоквиум. Методы молекулярной спектроскопии.
Молекулярная абсорбционная спектроскопия (спектрофотометрия).

Связь химической структуры соединения с абсорбционным спектром. Способы получения окрашенных соединений. Фотометрические аналитические реагенты, требования к ним. Способы определения концентрации веществ. Измерение высоких, низких оптических плотностей (дифференциальный метод). Анализ многокомпонентных систем. Спектрофотометрия как метод исследования реакций в растворах (комплексообразования, протолитических, агрегации), сопровождающих-ся изменением спектров поглощения. Метрологические характеристики и аналитические возможности. Примеры практического применения.

Принципиальная схема прибора. Классификация аппаратуры с точки зрения способа монохроматизации (фотометры, спектрофотометры). Главные причины отклонения от основного закона светопоглощения (инструментальные и физико-химические).

Молекулярная люминесцентная спектроскопия. Классификация видов люминесценции по источникам возбуждения (хемилюминесценция, биолюминесценция, электролюминесценция, фотолюминесценция и др.); механизму и длительности свечения. Флуоресценция и фосфоресценция. Схема Яблонского. Закон Стокса-Ломмеля, правило зеркальной симметрии Левшина. Принципиальная схема прибора.

Факторы, влияющие на интенсивность люминесценции. Тушение люминесценции. Спектральные и физико-химические помехи. Количественный анализ люминесцентным методом. Метрологические характеристики и аналитические возможности метода, сравнение с методом спектрофотометрии. Преимущества люминесцентной спектроскопии при идентификации и определении органических соединений. Примеры использования.

Место и роль спектроскопических методов в аналитической химии и химическом анализе.

III коллоквиум. Электрохимические методы анализа.

Общая характеристика электрохимических методов. Классификация. Электрохимические ячейки. Индикаторный электрод и электрод сравнения. Равновесные и неравновесные электрохимические системы. Явления, возникающие при протекании тока (омическое падение напряжения, концентрационная и кинетическая поляризация). Поляризационные кривые и их использование в различных электрохимических методах.

Примеры практического применения ионометрии. Определение рН, ионов щелочных металлов, галогенид-ионов.

Примеры практического применения. Титрование фосфорной, смесей соляной и борной, соляной и уксусной кислот в водно-органических средах. Определение иодидов и хлоридов при совместном присутствии. Использование окислительно-восстановительного титрования для определения ионов металлов разных степеней окисления.

Примеры практического применения вольтамперометрических методов и амперометрического титрования. Регистрация и расшифровка полярограммы индивидуального деполяризатора   иона металла. Регистрация полярографического спектра. Определение концентрации веществ методом градуировочного графика и методом добавок с использованием классической, осциллографической, переменнотоковой вольтамперометрии. Амперометрическое титрование с одним электродом цинка и бихромата калия.

Примеры практического применения. Определение малых количеств кислоты и щелочи, тиосульфата натрия, ионов металлов-окислителей.

Сравнительная характеристика чувствительности и избирательности, областей применения электрохимических методов.
IV коллоквиум. Хроматографические методы анализа.

Определение хроматографии. Понятие о подвижной и неподвижной фазах. Классификация методов по агрегатному состоянию фаз, по механизму разделения, по технике выполнения. Способы получения хроматограмм (фронтальный, вытеснительный, элюентный). Параметры удерживания. Основное уравнение хроматографии. Селективность и эффективность хроматографического разделения. Теория теоретических тарелок. Кинетическая теория. Разрешение как фактор оптимизации хроматографического процесса. Качественный и количественный хроматографический анализ.

Основная

1. 
   Основы аналитической химии. В двух книгах /под ред. Ю.А. Золотова/. М.: Высш. шк., 2004. 361, 503 с.
   
2. 
   Скуг Д., Уэст Д. Основы аналитической химии. Т.1 и 2. М.: Мир, 1979. 480, 438 с.
   
3. 
   Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа. М.: Мир, 1989. 608 с.
   
4. 
   Основы аналитической химии. Практическое руководство /под ред. Ю.А. Золотова/. М.: Высш.шк., 2001. 463 с.
   
5. 
   Основы аналитической химии. Задачи и упражнения /под ред. Ю.А. Золотова/. М.: Высш. шк., 2002.
   
6. 
   Гармаш А.В. Введение в спектроскопические методы анализа. Оптические методы анализа. М.: ВХК РАН, 1995. 38 с.
   
7. 
   Барбалат Ю.А., Гармаш А.В. Люминесцентный анализ. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. 66 с.
   
8. 
   Барбалат Ю.А., Дорохова Е.Н., Гармаш А.В., Прохорова Г.В. Задачи и вопросы по спектроскопическим методам анализа. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1999. 64 с.
   
9. 
   Прохорова Г.В. Задачи и вопросы по электрохимическим методам анализа. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1994. 72 с.
   
10. 
    Прохорова Г.В., Шведене Н.В. Практикум по инструментальным методам анализа. Часть I. Электрохимические методы анализа. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1997. 87 с.
    
11. 
    Шаповалова Е.Н., Шпигун О.А. Практикум по инструментальным методам анализа. Часть II. Хроматографические методы анализа. Задачи и вопросы по хроматографическим методам анализа. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. 53 с.
    
12. 
    Барбалат Ю.А., Гармаш А.В., Долманова И.Ф. Практикум по инструментальным методам анализа. Часть III. Аналитическая абсорбционная молекулярная спектроскопия (фотометрические методы анализа) в УФ и видимой области. Кинетические методы анализа. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1999. 72 с.
    

1. Пиккеринг У.Ф. Современная аналитическая химия. М: Химия, 1977.

2. Петерс Д., Хайес Дж., Хифтье Г. Химическое разделение и измерение. Теория и практика аналитической химии. В двух книгах. М: Химия, 1978. 477, 338 с.

3. Кунце У., Шведт Г. Основы качественного и количественного анализа. М.: Мир, 1997. 424 с.

4. Дерффель К. Статистика в аналитической химии. М.: Мир, 1994. 268 с.

Методы разделения элементов, основанные на осаждении неорганическими и органическими реагентами. Использование соосаждения для концентрирования микрокомпонентов. Неорганические и органические коллекторы.

Потенциометрическое титрование. Общая характеристика метода. Способы нахождения конечной точки титрования. Индикаторные электроды в кислотно-основном, окислительно-восстановительном и осадительном титровании.

Кулонометрическое титрование. Примеры определения электро-активных и электронеактивных веществ. Электрогенерированные кулоно-метрические титранты. Условия титрования: обеспечение 100%-ного выхода по току; измерение количества электричества; определение конца химической реакции. Преимущества перед другими титриметрическими методами.

Современные разновидности полярографии. Способы улучшения соотношения фарадеевский/емкостный ток. Возможности и ограничения осциллографической, импульсной и переменнотоковой полярографии. Суть метода инверсионной вольтамперометрии.