Биологического и химико-технологического факультета

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Методические указания

Для студентов нехимических специальностей

биологического и химико-технологического факультета

Сургут 2008

Рецензент: д.х.н., профессор Сургутского государственного университета Э.Х.Ботиров

Настоящее пособие подготовлено доцентом, к.х.н. Ю.Ю.Петровой, доцентом, к.ф.-м. наук Ю.П.Туровым, ст.преподавателем, к.х.н. Е.В.Стариковой, инженерами Н.В.Шаталовой и Л.Н.Гаевой.

Методические указания предназначены для студентов I и II курсов биологического и химико-технологического факультетов, обучающихся по нехимическим специальностям, и включают: содержание курса по аналитической химии, соответствующее ГОСам и примерной программе УМО для нехимических специальностей; методические указания к выполнению 11 лабораторных работ по химическим и физико-химическим методам анализа; примерные варианты двух промежуточных контрольных работ для студентов очной формы обучения и 20 вариантов контрольных работ для студентов заочной формы биологического факультета; вопросы к экзамену; примерный вариант экзаменационного билета; а также список рекомендуемой литературы и электронных ресурсов по аналитической химии.

Содержание

I. Содержание курса по аналитической химии…………… II. Методические указания к выполнению лабораторных работ……………………………………………………………………….. Лабораторная работа № 1. Качественный анализ катионов и анионов…………………………………………………………………….. Лабораторная работа № 2. Определение содержания металлов в исследуемом растворе гравиметрическим методом……………... Лабораторная работа № 3. Титриметрические методы анализа. Кислотно-основное титрование………………………………………. Лабораторная работа № 4. Окислительно-восстановительное титрование. Определение меди………………………………………….. Лабораторная работа № 5. Комплексонометрическое титрование. Определение кальция и магния в растворе……………………… Лабораторная работа № 6. Абсорбционная молекулярная спектроскопия. Определение железа сульфосалициловой кислотой……. Лабораторная работа № 7. Потенциометрическое титрование. Кислотно-основное титрование.Определение соляной и борной кислот в растворе при их совместном присутствии………………………. Лабораторная работа № 8. Потенциометрическое титрование. Окислительно-восстановительное титрование.Определение кобальта в растворе………………………………………………………………….. Лабораторная работа № 9. Кинетические методы анализа. Определение меди в растворе……………………………………………. Лабораторная работа № 10. Разделение смеси катионов металлов методом экстракции……………………………………………… Лабораторная работа № 11. Разделение и обнаружение катионов и фенолов методом одномерной бумажной хроматографии…………………………………………………………………………. III. Примерные варианты текущих контрольных работ……... IV. Варианты контрольных работ для студентов заочного отделения………………………………………………………………….. V. Вопросы к экзамену……………………………………… VI. Структура экзаменационного билета…………………… VII. Рекомендуемая литература……………………………… VIII. Электронные ресурсы по аналитической химии

I. Содержание курса по аналитической химии

Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ В АНАЛИТИЧЕСКУЮ ХИМИЮ

Предмет аналитической химии, ее цели и задачи. Значение аналитической химии в развитии естественных наук и народном хозяйстве. Место и роль аналитической химии в биологии.

Качественный и количественный анализ неорганических и органических веществ. Химические, физические и биологические методы анализа. Аналитический сигнал. Современные требования к методам анализа: правильность, воспроизводимость, селективность, экспрессность, возможность автоматизации. Связь между объектом и методом анализа. Аналитический контроль в службе охраны природы, биологии и медицине.

Раздел 2. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Аналитический сигнал. Классификация погрешностей анализа. Систематические и случайные погрешности. Правильность и воспроизводимость. Методы оценки правильности анализа: использование стандартных образцов, метод добавок, сопоставление с другими методами анализа. Оценка воспроизводимости результатов анализа: дисперсия, стандартное отклонение. Исключение результатов. Доверительный интервал при заданной доверительной вероятности. Сравнение методов по воспроизводимости. Критерий Фишера. Сравнение средних двух выборочных совокупностей, t-распределение.

Характеристика чувствительности методов анализа: предел обнаружения, нижняя и верхняя границы определяемых содержаний. Графическое представление данных анализа. Построение градуировочного графика, метод наименьших квадратов.

Раздел 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА

3.1. Химическое равновесие. Основные типы реакций, используемых в аналитической химии: кислотно-основные, окисления-восстановления, комплексообразования; процессы осаждения-растворения. Активность и концентрация. Ионная сила раствора. Понятие о конкурирующих реакциях. Общая (аналитическая) концентрация. Коэффициент конкурирующей реакции (мольная доля). Константы равновесия: термодинамическая, реальная и условная, их взаимосвязь. Факторы, влияющие на равновесие: концентрация реагирующих веществ, температура, ионная сила, природа растворителя, конкурирующие реакции.

3.2. Кислотно-основное равновесие. Протолитическая теория Бренстеда-Лоури: понятия кислоты, основания, амфолита, сопряженной кислотно-основной пары. Роль растворителя в химической реакции переноса протона. Кислотные и основные свойства растворителей. Автопротолиз амфипротных растворителей. Кислотно-основные равновесия в неводных растворителях. Влияние природы растворителя на силу кислот и оснований. Нивелирующее и дифференцирующее действие растворителей. Вычисление рН в растворах сильных и слабых кислот и оснований, амфолитов. Буферные растворы. Вычисление рН и емкости буферных растворов. Биологически важные буферы. Кислотно-основное равновесие в растворах аминокислот.

3.3. Равновесие в растворах комплексных соединений. Комплексные соединения и их характеристики. Типы комплексных соединений, используемых в аналитической химии. Координационное число комплексообразователя. Дентатность лиганда. Термодинамическая и кинетическая устойчивость комплексных соединений. Ступенчатые и общие константы устойчивости. Использование комплексных соединение для обнаружения, маскирования, разделения, концентрирования и определения элементов.

3.4. Окислительно-восстановительное равновесие. Электродный потенциал. Уравнение Нернста. Понятие о стандартном и реальном окислительно-восстановительном потенциале. Факторы, влияющие на величину окислительно-восстановительного потенциала: концентрации окисленной и восстановленной форм, ионная сила, температура, концентрация ионов водорода, образование комплексных и малорастворимых соединений. Направление реакций окисления-восстановления. Константа равновесия. Ее связь с окислительно-восстановительными потенциалами. Примеры окислительно-восстановительных процессов в биологических системах.

3.5. Равновесие в системе раствор-осадок. Произведение растворимости. Связь растворимости и произведения растворимости. Факторы, влияющие на растворимость. Важнейшие органические и неорганические осадители.

3.6. Органические реагенты в аналитической химии. Теоретические основы действия органических реагентов. Понятие о функциональных аналитических группах. Основные типы соединений, образуемых с участием органических реагентов. Хелаты и их свойства. Комплексные соединения ионов металлов с органическими лигандами как модели биологически важных систем (на примере порфириновых макроциклов). Важнейшие органические реагенты, используемые в анализе.

Раздел 4. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ (количественный анализ). ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Задачи количественного анализа в биологии. Методы количественного анализа: химические (гравиметрические и титриметрические) и физико-химические. Выражение результатов анализа.

Этапы анализа. Выбор метода анализа. Отбор пробы (средняя проба, ее представительность и размер). Подготовка пробы к анализу (разложение биологического объекта; мокрые и сухие методы разложения; анализ без разложения; отделение мешающих компонентов). Измерение аналитического сигнала. Обработка результатов измерений.

4.1. Гравиметрия. Сущность гравиметрического метода анализа, его достоинства и применение в анализе биологических объектов. Прямые и косвенные методы. Требования к осаждаемой и весовой формам. Условия получения кристаллических и аморфных осадков. Виды загрязнения осадка: совместное осаждение, соосаждение, последующее осаждение. Условия получения чистых осадков. Гравиметрический фактор. Примеры определений: воды в твердых образцах; кальция, магния, серы, фосфора – в органических соединениях.

4.2. Титриметрический анализ. Общие сведения о титриметрических методах. Их достоинства и применение в анализе биологических объектов. Классификация методов. Требования, предъявляемые к реакциям в титриметрическом анализе. Вычисление молярных масс эквивалентов в различных методах титриметрического анализа. Виды титрования. Точка эквивалентности и конечная точка титрования. Методы обнаружения конечной точки титрования. Источники погрешностей в титриметрическом анализе. Первичные стандарты, требования, предъявляемые к ним. Фиксаналы. Вторичные стандарты.

4.2.1. Кислотно-основное титрование. Вычисление рН в различные моменты титрования. Построение кривых титрования сильных и слабых кислот и оснований. Титрование многоосновных кислот и оснований. Титрование в неводных и смешанных средах.

Кислотно-основные индикаторы. Интервал перехода окраски индикатора. Выбор индикатора для установления конечной точки титрования. Ошибки титрования.

Приготовление рабочих растворов кислоты и щелочи. Первичные стандарты. Практическое применение метода кислотно-основного титрования. Определение устранимой и постоянной жесткости воды. Определение аммонийного азота различными методами. Определение общего, белкового и нитратного азота в биологических материалах. Определение фосфорной, соляной и уксусной кислот. Особенности определения аминокислот методом кислотно-основного титрования: титрование в безводной уксусной кислоте и метод Серенсена.

4.2.2. Окислительно-восстановительное титрование. Вычисление окислительно-восстановительного потенциала в различные моменты титрования. Построение кривых титрования. Методы обнаружения конечной точки титрования. Окислительно-восстановительные индикаторы.

Иодометрия. Общая характеристика метода. Условия определения окислителей и восстановителей. Приготовление и свойства раствора тиосульфата натрия. Первичные стандарты. Крахмал как индикатор. Йодометрическое определение арсенатов, арсенитов, меди, аскорбиновой кислоты, сахаров.

Перманганатометрия. Общая характеристика метода. Приготовление раствора перманганата калия и его устойчивость. Первичные стандарты в перманганатометрии. Стандартизация раствора перманганата калия. Определение солей железа, нитритов, пероксида водорода, "окисляемости" воды.

Бихроматометрия. Общая характеристика метода. Обнаружение конечной точки титрования. Определение солей железа.

4.2.3. Комплексонометрическое титрование. Применение аминополикарбоновых кислот и их солей (комплексонов) в титриметрическом анализе. Способы комплексонометрического титрования. Обнаружение конечной точки титрования. Металлохромные индикаторы. Роль рН в комплексонометрии. Определение кальция, магния, железа, меди, алюминия.

Раздел 5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Общая характеристика и классификация физико-химических методов анализа. Спектроскопические и электрохимические методы. Использование физико-химических методов при исследовании биологических систем и процессов.

5.1. Спектроскопические методы анализа

Введение в спектроскопические методы анализа. Основные характеристики электромагнитного излучения. Классификация спектроскопических методов. Атомные и молекулярные спектры. Характеристики спектральной линии.

Методы атомной спектроскопии. Источники атомизации, физические и химические процессы в источниках атомизации. Атомно-эмиссионный метод: принципы и метрологические характеристики. Атомно-абсорбционный метод. Особенности источников излучения. Примеры использования методов: определение биологически активных элементов - калия, кальция, магния, бора, ионов тяжелых металлов.

Методы молекулярной спектроскопии. Спектрофотометрия. Основной закон светопоглощения. Выбор оптимальных условий фотометрирования. Определение микроэлементов: фосфора, железа, марганца, никеля, титана и др.

Люминесцентные методы анализа. Их классификация. Основные законы люминесценции, метрологические характеристики, области применения. Идентификация и определение хлорофиллов и витаминов люминесцентным методом.

5.2. Электрохимические методы анализа

Введение в электрохимические методы анализа. Теоретические основы электрохимических методов. Электрохимическая ячейка. Классификация электрохимических методов анализа. Индикаторные электроды и электроды сравнения.

Потенциометрические методы. Прямая потенциометрия и потенциометрическое титрование. Классификация индикаторных электродов. Ионометрия. Примеры практического применения.

Вольтамперометрия. Сущность метода и классификация. Индикаторные электроды. Полярография. Полярографическая волна. Уравнение Ильковича. Качественный и количественный полярографический анализ. Примеры практического применения: определение ионов металлов, поверхностно-активных веществ, аминокислот.

Кулонометрия. Законы Фарадея. Прямая кулонометрия и кулонометрическое титрование. Примеры практического применения.

5.3. Кинетические методы

Сущность кинетических методов. Каталитический и некаталитический варианты кинетических методов; их чувствительность и селективность. Типы используемых каталитических и некаталитических реакций: окисления-восстановления, обмена лигандов в комплексах, превращения органических соединений, фотохимические и ферментативные реакции. Способы определения концентрации по данным кинетических измерений.

Раздел 6.