Учебные курсы по химии
для студентов нехимических факультетов МГУ

КАЧЕСТВЕННЫЙ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ
Программа курса
для студентов географического факультета МГУ

Цели курса (компетенции)

Курс "Качественный и количественный анализ" читается для студентов второго курса кафедры геохимии ландшафтов и географии почв. Программа курса "Качественный и количественный анализ для географического факультета МГУ" ставит целью изучение теоретических основ химических (титриметрических и гравиметрических) и инструментальных (спектроскопических и электрохимических) методов анализа. Кроме того, курс содержит практическую часть, в которой студенты изучают реакции обнаружения катионов и анионов, самостоятельно проводят качественный анализ модельных смесей в виде растворов и измельченных порошков; знакомятся с возможностями практического применения титриметрических методов анализа, метода фотометрии пламени и рентгено-флуоресцентного анализа (факультативно). Предусмотрено решение задач (в том числе и в виде домашних заданий) на расчет химических равновесий.
Особенностью курса является его нацеленность на изучение студентами представлений о химических равновесиях в гомогенных и гетерогенных системах, что положено в основу освоения классических и инструментальных методов анализа.
Курс предусматривает получение студентом следующих компетенций:
- освоение теоретических представлений о химических равновесиях в гомогенных и гетерогенных системах;
- умение решать задачи на расчет химических равновесий, параметров химических систем (кислотность среды, устойчивость комплексов, окислительно-восстановительный потенциал, растворимость осадков и т.д.);
- знание теоретических основ классических и инструментальных методов анализа;
- умение применять полученные навыки для качественного и количественного анализа природных и техногенных объектов.

Место курса в профессиональной подготовке выпускника

Курс "Качественный и количественный анализ" относится к числу теоретических и практических курсов почвенно-географического и ландшафтно-геохимического образования и тесно связан с другими курсами этого направления. Спецификой курса является особое внимание к химическим равновесиям, положенным в основу классических и инструментальных методов анализа.

Предварительные требования для поступления на курс:

Владение в полном объеме знаниями по общей, неорганической, органической химии в объеме курса средней школы и общей химии - в объеме первого курса географического факультета.

Содержание курса

Теоретический (лекционный) курс сопровождается проведением практических занятий, коллоквиумов и контрольных работ. Программа курса предусматривает промежуточную оценку знаний студентов в рамках теоретической и практической программы курса.

Структура курса (тематическое планирование)

Тематическое наполнение теоретического курса построено по принципу блоков, соответствующих изучению определенных видов химического равновесия и затем – изучению основ классических и инструментальных методов анализа. Практический курс включает в себя изучение качественных реакций; освоение классических методов анализа (кислотно-основного, комплексометрического и окислительно-восстано-вительного титрования); знакомство с инструментальными (спектральными) методами анализа.

Введение в аналитическую химию.
Раздел I. Химическое равновесие.
Тема 1. Химическое равновесие в гомогенной системе.
Тема 2. Кислотно-основное равновесие.
Тема 3. Химическое равновесие в гетерогенной системе.
Тема 4. Комплексные соединения и органические реагенты. Равновесие комплексообразования.
Тема 5. Окислительно-восстановительные реакции.
Раздел II. Классические методы анализа.
Тема 6. Титриметрические методы анализа. Кислотно-основное титрование.
Тема 7. Комплексометрическое титрование.
Тема 8. Окислительно-восстановительное титрование.
Тема 9. Гравиметрический метод анализа.
Раздел III. Обзор инструментальных методов анализа.
Тема 10. Спектроскопические методы анализа.
Тема 11. Электрохимические методы.

• Предмет и методы аналитической химии. Химическое равновесие. Химическое равновесие. Факторы, влияющие на химическое равновесие. Константы равновесия.

• Кислотно-основное равновесие. Современные представления о кислотах и основаниях. Автопротолиз. Нивелирующий и дифференцирующий эффект растворителя.

• Расчет рН растворов кислот, оснований, амфолитов, буферных растворов.

• Химическое равновесие в гетерогенной системе. Термодинамическое, реальное и условное произведение растворимости.

• Расчет условий растворения и осаждения осадков. Расчет произведения растворимости по данным о растворимости.

• Комплексные соединения. Комплексообразовательное равновесие. Ступенчатые и общие константы устойчивости комплексов.

• Органические реагенты в аналитической химии. Теоретические основы взаимодействия ионов металлов с O-, N-, S-содержащими органическими реагентами.

• Окислительно-восстановительные реакции. Уравнение Нернста. Стандартный, формальный, равновесный потенциалы.
• Расчет окислительно-восстановительных потенциалов в различных условиях. Направление реакций окисления-восстановления. Индуцированные и автокаталитические реакции.
• Титриметрические методы анализа, их применение. Способы выражения концентрации. Кислотно-основное титрование. Построение кривых титрования.
• Комплексометрическое титрование. Применение аминополикарбоновых кислот. Окислительно-восстановительное титрование. Перманганатометрия, иодометрия, дихроматометрия.
• Гравиметрический метод анализа. Примеры практического применения.
• Метрологические основы аналитической химии. Статистическая обработка результатов анализа.
• Введение в спектроскопические методы анализа. Характеристики электромагнитного спектра. Методы атомной и молекулярной спектроскопии, практическое применение.
• Введение в электрохимические методы анализа. Электрохимическая ячейка. Потенциометрические, вольтамперометрические, кулонометрические и кондуктометрические методы анализа.

Практические работы

I блок:Качественный анализ. Классификация катионов и анионов. Качественные реакции катионов I-VI групп и анионов I-III групп. Разделение смеси катионов методом бумажной хроматографии. Анализ искусственной смеси катионов и анионов (в растворе или в твердом виде) или реальных объектов.
II блок:Титриметрические методы. Приготовление первичных стандартов, стандартизация титрантов. Кислотно-основное титрование: определение HCl, факультативно - определение солей аммония. Комплексонометрическое титрование: определение общей жесткости воды (содержание CaO и MgO). Окислительно-восстановительное титрование: дихроматометрическое титрование Fe(II), факультативно - перманганатометрическое определение окисляемости воды.
III блок:Инструментальные методы анализа. Определение Na и K при совместном присутствии методом фотометрии пламени. Статистическая обработка результатов. Факультативно – ознакомление с возможностями рентгено-флуоресцентного анализа (на примере качественного анализа реальных объектов).

Перечень контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы.

1. Химическое равновесие в гомогенной системе. Основные его типы: кислотно-основное, комплексообразования и окисления-восстановления. Факторы, влияющие на химическое равновесие: концентрации реагирующих веществ, природа растворителя, ионная сила раствора, температура. Активность и коэффициент активности. Общая и равновесная концентрации. Конкурирующие реакции, коэффициент конкурирующей реакции. Термодинамическая, реальная и условная константы равновесия.

2. Кислотно-основное равновесие. Современные представления о кислотах и основаниях. Основные положения теории Бренстеда-Лоури. Кислотно-основные сопряженные пары. Влияние природы растворителя на силу кислот и оснований. Константа автопротолиза. Нивелирующий и дифференцирующий эффекты растворителя. Буферные растворы. Расчет рН водных растворов сильных и слабых кислот и оснований, амфолитов, буферных растворов.

3. Химическое равновесие в гетерогенной системе. Основные типы химического равновесия в гетерогенной системе: жидкость-твердая фаза (раствор-осадок), жидкость-жидкость. Константа равновесия реакции осаждения-растворения (произведение растворимости). Термодинамическая, реальная и условная константы равновесия. Условия осаждения и растворения осадков. Расчет растворимости осадков в различных условиях.

4. Комплексные соединения и органические реагенты. Типы и свойства комплексных соединений, используемых в аналитической химии. Ступенчатое комплексообразование. Термодинамическая и кинетическая устойчивость комплексных соединений. Влияние комплексообразования на растворимость соединений и окислительно-восстановительный потенциал системы. Теоретические основы взаимодействия органических реагентов с неорганическими ионами. Функционально-аналитические группы. Теория аналогий взаимодействия ионов металлов с неорганическими реагентами типа H₂O, NH₃, H₂S и кислород-, азот-, серосодержащими органическими реагентами. Хелаты, внутрикомплексные соединения. Использование комплексных соединений в анализе для обнаружения, разделения, маскирования и определения ионов.

5. Титриметрические методы анализа. Способы титрования: прямое, обратное, вытеснительное, косвенное. Кислотно-основное титрование. Требования, предъявляемые к реакциям в кислотно-основном титровании. Кривые титрования, точка эквивалентности, конечная точка титрования. Индикаторы. Первичные и вторичные стандартные растворы. Построение кривых титрования, выбор индикатора, погрешность титрования. Примеры практического применения кислотно-основного титрования - определение HCl, NaOH, Na₂CO₃.

6. Комплексометрическое титрование. Требования к реакциям комплексообразования, применяемым в титриметрии. Применение аминополикарбоновых кислот. Металлохромные индикаторы и требования к ним. Построение кривых титрования. Примеры практического применения (определение общей жесткости воды).

7. Окислительно-восстановительные реакции. Обратимые окислительно-восстановительные системы и их потенциалы. Равновесный электродный потенциал. Уравнение Нернста. Стандартные и формальные окислительно-восстановительные потенциалы. Влияние различных факторов на формальный потенциал: рН раствора, ионной силы раствора, процессов комплексообразования и образования осадков, концентрации лигандов и осадителей. Константа равновесия окислительно-восстановительных реакций и направление реакций окисления-восстановления. Автокаталитические и индуцированные реакции.

8. Окислительно-восстановительное титрование. Построение кривых титрования. Способы фиксирования конечной точки титрования в окислительно-восстановительном титровании: безындикаторный, применение окислительно-восстановительных и специфических индикаторов. Методы: перманганатометрический, иодометрический, дихроматометрический.

9. Спектроскопические методы анализа. Основные характеристики электромагнитного излучения (длина волны, частота, волновое число, интенсивность). Классификация методов. Спектры атомов. Методы атомно-эмиссионной и атомно-абсорбционной спектроскопии. Спектры молекул. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Способы определения концентрации веществ. Спектрофотометрический и люминесцентный методы.

10. Электрохимические методы. Электрохимическая ячейка, индикаторный электрод и электрод сравнения. Классификация методов. Ионометрия, потенциометрическое титрование. Кулонометрия: прямая и кулонометрическое титрование; закон Фарадея. Классическая вольтамперометрия. Кондуктометрия: прямая и кондуктометрическое титрование, возможности контроля в потоке.

Примерный перечень вопросов к экзамену

1. Химическое равновесие. Константы равновесия в идеальных и реальных условиях. Термодинамическая, реальная и условная константы равновесия.

2. Основные типы химического равновесия в гомогенной системе (кислотно-основное, окислительно-восстановительное, комплексообразование). Факторы, влияющие на химическое равновесие.

3. Равновесие в гетерогенной системе “осадок-раствор”. Константы равновесия. Факторы, влияющие на растворимость осадков.

4. Связь произведения растворимости и растворимости соединений. Растворимость малорастворимых соединений в кислотах.

5. Кислотно-основное равновесие. Протолитическая теория кислот и оснований. Влияние природы растворителя на силу кислот и оснований. Константы кислотности и основности.

6. Равновесие в растворах кислот и оснований, расчет рН.

7. Буферные растворы и их свойства. Буферная емкость. Вычисление рН буферных растворов. Амфолиты и их свойства, вычисление рН.

8. Комплексные соединения в химическом анализе. Классификация комплексных соединений. Общие и ступенчатые константы устойчивости.

9. Использование комплексных соединений в химическом анализе.

10. Органические реагенты в анализе. Хелаты, хелатный эффект.

11. Влияние комплексообразования на растворимость осадков и окислительно-восстановительный потенциал.

12. Окислительно-восстановительные реакции в химическом анализе. Окислительно- восстановительная система и ее потенциал. Понятие о стандартном и реальном потенциалах.

13. Окислительно-восстановительный потенциал; факторы, влияющие на его величину.

14. Направление окислительно-восстановительных реакций, используемых в химическом анализе. Связь константы равновесия со стандартными и реальными потенциалами.

15. Скорость окислительно-восстановительных реакций, используемых в химическом анализе. Каталитические и индуцированные реакции. Автокатализ.

16. Схема образования осадка. Образование кристаллических и аморфных осадков.

17. Условия получения чистых осадков. Метод возникающих реагентов. Вторичные изменения осадков под маточным раствором.

18. Сущность титриметрических определений. Классификация методов титрования. Факторы, влияющие на скачок титрования.

19. Кислотно-основные индикаторы. Выбор индикатора. Индикаторные ошибки кислотно-основного титрования.

20. Сущность гравиметрического анализа. Прямые и косвенные методы. Важнейшие неорганические и органические осадители.

21. Строение и устойчивость коллоидной частицы. Коагуляция и пептизация. Получение аморфных осадков.

22. Теоретические основы окислительно-восстановительного титрования. Построение кривых титрования.

23. Титрование слабых кислот и оснований, построение кривых титрования.

24. Использование реакций комплексообразования в титриметрическом анализе. Комплексонометрия. Кривые титрования.

25. Титрование многоосновных кислот и оснований, построение кривых титрования.

26. Индикаторы в комплексонометрическом титровании. Выбор индикатора.

27. Методы обнаружения конечной точки окислительно-восстановительного титрования. Окислительно-восстановительные индикаторы.

28. Классификация спектроскопических методов анализа.

29. Характеристика метода атомно-эмиссионной спектроскопии.

30. Характеристика метода атомно-абсорбционной спектроскопии.

31. Характеристика спектрофотометрического метода.

32. Характеристика метода люминесценции.

33. Классификация электрохимических методов анализа.

34. Характеристика кулонометрического метода.

35. Характеристика потенциометрического метода.

36. Комплексонометрическое определение кальция и магния.

37. Перманганатометрическое определение железа (II).

38. Бихроматометрическое определение железа (II).

39. Методы определения солей аммония.

40. Приготовление стандартного раствора Na2CO3 и рабочих растворов HCl и NaOH. Фактор эквивалентности.

41. Определение фосфорной кислоты.

42. Статистическая обработка результатов анализа.

Программа составлена:
доц. Ивановым А.В.