Аналитическая химия и физико-химические методы анализа

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 

 
 
 
А.И. АПАРНЕВ, А.А. КАЗАКОВА,  
Т.П. АЛЕКСАНДРОВА 
 
 
 
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 
И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ 
МЕТОДЫ АНАЛИЗА  
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2018 

УДК 543(075.8) 
А 761 
 
 
Рецензенты:  
д-р хим. наук Н.Ф. Уваров 
канд. техн. наук, доц. Л.В. Шевницына 
 
 
Работа подготовлена на кафедре химии и химической технологии 
для студентов, обучающихся по техническим направлениям  
 
 
Апарнев А.И. 
А 761        Аналитическая химия и физико-химические методы анализа: 
учебное пособие / А.И. Апарнев, А.А. Казакова, Т.П. Александрова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. – 139 c. 

ISBN 978-5-7782-3611-0 

Пособие включает в себя основные разделы аналитической химии 
и физико-химических методов анализа: качественный, количественный анализ, оптические, электрохимические и хроматографические 
методы. Разделы имеют краткие теоретические сведения, примеры 
решения типовых задач, задания для выполнения самостоятельной 
расчетно-графической работы. Кроме того, имеется приложение, содержащее справочный материал. 
Пособие предназначено для студентов НГТУ дневной и заочной 
форм обучения. 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 543(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3611-0 
 Апарнев А.И., Казакова А.А.,  
Александрова Т.П., 2018 
 Новосибирский  государственный 
технический  университет, 2018 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 

Предисловие ............................................................................................................ 4 

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ............................................................................... 5 
I. Качественный анализ .......................................................................................... 5 
1. Качественные реакции катионов и анионов .................................................. 5 
2. Основные положения теории  растворов электролитов. Кислотноосновные равновесия в растворах электролитов ......................................... 11 
2.1. Способы выражения концентрации растворов. Приготовление 
растворов различной концентрации ..................................................... 12 
2.2. Расчет рН растворов сильных и слабых электролитов, буферных растворов ........................................................................................ 20 
2.3. Гидролиз, расчет константы и степени гидролиза, определение 
рН растворов гидролизующихся солей ................................................ 29 
3. Окислительно-восстановительные (редокс-) процессы  
и направление их протекания........................................................................ 37 
II. Количественный анализ ................................................................................... 41 
4. Метод кислотно-основного титрования ....................................................... 42 
5. Методы окислительно-восстановительного титрования ............................ 59 
5.1. Перманганатометрия ............................................................................. 50 
5.2. Дихроматометрия. Иодометрия ........................................................... 58 
6. Метод комплексонометрического титрования. Трилонометрия ............... 66 
7. Методы осадительного титрования. Аргентометрия.  
Тиоцианометрия. Меркурометрия ................................................................ 73 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ............................................ 79 
1. Рефрактометрический метод анализа  .......................................................... 79 
2. Фотометрический метод анализа .................................................................. 85 
3. Потенциометрический метод анализа .......................................................... 95 
4. Хроматографический метод анализа .......................................................... 110 

Расчетно-графическая работа ............................................................................ 123 
Библиографический список  .............................................................................. 131 
Приложение ......................................................................................................... 133 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Предлагаемое учебное пособие является составной частью учебнометодического комплекса для студентов, обучающихся по направлению 19.03.04 Технология продукции и организация общественного питания. Настоящее пособие охватывает основные разделы курса аналитической химии и физико-химических методов анализа: качественный, 
количественный анализ, оптические, электрохимические и хроматографические методы. Каждый раздел содержит краткое теоретическое 
введение, примеры решения задач и задания для самостоятельного решения.  
Справочные данные приведены в приложении.  
Студенты дневного отделения выполняют контрольные задания согласно указаниям преподавателя в течение учебного семестра; cтуденты заочного отделения выполняют контрольную работу по всему 
курсу. 
Номер варианта соответствует двум последним цифрам номера 
(шифра) зачетной книжки. Каждый раздел «Задания для самостоятельного решения» включает индивидуальные задания, номер которых соответствует номеру варианта.  
На титульном листе контрольной работы указываются: фамилия, 
имя, отчество, номер зачетной книжки (шифр), шифр направления и 
группы. 
Номера и условия задач следует приводить обязательно, соблюдая 
тот порядок, в котором они указаны в пособии.  
Решение заданий должно содержать уравнения реакций, формулы, 
числовые значения и при необходимости краткое пояснение.  
При оформлении работы следует отводить поля для отметок преподавателя. 
 

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 

I. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ 

1. КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ КАТИОНОВ  
И АНИОНОВ 

Современная аналитическая химия включает три раздела: качественный химический анализ, количественный химический анализ и 
инструментальные (физико-химические) методы анализа. 
Качественный химический анализ – это определение (открытие) 
химических элементов, ионов, атомов, групп атомов, молекул в анализируемом объекте, включающий в себя дробный и систематический 
анализ.  
Дробный анализ – обнаружение иона или вещества в анализируемой пробе с помощью специфического реагента (специфическая реакция) в присутствии всех компонентов пробы. Реакции, с помощью которых можно обнаружить небольшое число ионов, называются селективными. Эти реакции присущи определенной группе ионов, близкой 
по химическим свойствам. Дробный анализ не требует много времени 
и применяется для исследования простых объектов, содержащих ограниченное число ионов.  
Для полного качественного анализа сложных объектов используют 
систематический анализ, который предусматривает разделение смеси 
анализируемых ионов по аналитическим группам с последующим обнаружением каждого иона. В систематическом анализе применяют 
определенную систему последовательных операций по разделению 
ионов на группы и подгруппы, характеризующиеся общими свойствами. Реагенты, позволяющие отделять группы близких по свойствам 
ионов от других ионов, называют групповыми реагентами. В качестве 
групповых реагентов используют вещества, образующие малорастворимые или комплексные соединения с целой группой ионов. 
Существуют различные аналитические классификации катионов по 
группам – сульфидная, аммиачно-фосфатная и кислотно-основная. Каждая классификация основана на химических свойствах катионов, связана с 
положением соответствующих элементов в периодической системе и их 
электронным строением. В лабораторном практикуме чаще всего используется кислотно-основная классификация катионов (табл. 1). 

Т а б л и ц а  1 
Кислотно-щелочная классификация катионов 

Аналитические группы

 
I 
II 
III
IV
V 
VI

K+, Na+, 
 
Ag+, Pb2+, 

2
2
Hg
 
Ca2+,  Sr2+, 
Ba2+ 
(Pb2+) 

Al3+, Cr3+, 
Zn2+, Sn2+, 
Sn4+, As5+, 
Pb2+, As3+ 

(Sb3+)

Mg2+, Mn2+, 
Fe2+, Fe3+, 
Bi3+, Sb3+, 
Sb5+ 

Cu2+, Hg2+, 
Cd2+, Co2+, 
Ni2+, Zn2+ 

Характерис- 
тика 
групп 

Хлориды, 
сульфаты  
и гидроксиды 
растворимы  
в воде 

Хлориды 
не растворимы 
в воде и в разбавленных 
кислотах 

Сульфаты  
не растворимы в воде 
 и в кислотах 

Гидроксиды 
амфотерны: 
растворимы 
в избытке 
щелочи 

Гидроксиды 
не растворимы в избытке 
щелочи 

Гидроксиды 
образуют 
растворимые 
аммиакаты 

Групповой 
реагент 

 
 
Не имеют 

2 н. раствор 
HCl 
2 н. раствор 
H2SO4 
Избыток 4 н. 
раствора 
NaOH 

Избыток 
25%-го раствора  
NH4ОН или  
4 н. NaOH 

25%-ный 
раствор 
NH4ОН 

Характеристика 
получаемых 
соединений 

Раствор 
K+, 
Na+, 
 

Осадок 
AgCl 
PbCl2 
Hg2Cl2 

Осадок 
CaSO4 
SrSO4 
BaSO4 
PbSO4 
 

Раствор
[Al(OH)4]– 
[Cr(OH)6]3– 
[Zn(OH)4]2– 
[Sn(OH)4]2– 
[Sn(OH)6]4– 
[Pb(OH)4]2–

3
3
4
3
AsO
, AsO

  




3
3
SbO   

Осадок 
Mg(OH)2 
Mn(OH)2 
Fe(OH)2 
Fe(OH)3 
Bi(OH)3 
HSbO2 
HSbO3 

Раствор
[Cu(NH3)4]2+ 
[Hg(NH3)4]2+ 
[Cd(NH3)4]2+ 
[Co(NH3)6]2+ 
[Ni(NH3)6]2+ 
[Zn(NH3)4]2+ 
 

 


4
NH


4
NH

6 

В анализе анионов также используются реактивы, действие которых основано на образовании 
малорастворимых соединений (табл. 2).  

Т а б л и ц а  2 
Классификация анионов 

Номер 
группы 
Анионы, образующие 
группу 
Групповой 
реагент 
Характеристика 
группы 

I 


2
3
SO
, 

2
4
SO
, 

2
3
2O
S
, 


2
3
CO
, 

3
4
PO
, 

2
4
2O
C
, 


3
4
AsO
, 

3
3
AsO
, 
2
4
7
B O  , 


3
4
PO
, 

2
3
SiO
, F–   
и другие 

BaCl2 в нейтральной  
или слабо щелочной 
среде 

Соли бария мало растворимы в воде, но растворимы 
в кислотах (HCl, H2SO4),  
за исключением BaSO4 

II 

Cl–,  Br–,  I–,  

3
BrO ,   
S2–,  SCN–,  CN–   
и  другие 

Раствор AgNO3  
в разбавленной 2 н. 
азотной кислоте 

Соли серебра мало растворимы в воде и разбавленной 
HNO3, за исключением 
AgBrO3 

III 

3
NO , 
2
NO , СН3СОО– 
и другие 

Отсутствует 
Соли бария и серебра  
растворимы в воде 

 

7 

При проведении и описании результатов качественного анализа используют аналитические признаки веществ и аналитические реакции. 
Аналитические признаки – такие свойства анализируемого вещества или продуктов его превращения, которые позволяют судить о 
наличии в нем тех или иных компонентов. Характерные аналитические признаки – цвет, запах, осадок, угол вращения плоскости поляризации света, радиоактивность и т. д. 
Аналитическая реакция – химическое превращение анализируемого вещества при действии аналитического реагента с образованием 
продуктов с заметными аналитическими признаками. В качестве аналитических реакций чаще всего используют реакции образования 
окрашенных соединений, газов, выделение или растворение осадков, 
образование кристаллов характерной формы, окрашивание пламени 
газовой горелки, образование соединений, люминесцирующих в растворах. 
При этом на результаты проведения аналитических реакций влияют температура, концентрация растворов, рН среды, присутствие мешающих или маскирующих веществ и веществ, катализирующих процессы. 
Требования к аналитическим реакциям: 
1) реакция должна проходить достаточно быстро и в одном 
направлении; 
2) сопровождаться заметным аналитическим эффектом; 
3) быть высокочувствительной и высокоселективной. 

Примеры решения задач 

Пример 1. Запишите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения обнаружения ионов Fe3+ и Pb2+. 
Решение 
1. Ион Fe3+ в растворе можно обнаружить с помощью калий гексацианоферрата (II) – желтая кровяная соль. 

4 FeCl3 + 3 K4[Fe(CN)6] = Fe4[Fe(CN)6]3 +12 KCl 

4 Fe3+ + 3 [Fe(CN)6]3– = Fe4[Fe(CN)6]3 

Качественный признак реакции – выпадение синего осадка берлинской лазури Fe4[Fe(CN)6]3. 

2. Ионы Pb2+ обнаруживают с помощью калий иодида 

Pb(NO3)2  + 2 KI = PbI2 + 2 KNO3 

Pb2+ + 2I– = PbI2 

Качественный признак реакции – ярко-желтый осадок PbI2, который растворяется в избытке калий иодида с образованием тетраиодоплюмбат(II)-ионов [PbI4]2– 

PbI2 + 2 KI = K2[PbI4] 

PbI2 + 2 I– = [PbI4]2–. 

Пример 2. Предложите схему разделения смеси катионов Ba2+, Sn2+, 
Fe3+, Na+ по кислотно-щелочной классификации. 
Решение 
Для указания аналитических групп катионов используйте табл. 1.  
Из таблицы 1 находим, что Ba2+ – ионы III аналитической группы, 
осаждаются групповым реагентом 2 н. раствором H2SO4. 
Ионы Sn2+ относятся к IV аналитической группе, групповой реагент 4 н. раствор NaOH (КОН); осаждаемый Sn(OH)2 амфотерен и растворим в избытке группового реагента. 
Fe3+ – ионы V группы, групповой реагент 4 н. раствор NaOH (КОН) 
или избыток NH4OH; осаждаемый Fe(OH)3 нерастворим в избытке 
группового реагента. 
Na+ – ионы I аналитической группы, группового реагента нет. 
Схема разделения данной смеси катионов кислотно-основным методом по одному из вариантов следующая: 
1) Ba2+, Sn2+, Fe3+, Na+ + 
2
4
SO    BaSO4    +   Sn2+, Fe3+, Na+. 
        раствор 1                   H2SO4           осадок 1              раствор 2 
 
Осадок отделяют, в фильтрате будут содержаться ионы раствора 2. 
 
2) Sn2+, Fe3+, Na+   +      OH–          Fe(OH)3 +  [Sn(OH)4]2– + Na+. 
       раствор 2         избыток КОН          осадок 2            раствор 3 
 
Осадок 2 отделяют, в фильтрате будут содержаться ионы раствора 3. 
3) Для отделения Sn2+ от Na+ разрушают ион [Sn(OH)4]2–, действуя 
кислотой 
Sn(OH)4]2– + Na+ + 4 Н+        Sn2+ + Na+ + 4 H2O. 
                       раствор 3             HCl                 раствор 4 

4) Из раствора 4 осаждают ионы Sn2+ действием избытка NH4ОН 
 
Sn2+ + Na+ + 2 NH4OH      Sn(OH)2 +  Na+ + 2 
4
NH . 
              раствор 4      NH4OH                  осадок 3          раствор 5 
 
Осадок 3 отделяют, ионы Na+  остаются в фильтрате. 

Задания для самостоятельного решения 

Задание 1. Запишите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций обнаружения указанных ионов (см. вариант в табл. 3). 
Укажите качественные признаки реакций. 

Т а б л и ц а  3 

Номер 
варианта 
Ионы 
Номер 
варианта
Ионы 
Номер 
варианта
Ионы 

1 
4
NH , Pb2+ 
8 
К+, Fe3+ 
15 
CH3COO–, Cu2+ 

2 
К+, Ni2+ 
9 
Cr3+, Pb2+ 
16 
Fe3+, Cr3+ 

3 
Fe2+, Cl– 
10 
3
NO , Cu2+ 
17 
Fe2+,
3
NO  

4 
Fe3+, Co2+ 
11 
Fe2+, Fe3+ 
18 
Ni2+, Pb2+ 

5 
Cu2+,
2
4
SO   
12 
К+, Cl–, 
19 
4
NH , Ni2+ 

6 
CH3COO–, 
Мn2+ 
13 
Co2+, Ni2+ 
20 
2
4
SO  , Co2+ 

7 
Co2+,
4
NH  
14 
Pb2+, 
2
4
SO   
21 
Ni2+, Mg2+ 

 
 
Задание 2. Кислотно-основная классификация катионов и систематический ход анализа смеси катионов 
 
В чем заключается сущность систематического хода анализа катионов? Раствор содержит смесь катионов (см. вариант в табл. 4). Укажите аналитические группы катионов, групповой реагент и составьте 
схему их разделения, выделив все катионы (кроме I аналитической 
группы) в виде осадка.  

Т а б л и ц а  4 

Номер 
варианта 
Ионы 
Номер 
варианта 
Ионы 
Номер 
варианта 
Ионы 

1 
Mn2+, Al3+, Cu2+ 
8 
Ag+, Fe3+, Cr3+ 
15 
4
NH , Al3+, Ni2+ 

2 
4
NH , Cu2+, Sn2+
9 
Ba2+, Al3+, Mg2+ 
16 
Cu2+, Ag+, Ca2+ 

3 
Cu2+, Fe2+, Ag+ 
10 
Pb2+, Cd2+, Sn2+ 
17 
Ca2+, Zn2+, Mg2+ 

4 
4
NH , Mg2+, Pb2+
11 
Ba2+, Cu2+, Fe3+ 
18 
2
2
Hg  , Hg2+, Cr3+ 

5 
Fe3+, Pb2+, Sn2+ 
12 
4
NH , Ca2+, Co2+
19 
4
NH , Cr3+, Fe2+ 

6 
Mg2+, Ni2+, Na+ 
13 
Ag+, Cr3+, Ni2+ 
20 
Pb2+, Cu2+, Sr2+ 

7 
Mg2+, Co2+, Sn2+
14 
4
NH , Cd2+, Sn2+
21 
Ca2+, Cr3+, Fe3+ 

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ  
РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ.  
КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ РАВНОВЕСИЯ  
В РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ 

Проводники, прохождение через которые электрического тока вызывает перемещение вещества в виде ионов, называются электролитами.  
К ним относятся либо индивидуальные вещества, либо растворы.  
Растворы – это гомогенные (однофазные) системы переменного 
состава, состоящие из двух или более веществ (компонентов). По характеру агрегатного состояния растворы могут быть газообразными, 
жидкими и твердыми. Обычно компонент, который в данных условиях 
находится в том же агрегатном состоянии, что и образующийся раствор, считают растворителем, остальные составляющие раствора – 
растворенными веществами. В случае одинакового агрегатного состояния компонентов растворителем считают тот компонент, который 
преобладает в растворе. 
В соответствии с теорией электролитической диссоциации С.А. Аррениуса, электролиты в растворах распадаются (диссоциируют) на  
ионы вследствие взаимодействия с молекулами растворителя.