ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА
дисциплины
"АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ"
для студентов геологических факультетов

Специальности:
011100 - Геология,
011200 - Геофизика,
011300 - Геохимия,
011400 - Гидрогеология и инженерная геология,
011500 - Геология и геохимия горючих ископаемых,
013100 - Экология,
013400 - Природопользование,
013600 - Геоэкология

ВВЕДЕНИЕ

Предмет и задачи современной аналитической химии. Значение аналитической химии в развитии различных областей естествознания. Химия и геология. Роль аналитической химии в решении проблем геологии, геохимии, космических исследований: определение вещественного состава Земли, земной коры, изучение геологических процессов внешней динамики и геологической деятельности природных вод и др.

Современные методы изучения состава веществ. Качественный и количественный анализ неорганических и органических веществ. Химические, физико-химические и физические методы анализа. Характеристики методов и примеры применения их в геологии (геологических исследованиях).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Основные виды гомогенных равновесий, применяемых в аналитической химии: кислотно-основное, окислительно-восстановительное, равновесие комплексообразования.

Закон действия масс. Константа равновесия обратимой химической реакции. Понятие об идеальных и реальных системах. Активность, коэффициент активности. Связь его с ионной силой. Ионное состояние элементов. Концентрация общая и равновесная. Коэффициент конкурирующей реакции (мольная доля). Константы термодинамические, реальные, условные, их связь.

Кислотно-основное равновесие. Современные представления о кислотах и основаниях. Протолитическая теория Брендстеда и Лоури. Кислотно-основные пары, константы кислотности и основности, их связь. Типы растворителей, реакция автопротолиза. Нивелирующий и дифференцирующий эффекты растворителей.

Расчет рН в растворах кислот, оснований и амфолитов. Буферные растворы и их свойства. Диаграммы распределения различных равновесных форм кислот и оснований в зависимости от рН.

Равновесие комплексообразования. Типы комплексных соединений, используемых в аналитической химии и их характеристики. Классификация комплексных соединений. Количественные характеристики термодинамической устойчивости комплексных соединений - общие и ступенчатые константы устойчивости. Кинетическая устойчивость комплексных соединений. Хелаты, внутрикомплексные соединения. Использование комплексообразования для обнаружения, разделения, маскирования ионов, растворения осадков, изменения потенциала окислительно-восстановительной системы.

Теоретические основы взаимодействия органических реагентов с неорганическими ионами. Функционально-аналитические группы, хромофорные группы. Правило циклообразования Л.А.Чугаева. Основные направления использования органических реагентов в химическом анализе (обнаружение, определение и маскирование ионов). Наиболее распространенные органические реагенты: диметилглиоксим, 8-оксихинолин и др. Комплексоны. Общие свойства комплексонов и комплексонатов.

Окислительно-восстановительное равновесие. Обратимые и необратимые окислительно-восстановительные системы. Равновесный электродный потенциал. Уравнение Нернста. Стандартный потенциал окислительно-восстановительной системы. Понятие о реальном (формальном) потенциале системы. Факторы, влияющие на величину формального потенциала. Направление реакций окисления-восстановления. Константы равновесия окислительно-восстановительных реакций. Связь константы равновесия со стандартными потенциалами.

Скорость окислительно-восстановительных реакций. Каталитические, индуцированные реакции в окислительно-восстановительных процессах. Основные окислители и восстановители, используемые в анализе.

Окислительно-восстановительные реакции в процессах внешней динамики при образовании осадочных и метаморфических горных пород.

Равновесие в системе осадок- раствор. Процессы осаждения- растворения в аналитической химии. Константа равновесия реакции осаждения-растворения: термодинамическое, реальное и условное произведение растворимости.

Условия образования и растворения осадков. Кристаллические и аморфные осадки. Зависимость структуры осадка от природы и условий осаждения. Коллоидное состояние как промежуточная стадия образования осадка. Причины загрязнения осадков. Соосаждение. Использование этого явления для концентрирования микропримесей. Закон В.Г.Хлопина. Явление изоморфизма в силикатах и других минералах.

Зависимость растворимости осадков от различных факторов: рН, комплексообразования, реакций окисления-восстановления, ионной силы раствора и температуры. Влияние одноименного иона. Солевой эффект.

Равновесие между двумя жидкими фазами. Экстракция и ее использование в аналитической химии. Закон распределения. Коэффициент распределения. Константы равновесия в системе жидкость-жидкость (константа экстракции). Использование экстракции в практике химического анализа.

Выбор схемы и метода анализа в зависимости от состава анализируемого вещества. Отбор пробы для анализа однородных и неоднородных веществ, средняя проба. Разложение анализируемой пробы. Методы переведения в раствор труднорастворимых объектов: растворение в кислотах и щелочах, сплавление с кислыми и щелочными плавнями. Анализ различных объектов: минералов, руд, горных пород, природных и сточных вод, воздуха.

Характеристика аналитических методов. Определение концентрации методом градуировочного графика и методом добавок. Предел обнаружения, нижняя и верхняя границы определяемых концентраций, коэффициент чувствительности, избирательность, время, необходимое для проведения анализа (экспрессность).

Классификация погрешностей. Систематические и случайные ошибки. Правильность и воспроизводимость. Статистическая обработка результатов измерений. Закон нормального распределения случайных величин. Среднее, дисперсия, стандартное отклонение. Оценка правильности. Сравнение дисперсий и средних двух методов анализа. Способы повышения воспроизводимости и правильности анализа.

МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Задачи и выбор метода обнаружения. Химические, физико-химические и физические методы обнаружения. Качественный анализ. Характеристика аналитических реакций. Селективные и специфические реагенты. Способы понижения предела обнаружения и повышения избирательности: использование комплексообразования, соосаждения, экстракции, флотации и т.д. Применение реакций образования осадка, окрашенных соединений, выделение газа. Микрокристаллоскопический, капельный, люминесцентный, спектральный анализ; анализ растиранием порошков. Использование органических реагентов.

Аналитическая классификация ионов. Кислотно-основная и сероводородная схемы анализа. Систематический и дробный ход анализа. Экспрессный качественный анализ в полевых условиях.

Основные методы разделения и концентрирования.

Разделение элементов с использованием реакций осаждения. Применение органических и неорганических реагентов для осаждения. Групповые реагенты и условия их применения. Характеристика малорастворимых соединений, наиболее часто используемых в анализе: карбонатов, хроматов, фосфатов, оксалатов, гидроксидов, сульфидов. Условия образования и растворения сульфидов металлов. Роль процессов осаждения и растворения осадков при изучении законов миграции (концентрирования и рассеяния) элементов в природе.

Хроматографический анализ. Основные принципы метода. Классификация методов хроматографии по агрегатному состоянию фаз, по механизмам разделения и технике выполнения эксперимента. Методы получения хроматограмм. Важнейшие теоретические положения. Теория теоретических тарелок и кинетическая теория. Основные уравнения хроматографии. Ионный обмен и ионообменная хроматография. Газовая хроматография. Жидкостная хроматография, распределительная хроматография на бумаге. Использование хроматографии на бумаге для разделения и обнаружения катионов.

Экстракция. Понятия: экстрагент, разбавитель, экстракт, реэкстракция. Условия экстракции, количественные характеристики экстракции. Скорость экстракции. Классификация экстракционных систем по типу экстрагирующихся соединений. Способы экстракции. Разделение элементов методом экстракции. Повышение селективности разделения путем подбора органических растворителей, рН, маскирования. Приборы для проведения экстракции.

Сущность гравиметрического анализа. Прямые и косвенные методы анализа. Важнейшие неорганические и органические осадители. Осаждаемая и гравиметрическая формы. Требования, предъявляемые к осаждаемой и гравиметрической формам. Осаждение, фильтрование и промывание осадков.

Примеры гравиметрических определений (определение кристаллизационной и гигроскопической воды, диоксида углерода, серы, железа, алюминия, бария, кальция, магния, фосфора).

Анализ карбонатной породы: определение суммы полуторных оксидов, определение оксида кальция и оксида магния.

Основные положения титриметрического анализа. Методы титриметрического анализа. Требования, предъявляемые к реакциям в титриметрическом анализе. Способы выражения концентраций растворов. Выражение эквивалентных масс в различных методах титриметрического анализа. Титр. Титрование. Точка эквивалентности и точка конца титрования. Химические и физико-химические методы обнаружения конечной точки титрования.

Первичные и вторичные стандартные растворы. Фиксаналы. Метод отдельных навесок и метод пипетирования для установления концентрации рабочих растворов. Вычисление результатов анализа.

Кислотно-основное титрование. Сущность метода кислотно-основного титрования. Рабочие растворы. Первичные стандарты. Стандартные растворы кислот и щелочей.

Вычисление рН в различные моменты титрования. Кривые титрования сильных и слабых кислот и оснований.

Индикаторы в методе кислотно-основного титрования. Теория индикаторов. Интервал перехода окраски индикатора. Показатель титрования. Выбор индикатора для установления конечной точки титрования. Погрешности титрования.

Практическое применение метода кислотно-основного титрования. Определение устранимой и постоянной жесткости воды. Анализ смеси карбоната и щелочи, карбоната и бикарбоната. Определение солей аммония.

Окислительно-восстановительное титрование. Изменение окислительно-восстановительного потенциала в процессе титрования. Кривая титрования. Факторы, влияющие на скачок титрования. Методы обнаружения конечной точки титрования. Окислительно-восстановительные индикаторы.

Основные окислительно-восстановительные методы титриметрического анализа: иодометрия, перманганатометрия, бихроматометрия. Иодометрическое определение меди (II). Перманганатометрическое определение железа, окисляемости воды. Бихроматометрическое определение железа.

Комплексонометрическое титрование. Реакции комплексообразования, применяемые в титриметрии, и требования к ним. Комплексонометрия (применение этилендиаминтетрауксусной кислоты и ее двунатриевой соли). Индикаторы в комплексонометрии. Комплексонометрическое определение жесткости воды, кальция, магния.
Метрологические характеристики химических методов количественного анализа.

Основные принципы физико-химических и физических методов анализа. Классификация методов. Их роль для геохимического исследования. Анализ без разрушения анализируемого вещества.

Выбор метода анализа в зависимости от поставленной задачи при анализе горных пород, руд и минералов. Анализ горных пород на содержание примесей (масс-спектрометрия, изотопный анализ, рентгеновские методы анализа). Обработка и представление результатов анализа.

Общая характеристика электрохимических методов анализа. Их классификация. Измерение потенциала. Электрохимическая ячейка. Обратимые и необратимые электрохимические реакции. Чувствительность и селективность электрохимических методов анализа.

Потенциометрия. Прямая потенциометрия. Классификация и характеристика электродов. Индикаторные электроды и электроды сравнения. Ионометрия - основные понятия и принципы метода. Классификация ионоселективных электродов. Коэффициент селективности. Потенциометрическое определение кислотности среды (рН), фторидов нитратов и некоторых других ионов (натрия, калия) с применением ионоселективных электродов. Определение концентрации методом градуировки электрода и методом добавок.

Потенциометрическое титрование. Требования, предъявляемые к химической и электрохимической (индикаторной) реакции. Использование реакций различного типа: кислотно-основных, осаждения, комплексообразования и окисления-восстановления. Индикаторные электроды и электроды сравнения. Принципиальная схема потенциометра, рН-метры. Примеры практического применения (определение смеси кислот, кобальта и др.).

Вольтамперометрия. Полярографический метод анализа. Полярографическая ячейка. Индикаторный электрод и электроды сравнения. Индикаторные электроды в вольтамперометрии. Получение и характеристики полярограммы. Уравнение Ильковича. Уравнение полярографической волны. Потенциал полуволны. Качественный и количественный полярографический анализ. Возможности, достоинства и недостатки полярографического анализа. Современные разновидности полярографии. Примеры практического применения полярографии для определения основных компонентов и примесей в минералах, рудах, природных водах, и экологических объектах.

Амперометрическое титрование. Сущность метода. Индикаторные электроды. Выбор потенциала индикаторного электрода. Вид кривых титрования. Примеры практического использования.

Кулонометрия. Теоретические основы. Прямая кулонометрия и кулонометрическое титрование. Определение конечной точки титрования. Электрохимическая генерация титрантов. Практическое применение метода, его достоинства и недостатки. Определение малых количеств кислоты, щелочи, определение окислителей и др.

Метрологические характеристики электрохимических методов анализа.

Получение химико-аналитической информации при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Классификация оптических методов анализа по видам спектров и способам их возбуждения.

Атомная эмиссионная спектроскопия. Эмиссионные спектры. Источники возбуждения атомов. Пламя как источник возбуждения. Процессы, протекающие в пламени. Факторы, влияющие на степень атомизации. Факторы, влияющие на интенсивность спектральных линий. Качественный и количественный анализ.

Примеры практического применения эмиссионных методов анализа. Определение щелочных и щелочноземельных элементов. Определение следов металлов в горных породах, рудах, минералах, воде. Применение атомно-эмиссионных методов в исследованиях по охране окружающей среды.

Атомно-абсорбционная спектроскопия. Основы метода. Закон поглощения элетромагнитного излучения. Способы атомизации (пламенная и электротермическая атомизация). Источники излучения, их характеристики. Возможности, преимущества и недостатки метода. Примеры практического применения атомно-абсорбционного метода в геологии.

Молекулярная абсорбционная спектроскопия (спектрофотометрия). Теоретические основы спектрофотометрического метода анализа. Основной закон светопоглощения Бугера-Ламберта-Бера. Молярный коэффициент поглощения. Причины отклонения от закона поглощения. Способы определения концентраций фотометрическим методом: метод градуировочного графика, метод добавок, метод дифференциальной фотометрии.

Выбор оптимальных условий проведения фотометрической реакции. Этапы фотометрического анализа. Фотометрическое определение некоторых элементов (железа, титана, никеля, фосфора, кремния и т.д.).

Люминесценция. Люминесценция и ее основные характеристики. Различные виды люминесценции и их классификация. Основные закономерности молекулярной люминесценции. Закон Стокса-Ломмеля. Правило зеркальной симметрии спектров поглощения и люминесценции. Примеры практического применения (определение редкоземельных элементов, урана, алюминия и др.).

Метрологические характеристики спектроскопических методов анализа.

Литература

1.Основы аналитической химии /Под ред. Ю.А.Золотова. В 2-х кн. М.: Высш. шк., 1999. 351, 493. с.
2.Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2-х ч. М.: Высш. шк., 1989. 319, 385 с.
3.Дорохова Е.Н., Прохорова Г.В. Аналитическая химия. Физико-химические методы анализа. М.: Высш. шк., 1991.
4.Методы обнаружения и разделения элементов. Практическое руководство /Под ред. И.П. Алимарина. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1984.
5.Практическое руководство по физико-химическим методам анализа. /Под ред. И.П. Алимарина, В.М. Иванова. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1987.

Программу составили:
И.П.Витер, доц.;
С.А.Моросанова, доц.
(Московский государственный университет)