khimie.ru

Результаты химического анализа должны давать ответы на вопросы о том, из каких компонентов состоит данный образец и каково содержание отдельных компонентов. Вопросы о числе компонентов решаются с помощью методов качественного анализа, а их содержание устанавливается методами количественного анализа. Качественный и количественный анализы — это два основных направления аналитической химии.

Классические методы качественного анализа были разработаны в период между XVII и XIX столетиями, т. е. именно тогда, когда человек ближе познакомился с окружающим миром.

Для того чтобы получить представление о том, какие элементы встречаются в природе, необходимо было научиться растворять твердые вещества, а затем следить за теми изменениями, которые происходят в растворах после добавления туда того или иного реактива. Иногда такие наблюдения велись визуально, но приходилось использовать и подходящие приборы. Если данный реактив чувствителен к компоненту, присутствующему в растворе, в последнем происходят характерные изменения.

Вот лишь один пример. Очень давно известно, что нечестные торговцы подмешивали в сметану муку, чтобы увеличить свою прибыль; для борьбы с такими мошенниками по рынку ходили контролеры, у которых под рукой был раствор йода. Одной капли было достаточно, чтобы разоблачить любителей «подгустить» вкусный продукт: при добавлении йода в испорченный мукой товар тотчас появлялась синяя окраска. Характерный синий цвет появляется в результате взаимодействия йода с крахмалом, содержащимся в муке. При необходимости реагент и объект поиска можно поменять местами и использовать крахмал для обнаружения йода. В отсутствие крахмала добавление йода не вызывает посинение. Йодокрахмальная реакция специфична как на йод, так и на крахмал. В то же время она очень чувствительна, потому что раствор йода меняет окраску в присутствии очень малых количеств крахмала.

Добавление серной кислоты в прозрачный раствор, содержащий ионы кальция, также приводит к заметному изменению — образуется нерастворимый сульфат кальция. Серная кислота, таким образом, является реагентом на кальций. Однако данная реакция неспецифична, ведь с барием, например, серная кислота реагирует точно так же. К тому же, реакция эта не очень чувствительна, поскольку осадок образуется только тогда, когда содержание кальция в растворе довольно велико.

Упомянув об испытании огнем, мы тем самым привели первый пример методики количественного анализа, а точнее той его разновидности, которая основана на определении массы путем взвешивания. Принцип гравиметрического (весового) анализа очень прост: сначала образец неизвестного состава взвешивают (берут навеску), затем подвергают его какому-либо превращению (в данном случае очистке при нагревании) и после этого вновь определяют вес (массу) полученного вещества. Затем по разности результатов двух взвешиваний рассчитывают содержание веществ, например золота.

Количественный анализ растворов научились проводить значительно позже, лишь в XVIII в. Первые шаги в этом направлений сделали не ученые, а производственники на заводах и фабриках. В те годы начала бурно развиваться промышленность и необходимо было срочно наладить контроль за качеством продукции. Вот, например, как была решена одна из таких задач.

Речь пойдет о методе определения содержания уксусной кислоты в ее водном растворе — уксусной эссенции. При взаимодействии с карбонатом натрия уксусная кислота превращается в ацетат натрия и угольную кислоту, которая в свою очередь быстро разлагается на воду и диоксид углерода, бурно с шипением выделяющийся из раствора. После того как уксусная кислота полностью прореагирует, раствор становится нейтральным. Если в такой раствор еще добавить соды, то вспенивания уже не происходит и раствор становится щелочным (избыток соды). Происходящие реакции можно описать следующими химическими уравнениями:

Nа₂СO₃ + 2СН₃СООН ↔ 2NаСООСН₃ + Н₂СO₃,

Н₂СO₃ → Н₂O + СO₂|

Что можно было бы предложить в XVIII в. заводскому «ОТК» для контроля этой реакции нейтрализации? Прежде всего отобрать пробу (определенный объем заводского продукта — уксуса — с неизвестной концентрацией уксусной кислоты); пробу поместить в какую-то емкость. Затем взять точное количество (навеску) чистой соды и постепенно добавлять ее в сосуд с уксусом до прекращения выделения пузырьков газа. Конечно, наиболее надежные результаты можно получить, если нейтрализацию провести в присутствии соответствующего вещества, которое «подает» сигнал об изменении кислотности среды. Такое вещество называется индикатором; для данной реакции лучшим индикатором является лакмус. В кислой среде лакмусовая бумажка (бумажка, пропитанная раствором лакмуса и высушенная) окрасится в красный, а в щелочной среде — в синий цвет. Нанесем на лакмусовую бумажку маленькую каплю раствора. Если бумажка не станет ни красной, ни синей, а окрасится в какой-либо «промежуточный» цвет, реакция нейтрализации прошла до конца и из такого нейтрального раствора пузырьки газа при добавлении соды не выделяются. После этого остается только узнать количество неизрасходованной соды (от взятой вначале навески) и найти, сколько соды прореагировало с кислотой. Метод, когда реагент небольшими порциями добавляют к исследуемому веществу, получил название титрования.

Путем титрования можно «подсчитать» число прореагировавших молекул. Этот метод можно сравнить с подсчетом числа людей, беспорядочно двигающихся по залу: из пачки бумаги с известным заранее определенным числом листов будем брать по одному листку и приклеивать на костюм каждого присутствующего в зале; тогда, подсчитав число оставшихся листков, сможем легко узнать, сколько листков роздано. Ну, а как убедиться, что все люди получили по листку и ни одного забытого нет? Попросим какого-нибудь постороннего заглянуть в зал и сообщить, есть ли там люди без бумажек. Вот и при титровании роль такого доброволь­ного постороннего помощника играет индикатор. Сам по себе он участия в реакции не принимает; его задача — не пропустить момента завершения реакции и подать соответствующий сигнал.

В XVII в. точные расчеты расхода реагентов были неосуществимы. Ведь химикам (а правильнее алхимикам) того времени были еще неизвестны такие понятия, как относительные атомные массы, моли и т. д., и они не умели оперировать соответствующими соотношениями. Даже привычная для нас формульная запись соединений и уравнений реакций была тогда неизвестна. Все эти символы и понятия появились лишь в XIX в. В XVII в. мастера пользовались общими указаниями о затратах исходного сырья, в которых указывалось, сколько весовых частей соды должно поглотиться данным объемом уксуса и сколько соды должно остаться. Сравнивая допустимые затраты с фактическими, можно было контролировать качество товарного продукта.

Тем не менее методы анализов, разработанные в XVII-XIX вв., отличаются достаточной точностью, что позволяет использовать их и сегодня для проверки новых аналитических методик.