Урок 12. Элементный анализ

Элементный анализ

Элементный анализкачественное обнаружение и количественное определение содержания элементов и элементного состава веществ, материалов и различных объектов. Это могут быть жидкости, твёрдые материалы, газы и воздух. Элементный анализ позволяет ответить на вопрос — из каких атомов (элементов) состоит анализируемое вещество.

Элементный анализ является одной из важнейших задач в любой научно-исследовательской лаборатории, институте, университете. Элементный состав вещества необходимо знать на любом производстве с целью контроля используемого сырья, контроле производства, а также готовой продукции. Чёрная и цветная металлургия, нефтедобыча и нефтепереработка, агропромышленность, геология, горно-добывающая промышленность и многое другое практически невозможно без аналитической лаборатории. Элементный анализ имеет важнейшее значение в аналитической химии. Во время научных исследований очень важно иметь точную картину состава вещества с целью контроля цепи превращений химических реакций.

В самом начале становления метода элементный анализ был только качественным. Исследователи оценивали растворимость проб в инертных или химически активных растворителях, либо по объему выделения газов, либо устойчивость при нагревании, изменении цвета, окраса пламени, изменения фазового состояния и т. п. То есть использовались в основном физически ощутимые параметры, которые человек мог проанализировать самостоятельно без дополнительных приборов.

В настоящее время с развитием научного прогресса на первый план вышли инструментальные количественные методы на основе современных физико-химических методов анализа.

Количественный элементный анализ основан на измерении физических свойств изучаемых материалов в зависимости от содержания определяемого элемента: интенсивности характерных спектральных линий, значения ядерно-физических или электрохимических характеристик и т. п. Первыми методами количественного элементного анализа были гравиметрия и титриметрия, которые и сейчас по точностным характеристикам часто превосходят инструментальные методы. По точности с ними успешно конкурируют только кулонометрия и электрогравиметрия.

Элементный анализ важен в эколого-аналитическом и санитарно-эпидемиологическом контроле, анализе продуктов питания и кормов, металлов и сплавов, неорганических материалов, особо чистых веществ, полимерных материалов, полупроводников, нефтепродуктов и др., в научных исследованиях.

Методы элементного анализа

Среди инструментальных методов анализа широко распространены рентгенофлуоресцентная, атомно-эмиссионная (в том числе с индуктивно-связанной плазмой), атомно-абсорбционная спектрометрия, спектрофотометрия и люминесцентный анализ. Электрохимические методы (полярография, потенциометрия,вольтамперометрия и др.), масс-спектрометрия (искровая, лазерная, с индуктивно-связанной плазмой и др.), различные варианты активационного анализа. Методы локального анализа и методы анализа поверхности (электроннозондовый и ионнозондовый микроанализ, оже-электронная спектроскопия и т. п.) и др.

При выборе метода и методики анализа учитывают структуру анализируемых материалов, требования к точности определения, пределу обнаружения элементов, чувствительности определения, селективности и специфичности, а также стоимость анализа, квалификацию персонала, скорость проведения анализа, уровень необходимой пробоподготовки и наличие необходимого оборудования.

Например, при анализе металлов и сплавов с чувствительностью порядка 0,01 % оптимальным выбором является искровой опто-эмиссионный спектрометр, как анализатор, определяющий основные элементы, используемые в сталях (углерод, кремний, марганец, молибден, ванадий, железо, хром, никель и др). Для менее точного анализа марок сталей и сплавов удобно использовать портативный рентгенофлуоресцентный спектрометр. Для анализа цемента, бетона, руды одним из надежных решений является волнодисперсионный рентгенофлуоресцентный анализатор. Для исследования стекла и керамики хорошо подходит лазерный оптико-эмиссионный спектрометр. Атомно-абсорбционный спектрометр позволяет анализировать практически любые вещества с хорошей точностью. Минусом метода являются высокие требования к пробоподготовке и большое время анализа. Спектрофотометр широко применяется при анализе жидкостей.

При определении следов элементов нередко прибегают к их предварительному концентрированию. Помехи, связанные с матричным составом и взаимным влиянием аналитических сигналов элементов друг на друга, уменьшают, прибегая к их разделению. В некоторых случаях помехи могут быть значительно уменьшены благодаря рациональному выбору условий инструментального анализа и создания необходимого программно-математического обеспечения. Например, рентгенофлуоресцентный спектрометр позволяет определять содержание вредных тяжелых металлов в воде после концентрирования и осаждения на специальных фильтрах, что позволит проводить анализ на уровне предельно допустимых концентраций

10−8%. Но самым точным методом для определения следов элементов является спектрометр индуктивно-связанной плазмы, определяющий 10−8% — 10−9% практически по любому элементу.

Читайте также:
Урок 6. Простые ионы

КАЧЕСТВЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Принадлежность органических веществ к определенным классам соединений и их строение можно установить с помощью элементного и функционального анализа.

Качественный элементный анализ позволяет определить, из каких элементов построены молекулы вещества, и установить его простейшую формулу. Наиболее часто в состав органических веществ, помимо углерода и водорода, входят кислород, сера, азот и галогены.

При выполнении элементного анализа органическое соединение разлагают таким образом, чтобы исследуемые элементы перешли в состав неорганических веществ. При этом углерод переходит в оксид углерода (IV), водород — в воду, азот — в цианид-ион, аммиак или молекулярный азот, сера — в сульфид. Дальнейшее определение элемента проводят обычными методами аналитической химии.

Опыт 1. Обнаружение углерода пробой на обугливание

Реактивы и оборудование: сахар (или мука, крахмал), бумага, 1%-ный раствор серной кислоты, концентрированная серная кислота; фарфоровые чашки, шпатели, держатели, цилиндры на 50 мл, стеклянные палочки.

Первой пробой на обнаружение углерода в неизвестном органическом веществе является его прокаливание или обугливание под действием водоотнимающих веществ, например концентрированной серной кислоты.

В фарфоровую чашку (тигель) насыпают немного муки, крахмала или сахара (0,1—1,2 г), закрепляют ее в держателе. Осторожно нагревают чашку в пламени горелки и прокаливают исследуемое вещество до обугливания (почернения).

На листочке фильтровальной бумаги (целлюлозе) при помощи стеклянной палочки делают надпись 1%-ным раствором серной кислоты. После высыхания такая надпись будет невидна. После нагревания бумаги над пламенем газовой горелки или над электрической плиткой надпись, сделанная серной кислотой, проявляется в виде черных обугленных полос.

В фарфоровой ступке растирают 25 г быстрорастворимого сахара и добавляют 3 мл воды. Образовавшуюся смесь переносят в стеклянный цилиндр вместимостью 50 мл и постепенно, непрерывно перемешивая стеклянной палочкой, добавляют 12,5 мл концентрированной серной кислоты. С началом обугливания стеклянную палочку приподнимают. Смесь вспучивается, и черная пористая масса поднимается по палочке (демонстрационный опыт).

Опыт 2. Обнаружение углерода и водорода окислением вещества оксидом меди (II)

Реактивы и оборудование: сахар (предварительно просушенный), оксид меди (II) — порошок, известковая (или баритовая) вода — насыщенный раствор гидроксида кальция или бария, безводный сульфат меди(II) — свежепрокаленный; изогнутые газоотводные трубки с пробками для пробирок, вата.

Некоторые органические вещества не обугливаются обычным путем. Например, спирты и эфиры испаряются раньше, чем успевают обуглиться; мочевина и фталевый ангидрид возгоняются до обугливания. В таких веществах обнаружить углерод можно при прокаливании их в присутствии оксида меди (II). Органическое вещество окисляется оксидом меди. При этом углерод превращается в углекислый газ, а водород — в воду.

В сухую пробирку насыпают порошок оксида меди (II) (около1 г) и 0,1—0,2 г сахарозы. Избыток оксида меди необходим для того, чтобы органическое вещество полностью было окислено. Смесь перемешивают и сверху добавляют дополнительно около 0,5—1 г оксида меди.

В верхнюю часть пробирки помещают маленький комочек ваты, на который насыпают немного обезвоженного сульфата меди (II). Пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой (рис. 1).

Пробирку закрепляют в лапке штатива с небольшим наклоном в сторону пробки. Свободный конец газоотводной трубки опускают в пробирку с известковой (баритовой) водой. Сначала прогревают всю пробирку, а потом сильно нагревают часть пробирки с реакционной смесью.

Выделяющиеся в процессе прокаливания пузырьки газа (СО2) вызывают помутнение известковой воды вследствие образования белого осадка СаСО3:

Рис. 1. Прибор для одновременного обнаружения углерода и водорода в органическом веществе:

1 — сухая пробирка со смесью сахарозы и оксида меди (II);

3 — безводный сульфат меди;

4 — пробирка с известковой водой

Выделяющаяся в процессе реакции вода окрашивает сульфат меди (II) в синий цвет в результате образования кристаллогидрата CuSO4 • 5Н2О.

Опыт 3. Обнаружение азота сплавлением вещества с металлическим натрием(тяга, защитные очки)

Читайте также:
Урок 10. Ионы в газе

Реактивы и оборудование: мочевина, металлический натрий, 5%-ный раствор сульфата железа (II), 1-%-ный раствор хлорида железа (III), 10%-ная соляная кислота, этиловый спирт, лакмусовая бумага; пинцеты, скальпели, фильтровальная бумага, пипетки.

Метод основан на том, что при сплавлении органического вещества, содержащего азот, с металлическим натрием происходит разложение вещества с образованием цианида натрия. Для обнаружения цианида натрия используют реакцию получения берлинской лазури. Свое название цианид натрия получил от латинского названия cyanus — синий, т.е. способный давать синюю окраску.

В сухую пробирку вносят несколько кристаллов мочевины H2N—СО—NH2 и небольшой кусочек металлического натрия (с небольшую горошину), предварительно очищенного от корки и не содержащего остатков керосина. Вместо мочевины можно взять другое органическое вещество, содержащее азот, например анилин, ацетамид, яичный белок и др.

Смесь осторожно нагревают в пламени горелки (тяга, защитные очки). Разложение вещества сопровождается вспышкой. После вспышки пробирку нагревают до красного каления еще 1—2 мин. Необходимо отметить, что натрий должен плавиться вместе с мочевиной, иначе не будет образовываться цианид натрия, и опыт окажется неудачным. После охлаждения пробирки на воздухе в нее добавляют 3—5 капель этилового спирта для удаления остатков металлического натрия:

Затем в пробирку приливают 1,5 мл дистиллированной воды и нагревают ее до полного растворения плава при помешивании стеклянной палочкой. На этом этапе цианид натрия переходит в раствор, который затем переливают в другую пробирку (при необходимости его фильтруют через маленький складчатый фильтр). Если органическое вещество разложилось частично, то жидкость будет окрашена в бурый или черный цвет. В этом случае плавление исследуемого вещества с металлическим натрием необходимо повторить.

К фильтрату добавляют 2—3 капли 5%-ного раствора сульфата железа (II) и 1 каплю 1%-ного раствора хлорида железа (III) и наблюдают выпадение осадков гидроксида железа (II) грязно-зеленого цвета и гидроксида железа (III) бурого цвета в щелочной среде:

FeCl3 + 3NaOH ® Fe(OH)3 ¯ + 3NaCl

В случае избытка цианида натрия в растворе будет образовываться гексацианоферрат (II) натрия:

Fe(OH)2 + 2NaCN ® Fe(CN)2 + 2NaOH

После перемешивания содержимого пробирки его подкисляют 10%-ной соляной кислотой (несколько капель). Смесь осадков гидроксидов железа (II) и (III) растворяется, и появляется синяя окраска (берлинская лазурь), а затем выпадает синий осадок. Берлинская лазурь образуется при взаимодействии гексацианоферрата (II) натрия с ионами трехвалентного железа, которые появляются только в кислой среде. В щелочной среде обычно содержится недиссоциированный гидроксид железа (III):

Если берлинской лазури образуется очень мало, то раствор окрашивается в зеленый цвет, переходящий в синий при длительном стоянии.

Опыт 4. Определение серы сплавлением органического вещества с металлическим натрием (тяга, защитные очки)

Реактивы и оборудование: тиомочевина, металлический натрий, 2%-ный раствор ацетата свинца, 2%-ный раствор нитропруссида натрия (свежеприготовленный), 10%-ная соляная кислота, уксусная кислота, этиловый спирт; скальпели, пинцеты, пипетки, стеклянные палочки, фильтровальная бумага.

Принцип метода состоит в том, что при сплавлении металлического натрия с изучаемым органическим веществом происходит его разложение, и выделяющаяся сера образует с натрием соответствующий сульфид. Далее сульфид-ион S 2- обнаруживают обычными качественными реакциями.

В сухую пробирку помещают несколько крупинок тиомочевины (или сульфаниловой кислоты, белого стрептоцида, сухого белка и т.д.) и кусочек металлического натрия с блестящей поверхностью размером с небольшую горошину. Далее проводят сплавление (тяга, защитные очки) так, как было описано в опыте 3 (определение азота). Полученный раствор, содержащий сульфид натрия, разливают в три пробирки.

В первую пробирку добавляют несколько капель уксусной кислоты, а затем приливают 0,5 мл 2%-ного раствора ацетата свинца. Образуется черный осадок сульфида свинца. Если образуется черный или бурый коллоидный раствор, то его нагревают, и образование осадка ускоряется:

Во вторую пробирку приливают 0,5 мл 2%-ного раствора нитропруссида натрия Na2[Fe(CN)5NO]. Появляется интенсивное красно-фиолетовое окрашивание раствора, которое постепенно переходит в бурое:

Эта реакция значительно чувствительнее реакции с ацетатом свинца.

Читайте также:
Урок 9. Ионы в водном растворе

В третью пробирку с раствором добавляют 10%-ную соляную кислоту, при этом появляется запах сероводорода:

Na2S + 2НС1 ® 2NaCl + H2S­

Опыт 5. Определение галогенов в органических веществах

Реактивы и оборудование: хлороформ, дистиллированная вода, соляная кислота, этиловый спирт, металлический натрий, 1%-ный раствор нитрата серебра, концентрированная азотная кислота, синяя лакмусовая бумага; медная проволока с петлей на конце, вставленная другим концом в корковую пробку, прямые газоотводные трубки, стаканы на 150 мл, пинцеты, скальпели, фильтровальная бумага.

5.1. Реакция Бейлъштейна на галогены. При прокаливании галогеносодержащего органического вещества с оксидом меди (II) происходит его окисление, причем галогены (кроме фтора) образуют с медью летучие галогениды, окрашивающие пламя в ярко-зеленый цвет.

Петлю медной проволоки прокаливают в пламени горелки до прекращения окрашивания пламени и образования на поверхности черного налета оксида меди (II):

2Сu + О2 ® 2СuО

Остывшую петлю смачивают хлороформом или тетрахлоридом углерода, а затем снова вносят в пламя газовой горелки. Сначала пламя становится светящимся благодаря сгоранию углерода, а потом окрашивается в ярко-зеленый цвет:

2СНС13 + 5СuО ® СuС12 + 4СuС1 + 2СО2 + Н2О

Для очистки проволоку смачивают соляной кислотой и прокаливают.

5.2. Метод Степанова (определение галогенов действием металлического натрия на спиртовой раствор органического вещества).Для определения галогена в органическом веществе его восстанавливают водородом в момент выделения, при этом галоген отщепляется в виде аниона, который можно открыть качественной реакцией с нитратом серебра.

В пробирку наливают 2—3 мл этилового спирта и добавляют 1 каплю хлороформа или другого галогеносодержащего органического вещества (тетрахлорид углерода, йодоформ и др.). В полученную смесь вносят кусочек металлического натрия величиной с небольшую горошину. Начинается энергичная реакция, сопровождающаяся выделением водорода, причем часть водорода в момент выделения участвует в восстановлении хлороформа:

СНС13 + 6[Н] ® ЗНС1 + СН4 ­

Пробирку закрывают пробкой с прямой газоотводной трубкой и поджигают выделяющийся водород.

После окончания выделения водорода и полного растворения натрия к реакционной смеси добавляют 2 мл дистиллированной воды. Избыток алкоголята натрия реагирует с водой с образованием гидроксида натрия:

В воде также растворяется белый осадок хлорида натрия, плохо растворимый в этиловом спирте. Необходимо отметить, что в присутствии щелочи нельзя обнаружить хлорид-ион реакцией с нитратом серебра, так как при его добавлении будет образовываться бурый осадок гидроксида серебра. Поэтому полученный щелочной раствор подкисляют несколькими каплями концентрированной азотной кислоты (контроль по лакмусовой бумаге) и к кислому раствору добавляют несколько капель 1%-ного раствора нитрата серебра. Наблюдают выпадение белого творожистого осадка хлорида серебра:

NaCl + AgN03 ® NaNO3 + AgCl ¯

Необходимо помнить, что при выполнении опыта нельзя брать избыток хлороформа, так как хлороформ, не прореагировавший с водородом, при разбавлении реакционной смеси водой дает стойкую белую эмульсию, которая в дальнейшем будет маскировать появление белого осадка при проведении качественной реакции с нитратом серебра.

Урок 12. Элементный анализ

В уроке 12 «Элементный анализ» из курса «Химия для чайников» рассмотрим анализ химического состава вещества; научимся определять эмпирическую формулу соединения; кроме того разберем кучу примеров на нахождение весовых процентов и формулы вещества. Данный урок потребует от вас знания, что из себя представляет молекулярная формула соединения, а так же общих сведений, изложенных в первой главе «Атомы, молекулы и ионы». Обязательно прочитайте о законе сохранения массы и энергии, потому что все уроки из данного раздела посвящены именно ему.

Анализ химического состава вещества

Анализ химического состава вещества или элементный анализ выполняют так: сначала разлагают исходное химическое соединение на отдельные элементы, а затем измеряют их относительные количества, выраженных в граммах на 100 грамм исходного вещества , либо в весовых (массовых) процентах . На практике это можно проделать, например, с углеводородом — соединением, содержащим лишь атомы углерода C и водорода H. Если известное количество углеводорода сжечь в кислороде, то образуется CO2 (диоксид углерода) и H2O, количество которых нужно затем измерить.

Читайте также:
Урок 2. Изотопы элементов

Пример 1: При сжигании неизвестного углеводорода массой 25 г образуется 68,58 г CO2 и 56,15 г H2O. Сколько граммов углерода и водорода содержится в исходном образце?

Атомная масса C равна 12,011 г/моль, а молекулярная масса CO2 равна 12,011 + 2×15,999 = 44,010 г/моль. Сначала найдем относительное содержание C в CO2:

  • (12,011/44,010)×100 = 27,29% углерода

Если 27,29% CO2 представляют собой углерод, то количество углерода, содержащееся в 68,58 г CO2, равно

  • 27,29%×68,58 г = 18,72 г углерода

Аналогичный расчет содержания H в воде дает

  • (2×1,008/18,015)×100 = 11,19% водорода
  • 11,19%×56,15 г = 6,283 г водорода

Проверка: 18,72 г + 6,283 г = 25,00 г

Пример 2: Сколько граммов C содержится в 100 г образца углеводорода, рассмотренного в примере 1?

  • (100 г / 25,0 г)×18,72 г углерода = 74,88 г углерода на 100 г образца

Пример 3: Каков состав (в весовых процентах) углеводорода, рассматриваемого в примере 1?

  • (18,72 г углерода / 25,00 г образца)×100% = 74,88% углерода
  • (6,28 г водорода / 25,00 г образца)×100% = 25,12% водорода

Если нам известен состав вещества в весовых процентах, можно воспользоваться атомными массами входящих в него элементов и вычислить относительное число атомов каждого элемента в соединении.

Пример 4: Вычислите относительное число атомов C и H в соединении, рассматриваемом в примере 3.

Такие вычисления легче проводить, исходя из 100,0 г вещества: тогда весовые проценты, в которых выражен элементный состав соединения, можно просто заменить на такое же число граммов соответствующих элементов (ср. примеры 3 и 2). Теперь разделим массу C и массу H на их атомные массы:

  • 74,88 г углерода / 12,011 г/моль = 6,234 моля углерода
  • 25,12 г водорода / 1,008 г/моль = 24,92 моля водорода

Таковы относительные количества молей C и H в неизвестном углеводороде, и вот тут-то мы убедимся, насколько удобно пользоваться представлением о моле. Полученные выше численные значения должны также выражать относительные количества атомов углерода и водорода в соединении, то есть на каждые 6,234 атома углерода в неизвестном углеводороде приходится 24,92 атома водорода. Если мы попытаемся найти общее кратное этих двух чисел, то окажется, что они находятся в соотношении 1:4. Разделив оба числа на меньшее из них (16,234), мы найдем, на каждый атом углерода приходится 24,92/6,234=3,997, т.е 4 атома водорода.

Пример 5: Жидкость содержит 11,19 вес.% водорода и 88,81 вес.% кислорода. Каковы относительные количества атомов водорода и кислорода в этой жидкости?

Рассмотрим снова 100 г вещества и вычислим количество молей каждого элемента, входящего в его состав:

  • 11,19 г водорода / 1,008 г/моль = 11,10 моля водорода
  • 88,81 г кислорода / 15,999 г/моля = 5,551 моля кислорода

Разделим оба числа на меньшее из них, чтобы найти общее кратное и тогда мы получим, что на каждый атом кислорода приходится по два атома водорода.

Пример 6 решаем самостоятельно: Обычный лабораторный растворитель, углеводород, содержит 92,26 вес.% углерода и 7,74 вес.% водорода. Каковы относительные количества атомов углерода и водорода в этом соединении?

Ответ: на 1 атом углерода приходится по 1 атому водорода

Эмпирическая формула вещества

Одним лишь элементным анализом невозможно определить правильную молекулярную формулу соединения. Например, с результатами вычислений в примере 4 согласуется формула метана -CH4, но те же аналитические результаты могли бы согласоваться с молекулярными формулами C2H8, C3H12 или C4H16, если бы подобные молекулы существовали. Вещество в примере 5 может быть водой H2O, но могло бы иметь формулу H4O2 или еще более сложную, но кратную H2O.

Химическая формула, указывающая относительные количества атомов каждого из элементов в соединении при помощи целых чисел, не имеющих общего кратного, называется эмпирической формулой соединения. Элементный анализ вещества приводит именно к эмпирической формуле соединения, а не к молекулярной формуле, которая может совпадать с эмпирической формулой, но может представлять собой ее целое кратное. Для метана и воды эмпирические формулы совпадают с молекулярными формулами CH4 и H2O. Например вещество из примера 6 имеет эмпирическую формулу CH, но молекулярная формула может представлять собой бензол С6H6, ацетилен C2H2 или любой из пяти других, менее распространенных углеводородов, молекулы которых изображены на рисунке 2-2.

Читайте также:
Урок 5. Моль и молярная масса

Определение формулы вещества

Закрепим полученные знания заключительным примером:

Глюкоза содержит 40,00 вес.% углерода, 6,71 вес.% водорода и 53,29 вес.% кислорода. Каковы ее эмпирическая и молекулярная формулы, если из других экспериментов известно, что глюкоза имеет молекулярную массу, приблизительно равную 175 г/моль?

Найдем сначала число молей каждого элемента, приходящихся на 100 г глюкозы:

  • 40,00 г углерода / 12,011 г/моль = 3,330 моля углерода
  • 6,71 г водорода / 1,008 г/моль = 6,66 моля водорода
  • 53,29 г кислорода / 15,999 г/моль = 3,331 моля кислорода

Очевидно, что эмпирическая формула вещества должна иметь вид CH2O. Найденной эмпирической формуле глюкозы соответствует молекулярная масса

  • 12,011 + (2×1,008) + 15,999 = 30,026 г/моль

Приближенная молекулярная масса из экспериментов почти в 6 раз превышает это значение, поэтому можно сделать вывод, что молекулярная формула глюкозы имеет вид C6H12O6.

Урока 12 «Элементный анализ» очень важный, поэтому если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

12.3. Элементный анализ

Значительный раздел масс-спектрометрии составляет элементный анализ твердых веществ. Прежде чем осуществить ионизацию, необходи­мо перевести эти вещества в атомное состояние. Для этого требуются достаточно высокие затраты энергии, и те источники, которые использу­ют для этой цели, обеспечивают одновременно атомизацию и ионизацию твердых веществ. Среди наиболее распространенных источников иониза­ции можно выделить искровой электронный разряд, излучение лазера и поток ускоренных первичных ионов. Им соответствуют три вида масс-спектрометрического анализа твердых тел: искровая, лазерная и ион-ионная, или масс-спектрометрия вторичных ионов. Наибольшее число определений проводится методом искровой масс-спектрометрии.

Искровой разряд возбуждают между двумя близко расположенными (доли миллиметра) электродами, один из которых (катод, иначе его назы­вают зондом) изготовлен в виде тонкой иглы из тугоплавкого металла, как правило, из тантала. Анодом служит анализируемый образец, если он является проводником электрического тока. К электродам подводят в им­пульсном режиме ток высокого напряжения (десятки кВ). В межэлек­тродном пространстве возникает короткий искровой разряд (рис. 12.7). При этом часть образца разрушается, распыляется и испаряется в зазор между электродами, атомизируется и частично ионизируется. После

о кончания разряда из образовав­шихся ионов формируют пучок и ускоряют его по направлению к масс-аналнзатору.

Поскольку энергия воздействия на частицы в источнике ионов обычно очень высока, образующие­ся ионы могут иметь разные энерге­тические характеристики. Поэтому скорость, которую приобретают ионы, может и не быть напрямую связана только с их зарядом и мас­сой. В связи с этим для ослабления влияния разброса по энергиям при­меняют так называемые масс-спектрометры с двойной фокуси­ровкой, в которых пучок ионов проходит через систему электрических и магнитных полей специальной конфигурации.

Качественный анализ основан на расшифровке положения линии в масс-спектре. Идентификация осуществляется путем привязки к линиям основного элемента или введенного внутреннего стандарта, как это дела­ется в атомно-эмисснонном спектральном анализе.

К достоинствам искровой масс-спектрометрии можно отнести высо­кую селективность и чувствительность (абсолютный предел обнаружения достигает 10″ 12 г). Кроме того, это многоэлементный метод, позволяющий одновременно определять до 60—70 элементов. Одним из ограничений метода является необходимость электропроводности образца. Однако это ограничение можно преодолеть, например, напыляя на поверхность не­проводящей пробы тонкий слой металла высокой степени чистоты. Ана­логично исследуют жидкости после быстрого их замораживания и покры­тия тонким слоем проводящего электрический ток материала.

В методе лазерной масс-спектрометрии луч лазера, как и искра, обеспечивает одновременно и атомизацию и ионизацию вещества. Ана­литические характеристики близки к характеристикам искровой масс-спектрометрии.

В ион-ионной масс-спектрометрии, или, как ее также называют, масс-спектрометрии вторичных ионов, для ионизации исследуемого ве­щества используют первичные ионы аргона, кислорода или других ве­ществ, которые получают и разгоняют в ионной пушке. Пучок этих ионов фокусируют и бомбардируют ими анализируемый образец. Образующие­ся при этом вторичные ионы регистрируют. Этот метод удобен для изу­чения и локального анализа поверхности, поскольку возникающий при

Читайте также:
Урок 7. Комплексные ионы

бомбардировке кратер невелик и ионы проникают в исследуемое вещество неглубоко. Для метода характерен крайне низкий предел обнаружения — до КГ 18 г.

В каких областях аналитической химии целесообразно использование масс-спектрометр ического метода?

Какие существуют способы ионизации атомов и молекул?

На чем основано разделение ионов в масс-спектрометре?

Можно ли разделить ионы с одинаковым отношением m]z ?

Почему масс-спектрометрический метод анализа органических соединений получил широкое распространение?

Каким образом можно определить молекулярную массу и структуру органи­ческих соединений масс-спектрометрическим методом?

Каковы преимущества хромато-масс-спектрометрки по сравнению с обычным масс-спектрометрическим методом?

Каковы достоинства и возможности искровой масс-спектрометрии?

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Элементный анализ

Элементный анализкачественное обнаружение и количественное определение содержания элементов и элементного состава веществ, материалов и различных объектов. Это могут быть жидкости, твердые материалы, газы и воздух. Элементный анализ позволяет ответить на вопрос — из каких атомов (элементов) состоит анализируемое вещество.

Элементный анализ является одной из важнейших задач в любой научно-исследовательской лаборатории, институте, университете. Элементный состав вещества необходимо знать на любом производстве с целью контроля используемого сырья, контроле производства, а также готовой продукции. Черная и цветная металлургия, нефтедобыча и нефтепереработка, агропромышленность, геология, горно-добывыющая промышленность и многое другое практически невозможно без аналитической лаборатории. Элементный анализ имеет важнейшее значение в аналитической химии. Во время научных исследований очень важно иметь точную картину состава вещества с целью контроля цепи превращений химических реакций.

В самом начале становления метода элементный анализ был только качественным. Исследователи оценивали растворимость проб в инертных или химически активных растворителях, либо по объему выделения газов, либо устойчивость при нагревании, изменении цвета, окраса пламени, изменения фазового состояния и т. п. То есть использовались в основном физически ощутимые параметры, которые человек мог проанализировать самостоятельно без дополнительных приборов.

В настоящее время с развитием научного прогресса на первый план вышли инструментальные количественные методы на основе современных физико-химических методов анализа.

Количественный элементный анализ основан на измерении физических свойств изучаемых материалов в зависимости от содержания определяемого элемента: интенсивности характерных спектральных линий, значения ядерно-физических или электрохимических характеристик и т. п. Первыми методами количественного элементного анализа были гравиметрия и титриметрия, которые и сейчас по точностным характеристикам часто превосходят инструментальные методы. По точности с ними успешно конкурируют только кулонометрия и электрогравиметрия.

Элементный анализ важен в эколого-аналититическом и санитарно-эпидемиологичском контроле, анализе продуктов питания и кормов, металлов и сплавов, неорганических материалов, особо чистых веществ, полимерных материалов, полупроводников, нефтепродуктов и др., в научных исследованиях.

Методы элементного анализа

Среди инструментальных методов анализа широко распространены рентгенофлуоресцентная, атомно-эмиссионная (в том числе с индуктивно-связанной плазмой), атомно-абсорбционная спектрометрия, спектрофотометрия и люминесцентный анализ. Электрохимические методы (полярография, потенциометрия,вольтамперометрия и др.), масс-спектрометрия (искровая, лазерная, с индуктивно-связанной плазмой и др.), различные варианты активационного анализа. Методы локального анализа и методы анализа поверхности (электроннозондовый и ионнозондовый микроанализ, оже-электронная спектроскопия и т. п.) и др.

При выборе метода и методики анализа учитывают структуру анализируемых материалов, требования к точности определения, пределу обнаружения элементов, чувствительности определения, селективности и специфичности, а также стоимость анализа, квалификацию персонала, скорость проведения анализа, уровень необходимой пробоподготовки и наличие необходимого оборудования.

Например, при анализе металлов и сплавов с точностью порядка 0,01 % оптимальным выбором является искровой опто-эмиссионный спектрометр, как анализатор, определяющий основные элементы, используемые в сталях (углерод, кремний, марганец, молибден, ванадий, железо, хром, никель и др). Для менее точного анализа марок сталей и сплавов удобно использовать портативный рентгенофлуоресцентный спектрометр. Для анализа цемента, бетона, руды одним из надежных решений является волнодисперсионный рентгенофлуоресцентный анализатор. Для исследования стекла и керамики хорошо подходит лазерный оптико-эмиссионный спектрометр. Атомно-абсорбционный спектрометр позволяет анализировать практически любые вещества с хорошей точностью. Минусом метода являются высокие требования к пробоподготовке и большое время анализа. Спектрофотометр широко применяется при анализе жидкостей.

Читайте также:
Урок 24. Давление газа

При определении следов элементов нередко прибегают к их предварительному концентрированию. Помехи, связанные с матричным составом и взаимным влиянием аналитических сигналов элементов друг на друга, уменьшают, прибегая к их разделению. В некоторых случаях помехи могут быть значительно уменьшены благодаря рациональному выбору условий инструментального анализа и создания необходимого программно-математического обеспечения. Например, рентгенофлуоресцентный спектрометр позволяет определять содержание вредных тяжелых металлов в воде после концентрирования и осаждения на специальных фильтрах, что позволит проводить анализ на уровне предельно допустимых концентраций

10 −8 %. Но самым точным методом для определения следов элементов является спектрометр индуктивно-связанной плазмы, определяющий 10 −8 % — 10 −9 % практически по любому элементу.

Урок 12. Элементный анализ

На первых этапах изучения органической химии очень важно проследить вместе с учащимися, как развивалась наука, накапливался экспериментальный материал, на смену одним теориям приходили другие, и хотя бы немного представить личности ученых, создававших эти теории. Поэтому, введение в органическую химию мы, по мере возможности, построили в исторической последовательности, начиная с накопления данных о составе органических веществ. Конечно, при этом решается основная цель данного занятия – научить школьников решать задачи на определение состава органических соединений по данным элементного анализа, ввести понятия простейшей (брутто) и молекулярной формул, повторить закон Авогадро.

Основы элементного анализа органических соединений разработал великий французский химик А.Лавуаэье в конце XVIII века. Он использовал для анализа наиболее общее для органических веществ свойство – древесина, растительное и сливочное масла, другие вещества, полученные из растений и животных, горят, а если их нагревать без доступа воздуха – разлагаются, образуя “дым” и “гарь”.

Целесообразно хотя бы немного рассказать о работах Лавуазье. На примере теории флогистона ] очень удобно показать школьникам, что такое научная теория, как одна теория приходит на смену другой. Теория флогистона, распространенная в XVIII в., хорошо описывала и объясняла имеющиеся на то время экспериментальные факты. Считалось, что в горючих телах есть некий элемент – флогистон, который выделяется при нагревании. Дерево, согласно этой теории состояло из флогистона и золы, металл – из флогистона и земли (оксида металла) и т.п.
Лавуазье, исследуя процессы горения, нашел экспериментальные опровержения этой теории. Он первым обнаружил, что при горении масса не теряется, а приобретается, для этого надо было догадаться, что часть массы уходит при горении в воздух, научиться собирать газы, которые уходят, и измерять их массы.

И, конечно, хотя бы краткого упоминания достойна личность самого Лавуазье. Лавуазье – богатый, образованный человек, признанный ученый, его друзья – цвет французской науки – Лагранж, Бертолле, Лаплас. С 1785 г. – директор Академии наук.
Его интересовали проблемы воздухоплавания, гигиены городов, совершенствования технологии изготовления пороха

Кроме того он – крупный финансист, депутат учредительного собрания, член казначейской комиссии
Во времена Французской революции выдвинуто обвинение «грабил народ», был схвачен и приговорен к смерти. Друзья просили об отсрочке, но:
“Республика не нуждается в химиках». 8 мая 1794 года гильотинирован.
Всего мгновение потребовалось им, чтобы срубить эту голову, а и во сто лет не будет такой другой». (Лагранж)

Кстати, на примере биографии Лавуазье ], равно как и многих других ученых XVIII-XIX вв., очень полезно показать школьникам, насколько широки интересы великого ученого. Это важно, поскольку у подростков часто создается негативный в их понимании образ ученого – «ботаника», замкнутого на своей узкой проблеме и не от мира сего.

Спросите учащихся, как убедиться в том, что в состав органических веществ входит углерод. Они должны вспомнить опыты, показанные на предыдущем занятии. При горении древесины обязательно остаются угольки. Если подержать над пламенем газовой горелки, спиртовки или свечи холодное стекло, то оно закоптится. На нем останутся мелкие частицы угля.

Читайте также:
Урок 18. Кислотно-основное титрование

Как определить количественно, в каких соотношениях входят элементы в состав вещества? Лавуазье предложил сжигать вещество, собирать продукты сгорания и определять их массы или объемы .

При сгорании органических веществ в избытке воздуха или чистого кислорода сажа не образуется, а получается углекислый газ CO2 и вода Н2O.

Обязательно обсудите проблему неполного сгорания. При обычном горении из углерода образуется не только углекислый газ. Поэтому вещество необходимо сжигать в токе кислорода. Часто еще специально к анализируемому веществу добавляют катализатор, обеспечивающий полноту окисления. Если в состав анализируемого вещества входит еще и азот, то в числе продуктов сгорания будет газ азот, если сера – сернистый газ и.т.п…

Современные методы элементного анализа органических соединений основаны на принципах, разработанных А.Лавуазье. Вещество сжигают в токе кислорода. Продукты сгорания последовательно пропускают через сосуды с веществами, поглощающими из газовой смеси сначала пары воды, а затем углекислый газ. Очень полезно предложить учащимся обсудить, какие вещества можно использовать для поглощения углекислого газа, а какие – для поглощения воды, и в каком порядке необходимо проводить это поглощение. Сосуды взвешивают до и после проведения опыта. Разность их масс как раз и составляет массу поглощенного вещества.

По уравнению горения CxHy + (x+y/4)O2 = xCO2 + y/2H2O можно рассчитать соотношение x:y и, следовательно, состав. Желательно, чтобы уравнение горения углеводорода в общем виде учащиеся составили сами.

Результаты элементного анализа обычно представляют в виде массовых процентов содержания атомов элемента в веществе.

Пример 3. Определить состав бутана (бутан используют как горючее в газовых баллонах), если известно, что бутан состоит только из водорода и углерода, а при сжигании порции этого вещества в избытке кислорода было получено 44,8 мл углекислого газа и 45 мг воды.

По результатам решения примера 3 формулу бутана можно записать как С2H5.

При решении этой задачи удобно ввести понятия простейшей и молекулярной формул. Формулу, определяемую по данным элементного анализа, называют простейшей. Необходимо подчеркнуть, что простейшая формула не показывает, сколько всего атомов каждого элемента содержится в молекуле. Состав молекулы отражает молекулярная формула. Число атомов в молекулярной формуле кратно числу атомов в простейшей формуле. Другими словами, молекулярную формулу бутана можно записать, как (С2H5.)n. Чтобы узнать n и найти состав молекулы бутана, в условиях Примера 3 не хватает данных.

Можно упомянуть, что такое длинное имя свидетельствует о знатности рода.

Очень часто учащиеся, на вопрос, что же сделал Авогадро, отвечают, что он определил молярный объем газа, вычислил постоянную Авогадро и т.п. На самом деле Авогадро выдвинул гипотезу о том, что равные объемы газообразных веществ при одинаковом давлении и температуре содержат одно и то же число частиц (молекул).

Взвешивая газ, определяют его плотность (во сколько один газ тяжелее другого, например воздуха или водорода) рассчитывают плотность газа при нормальных условиях. А зная, что молярный объем газа при н.у. равен 22,4 л/моль, вычисляют его молярную массу.

Для определения молярной массы веществ, которые не существуют в парах (к таким соединениям относится, например, сахар), применяют методы, основанные, например, на изучении свойств их растворов. А в последние десятилетия ученые для определения молярных масс используют специальные физические методы (масс-спектрометрию и др.).

Пример 5 При сожжении в избытке кислорода 0,15 г глюкозы образуются только два вещества: 1,12 л (н.у.) CO2 и 0,9 мл H2O. Определите молекулярную формулы глюкозы, если известно, что ее молярная масса равна 180 г/моль.

Задачи для решения на семинаре:

1. Определите простейшую формулу вещества, содержащего 14,28% водорода и 85,72 % углерода. Определите его молекулярную формулу, если плотность его паров равна 2,5 г/л (н.у.).
Ответ – СН2

2. Определите простейшую формулу вещества, если при сгорании 7,2 г его получили 22 г углекислого газа и 10,8 г воды. Достаточно ли данных, чтобы определить молекулярную формулу этого вещества?
Ответ – С5Н12

3.Сожгли 4,8 г органического вещества, при этом образовалось 3,36 л (н.у.) углекислого газа и 5,4 мл (н.у.) воды. Плотность паров вещества по водороду равна 16. Определите его молекулярную формулу. Есть ли в задаче лишние данные?
Ответ: CH4O

4. Сгорело 9 г вещества и образовалось 8,96 л (н.у.) углекислого газа, 12,6 г воды и 2,8 г 4. азота. Определите простейшую и молекулярную формулы.
Ответ: С2H7N

А также можно использовать задачи из рекомендуемых пособий и домашнее задание для 10 классов СУНЦ МГУ “Задачи на определение состава органических веществ” ]

Расчетным задачам на определение состава необходимо уделять время в течение нескольких последующих семинаров.

Для проверки навыка быстро решать подобные задачи, можно дать самостоятельную работу, подобную следующей:

Состав органических соединений

2.Сколько грамм углекислого газа образуется при полном сгорании 28,52 г октана (С8Н18) в избытке кислорода?
A – 11,0 г, В – 22,0 г, С – 44,0 г, D- 88,0 г, E – 176,0 г

3.При сгорании 1,24 г органического вещества в избытке кислорода образуется 1,76 г углекислого газа и 1,08 г воды. Определить простейшую формулу этого вещества.
A – CHO, B – CH2O, C – CH3O, D – C2H3O, E – C3H5O

4.При анализе органического соединения было обнаружено, что оно содержит только 0,566 г водорода, 2,641 г азота и 6,793 г углерода. Определите простейшую формулу этого соединения.
A – C3H3N, B – C6H6N, C – C12HN5, D – C2H7N, E – HCN

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору

Элементный анализ органических веществ (анализ CHNSO): подготовка образца

Взвешивание — важнейший этап анализа образца на содержание органических веществ

  • Описание
  • Применение
  • Публикации
  • Сопутствующие продукты
  • Часто задаваемые вопросы: взвешивание при проведении анализа CHNSO

Элементный анализ CHNSO (другие названия — элементный анализ органических веществ или элементный микроанализ) позволяет определить количество углерода (C), водорода (H), азота (N), серы (S) и кислорода (O) в образце. Это надежная и экономичная методика для оценки степени чистоты и химического состава соединений. Она подходит для исследования образцов различного типа, включая твердые, жидкие, летучие и вязкие вещества. Зная содержание органических элементов, специалисты лаборатории также могут определить структуру образца. Химические характеристики органических соединений используются в научных исследованиях и процессах контроля качества (QC).

Элементный анализ — высоконадежная аналитическая процедура, которая применяется в различных отраслях для решения целого ряда задач (см. ниже). Самый распространенный метод элементного анализа CHNSO основан на сжигании образца. Эту операцию выполняют в специальном приборе — элементном анализаторе. При сжигании образец выделяет смесь газов, включающую элементы C, H, N и S. Затем к продуктам сгорания (CO2, H2O, NO2 и пр.) применяют метод газовой хроматографии, чтобы определить процентное соотношение элементов в исходном образце. Определение содержания C, H, N и S можно проводить одновременно. Анализ на содержание O часто выполняется на втором этапе с помощью пиролиза.

Почему важно взвешивание

Для элементного анализа органических веществ необходимы образцы с малым весом. Фактическая масса будет зависеть от характеристик вещества, пределов обнаружения, требуемого уровня точности и типа используемого элементного анализатора. Поскольку количество каждого элемента обычно выражается в процентах от веса исходного образца, точное взвешивание является обязательным условием. Для измерения массы образцов очень малого размера рекомендуется использовать высокоточные микровесы.

Элементный анализ органических веществ применяется в целом ряде отраслей для различных целей и задач:

  • Фармацевтическая отрасль
    Определение состава, структуры и степени чистоты органических веществ в фармацевтических продуктах во время их разработки, научных исследований и на производстве.

Определение характеристик материалов
Определение содержания органических соединений в разнообразных материалах с целью получить готовый продукт с желаемыми характеристиками и свойствами (например, резина, пластик, бумага, металлы).

Экологическая промышленность
Исследование содержания органических соединений в воде, сточных водах, компосте и выбросах с твердыми частицами.

Сельское хозяйство
Научный анализ образцов растений и почвы (при работе с почвами или водными системами).

Производство пищевых продуктов и кормов для животных
Определение содержания белка для оценки качества и назначения цены. Еще одна область применения анализа — контроль соответствия состава продукта или корма заявленному.

  • Энергетика и нефтехимическая промышленность
    Обеспечение и контроль качества продуктов нефтехимии, в том числе топлива и смазочных материалов.
  • Перейдите в один из следующих разделов, чтобы узнать больше:

    1. Типичная процедура анализа CHNS(O)
    2. Как подготовить и точно взвесить органическое вещество для проведения элементного анализа CHNS/O
    3. Запросить консультацию по взвешиванию образцов для элементного анализа CHNS(O)
    4. Трудности анализа CHNS(O)
    5. Решение МЕТТЛЕР ТОЛЕДО для подготовки образцов к анализу CHNS(O)
      1. Посмотреть видео «Элементный анализ CHNS(O): быстрая и точная подготовка образцов»
      2. Скачать руководство «Десять шагов к успешному взвешиванию на микровесах»
    6. Комплексное решение МЕТТЛЕР ТОЛЕДО с ПО LabX для лабораторий
    7. Часто задаваемые вопросы об анализе CHNS(O)

    Типичная процедура анализа CHNSO

    Для получения достоверных результатов необходимо удалить из образцов инородные включения и влагу. Чтобы получить гомогенные образцы, исследуемое вещество подвергают сушке до постоянного веса, а затем тонко размалывают. Дополнительная информация о различных методах подготовки образцов к взвешиванию и рекомендуемых размерах проб представлена в разделе «Ноу-хау» ниже.

    1. Подготовка образца и взвешивание

    Ниже представлены этапы типичной процедуры, позволяющей подготовить образцы для анализа CHNSO. Существуют и другие способы подготовки образцов. В СОП лаборатории обычно указаны рекомендуемые методы. Если такого документа нет, рекомендуется разработать соответствующую стандартную операционную процедуру, чтобы обеспечить стабильность и единообразие анализов.

    • Приготовьте необходимые инструменты — шпатель и два пинцета (прямой и изогнутый). Также для работы потребуется горизонтальная поверхность.
    • Все оборудование и поверхности должны быть чистыми и сухими. Для очистки можно использовать этанол. После обработки дайте поверхности высохнуть естественным путем или вытрите ее насухо чистой тканью.
    • Приготовьте тару. В зависимости от задачи и типа образца это могут быть жестяные или серебряные тигли очень малых размеров или капсулы. Чтобы избежать загрязнения микропримесями, тару также подвергают предварительной тщательной очистке и сушке.
    • Поместите пустую емкость на точные микровесы и выполните тарирование.
    • С помощью шпателя добавляйте образец в тару до достижения заранее определенного значения веса.
    • Снимите тигель или капсулу с весов пинцетом. Используя второй пинцет, зажмите верх емкости и дважды загните край, чтобы надежно закрыть ее. Осторожно сожмите емкость, придав ей форму шара или куба. Убедитесь, что образец не просыпается.
    • После этого тару с образцом можно поместить в элементный анализатор. Убедитесь, что все емкости четко промаркированы. Для анализа большого количества образцов рекомендуется использовать микропланшеты на 96 лунок.

    2. Исследование в элементном анализаторе

    Загрузить несколько образцов в элементный анализатор можно автоматически или вручную по одному.

    3. Результаты и протоколирование

    Программное обеспечение элементного анализатора рассчитывает количество выделенных газов и представляет их в виде процентных долей от начального веса образца. Результаты анализа, %C, %H, %N и %S, заносятся в протокол.

    Рейтинг
    ( Пока оценок нет )
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: