Министерство образования Республики Беларусь
Учебно-методическое объединение вузов Республики Беларусь
по естественнонаучному образованию
УТВЕРЖДАЮ
Первый заместитель Министра образования
Республики Беларусь
А. И. Жук
«» _ 2009 г.
Регистрационный № ТД-/тип.
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Типовая учебная программа для высших учебных заведений по специальности:1-31 05 01 Химия (по направлениям) Направления специальности:
1-31 05 01-01 Химия (научно-производственная деятельность) 1-31 05 01-02 Химия (научно-педагогическая деятельность) 1-31 05 01-03 Химия (фармацевтическая деятельность) 1-31 05 01-04 Химия (охрана окружающей среды)
СОГЛАСОВАНО СОГЛАСОВАНО
Начальник Управления высшего и Председатель среднего специального образования учебно-методического объединения Министерства образования вузов Республики Беларусь Республики Беларусь по естественнонаучному Ю. И. Миксюк образованию «» 2009 г.В.В. Самохвал «» _ 2009 г. Ректор Государственного учреждения образования «Республиканский институт высшей школы»
М. И. Демчук «» 2009 г.
Эксперт-нормоконтролер Н.П. Машерова «» 2009 г
СОСТАВИТЕЛИ:
С. М. Лещев, профессор кафедры аналитической химии Белорусского государственного университета, доктор химических наук, профессор;С. А. Мечковский, профессор кафедры аналитической химии Белорусского государственного университета, доктор химических наук, профессор.
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
Кафедра аналитической химии Учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет».
А. Э. Щербина – профессор кафедры органической химии Учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет», доктор химических наук, профессор;
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В КАЧЕСТВЕ ТИПОВОЙ:
Кафедрой аналитической химии Белорусского государственного университета (протокол № от _ 2009 г.);Научно-методическим советом Белорусского государственного университета (протокол № от _ 2009 г.) Научно-методическим советом по специальности «Химия»
Учебно-методического объединения вузов Республики Беларусь по естественнонаучному образованию (протокол № от _ 2009 г.) Ответственный за выпуск: Лещев Сергей Михайлович
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Программой предусматривается изучение теоретических основ химических методов разделения и концентрирования веществ, их обнаружения и идентификации, а также их последующего количественного определения различными методами – гравиметрическим и объемным, или титриметрическим. Акцент при этом делается на методы, в основе которых лежит визуальная регистрация аналитических эффектов без использования современного химико-аналитического оборудования, а сами методы анализа могут быть условно названы химическими или «классическими».Необходимость изучения данных методов в отдельном курсе связана как с историей становления и развития аналитической химии, так и с тем, что теоретические основы современной аналитической химии и используемые ей методы во многом базируются на материале, полученном при изучении именно химических особенностей поведения веществ в различных процессах.
В связи с этим, граница между современной аналитической химией и «классическими» методами анализа представляется во многом условной.
Поэтому цель данного курса – формирование у будущих специалистовхимиков системных знаний о свойствах веществ и особенностях их реакционной способности, и определяемых ими возможностях их разделения, выделения и концентрирования с целью последующего определения. При этом будущие специалисты должны отчетливо сознавать роль аналитической химии в современном обществе – в научных исследованиях, в промышленности, в мониторинге окружающей среды, в медицине и т.д. При изучении курса неоднократно делается упор на то, что аналитическая химия тесно связана с новейшими достижениями других наук, и, в свою очередь, способствует их развитию, разрабатывая новые методы анализа и контроля.
Структура лекционного курса включает в себя следующие разделы:
вводную часть, общие теоретические основы аналитической химии, методы обнаружения и разделения, методы количественного определения веществ, метрологию химического анализа и аналитическую химию реальных объектов.
В связи с этим, после изложения вводной части курса, включающей историю аналитической химии и общее рассмотрение ее методов, излагаются обязательные для данного курса представления о химическом равновесии.
Основное внимание при этом уделяется факторам, определяющим состояние химического равновесия и принципиальным возможностям использования этих факторов для управления химическими превращениями в гомогенных и гетерогенных системах.
Все разновидности возможных химических процессов и их сочетаний оцениваются с точки зрения формирования аналитического сигнала, определяемого визуально, и его функциональной связи с природой и концентрацией компонентов исследуемых вещественных систем. При этом всесторонне показывается роль методов предварительного разделения и концентрирования с целью получения достоверных сведений о составе анализируемого объекта. Отдельно рассматриваются вопросы оценки воспроизводимости и достоверности результатов химического анализа.
С целью закрепления полученных теоретических знаний программой курса на практике предусмотрен цикл лабораторных работ по методам разделения, концентрирования и обнаружения компонентов, гравиметрическим и титриметрическим методам определения. Цикл заканчивается выполнением итогового или зачетного лабораторного задания по выполнению анализа объекта сложного состава.
Тематика практических и семинарских занятий предусматривает детальное рассмотрение наиболее важных теоретических положений, решение расчетных задач, обобщение результатов лабораторных работ.
В результате изучения дисциплины обучаемый должен знать:
- теоретические основы аналитической химии, включающие помимо учения о химическом равновесии, групповые и индивидуальные свойства ионов и веществ;
- методы предварительного разделения и концентрирования определяемых веществ для получения достоверных сведений о составе объекта;
- конкретные способы определения химического состава различных объектов, включая вещества и продукты природного и синтетического происхождения.
уметь:
- владеть основными приемами работы в химико-аналитической лаборатории, которые включают операции осаждения, титрования, взвешивания, экстрагирования, пробоподготовки;
- решать расчетные задачи по выбору оптимальных условий проведения реакций обнаружения, а также процессов разделения и концентрирования веществ;
- выбирать оптимальный и наиболее эффективный метод определения состава анализируемого объекта.
Программой предусматривается также написание реферативных работ по индивидуальным заданиям или по выбору.
Учебный курс рассчитан на 202 часа, в том числе аудиторных 98 (лекций – 40, семинарских – 34, КСР – 24), лабораторных – 104 часа.
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
аналитической химии, ее обнаружения и разделения равновесия в гомогенных и гетерогенных системах.2.1. Активность, Теория сильных электролитов.
теории кислот и оснований.
реагенты в аналитической аналитической химии.
Систематические методы анализа ионов в растворах.
Кислотно-основное титрование.
восстановительное титрование.
осадительное титрование смесей сухих солей.
пробоподготовка в анализе.
Оценка систематических и случайных погрешностей анализ по функциональным Предмет аналитической химии, ее место среди других наук, связь с практикой.
Основные этапы развития аналитической химии.
Основные задачи и методы аналитической химии: снижение пределов обнаружения, повышение точности; обеспечение экспрессности, следовый анализ и анализ микрообъектов, анализ без разрушения, локальнораспределительный анализ, дистанционный анализ.
Химические, физико-химические, физические и биологические методы анализа. Макро-, микро- и ультрамикроанализ.
Научная химико-аналитическая литература.
2. Теоретические основы аналитической химии.
2.1. Метрологические основы химического анализа.
Измерение физических величин. Аналитический сигнал и помехи.
Систематические и случайные погрешности анализа.
Правильность и воспроизводимость результатов анализа, предел обнаружения и коэффициент чувствительности, нижняя и верхняя границы определяемых содержаний.
Статистическая обработка результатов измерений.
Закон нормального распределения случайных ошибок. Среднее, дисперсия, стандартное отклонение, доверительный интервал. Методы оценки воспроизводимости результатов анализа.
Способы оценки правильности результатов анализа: использование стандартных образцов, метод варьирования навесок, сопоставление с другими методами.
Способы повышения правильности и воспроизводимости анализа.
Представительность пробы, проба и объект анализа, проба и метод анализа. Факторы, обуславливающие размер и способ отбора представительной пробы. Отбор проб гомогенного и гетерогенного состава.
Способы получения средней пробы твердых, жидких и газообразных веществ, устройства и приемы, используемые при этом, первичная обработка и хранение проб, дозирующие устройства.
Основные способы перевода 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.
2.3. Реакции и процессы, используемые в аналитической химии.
2.3.1. Химические процессы в гомогенных системах (растворах).
Полнота и скорость протекания реакции как основные предпосылки ее аналитического применения.
Термодинамические характеристики протекания химической реакции.
Константы равновесия реакций различных типов. Активность. Теория сильных электролитов Дебая-Хюккеля.
Совмещенные равновесия. Мольная доля и коэффициент побочной реакции.
Термодинамическая, концентрационная и условная константы равновесия.
Скорость химической реакции. Катализаторы и ингибиторы.
Растворители и их важнейшие характеристики (полярность, донорноакцепторные свойства, структура). Электролиты и неэлектролиты.
Сольватация, ионизация, диссоциация и ассоциация растворенных веществ.
Общая оценка способности ионов участвовать в различных типах реакций в связи с положением в Периодической системе Д.И.Менделеева.
Современные представления о кислотах и основаниях. Теория Бренстеда-Лоури. Равновесия в системах кислота - сопряженное основание.
Влияние природы растворителя на кислотно-основные свойства веществ.
Константа автопротолиза растворителя. Шкалы кислотности в различных растворителях. Нивелирующие и дифференцирующие растворители.
Буферные растворы и их свойства. Буферная емкость.
Другие теории кислот и оснований.
Типы комплексных соединений, используемых в аналитической химии.
Свойства комплексных соединений, имеющих аналитическое значение:
устойчивость, растворимость, окраска, летучесть.
Строение комплексных соединений. Теория Вернера. Внутрисферные и внешнесферные комплексы, однолигандные и разнолигандные, моноядерные и полиядерные комплексные соединения.
Константы образования (ступенчатые, общие) комплексных соединений.
Функция образования (среднее лигандное число), функция закомплексованности, степень образования комплекса.
Факторы, влияющие на устойчивость комплексных соединений: электронное строение центрального атома и лиганда, рН, ионная сила. Взаимодействие органических реагентов с неорганическими ионами. Теория аналогий взаимодействия ионов металлов с неорганическими и органическими реагентами.
Теория «жестких» и «мягких» кислот и оснований Пирсона (ЖМКО принцип).
Хелатные соединения и их применение в анализе. Факторы, влияющие на устойчивость хелатов.
Влияние процессов комплексообразования на растворимость соединений, потенциал окислительно-восстановительных систем, кислотноосновное равновесие.
Способы повышения чувствительности и селективности анализа с использованием процессов комплексообразования.
Важнейшие органические реагенты, применяемые в анализе для разделения и маскирования, обнаружения и определения ионов металлов.
Возможности использования комплексных соединений в различных методах анализа.
Окислительно-восстановительные реакции Электродный потенциал. Уравнение Нернста. Стандартный и формальный потенциалы. Связь константы равновесия со стандартными потенциалами.
Факторы, влияющие на направление окислительно-восстановительных реакций. Основные неорганические и органические окислители и восстановители, применяемые в анализе.
2.3.2. Химические процессы в гетерогенных системах.
Факторы, определяющие растворимость неорганических и органических веществ в различных растворителях.
Произведение растворимости (термодинамическое, концентрационное, условное), его связь с растворимостью малорастворимого соединения.
Зависимость растворимости ионных соединений от концентраций общих и посторонних ионов, рН, присутствия комплексообразующих реагентов, окислителей, восстановителей. Влияние природы растворителя и температуры на растворимость.
Взаимосвязь между растворимостью и произведением растворимости осадка. Условия получения кристаллических и аморфных осадков. Осаждение из гомогенных растворов (гидролитическое осаждение).
Соосаждение. Разновидности соосаждения: адсорбция, окклюзия, изоморфизм и др. Закон распределения Хлопина.
Соосаждение на неорганических и органических коллекторах. Области применения соосаждения в анализе.
Коллоидообразование в анализе. Строение коллоидной частицы.
Пептизация и коагуляция. Факторы, влияющие на устойчивость коллоидных растворов. Использование коллоидообразования в анализе.
Сущность метода. Важнейшие экстракционные системы. Движущие силы экстракционного процесса и причины расслаивания жидкостей.
Закон распределения. Константа распределения. Константа экстракции.
Экстракция веществ в виде молекулярных форм и экстракция ионных ассоциатов.
Коэффициент распределения. Степень извлечения, кратность концентрирования вещества при экстракции.
Важнейшие растворители и реагенты, используемые в экстракции.
Экстракция хелатных соединений. Скорость экстракции. Реэкстракция.
Основные принципы метода. Хроматография как динамический процесс.
Типы стационарных и подвижных фаз. Время удерживания. Объем удерживания. Коэффициент емкости и коэффициент распределения.
Подвижность. Разрешение.
Высота эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ). Виды хроматографии: жидкостная, газовая, колоночная, плоскостная, адсорбционная, ионообменная, распределительная. Хроматография высокого разрешения. Гель-хроматография. Афинная хроматография.
3.1. Методы обнаружения и идентификации Аналитические реакции, их чувствительность, специфичность.
Дробный и систематический анализ.
Обнаружение веществ с использованием реакций образования окрашенных соединений в растворах. Капельный анализ.
Анализ растиранием порошков.
Хроматографические методы обнаружения.
Спектральные методы обнаружения и идентификации неорганических веществ.
Экспрессный качественный анализ в заводских и полевых условиях.
3.2. Методы разделения и концентрирования.
Основные методы разделения и концентрирования, их выбор и оценка, общие принципы. Групповое и индивидуальное концентрирование (разделение). Отделение матрицы, отделение микрокомпонентов.
Разделение и концентрирование с использованием осаждения и соосаждения.
Реагенты-осадители общего назначения: гидроксиды, карбонаты, сульфиды, фосфаты, галогениды, сульфаты, хроматы, оксалаты и другие.
Реагенты групповые, избирательные, специфичные.
Разделение катионов на группы сульфидным, кислотно-щелочным и аммиачно-фосфатным методами.
Групповые реагенты для разделения и последующего обнаружения анионов.
Осаждение как метод концентрирования. Концентрирование методом соосаждения на неорганических и органических коллекторах.
Экстракция как метод разделения и концентрирования веществ.
Абсолютное и относительное концентрирование.
Хроматографические методы разделения. Бумажная и тонкослойная хроматография.
Другие методы разделения: ректификация, зонная плавка, мембранные методы.
Сущность гравиметрического анализа и границы его применимости.
Разновидности гравиметрического анализа: метод осаждения, метод отгонки. Прямые и косвенные методы определения. Погрешности в гравиметрическом анализе.
Важнейшие неорганические и органические осадители.
Требования к осаждаемой и гравиметрической формам.
Изменение состава осадка при высушивании и прокаливании.
Термогравиметрия.
Аналитические весы. Факторы, влияющие на точность взвешивания.
Сущность титриметрического анализа, классификация методов.
Требования, предъявляемые к реакциям в титриметрическом анализе.
Определение неорганических и органических соединений.
Виды титриметрических определений: прямое и обратное титрование, определение по замещению.
Способы выражения концентраций в растворах в титриметрии. Эквивалент.
Молярная концентрация. Первичные стандарты, требования к ним.
Фиксаналы. Вторичные стандарты.
стехиометричности (эквивалентности) и конечная точка титрования. ). Скачок титрования.
Построение кривых титрования. Влияние величины константы кислотности или основности, концентраций кислот или оснований, природы растворителя и температуры на форму кривых титрования.
Кислотно-основное титрование в неводных средах.
Кислотно-основные индикаторы. Теории индикаторов. Показатель титрования и интервал перехода индикаторов. Наиболее часто используемые кислотно-основные индикаторы.
Погрешности титрования при определении сильных и слабых кислот и оснований, смесей кислот, оснований.
Окислительно-восстановительное титрование Построение кривых титрования. Факторы, влияющие на форму кривых титрования: образование малорастворимых соединений, комплексообразование, концентрация ионов водорода, ионная сила раствора, температура. Характеристика отдельных методов: перманганато-, бихромато-, иодометрия и др.
Методы предварительного окисления-восстановления.
Окислительно-восстановительные индикаторы. Погрешности титрования и способы их устранения.
Разновидности осадительного титрования. Построение кривых титрования. Влияние адсорбции на точность титрования. Влияние растворимости соединения, природы растворителя, концентраций определяемых ионов, температуры на форму кривых титрования.
Индикаторы в методе осадительного титрования. Погрешности титрования.
Способы определения конечной точки титрования. Погрешности титрования.
Неорганические и органические реагенты в комплексометрии.
Использование аминополикарбоновых кислот в комплексометрии.
Комплексонометрия (хелатометрия.
Способы комплексонометрического титрования: прямое, обратное, вытеснительное, косвенное.
Металлохромные индикаторы и требования, предъявляемые к ним.
Важнейшие универсальные и специфические индикаторы.
Селективность титрования и способы ее повышения.
Примеры практического применения комплексонометрического титрования.
Этилендиаминтетрауксусная кислота и ее динатриевая соль (ЭДТА) как реагенты в комплексонометрии.
Использование связи между скоростью химической реакции и концентрацией реагирующих веществ с целью их определения. Индикаторные реакции и индикаторные вещества.
Способы установления концентрации веществ на основе измерения скорости реакции: метод тангенсов, метод фиксированного времени, метод фиксированной концентрации.
Типы каталитических и некаталитических реакций, используемые в кинетических методах: окисление-восстановление, обмен лигандов в комплексах, превращение органических соединений, фотохимические и ферментативные реакции.
Чувствительность и специфичность кинетических методов.
Анализ объектов окружающей среды: воздуха, природных вод, атмосферных осадков, почв, донных отложений. Характерные особенности их анализа.
Биологические и медицинские объекты. Задачи аналитической химии в этой области. Санитарно-гигиенический контроль.
Геологические объекты. Анализ силикатов, карбонатов, железных, никель-кобальтовых руд, полиметаллических руд.
Производственный анализ. Анализ технологических растворов, сточных вод.
промышленности. Определение черных, цветных, редких, благородных металлов и анализ их сплавов. Анализ неметаллических включений и определение газообразующих примесей в металлах. Контроль металлургических производств.
Атомные материалы. Определение тория, урана, плутония, трансплутониевых элементов и некоторых продуктов их деления.
Неорганические соединения. Вещества особой чистоты (в том числе полупроводниковые материалы, материалы высокотемпературной сверхпроводимости), определение в них примесных и легирующих микроэлементов. Послойный и локальный анализ кристаллов и пленочных материалов.
«