Реферат: Лекционный курс для подготовки к экзамену по дисциплине: «аналитическая химия» для учащихся заочного отделения

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПРОФЕССИОНАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ КУЛИНАРИИ»


ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС


ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ:


«АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ »


для учащихся заочного отделения





Специальность : 2-91 01 01 01

« Производство продукции

и организация общественного

питания»


Специализация : 2-91 01 01 01-31

«Технология продукции нацио-

нальной и мировой кухни»


Квалификация : техник-технолог


Гомель 2011



Аналитическая химия, её задачи и виды химического анализа…………. 3

Методы анализа, их классификация………………………………………. 4

Классификация методов анализа по массе и объёму взятого для анализа вещества ………………………………………………………………………5

Классификация методов анализа от объекта контроля и цели на производстве ………………………………………………………………….5

Химические методы анализа, их классификация …………………………6

Физико-химические методы анализа, их классификация ………………...6

Общее понятие о растворах ………………………………………………....7

Процесс растворения ……………………………………………………..….8

Классификация растворов по растворимости ………………………….….9

Классификация растворов по количеству растворённого вещества ……9

Буферные растворы и их значение ………………………………………...10

Теория электролитической диссоциации …………………………………11

Сущность гидролиза и типы гидролиза солей …………………………...13

Сущность и методы качественного анализа ……………………………...15

Качественные реакции и требования к ним ………………………………16

Химические реактивы ………………………………………………………17

Сущность и методы количественного анализа …………………………...17

Ошибки в количественном анализе ……………………………………….18

Сущность и методы гравиметрического анализа ……………………….19

Требования к осадкам в гравиметрическом анализе …………………….20

Химическая посуда в гравиметрическом анализе ……………………….21

Оборудование в гравиметрическом анализе ……………………………..22

Средняя проба, отбор средней пробы ……………………………………..24

Взвешивание и растворение навески ……………………………………...25

Осаждение, условия осаждения ……………………………………………25

Загрязнение осадков ………………………………………………………..27

Созревание осадка …………………………………………………………..27

Центрифугирование ……………………………………………………...…28

Проба на полноту осаждения. …………………………………………….28

Фильтрование и промывание осадка …………………………………...…29

Высушивание и прокаливание осадка …………………………………....30

Сущность и методы титриметрического анализа ………………………..31

Методика титрования ………………………………………………………31

Способы титрованиия ……………………………………………………....32

Химическая посуда в титриметрическом анализе ………………………..33

Правила работы с посудой в титриметрическом анализе ………………35

Реакции, применяемые в титриметрическом анализе ……………………36

Приготовление стандартных растворов по навеске ……………………...36

Приготовление стандартных растворов из фиксаналов …………………37

Сущность и методы кислотно-основного титрования …………………...38

Индикаторы кислотно-основного метода …………………………………39

Выбор индикатора для кислотно-основного титрования ………………40

Сущность и методы окисления-восстановления …………………………41

Окислительно-восстановительные реакции ………………………………42

Окислительно-восстановительное титрование …………………………...42

Основы метода комплексонометрии ……………………………………....42

Характеристика комплексных соединений ……………………………….43

Характеристика фотометрического метода анализа …………………….44

Фотоэлектроколориметрия. Основы метода ……………………………...44

Характеристика рефрактометрического метода анализа………………..45

Потенциометрия. Потенциометрическое определение рН растворов…..46

Электроды потенциометрического метода………………………………..46

Хроматографические методы анализа ………………………………...…..47

Классификация хроматографических методов анализа ………………...48

Спектральные методы анализа ……………………………………………48

Электрохимические методы анализа …………………………………...…50

Методы технохимического контроля …………………………………...…52

Средняя проба сырья………………………………………………………..53

Порядок проведения бракеража сырья……………………………………53

Порядок проведения бракеража полуфабрикатов и готовых изделий…53



^ 1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, ЕЕ ЗАДАЧИ И ВИДЫ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Аналитическая химия — наука о методах определения хими­ческого состава и химической структуры веществ.

^ Состав веществ имеет качественную и количественную характеристики. Установить состав вещества — значит опреде­лить, какие компоненты (элементы, ионы, молекулы и т.д.) образуют это вещество и в каких соотношениях.

^ Структура веществ — это порядок расположения атомов и их химической связи между молекулами или ионами веществ. Определить структуру — значит раскрыть этот порядок и выявить химическую связь между компонентами вещества. Например, качественный состав воды Н20 — это водород и кис­лород, а количественный состав— 11,1 % водорода и 88,9%кислорода.

Определение качественного и количественного состава ве­ществ, их структуры проводят методами химического анализа. Следовательно, аналитическая химия является наукой, создающей методы химического анализа.

Химический анализ в зависимости от решаемых аналитиче­ских задач подразделяют на качественный, количественный и структурный.

^ Задача качественного анализа — обнаружение компонентов веществ (элементов, ионов, молекул, функциональ­ных групп). Качественному анализу могут подвергаться и неор­ганические, и органические соединения. При анализе неоргани­ческих соединений определяют, какие ионы, молекулы составляют анализируемое вещество. При анализе органических соединений находят непосредственно отдельные химические элементы, на­пример серу, углерод, азот или функциональные группы.

^ Задача количественного анализа — определение количественного содержания компонентов или их соотношений друг к другу. Количественному анализу должен предшествовать качественный.

^ Задачи структурного анализа — исследование структуры веществ.

Важнейшей проблемой предприятий общественного питания является массовый переход данной системы на централизованное снабжение предприятий полуфабрикатами с максимальной степенью готовности. Расширение централизованного производства продук­ции общественного питания требует решения ряда задач по улучше­нию технологии приготовления пищи и повышению качества вы­пускаемой продукции. Предприятия общественного питания должны обеспечить потребителей вкусной, здоровой и разнообразной пищей, приготовленной в соответствии с установленными рецептурами и технологией. Полуфабрикаты, готовые блюда и кулинарные изделия, вырабатываемые предприятиями общественного питания, долж­ны быть подвергнуты контролю, который бы гарантировал их доб­рокачественность и полноту вложения сырья.

3

В комплексе мероприятий по повышению качества продукции важным звеном служит совершенствование контроля на предприя­тиях общественного питания, улучшение методов и средств, при помощи которых производится проверка качества сырья, полуфаб­рикатов и готовых изделий, а также строгое соблюдение режимов технологических процессов в соответствии с действующими стан­дартами, рецептурами и технологическими инструкциями.

Без систематического постадийного химического контроля невозможно обеспечить нормальный режим технологического процесса производства продуктов питания. На производстве с помощью химического анализа решаются следующие задачи : 1) устанавливается качество сырья и его пригодность для выпуска данного вида продукции; 2) подбирается рецептура сырьевой смеси; 3) контролируется и регулируется состав полупродукции; 4) определяется качество готовой продукции; 5) проводится химический анализ отходов производства в целях их утилизации.


^ 2. МЕТОДЫ АНАЛИЗА, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ.

Химический анализ исследуемых веществ осуществ­ляют с помощью химических, физических и физико-химических методов.

^ Химические методы основаны на использовании хи­мических реакций, сопровождающихся наглядным внешним эф­фектом, например изменением окраски раствора, растворением или выпадением осадка, выделением газообразного продукта.

Физические и физико-химические методы, в отличие от хими­ческих, называют инструментальными, так как для проведения анализа применяют аналитические приборы и аппараты, регист­рирующие физические свойства веществ или изменения этих свойств.

При проведении анализа физическим методом не используют химические реакции, а измеряют какое-либо физиче­ское свойство вещества, которое является функцией его состава. Например, в спектральном анализе исследуют спектры излуче­ния, возникающие при внесении вещества в пламя горелки, элек­трической дуги и т. д. По наличию в спектре линий, характерных для данных элементов, определяют присутствие этих элемен­тов в исследуемом веществе, а по яркости линий — об их коли­чественном содержании.

При проведении анализа физико-химическим ме­тодом состав вещества определяют на основании измерения какого-либо физического свойства с помощью химической реак­ции. Например, в колориметрическом анализе содержание ионов или молекул устанавливают по степени поглощения светового потока, прошедшего через окрашенный раствор.

По сравнению с химическим методом анализа физические и физико-химические методы позволяют одновременно устанавли­вать качественный и количественный состав веществ быстро и точно. Это дает возможность автоматизировать анализ и прово­дить его на больших расстояниях (например, при исследовании проб грунта на дне океана или атмосферы других планет).

4

Для обеспечения контроля химического состава сырья, полу­продуктов и готовой продукции по ходу автоматизированного технологического процесса применяют методы экспресс-анализа. Обеспечение экспрессности определений тесно связано с его авто­матизацией. Например, в современном сталеплавильном произ­водстве широко используют конвертерную плавку, которая длит­ся 20—30 мин. Химические методы анализа (ручные) по ходу плавки из-за трудоемкости здесь непригодны. Нужны способы, позволяющие оценить содержание главных элементов за считан­ные секунды или минуты. Так, эмиссионный спектральный анализ с помощью автоматических квантометров позволяет определить большое число элементов за несколько минут. Использование ЭВМ в сочетании с такими квантометрами дает возможность быстро обработать результаты анализа и внести соответству­ющие поправки.


^ 3. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ПО МАССЕ И ОБЪЁМУ ВЗЯТОГО ДЛЯ АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВА.

Таблица 1. Классификация методов анализа по массе и объёму взятого для анализа вещества

Название

Новое название

Масса и объём исследуемого вещества




г

мл

Макроанализ

Грамм-метод

1-10

1-100

Полумикроанализ

Сантиграмм-метод

0,05-0,5

1-10

Микроанализ

Миллиграмм-метод

10-6-10-3

10-4-10-1

Ультрамикроанализ

Микрограмм-метод

10-9-10-6

10-6-10-4

Субмикроанализ

Нанограмм-метод

10-12-10-9

10-10-10-7

Субультрамикроанализ

Пикограмм-метод

10-12

10-10


^ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ОТ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ И ЦЕЛИ НА ПРОИЗВОДСТВЕ.

В зависимости от объекта контроля и цели на производстве различают:

-маркировочные,

-проверочные {контрольные или арбитражные),

-текущие анализы.

^ Маркировочные анализы предназначены для ус­тановления химического состава сырья, потребляемого предприя­тиями, полупродуктов производства и готовой продукции. Они слу­жат для установления сорта анализируемого материала.

^ Контрольные анализы проводят при необходимости проверки или уточнения

5

результатов маркировочных анализов с применением тех же мето­дов, но более тщательно и точно. ^ Арбитражные анализы по своему характеру являются контрольными анализами. Их проведение обус­ловлено расхождениями в результатах, полученных поставщиком и потребителем продукции. Текущие анализы необходимы для конт­роля за производственным процессом, внесения в него своевре­менных корректив и обеспечения правильного режима протекания. Такие анализы выполняют быстро и своевременно, осуществляя так называемый экспресс-анализ. Для этих целей используют пря­мые, легко поддающиеся автоматизации методы, например в ме­таллургии — атомно-эмиссионные и рентгено-спектральные.


^ 5. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ.

Задача качественного анализа — обнаружение компонентов веществ (элементов, ионов, молекул, функциональ­ных групп). Качественному анализу могут подвергаться и неор­ганические, и органические соединения. При анализе неоргани­ческих соединений определяют, какие ионы, молекулы составляют анализируемое вещество. При анализе органических соединений находят непосредственно отдельные химические элементы, на­пример серу, углерод, азот или функциональные группы.

^ Задача количественного анализа — определение количественного содержания компонентов или их соотношений друг к другу. Количественному анализу должен предшествовать качественный. К количественному анализу относятся гравиметрический и титриметрический. В гравиметрическом анализе важ­нейшее значение имеет точное измерение массы определяемого компонента, а в титриметрическом — точное измерение объема реактива известной концентрации, затраченного на данное опре­деление.

^ Задачи структурного анализа — исследование структуры веществ.

С помощью химического анализа можно решить следующие задачи:

1. выяснить природу исследуемого вещества, т. е. установить происхождение данного вещества (органическое или неоргани­ческое) ;

2. определить состав и содержание основного компонента и посторонних примесей в данном образце;

3. установить химическую формулу неизвестного соединения;

4. установить структуру вещества.


^ 6. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА, ИХ КЛАССИ-ФИКАЦИЯ.

Физико-химические методы анализа, как и химичес­кие методы, основаны на проведении той или иной хими­ческой реакции. В физических методах химические реак­ции отсутствуют или имеют второстепенное значение, хо­тя в спектральном анализе интенсивность линий всегда существенно зависит от химических реакций в угольном электроде или в газовом пламени. Поэтому

6

иногда физи­ческие методы включают в группу физико-химических методов, так как достаточно строгого однозначного разли­чия между физическими и физико-химическими метода­ми нет и выделение физических методов в отдельную группу не имеет принципиального значения.

Точность физико-химических методов сильно колеблет­ся в зависимости от метода. Наиболее высокой точностью (до 0,001%) обладает кулонометрия, основанная на изме­рении количества электричества, которое затрачивается на электрохимическое окисление или восстановление опреде­ляемых ионов или элементов. Большинство физико-хими­ческих методов имеют погрешность в пределах 2-5 %, что превышает погрешность химических методов анализа. Од­нако такое сравнение погрешностей не вполне корректно, так как оно

Среди физико-химических методов наибольшее прак­тическое применение имеют спектральные и другие опти­ческие методы; электрохимические и хроматографические методы анализа.

Наиболее обширной по числу методов и важной по практическому значению является группа спектральных и других оптических методов. Эти методы основаны на взаимодействии веществ с электромагнитным излучени­ем. Известно много различных видов электромагнитных излучений: у-лучи, рентгеновское излучение, ультрафио­летовое, видимое, инфракрасное, микроволновое и радио­частотное. В зависимости от типа взаимодействия элект­ромагнитного излучения с веществом оптические методы классифицируются следующим образом.

На измерении эффектов поляризации молекул вещест­ва основаны рефрактометрия, интерферометрия и поляриметрия.

Анализируемые вещества могут поглощать электромаг­нитное излучение и на основе использования этого явления выделяют группу абсорбционных оптических методов.

Поглощение света атомами анализируемых веществ используется в атомно-абсорбционном анализе. Способ­ность поглощать свет молекулами и ионами в ультрафио­летовой, видимой и инфракрасной областях спектра поз­волила создать молекулярно-абсорбционный анализ (ко­лориметрию, фотоколориметрию, спектрофотометрию, ИК-спектроскопию).

Поглощение и рассеяние света взвешенными частица­ми в растворе (суспензии) привело к появлению методов турбидиметрии и нефелометрии.

Методы, основанные на измерении интенсивности из­лучения, возникающего в результате выделения энергии возбужденными молекулами и атомами анализируемого вещества, называются эмиссионными методами. К моле-кулярно-эмиссионным методам относят люминесценцию (флуоресценцию), к атомно-эмиссионным - эмиссионный спектральный анализ и пламенную фотометрию.


^ 7. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О РАСТВОРАХ .

Растворы играют важную роль в природе и технике. Многие технологические процессы, например получение соляной кислоты, большинства солей,

7

выделение и очистка редких металлов, окра­шивание тканей и т. д. протекают в растворах. Сложные физико-­химические процессы, происходящие в организме человека и жи­вотных, также протекают в растворах. Совокупность веществ, принимающих участие в данном физи­ко-химическом процессе, называется с и с т е м ой. Система мо­жет быть гомогенной (однородной) и гетерогенной (неоднород­ной). Г о м о г е н н а я с и с т е м а - система, в которой составляющие ее части не отделены поверхностью раздела. Все участки гомогенной системы однородны по составу и свойствам. Приме­рами гомогенной системы являются смеси газов, ненасыщенный раствор соли в каком-либо растворителе и др. Г е т е р о - г е н н а я с и с т е м а - система, которая состоит из одной, двух или нескольких однородных частей, отделенных друг от друга поверхностями .раздела и отличающихся по своему составу и свойствам. Примером гетерогенной системы является насыщенный раствор любой соли и выпавший из него осадок, две несмешивающиеся жидкости (вода - масло), многие металличе­ские сплавы и др. Составные части системы называются к о м п о н е н т а м и. Гомогенная часть системы называется фазой. Фаза­ агрегатное состояние вещества; она может быть жидкой, твердой и газообразной. Гомогенная система образует одну фазу (напри­мер, смесь газов). Гетерогенная система может иметь две, три и более фаз. Например, лед – вода - пар представляет собой трехфазную гетерогенную систему. Р а с т в о р - гомогенная однофазная система, состоящая из нескольких компонентов. Компонентами раствора являются раст­воритель и одно или несколько растворенных веществ, которые равномерно распределены в растворителе в виде молекул или ионов. Растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в том же агрегатном состоянии, что и раствор, но содержание которого преобладает в данной системе. Напри­мер, воздух - это раствор кислорода, углекислого газа, паров воды, благородных и других газов в азоте, так как содержание азота в воздухе составляет 78 %. Наибольшее значение в аналитической химии имеют раство­ры, в которых растворителем является жидкость. Важнейшим растворителем служит вода.


^ 8. ПРОЦЕСС РАСТВОРЕНИЯ.

Растворение - это сложный фи­зико-химический процесс. При физическом процессе про­исходит разрушение структуры растворяемого вещества и распределение его частиц между молекулами растворите­ля. Химический процесс - это взаимодействие молекул растворителя с частицами растворенного вещества. В ре­зультате этого взаимодействия образуются сольваты. Ес­ли растворителем является вода, то образующиеся сольваты называются гидратами. Процесс образования сольватов называется сольватацией, процесс образования гид­ратов - гидратацией. При упаривании водных растворов образуются кристаллогидраты - это кристаллические ве­щества, в состав которых входит определенное число мо­лекул воды (кристаллизационная вода).

8

Физический процесс идет с поглощением энергии, хи­мический - с выделением. Если в результате гидратации (сольватации) выделяется больше энергии, чем ее погло­щается при разрушении структуры вещества, то растворе­ние - экзотермический процесс. Если для разрушения структуры вещест­ва надо больше энергии, чем ее выделяется при гидрата­ции, то растворение - эндотермический процесс.

Количество энергии, которое выделяется или погло­щается при растворении, называется тепловым эффек­том растворения.


^ 9. КЛАССИФИКАЦИЯ РАСТВОРОВ ПО РАСТВОРИМОСТИ

Каждое вещество характеризуется определенной растворимо­стью в данном растворителе.

Растворимость - свойство вещества растворяться в воде или другом растворителе. В воде могут растворяться твердые вещества (сода, сахар и др.), жидкости (спирт и др.) и газооб­разные вещества (сероводород, аммиак и др.). Растворимость Р выражают массой вещества, которую при данной температуре можно растворить в 100 г растворителя. Это число и называют растворимостью вещества. Иногда растворимость выражают количеством растворенного вещества в 1 л раствора (моль/л) .

Растворимость зависит от природы вещества, растворителя, температуры и давления. Если растворение вещества происходит с поглощением теплоты, то повышение температуры приводит к увеличению растворимости. И наоборот, если при растворении вещества теплота выделяется, то повышение температуры приво­дит к уменьшению растворимости. Для большинства твердых веществ с повышением температуры растворимость значительно увеличивается. Растворимость газообразных веществ с повышением давления увеличивается, а с повышением температуры понижается. Изменение давления на растворимость твердых веществ в воде практически не влияет. В природе нет абсолютно нерастворимых веществ. Все ве­щества по растворимости в воде делят на три группы: хорошо растворимые, малорастворимые, практически нерастворимые. Последние называют нерастворимыми веществами. Если в 100 г воды растворяется более 1 г вещества, то такое вещество называют хорошо растворимым (р). Если в 100 г воды растворяется менее 1 г вещества – мало растворимым (м), если растворяется менее 0,01 г вещества - нераство­римым (н) .

^ 10. КЛАССИФИКАЦИЯ РАСТВОРОВ ПО КОЛИЧЕСТВУ РАСТВОРЁННОГО ВЕЩЕСТВА.

При растворении веществ могут образоваться насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные растворы.

Раствор, в котором на 100 г растворителя приходится масса растворенного вещества, равная его растворимости, называется насыщенным. Раствор, в котором на 100 г растворителя приходится раст­воренного вещества меньше,

9

чем его растворимость при данной температуре, называется ненасыщенным. В таком раство­ре при таких же условиях содержится меньше растворенного вещества, чем в насыщенном. Для некоторых твердых веществ возможно существование пересыщенных растворов. Раствор, в котором на 100 г растворителя приходится раст­воренного вещества больше, чем его растворимость при данной температуре, называется пересыщенным. Пересыщенные растворы получают охлаждением растворов, насыщенных при более высокой температуре. Пересыщенные растворы малоста­бильны (неустойчивы) . Они существуют только в состоянии по­коя. Сотрясение сосуда, введение в раствор частиц той же соли, потирание о стенки сосуда стеклянной палочкой вызывают выпа­дение кристаллов. Выпадение вещества в осадок из пересыщенного раствора при понижении температуры называется кристаллизацией. При кристаллизации получают более чистое вещество, даже если в растворе содержались примеси. Это объясняется тем, что при­меси не выпадают в осадок, так как их концентрация незначи­тельна и раствор по отношению к примесям остается ненасыщен­ным. На свойстве пересыщенных растворов основан способ очистки твердых веществ, называемый перекристаллизацией.


^ 11. БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ .

Свойство некоторых растворов сохранять постоянную концент­рацию катионов Н+ при разбавлении, а также при добавлении к ним небольших количеств сильных кислот или щелочей назы­вается буферным действием.

Растворы, оказывающие буферное действие, называют буферными растворами. Буферные растворы представляют собой смесь растворов слабой кислоты с ее солью или слабого гидроксида и его соли. Напри­мер, аммонийный буфер - раствор гидрата аммиака и хлорида аммония NН3 * Н2О + NH4Cl (рН ~ 9,2), ацетатный буфер­ раствор уксусной кислоты и ацетата натрия СН3СООН + + СН3СООNа (рН ~ 4,7). Буферные растворы находят широкое применение в химиче­ском анализе, когда по условиям реакции процесс должен проте­кать при соблюдении точного значения рН, не меняющегося при разбавлении раствора или при добавлении к нему других реак­тивов.

Действие буферных растворов основано на том, что ионы или молекулы буфера связывают ионы Н+ или ОН- вводимых в них кислот или щелочей с образованием слабых электролитов. Например, если к ацетатному буферному раствору СН3СООН + СН3СООNа добавить соляную кислоту, то произойдет реак­ция:

СН3СООNа + НСl → СН3СООН + NaCl

СН3СОО- + Н+ → СН3СООН

СНзСОО- -ионы, взаимодействуя с катионами Н+ соляной кис­лоты, образуют молекулы уксусной кислоты СН3СООН. Диссо­циация СНзСООН мала, а от добавления НСl она подавляется еще больше. Концентрация СН3СООН

10

увеличивается. Поэтому от прибавления к буферному раствору сильной кислоты концент­рация катионов Н+ в paствope практически не изменится, и сле­довательно, не изменится значение рН раствора.

При добавлении к ацетатному буферному раствору щелочи (например, NaOH) происходит реакция:

СН3СООН + NaOH → СН3СООNа + Н2О

СН3СООН + ОН- → СНзСОО- + Н2О

Катионы Н+ уксусной кислоты соединяются с ОН- -ионами щелочи, образуя воду. Концентрация кислоты уменьшается. Вместо израсходованных катионов Н+ вследствие последующей диссоциации СН3СООН появляются вновь катионы Н+, в ре­зультате чего прежняя концентрация катионов Н+ в буферном растворе восстанавливается до ее первоначальной и значение рН раствора не изменится.

Следовательно, способность буферных растворов поддержи­вать практически постоянное значение рН основана на том, что отдельные ионы их связывают Н+- и ОН- - ионы кислот или ще­лочей, вводимых в раствор (или образующихся в результате реакции). Всякий буферный раствор практически сохраняет постоянство рН лишь до прибавления определенного количест­ва кислоты или щелочи, т. е. обладает определенной буферной емкостью.

^ Буферной ёмкостью называется то предельное количество (моль) сильной кислоты или щелочи, которое можно добавить к буферному раствору, чтобы рН его изменился не бо­лее чем на единицу.

Следовательно, при прибавлении к буферным растворам не­больших количеств кислоты или щелочи рН раствора не изме­няется. Добавление к буферным растворам больших количеств сильной кислоты или щелочи вызывает заметное изменение рН раствора.

Ацетатный буферный раствор (СН3СООН + СН3СООNа) при меняют при осаждении осадков, не осаждаемых в сильнокис­лых или щелочных растворах. Например, катион Ва2+ обнару­живают в исследуемом растворе и отделяют раствором дихрома­та калия К2Сr207 в слабокислой среде в присутствии ацетатного буфера при рН ~ 5.


^ 12. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ.

Теорию электролитической диссоциации разработал и изло­жил в 1887 г. С. Аррениус. Все вещества делят на электролиты и неэлектролиты. Водные растворы и расплавы электролитов про­водят электрический ток. К электролитам относят кислоты, гидроксиды и соли. К неэлектролитам - большинство органиче­ских соединений, растворы и расплавы которых не проводят элек­трический ток.

При растворении в воде молекулы электролитов диссоциируют на положительные и отрицательные ионы. Положительно заря­женные ионы называют к а т и о н а м и, а отрицательно заря­женные - а н и о н а м и. Катионы металлов и водорода, а также некоторые комплексные ионы

11

заряжены положительно (К+, Н+, [Сu(NН3)4]2+ и т. д.). Анионы гидроксогруппы, кислотных остат­ков, а также некоторых комплексных соединений заряжены отри­цательно (ОН-, SO2-, [Аl (ОН)6]- и т. д.).

При пропускании через раствор электролита электрического тока ионы перемещаются к электродам по двум противополож­ным направлениям. Достигнув электродов, ионы теряют заряды, превращаясь в свободные атомы. Свойства ионов отличаются от свойств их атомов. Например, атомы хлора образуют газ Cl2, ко­торый имеет резкий ядовитый запах. Хлорид-ионы Cl- не имеют запаха и не ядовиты.

Растворы электролитов характеризуются с т е п е н ь ю д и с­ с о ц и а ц и и . Диссоциация - обратимый процесс. Как прави­ло, он не протекает до конца. Степень диссоциации представляет собой отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул электро­лита.

Степень диссоциации определяют опытным путем и выражают в долях единицы или в процентах. Например, α = 0,6, или 60 %. Это означает, что из 100 молекул данного электролита 60 распа­лось на ионы. Если α = О, то диссоциация не происходит. Если α = 100 %, то электролит полностью диссоциирует на ионы.

Степень диссоциации зависит от температуры и концентрации раствора. С повышением температуры а увеличивается. При уве­личении концентрации раствора а уменьшается, так как чем бли­же друг к другу в растворе находятся катионы и анионы раство­ренного вещества, тем больше сила их притяжения друг к другу. Расстояние между ионами зависит от концентрации раствора.

По степени диссоциации электролиты делят на две группы: сильные и слабые.

С и л ь н ы е э л е к т р о л и т ы практически полностью диссоциируют в растворах. К ним относятся: 1) неорганические кислоты - соляная HCl, иодоводородная HI, бромоводордная НBr, азотная НNО3, серная H2S04, хлорная НСО3; 2) гидроксиды щелочных и щелочно-земельных металлов (щелочи)-КОН, NaOH, LiOH, Ва(ОН)2, Са(ОН)2 и др,; 3) все соли, в том числе считающиеся практически нераст­воримыми в воде, так как они в действительности растворяются, но в очень малой степени. Растворы таких солей сильно разбав­лены, в них нет недиссоциированных молекул, а есть только ио­ны, число которых незначительно.

Минеральные кислоты и щелочи являются сильными электро­литами только в достаточно разбавленных растворах, так как в концентрированных растворах они диссоциированы слабо.

С л а б ы е э л е к т р о л и т ы - вещества, которые частично диссоциируют на ионы. К ним относятся: 1) неорганические кис­лоты - угольная Н2СО3, кремниевая Н2SiO3, сернистая Н2SО3, азотистая HN02, фосфорная Н3РО4, бор­ная Н3ВО3, сероводородная H2S и др.; 2) малорастворимые в воде гидроксиды металлов, гидрат аммиака и вода; 3) органиче­ские кислоты:

уксусная СН3СООН, щавелевая Н2С2О4 и многие неорганические вещества.

12

^ 13. СУЩНОСТЬ ГИДРОЛИЗА И ТИПЫ ГИДРОЛИЗА СОЛЕЙ

Как известно, кислые свойства растворам придают катионы Н+, а щелочные - ОН--ионы. Растворы средних солей часто имеют кислую или щелочную реакцию, хотя они в своем составе не содержат ионы Н+ или ОН-. Например, раствор KN02 имеет щелочную среду, а Аl(NО3)3 - кислую.

Обменная реакция ионов соли с ионами воды, приводящая к образованию слабого элетролита, называется гидролизом соли.

Для большинства солей гидролиз является обратимым про­цессом, и только тогда, когда продукты гидролиза уходят из сферы реакции, процесс протекает необратимо, например: Сr2S3 + 6Н2О = 2Cr(OH)3↓ + 3H2S↑

По отношению к воде все соли делят на две группы: 1) под­вергающиеся гидролизу; 2) не подвергающиеся гидролизу.

Рассмотрим типы солей, подвергающихся гидролизу.

^ 1. Гидролиз солей, образованных катионами слабых гидро­ксидов и анионами сильных кислот. Гидролиз такого типа солей называют г и д р о л и з о м п о к а т и о н у, так как только катионы соли взаимодействуют с OH- - ионами воды.

Рассмотрим гидролиз нитрата аммония NН4NО3, образован­ного катионом слабого гидроксида NН4ОН и анионом сильной кислоты НNО3.

Гидролиз идет по катиону, так как NH4+ (катионы слабого гидроксида) будут связывать OH- -ионы воды с образованием слабого электролита гидроксида аммония NH40H:

в сокращенной ионной форме: NH4+ + НОН ↔ NН4ОН + Н+

в полной ионной форме: NH4+ + NО3-+ НОН ↔ NН4ОН + Н+ + NО3-

в молекулярной форме: NН4NО3 + Н2О ↔ NН4ОН + НNО3

Из реакции видно, что произошло взаимодействие катионов NH4+ с ОН--ионами воды. Смещается ионное равновесие диссо­циации воды, вследствие чего в растворе накапливаются катио­ны Н+, поэтому раствор соли NН4NО3 имеет кислую среду.

При гидролизе солей, образованных многокислотными слабы­ми гидроксидами и сильными кислотами, процесс протекает сту­пенчато.

Гидролиз, например, хлорида меди (II) CuCI2, образованного катионом слабого гидроксида Cu(OH)2 и анионами сильнвй кис­лоты HCI, идет по катиону Cu2+ и протекает ступенчато, так как Cu2+ имеет заряд 2+. Сначала образуется основная соль гидроксохлорид меди (II) CuOHCI:

первая ступень

Си2+ + НОН↔ СuОН+ + H+

Си2+ + 2Cl- + НОН ↔ СuОН+ + Cl- + H+ + Cl­-

CuCl2 + H2O ↔ СиОНСl + НСl

Затем основная соль продолжает взаимодействовать с водой, получается гидроксид меди (II):

вторая ступень

СиОН+ + НОН ↔ Сu(ОH)2 + H+

13

СиОН+ + Сl- + HOH ↔ Сu(ОH)2 + Н+ + Cl­-

СuОНСl + H2O ↔ Сu(ОН)2 + НСl

Вследствие гидролиза в растворе накапливаются катионы Н+, поэтому раствор соли CuCl2 имеет кислую среду.

^ 2. Гидролиз солей, образованных катионами сильных гид­роксидов и анионами слабых кислот. Гидролиз этого типа солей называют гидролизом по аниону, так как только анионы соли взаимодействуют с катионами Н+ воды.

Гидролиз, например, ацетата натрия СНзСООNа, образован­ного катионом сильного гидр оксида NаОН и анионом слабой ук­сусной кислоты СНзСООН, идет по аниону, так как СНзСОО-­ ион будет Связывать катион Н+ воды с образованием' слабой' уксусной кислоты СНзСООН:.

СНзСОО-+ НОН ↔ СНзСООН + ОН-

СНзСОО- + Na+ + НОН ↔ СНзСООН + Na+ + ОН-

CH3COONa + Н2О ↔ СНзСООН + NaOH

В результате гидролиза в растворе накапливаются ОН- - ионы, поэтому раствор соли СНзСООNа имеет кислую среду.

Водные растворы солей, образованных многоосновными сла­быми кислотами и сильными основаниями, гидролизуются сту­пенчато, образуя в качестве промежуточных продуктов кислые соли. Растворы таких солей имеют щелочную среду.

Рассмотрим гидролиз карбоната калия К2СОз, образованного катионами сильного гидроксида КОН и анионом слабой кислоты Н2СОз.

Анион СО3 - имеет заряд 2-, поэтому гидролиз К2СОз протекает в две ступени:

первая ступень

СО32- + НОН ↔ НСОз- + ОН-

2К+ + СО32- + НОН = К+ + НСОз- + К+ + ОН­-

К2СОз + Н2О ↔ КНСОз + КОН

вторая ступень

НСОз- + НОН ↔ Н2СОз + ОН-

К+ + НСОз- + НОН ↔ Н2СОз + К+ + ОН-

­КНСОз + Н2О ↔ Н2СОз + КОН

В результате гидролиза соли в растворе накапливаются ОН--ионы, поэтому раствор карбоната калия имеет щелочную среду.

В обычных условиях гидролиз такого типа солей практически ограничивается первой ступенью и только при сильном разбавле­нии раствора и нагревании гидролиз идет и по второй ступени. Поэтому гидролиз солей, образованных сильными гидроксидами и слабыми многоосновными кислотами, можно рассматривать только по первой ступени.