ВВЕДЕНИЕ

§ 1. Понятие о количественном анализе

Количественный анализ предназначен для определения количественных соотношений составных частей исследуемого вещества. Другими словами, количественный анализ дает возможность установить количественный элементный или молекулярный состав анализируемого вещества или содержание отдельных его компонентов.

В ряде случаев требуется установить содержание всех элементов, ионов или соединений, входящих в состав данного исследуемого вещества. Например, при анализе медных сплавов (бронз и латуней) определяют содержание меди, олова, свинца, цинка и других элементов. При анализе растворов электролитных ванн, применяемых для никелирования металлов, определяют содержание и т. п.

В других случаях требуется установить содержание некоторых отдельных элементов, ионов или соединений, входящих в состав анализируемого продукта. Так, при анализе металлического сплава химика-аналитика может интересовать лишь содержание меди и олова, или ванадия и вольфрама, или алюминия и магния, или только железа и т. д.

Иногда определяют не только общее содержание того или иного элемента (иона), но и формы нахождения его в исследуемом веществе. Например, при анализе руды определяют не только общее содержание серы, но и содержание свободной , сульфидной , пиритной и сульфатной серы.

В задачу количественного анализа входит также определение разнообразных реакционноспособных (активных) атомов и функциональных групп в различных (преимущественно в органических) соединениях. Совокупность химических, физических и физико-химических методов, применяемых для решения этой задачи, называют функциональным анализом. К такого рода методам относятся титриметрические, электрохимические (потенциометрические, полярографические, хронокондуктометрические и др.), спектроскопические [фотоколориметрические, спектрофотометрические, инфракрасная спектроскопия (ИКС), ультрафиолетовая спектроскопия (УФС), метод комбинационного рассеивания света (КРС), ядерный магнитный резонанс (ЯМР), рентгеноспектроскопия, масс-спектроскопия, хроматографические и другие методы (см. ниже).

Одним из важных разделов количественного анализа является так называемый фазовый анализ, который имеет большое значение в цветной и черной металлургии. Фазовый анализ представляет собой совокупность разнообразных химических, физических и физико-химических методов разделения и определения отдельных структурных (фазовых) составляющих гетерогенных систем. К этим методам относятся: химические и электрохимические методы избирательного растворения, рентгеноструктурный петрографический, металлографический, кристаллооптический, электронномикроскопический, термографический и др.

Фазовый анализ сталей и сплавов дает возможность судить о содержании отдельных структурных (фазовых) составляющих исследуемого сплава (карбидов, боридов, нитридов, карбонитридов, карбоборидов, интерметал-лидов, свободного и связанного углерода и т. п.), т. е. о составе отдельных фаз гетерогенных систем.

При исследовании вещества неизвестного состава (например, шлака, руды, сплава и т. п.) количественному анализу предшествует качественный, так как выбор метода количественного определения каждой составной части анализируемого вещества зависит от результатов качественного анализа.

Часто бывает известен качественный состав анализируемых веществ (кислот, оснований, солей, сплавов и т. п.), а нередко известно и приблизительное содержание в них отдельных компонентов. Поэтому при исследовании известного вещества (например, соды, технической серной кислоты и т. п.) в большинстве случаев не требуется предварительно проводить качественный анализ этого вещества. В таких случаях определяют содержание данного вещества в анализируемом образце или концентрацию его раствора. Иногда определяют только содержание одного или нескольких элементов, не являющихся основными компонентами данной сложной смеси, т. е. определяют примеси, например серу и фосфор в чугуне и стали, благородные металлы в отходах металлургического производства и т. д.

В последнее время в связи с развитием новых отраслей промышленности стало необходимым определять содержание в анализируемом веществе ничтожнейших количеств примесей (микропримесей). Определение микропримесей имеет большое значение при анализе особо чистых веществ.

Таким образом, количественный анализ позволяет установить:

1. Количественные соотношения составных частей неизвестного индивидуального соединения, т. е. установить его формулу.

2. Содержание или концентрацию определяемого вещества в исследуемом образце.

3. Содержание всех или некоторых элементов или ионов, входящих в состав данного вещества.

4. Содержание всех или некоторых главных (основных) компонентов анализируемой смеси (например, смеси солей, кислот, изомеров и т. п.).

5. Содержание определенных форм того или иного элемента или простых и сложных веществ, образуемых им.

6. Содержание неглавных (неосновных) компонентов (примесей) в данном известном веществе.

7. Содержание микропримесей в особо чистых веществах (металлах, сплавах, полупроводниковых материалах, графите и т. п.).

8. Содержание определенных радикалов, активных атомов, функциональных групп.

9. Состав отдельных фаз гетерогенных систем, в которых определяемые вещества распределяются в зависимости от изменения рецептуры получаемого технического объекта, способа его получения, термической и механической обработки и т. д.

В широком смысле слова количественным анализом следует называть совокупность химических, физических и физико-химических методов исследования, позволяющих с требуемой точностью определять в образце анализируемого вещества количественное содержание отдельных составных частей или концентрацию их в растворе, а также устанавливать содержание примесей в исследуемом техническом объекте.

Основоположником современного количественного анализа является М. В. Ломоносов, положивший начало систематическому применению весов при химических исследованиях. В 1756 г. М. В. Ломоносов экспериментальным путем доказал сформулированный им еще ранее (1748 г.) закон сохранения массы вещества, являющийся основой количественного анализа. М. В. Ломоносовым созданы основы физической химии, оказавшей существенное влияние на развитие теории аналитической химии. В 1748 г. М. В. Ломоносов организовал первую в России химическую лабораторию. Его научные исследования имеют важное значение в истории развития русской химической науки.

Примеры количественного анализа. Количественный анализ основан на точном измерении массы и объема определяемых веществ или продуктов их химических превращений, или расходуемых реактивов, вступающих в реакции с определяемыми веществами.

Например, определяемую составную часть анализируемого вещества выделяют в виде осадка, который отфильтровывают, промывают от посторонних примесей, высушивают или прокаливают и взвешивают. Зная массу выделившегося вещества (так называемой весовой формы) и его формулу, можно вычислить содержание определяемого вещества. Так, определяют по массе осадка , выделившегося при взаимодействии .

Другим примером может служить измерение объема раствора точно известной концентрации, израсходованного на реакцию с . Зная объем и концентрацию прибавленного раствора , можно вычислить содержание в соляной кислоте.

Примером количественного анализа может также служить измерение объема выделившейся двуокиси углерода, получаемой при взаимодействии определенной навески мела с хлористоводородной кислотой. Зная объем газа , можно вычислить содержание карбонатов в меле.

В ряде случаев в целях количественного анализа измеряют различные показатели оптических, электрических и других физических свойств исследуемых веществ. Данные измерений используют для вычисления результатов анализа.

Результаты количественного анализа выражают различными способами. Например, содержание в растворе хорошо растворимого соединения выражают в граммах, в граммах на 100 г раствора, в процентах, в граммах или в миллиграммах на 1 миллилитр; содержание малорастворимых веществ в граммах на и в молях на . Состав металлических сплавов выражают в процентах содержания элементов в сплаве и т. д.

Значение количественного анализа. Количественный анализ является основным методом контроля химических процессов, сырья, промежуточных и готовых продуктов производства, а также наряду с качественным анализом служит важнейшим методом исследования при выполнении химических научно-исследовательских работ.

Количественный анализ играет большую роль в науке, технике и промышленности, в значительной степени способствуя прогрессу химической промышленности и связанных с ней отраслей производства, а также развитию химии и других естественных наук, например геохимии, геологии, минералогии, агрохимии, биологии, почвоведения, медицины и т. п.

М. В. Ломоносов (1711—1765).

Внедрение в производство и научно-исследовательскую работу высокочувствительных и точных методов количественного определения ультрамалых количеств примесей в значительной мере способствовало развитию атомной и полупроводниковой техники, производству жаростойких сплавов и высококачественных полимерных материалов.