Белорусский государственный университет
УТВЕРЖДАЮ
Декан химического факультета
Д.В. Свиридов
(подпись)
(дата утверждения)
Регистрационный № УД-/баз.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Учебная программа для 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) Минск 2010 г.
СОСТАВИТЕЛИ:
В.В.Егоров, профессор кафедры аналитической химии Белорусского государственного университета, доктор химических наук, профессор;В.Л.Ломако, доцент кафедры аналитической химии Белорусского государственного университета, кандидат химических наук, доцент;
Е.М.Рахманько, заведующий кафедрой аналитической химии Белорусского государственного университета, доктор химических наук, профессор.
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
Кафедра аналитической химии учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет».
А. И. Ратько, заведующий лабораторией адсорбентов и адсорбционных процессов ГНУ «Институт общей и неорганической химии» НАН Беларуси, член-корреспондент НАН Беларуси, доктор химических наук, профессор.
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ:
Кафедрой аналитической химии Белорусского государственного университета (протокол № от_.06. 10);Учебно-методической комиссией химического факультета Белорусского государственного университета (протокол № 1 от 07.09.10).
Ответственный за редакцию: Е.М.Рахманько Ответственный за выпуск: В.В.Егоров
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
В современном мире подавляющее большинство задач, связанных с получением информации о качественном и количественном химическом составе различных объектов, решаются с помощью физико-химических методов анализа (оптических, хроматографических, электрохимических и др.). Поэтому физико-химические методы анализа являются важнейшим разделом современной аналитической химии, изучение которого совершенно необходимо для подготовки квалифицированных специалистов-химиков.Цель данного курса – фундаментальная и практическая подготовка студентов химических специальностей в области физико-химических методов анализа.
Задачи курса:
- формирование у студентов системных знаний об основных физических законах и процессах, лежащих в основе современных физико-химических методов анализа, а также о механизмах и принципах генерирования аналитического сигнала, связанных с индивидуальными химическими свойствами определяемых веществ;
- ознакомление студентов с методами и приемами работы на основных типах аналитического оборудования и с методами пробоподготовки анализируемых объектов различного происхождения;
- формирование у студентов соответствующего кругозора, позволяющего осознавать роль аналитической химии в решении насущных практических задач (контроль технологических процессов и качества готовой продукции;
мониторинг состояния окружающей среды; медицинская биохимическая диагностика и др.), ориентироваться в возможностях различных методов применительно к анализу реальных объектов и грамотно формулировать постановку аналитической задачи.
В результате изучения дисциплины обучаемый должен знать:
- теоретические основы генерирования и регистрации аналитического сигнала для соответствующих методов анализа;
- основные типы соответствующего аналитического оборудования, наиболее принципиальные технические решения;
- характер научных и практических задач, решаемых с помощью различных физико-химических методов анализа;
- характер данных, получаемых с помощью этих методов;
- основные метрологические характеристики соответствующих методов;
.- основные приемы пробоотбора и пробоподготовки различных реальных объектов для последующего инструментального анализа.
- делать осознанный выбор адекватного метода анализа, с учетом особенностей аналита и анализируемого объекта;
- обращаться с представленными на лабораторном практикуме типами аналитического оборудования;
- проводить обработку и интерпретацию первичных экспериментальных данных, полученных с использованием изучаемых методов анализа.
Преподавание курса базируется на общетеоретической подготовке, полученной студентами при изучении курсов физики, неорганической, физической, органической и аналитической (химические методы анализа) химии и проводится по модульному принципу с выделением трех основных модулей, в соответствии со сложившимися традициями изучения данной дисциплины в ведущих университетах Беларуси и России:
- электрохимические методы анализа;
- спектроскопические (преимущественно, с использованием излучения в видимой и ближней УФ области) методы анализа;
- хроматографические методы анализа.
Во вводной части курса рассматриваются современное состояние аналитической химии и роль физико-химических методов анализа, дается классификация физико-химических методов анализа. Отдельное внимание уделяется практическим и научным задачам, решаемым с помощью данных методов, и перспективам развития физико-химических методов анализа.
Программа задает объем материала, подлежащего изучению в курсе, и объем сведений по каждому изучаемому вопросу.
Преподавание курса предусматривает проведение лекций, семинарских и лабораторно-практических занятий, которые должны быть обеспечены техническими средствами обучения, наглядными материалами соответствующим лабораторным оборудованием и реактивами.
Часть вопросов описательного характера, перечисленных в программе, выносится для самостоятельного изучения, в целях развития у студентов навыков работы с учебной и научной литературой, указанной в конце программы.
Лабораторные занятия предусматривают овладение навыками работы на различных типах приборов по электрохимическим, оптическим и хроматографическим методам анализа, приготовлению стандартных растворов, используемых для градуировки приборов, и проведению количественного анализа различных объектов (сплавы, почвы, продукты питания и др.) на содержание целевых компонентов.
Организация самостоятельной работы студентов осуществляется с использованием современных информационных технологий путем размещения в сетевом доступе комплекса учебных и учебно-методических материалов (рабочая программа курса, методические указания к лабораторным занятиям, задания в тестовой форме для самоконтроля, список рекомендуемой литературы и др.).
Эффективность самостоятельной работы студентов может проверяться путем текущего и итогового контроля знаний в форме устного опроса при выполнении лабораторных работ, семинаров, контрольных работ в традиционном и тестовом (в том числе, компьютерном) вариантах по разделам курса.
Программой предусматривается также написание реферативных работ по индивидуальным заданиям или по выбору.
Учебный курс рассчитан на 214 часов, в том числе 102 часа аудиторной работы.
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
тем Введение. Физико-химические методы анализа как раздел современной аналитической химии. Состояние и тенденции развития.методы анализа.
электрохимических методов. Возникновение скачка потенциала на межфазовой границе. Типы электрохимиических ячеек.
ние Нернста. Индикаторный электрод и электрод сравнения. Техника измерения э.д.с.
типам электродно-активных функционирования.
пределы функционирования ИСЭ. Влияние посторонних ионов на работу ИСЭ.
потенциометрическое титрование и их практическое применение.
Основные характеристики полярографической волны.
Процессы, протекающие на ртутной капле при снятии полярограммы. Уравнения полярографии (инверсионная, переменнотоковая, импульсная, осциллографическая). Вольтамперометрия с твердыми микроэлектродами. Амперометрическое титрование.
электрогравиметрия, кондуктометрия, капиллярный электрофорез.
методы анализа.
ствия электромагнитного излучения с веществом.
Спектры атомов и молекул.
Классификация спектроскопических методов анализа.
атомно-эмиссионного анализа. Основные типы приборов, практическое атомно-абсорбционного анализа. Основные типы приборов, практическое молекулярно-абсорционного и флуоресцентного анализа. Основные типы щающих сред для молекулярно-абсорбционного методы анализа.
хроматографических методов анализа и их классификация. Основные параметры хроматограммы, кинетическая теория.
Схема газового хроматографа. Основные типы детекторов, способы получения легколетучих соединений, области применения.
жидкостная хроматография.
Схема жидкостного хроматографа. Основные типы детекторов, практическое применение.
Эксклюзионная хроматография. Тонкослойная хроматография. Принципы осуществления и области применения.
Основные проблемы современной аналитической химии: снижение предела обнаружения; повышение точности и избирательности; обеспечение экспрессности; создание методов неразрушающего анализа; локальный анализ; дистанционный анализ. Тенденции развития аналитической химии:
инструментализация, автоматизация, математизация, миниатюризация, увеличение доли физических и биохимическихметодов, переход к многокомпонентному анализу, создание сенсоров и тест-методов.
Физико-химические методы анализа как раздел современной аналитической химии: определение, этапы развития, классификация, решаемые задачи, место среди других методов анализа.
Научная и учебно-методическая литература по физико-химическим методам анализа.
Общая характеристика электрохимических методов. Основные типы электрохимических ячеек (электролитическая ячейка, гальванический элемент) и их использование в электрохимических методах анализа.
Механизм возникновения межфазового потенциала на межфазовой границе электрод – раствор. Понятия индикаторного электрода и электрода сравнения. Водородная шкала электродных потенциалов. 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.
Сущность метода. Зависимость межфазового потенциала от активности ионов в растворе. Условие Гуггенгейма. Уравнение Нернста.
Э.д.с. гальванической ячейки как сумма межфазовых потенциалов.
Правила знаков э.д.с. и электродных потенциалов. Техника измерения потенциала.
Основные типы немембранных индикаторных электродов, применяемых в прямой потенциометрии: ионно-металлические электроды, электроды второго рода, окислительно-восстановительные, газовые.
Механизм функционирования и важнейшие представители.
Ионоселективные (мембранные) электроды, их классификация по типам мембран: стеклянные электроды, электроды на основе труднорастворимых кристаллических осадков с гомогенными и гетерогенными мембранами, жидкостные и пленочные электроды на основе жидких ионообменников и нейтральных переносчиков; устройство и принципы функционирования; важнейшие представители. Основные характеристики ионоселективных электродов: наклон электродной функции, коэффициент селективности, концентрационные пределы функционирования, время отклика и факторы, их определяющие. Уравнения Никольского и Эйзенмана-Никольского.
Важнейшие электроды сравнения: принцип функционирования и конструктивные особенности. Диффузионный потенциал: причины возникновения и пути устранения. Формула Гендерсона.
Ионометрия и основные варианты ее применения: метод градуировочного графика, метод ограничивающих растворов, метод стандартного раствора, методы добавок; их сравнительная характеристика.
Основные источники погрешностей метода прямой потенциометрии и пути их устранения.
Сложные устройства на основе ионоселективных электродов: газовые селективные электроды, ферментные электроды, ионоселективные полевые транзисторы. Проточный и проточно-инжекционный потенциометрический анализ.
Примеры практического применения ионометрии.
2.1.2.Потенциометрическое титрование Изменение электродного потенциала в процессе титрования. Способы обнаружения конечной точки титрования: метод касательных, методы первой и второй производных, метод Грана. Факторы, определяющие величину скачка потенциала. в кислотно-основном, комплексометрическом, осадительном и окислительно-восстановительном титровании.
Использование реакций кислотно-основных, осаждения, комплексообразования, окисления-восстановления.
Примеры практического применения.
Сравнительная характеристика методов прямой потенциометрии и потенциометрического титрования.
Общие принципы вольтамперометрии. Процессы, протекающие в электролитической ячейке с поляризующимся индикаторным электродом и неполяризующимся электродом сравнения. Требования к индикаторным электродам и электродам сравнения; важнейшие представители.
Индикаторные электроды и классификация вольтамперометрических методов. Сравнительная характеристика ртутного капающего электрода и твердых микроэлектродов. Трехэлектродные ячейки.
Схема полярографической ячейки и процессы, в ней протекающие.
Полярографическая волна и характеристики ее отдельных участков.
Конденсаторный, миграционный, диффузионный токи. Предельный диффузионный ток. Уравнение Ильковича.
Уравнение обратимой полярографической волны Ильковича Гейровского. Потенциал полуволны и факторы, его определяющие.
Полярографические максимумы: причины возникновения, способы устранения, возможности применения для определения поверхностноактивных веществ. Составляющие полярографического фона и их роль в проведении полярографического анализа.
Количественный и качественный полярографический анализ с использованием ртутного капающего электрода: возможности и ограничения.
Примеры практического применения.
2.2.2. Современные разновидности вольтамперометрии Способы улучшения соотношения фарадеевского и емкостного токов:
временная и фазовая селекция аналитического сигнала. Переменно-токовая полярография: синусоидальная и квадратно-волновая. Импульсная полярография: нормальная и дифференциальная. Полярография с быстрой линейной разверткой потенциала (осциллографическая). Циклическая вольтамперометрия. Инверсионная анодная полярография с накоплением.
Вольтамперометрия с использованием твердых микроэлектродов.
Катодная инверсионная вольтамперометрия. Вольтамперометрия с использованием химически модифицированных электродов. Адсорбционная инверсионная вольтамперометрия.
Примеры практического применения.
Сравнительная характеристика вольтамперометрических методов с использованием ртутного капающего и твердых микроэлектродов.
Сущность метода. Индикаторные электроды. Выбор потенциала индикаторного электрода. Амперометрическое титрование с одним и двумя поляризованными электродами. Виды кривых титрования.
Примеры практического применения.
Принципы кондуктометрии: удельная и эквивалентная электропроводность; уравнение Кольрауша и предельная эквивалентная электропроводность солей и ионов; схема установки. Прямая кондуктометрия и кондуктометрическое титрование. Применение для контроля качества чистой воды, солености почв, в ионной хроматографии.
2.4. Другие электрохимические методы анализа Теоретические основы. Закон Фарадея. Способы определения количества электричества: электронные и химические интеграторы. Прямая кулонометрия и кулонометрическое титрование. Кулонометрия при постоянном токе и постоянном потенциале. Внешняя и внутренняя генерация кулонометрического титранта. Титрование электроактивных и электронеактивных компонентов. Определение конечной точки титрования.
Преимущества и ограничения метода кулонометрического титрования по сравнению с другими титриметрическими методами.
Примеры практического применения.
Сущность и общая характеристика электрогравиметрических методов.
Практическое применение.
Схема установки, понятия электроосмотического потока и электрофоретической подвижности; принципы разделения веществ по заряду и размеру.
Сравнительная характеристика чувствительности и избирательности, областей применения электрохимических методов.
Спектр электромагнитного излучения (энергия, способы ее выражения;
термины, символы и единицы энергии излучения; диапазоны излучения, типы энергетических переходов). Основные типы взаимодействия вещества с излучением: эмиссия (тепловая, люминесценция), поглощение, рассеяние.
Классификация спектроскопических методов по энергии. Классификация спектроскопических методов на основе спектра электромагнитного излучения (атомная, молекулярная, абсорбционная, эмиссионная спектроскопия).
Спектры атомов. Основные и возбужденные состояния атомов, характеристики состояний. Энергетические переходы. Правила отбора.
Законы испускания и поглощения. Вероятности электронных переходов и времена жизни возбужденных состояний. Характеристики спектральных линий: положение в спектре, интенсивность, естественная ширина.
Спектры молекул; их особенности. Схемы электронных уровней молекулы. Представление о полной энергии молекул как суммы электронной, колебательной и вращательной. Зависимость виды спектра от агрегатного состояния вещества.
Основные законы поглощения электромагнитного излучения (Бугера) и закон излучения (Ломакина-Шейбе). Связь аналитического сигнала с концентрацией определяемого соединения.
Аппаратура. Способы монохроматизации лучистой энергии.
Классификация спектральных приборов. Характеристики спектральных приборов: дисперсия, разрешающая способность, светосила. Приемники излучения: фотоэмульсия, фотоэлементы, фотоумножители, полупроводниковые приемники излучения. Инструментальные помехи.
Шумы и отношение сигнал-шум; оценка минимального аналитического сигнала.
3.1.Методы атомной оптической спектроскопии Принцип метода. Спектры испускания. Методы атомизации и возбуждения. Пламенный вариант метода. Другие методы возбуждения (дуговые, искровые, лазерные, пламенные) и их основные характеристики.
Процессы, протекающие при возбуждении, и его механизм. Методы регистрации аналитического сигнала (спектрометрия, спектрография).
Пламенные фотометры и спектрофотометры. Спектрофотометры с регистрацией полного спектра испускания. Диодная линейка. Качественный и полуколичественный атомно-эмиссионный анализ.
Количественный атомно-эмиссионный анализ. Определяемые элементы и области применения.
Методы атомизации. Пламёна, их составы и характеристики.
Электротермическая атомизация в графитовой кювете – платформе Львова.
Гидридный метод и метод холодного пара. Атомно-абсорбционные спектрофотометры. Эффекты Лоренца и Доплера и их значение для выбора источника излучения. Источники излучения: лампы Уолша, источники сплошного излучения с использованием дифракционной решетки и др.
Сравнительная метрологическая характеристика эмиссионного и абсорбционного методов и области их применения.
Принцип метода; особенности и применение.
3.2.Методы молекулярной оптической (УФ и видимой) спектроскопии 3.2.1. Молекулярная абсорбционная спектроскопия (спектрофотометрия) Связь химической структуры соединения с абсорбционным спектром.
Связь оптической плотности с концентрацией. Закон светопоглощения Ламберта-Бугера-Бера. Отклонения от закона, их причины (химические;
температура, эффекты, обусловленные растворителем, рассеяние света, монохроматизация излучения). Понятие об истинном и кажущемся молярном коэффициенте поглощения. Инструментальные погрешности; оптимальный интервал измеряемых значений оптической плотности.
Способы определения концентрации веществ. Измерение высоких, низких оптических плотностей (дифференциальный метод). Анализ многокомпонентных систем. Фотометрическое титрование.
комплексообразования с органическими и минеральными лигандами.
Органические реагенты. Применение органических реакций для получения окрашенных соединений. Биохимический анализ в медицине. Применение экстракции для получения окрашенных соединений. Экстракционнофотометрический анализ Катионные и анионные красители для получения окрашенных ионных ассоциатов. Другие типы реакций в молекулярноабсорбционном анализе. Понятие контрастности фотометрических реакций.
Примеры практического применения метода.
Применение метода для исследования реакций (комплексообразования, протолитических, агрегации), сопровождающихся изменением спектров поглощения.
3.2.2. Молекулярная люминесцентная спектроскопии (хемилюминесценция, биолюминесценция, электролюминесценция, фотолюминесценция). Схема Яблонского. Флуоресценция и фосфоресценция. Закон Стокса-Ломмеля. Правило зеркальной симметрии Левшина. Тушение люминесценции.
Сравнение возможностей молекулярной абсорбционной и люминесцентной (собственная люминесценция) спектроскопии при определении неорганических соединений. Преимущества люминесцентной спектроскопии при идентификации и определении органических соединений.
Место и роль спектроскопических методов в аналитической химии и химическом анализе.
Определение хроматографии. Понятие о подвижной и неподвижной фазах. Классификация методов по агрегатному состоянию подвижной и неподвижной фаз, по механизму разделения, по технике выполнения.
«