Каталитические методы анализа на основе окислительно-восстановительных реакций

Оглавление

Введение………………………………………………………………………….....3

Теоретические основы каталитического метода анализа……………………….5

Каталитические индикаторные реакции…………………………………………..8

Преимущества и недостатки каталитических методов…………………………10

Области применения каталитических методов………………………………….12

Современный подход и будущее каталитических методов……………………15

Заключение…………………………………………………………………………16

Список использованных источников……………………………………………..17

Введение

Каталитические методы анализа – это один из вариантов кинетических методов, когда в химическом анализе применяют каталитические реакции, а определяемым компонентом являются катализатор или связанные с ним соединения.

Первый случай кинетического определения вещества с использованием каталитического эффекта описан Гейярдом в 1876 году – определение ванадия по его каталитическому действию в реакции окисления анилина хлоратом калия [1]. Формирование самого метода относят к началу ХХ века, когда каталитические реакции использовались для обнаружения элементов Au и Cu, тогда примеси в металлах и других анализируемых материалах определяли обычно с пределом обнаружения до 10^-2 , редко – до 10^-3 %, то есть в 1 г вещества определяли 0,1 – 0,01 миллиграмма примеси [2].

К середине ХХ века для большинства чистых металлов эти требования возросли до 10^-4 , а для некоторых примесей в уране и других ядерных материалах даже до 10^-5 – 10^-6 %. Еще более жесткие задачи возникли в период развития полупроводниковой техники. Так, для полупроводниковых материалов – германия и кремния – недопустимо содержание примеси меди или никеля 10^-7 – 10^-8 %. Возникла необходимость определять один атом элемента примеси на 10 миллионов атомов германия или кремния[2]! Аналитическая химия ускоренными темпами стала двигаться в двух направлениях. Усовершенствовались прежние методы и разрабатывались новые.

Каталитические методы тоже получили толчок и стали интенсивно развиваться в 60-70-х годах ХХ века, так как появилась большая потребность в высокочувствительных методах.

После периода бурного развития, как всякие методы анализа, каталитические методы прошли период дискредитации и дальнейшего развития на основе современного подхода, и, в настоящее время, нашли постоянное устоявшееся место среди других методов анализа [3].

Широко используют, главным образом, каталитический метод анализа на основе окислительно-восстановительных реакций, так как они наиболее чувствительны и сравнительно просто выполнимы. Эти реакции используются для анализа природных объектов, в технике для анализа металлов, сплавов, реактивов и веществ особой чистоты. Каталитическая активность является тем свойством, на основе использования которого открывают и определяют элементы при очень малом их содержании [4, стр.7].

Большой вклад в изучение и развитие каталитического метода анализа внесли советские и российские химики: К.Б.Яцимирский, С.У.Крейнгольд, И.Ф.Долманова, Т.Н.Шеховцова и др.

Цель данного реферата - изучение основ этого метода, его преимуществ и недостатков, применения в современном анализе различных объектов, рассмотрение пути его дальнейшего развития.

Теоретические основы каталитического метода анализа

Кинетические методы основаны на использовании зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ, а в случае каталитических реакций и от концентрации катализатора.

Аналитическим сигналом в кинетических методах является скорость процесса или пропорциональная ей величина.

Реакцию, скорость которой измеряется, называют индикаторной, а вещество, по изменению концентрации которого судят о скорости процесса — индикаторным веществом.

Если в реакции A + B à C + D индикаторным веществом является соединение D, то скорость процесса в самом простом виде в начальный момент протекания реакции можно записать так

dx/dt = kC_AC_BC_кат , (1)

где х – меняющаяся во времени t концентрация вещества D, k – каталитический коэффициент (константа скорости каталитической реакции), C_A,C_B,C_кат – соответственно концентрации веществ A, B и катализатора. Проинтегрировав [3], имеем

х = kC_AC_BC_катt, (2)

то есть прямолинейную зависимость между концентрацией х индикаторного вещества D и временем протекания индикаторной реакции t (рис.1) [3].

Рисунок 1 - Способы тангенсов, фиксированного времени и фиксированной концентрации: С_{кат 3} > С_{кат 2} > С_{кат 1}

В настоящее время наиболее распространенными являются три основных способа определения неизвестной концентрации по данным кинетических измерений [3]. Это способы тангенсов, фиксированного времени, фиксированной концентрации.

Тангенс угла наклона (tg a) кинетических кривых характеризует скорость индикаторной реакции, и в начальный момент времени, когда концентрация реагирующих веществ изменяется незначительно (степень превращения 1-3%), зависит только от концентрации катализатора. Из уравнения (2) имеем

х = tg at. (3)

Измерив тангенсы угла наклона кинетических кривых в координатах х-t, построенных при различных известных концентрациях катализатора С_{кат 1},

С_{кат 2} , …, С_{кат n} , строят градуировочный график в координатах tg С_кат, который используют для определения неизвестной концентрации катализатора. Этот способ называется способом тангенсов.

Помимо способа тангенсов достаточно часто определяют неизвестную концентрацию катализатора способом фиксированного времени. При этом через определенное строго фиксированное время (t_фикс) измеряют в пробах с известным содержанием катализатора концентрацию индикаторного вещества (х₁ , х₂ , …, х_n) (см. рис.1). Иногда реакцию в определенный момент времени останавливают резким охлаждением, изменением pH, добавлением вещества, связывающего катализатор в неактивное соединение. Градуировочный график строят в координатах х_n-С_кат .

В способе фиксированной концентрации проводят каталитическую реакцию до постоянной величины х_фикс (см. рис.1) и, определив при известных концентрациях катализатора время (t₁ , t₂ , …, t_n) достижения постоянного аналитического сигнала, функционально связанного с х_фикс , строят градуировочный график в координатах 1/t – С_кат . Во всех трех способах находят неизвестную концентрацию определяемого компонента по соответствующим градуировочным графикам.