Предлагаемые в экзаменационных билетах вопросы и задачи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ФАКУЛЬТЕТ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
ПРОГРАММА
ВСТУПИТЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ
ПО АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
по направлению подготовки
020100.68 Химия
Квалификация (степень): магистр
Пояснительная записка
Магистратура по направлению подготовки 020100.68 Химия опирается на
специалитет по профилю естественных и математических наук.
Вступительное испытание по направлению подготовки 020100.68 Химия
проводится в форме письменного экзамена по дисциплине аналитическая
химия.
Цель вступительного испытания. Целью вступительного испытания
является предоставление возможности поступающему в магистратуру
продемонстрировать свои знания (исследование состава, строения и свойств
веществ, закономерностей протекания химических процессов, решение
фундаментальных и прикладных задач в области аналитической химии) и
подтвердить готовность к дальнейшему обучению в соответствии с
фундаментальной и специальной подготовкой.
Методологическая подготовленность подразумевает знание уровней
организации вещества и химических систем, умение идентифицировать
исходные структуры, определять их взаимосвязи, принципы организации,
условия функционирования, механизмы сохранения и пределы устойчивости.
Вступительное
испытание
носит
комплексный,
системный,
междисциплинарный характер. При подготовке к вступительному испытанию
поступающий в магистратуру должен в полном объеме изучить все темы и
вопросы, предусмотренные программой, воспользовавшись рекомендуемым
списком литературы.
Требования, проверяемые на вступительном испытании.
Поступающий в магистратуру должен знать:
- основные законы и понятия химии;
- метрологические основы химического анализа, типы реакций в
аналитической химии, их основные закономерности; основные методы анализа
(химические и инструментальные); понимать роль аналитической химии в
системе наук;
- представления о химическом составе объектов окружающей среды и
методах их исследования.
Порядок проведения вступительного испытания
Вступительное испытание проводится в виде письменных ответов по
контрольным заданиям. Поступающим в магистратуру выдаются контрольные
задания в виде билетов.
2
Критерии оценки по дисциплине «Аналитическая химия»:
Экзаменационный билет по дисциплине «Аналитическая химия»
содержит два теоретических вопроса и две расчетные задачи.
Предлагаемые в экзаменационных билетах вопросы и задачи
оцениваются дифференцированно в зависимости от уровня сложности, т.е.
числа логических операций, необходимых для ответа и их характера –
репродуктивного или продуктивного.
Ответы на первые два вопроса, предложенные в билете, оцениваются
максимально в 30 баллов каждый.
Максимальный балл за задание поступающий в магистратуру получает
при владении информацией на уровне интегрированного знания, раскрытии
теоретических, исторических, методологических, методических аспектов
проблемы, изложении материала последовательно, логично, свободно,
грамотно
используя
терминологический
аппарат
науки.
Каждая
несущественная ошибка снижает оценку на 5 баллов, каждая существенная
ошибка – на 10 баллов. Существенные ошибки связаны с недостаточной
глубиной и осознанностью ответа (например, неправильно указаны основные
признаки понятий, явлений, характерные свойства веществ, неправильно
сформулировал закон, правило, в ответе нет применения теоретические знания
для объяснения и предсказания явлений, установления причинно-следственных
связей, сравнения и классификации явлений и т.п.) Несущественные ошибки
определяются неполнотой ответа (например, упущения из вида какого-либо
нехарактерного факта при описании вещества, процесса). К ним можно отнести
оговорки, описки, допущенные по невнимательности.
Решение расчетных задач оцениваются максимально в 20 баллов каждая
при полном и правильном решении предложенных задач. При неполном
решении задачи, но правильно выбранном способе решения, правильно
указанных формулах для химических расчетах оценка снижается на 10 баллов,
наличии незначительной ошибки снижает оценку на 5 баллов.
Таким образом, максимальная сумма, которую может набрать
поступающий в магистратуру на экзамене, равна 100 баллов.
Неудовлетворительной является оценка менее 50 баллов.
3
СОДЕРЖАТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ ПРОГРАММЫ
Раздел 1. Предмет аналитической химии
Индивидуальность аналитической химии, ее место в системе наук, связь с
практикой. Значение аналитической химии в науке, экономике и других сферах.
Основные аналитические проблемы: снижение предела обнаружения;
повышение точности и избирательности; обеспечение экспрессности; анализ
без разрушения; локальный анализ; дистанционный анализ. Виды анализа:
изотопный,
элементный,
структурно-групповой
(функциональный),
молекулярный, вещественный, фазовый.
Основные этапы развития аналитической химии. Современное состояние и
тенденции
развития
аналитической
химии:
инструментализация,
автоматизация, математизация, миниатюризация, увеличение доли физических
методов, переход к многокомпонентному анализу, создание сенсоров и тестметодов. Научная химико-аналитическая литература.
Химические, физические и биологические методы анализа. Макро-,
микро- и ультрамикроанализ.
Раздел 2. Методы обнаружения и идентификации
Задачи и выбор метода обнаружения и идентификации химических
соединений. Идентификация атомов, ионов и веществ. Групповые реагенты и
систематический анализ, специфические реагенты и дробный анализ. Наиболее
употребляемые в химических методах анализа классификации катионов.
Физические методы обнаружения и идентификации неорганических и
органических веществ. Микрокристаллоскопический анализ, пирохимический
анализ (окрашивание пламени, возгонка, образование перлов). Капельный
анализ. Анализ растиранием порошков. Хроматографические методы
качественного анализа. Экспрессный качественный анализ в заводских и
полевых условиях. Тест-методы обнаружения веществ.
Примеры
практического применения методов обнаружения.
Раздел 3. Метрологические основы химического анализа
Основные стадии химического анализа. Выбор метода анализа и
составление схем анализа. Абсолютные (безэталонные) и относительные
методы анализа. Основные метрологические понятия и представления:
измерение, методы и средства измерений, метрологические требования к
результатам измерений, основные принципы и способы обеспечения
достоверности результатов измерений, погрешности. Аналитический сигнал и
помехи. Объем информации в аналитическом сигнале. Способы определения
содержания по данным аналитических измерений.
Основные
характеристики
метода
анализа:
правильность
и
воспроизводимость, коэффициент чувствительности, предел обнаружения,
нижняя и верхняя границы определяемых содержаний.
Классификация погрешностей анализа. Систематические и случайные
погрешности. Погрешности отдельных стадий химического анализа. Способы
оценки правильности: использование стандартных образцов, метод добавок,
метод варьирования навесок, сопоставление с другими методами. Стандартные
образцы, их изготовление, аттестация и использование. Статистическая
4
обработка результатов измерений. Закон нормального распределения
случайных ошибок, t- и F-распределения. Среднее, дисперсия, стандартное
отклонение. Проверка гипотезы нормальности, гипотезы однородности
результатов измерений. Сравнение дисперсии и средних двух методов анализа.
Регрессионный анализ. Использование метода наименьших квадратов для
построения градуировочных графиков.
Требования к метрологической оценке в зависимости от объекта и цели
анализа. Способы повышения воспроизводимости и правильности анализа.
Организация и методология метрологического обеспечения деятельности
аналитической службы. Поверка аппаратуры, аттестация нестандартных
средств измерений и методик анализа. Аккредитация лабораторий.
Раздел 4. Константы равновесия реакций и процессов в аналитической химии
Константы равновесия реакций и процессов. Состояние веществ в
идеальных и реальных системах. Ионы. Сольватация, ионизация, диссоциация.
Поведение электролитов и неэлектролитов в растворах. Теория Дебая-Хюккеля.
Коэффициенты активности. Концентрационные константы. Описание сложных
равновесий. Общая и равновесная концентрации. Условные константы.
Графическое описание равновесий (распределительные и концентрационнологарифмические диаграммы).
Раздел 5. Скорость реакций в химическом анализе
Быстрые и медленные реакции. Элементарные стадии реакции. Скорость
определяющая стадия. Кинетические уравнения. Молекулярность и порядок
реакций. Факторы, влияющие на скорость. Катализаторы, ингибиторы.
Автокаталитические реакции. Индуцированные и сопряженные реакции.
Понятие об индукторе, акторе, акцепторе. Индукционный фактор. Примеры
ускорения и замедления реакций и процессов, используемых в химическом
анализе. Управление реакциями и процессами в аналитической химии.
Раздел 6. Основные закономерности равновесий и протекания кислотноосновных реакций
Современные представления о кислотах и основаниях. Теория Льюиса.
Теория Бренстеда-Лоури. Равновесие в системе кислота - сопряженное
основание и растворитель. Константы кислотности и основности. Кислотные и
основные свойства растворителей. Константа автопротолиза. Влияние природы
растворителя на силу кислоты и основания. Нивелирующий и
дифференцирующий эффект растворителя.
Кислотно-основное равновесие в многокомпонентных системах.
Вычисления рН растворов незаряженных и заряженных кислот и оснований,
многоосновных кислот и оснований, смеси кислот и оснований.
Буферные растворы и их свойства. Буферная емкость.
Равновесие в растворах гидролизующихся солей.
Раздел 7. Химическое равновесие в гетерогенных системах
Равновесие в системе раствор - осадок. Произведение растворимости и
произведение активности как частные случаи констант равновесия
(концентрационной и термодинамической). Растворимость как основная
аналитическая характеристика. Факторы, влияющие на растворимость осадков:
ионная сила, pH раствора, присутствие избытка иона-осадителя, лиганда5
комплексообразователя, температура. Осадки и их свойства. Схема образования
осадка. Кристаллические и аморфные осадки. Зависимость структуры осадка от
его индивидуальных свойств (растворимости, полярности молекул) и условий
осаждения (концентрации осаждаемого иона и осадителя, солевого состава
раствора и рН, температуры). Зависимость формы осадка от скорости
образования первичных частиц их роста. Условия получения кристаллических
осадков.
Гомогенное
осаждение.
Старение
осадка
(превращение
метастабильной кристаллической модификации в более устойчивую форму;
химическое старение в результате изменения состава осадка - дегидратациигидратации, поликонденсации). Причины загрязнения осадка (совместное
осаждение, соосаждение, последующее осаждение). Классификация различных
видов соосаждения (адсорбция; окклюзия: внутренняя адсорбция, инклюзия;
изоморфизм и др.). Положительное и отрицательное значение явления
соосаждения в анализе. Особенности образования коллоидно-дисперсных
систем. Использование коллоидных систем в химическом анализе.
Раздел 8. Комплексообразование в аналитической химии
Использование комплексных соединений для обнаружения и разделения
компонентов анализируемой смеси. Устойчивость комплексного соединения
как его основная характеристика. Константа устойчивости и нестойкости как
частный случай константы равновесия, функция образования (среднее
лигандное число), функция закомплексованности, степень образования
комплекса. Факторы, влияющие на комплексообразование: строение
центрального атома и лиганда, концентрация компонентов, рН, ионная сила
раствора, температура. Ступенчатое комплексообразование.
Классификация комплексных соединений по характеру взаимодействия
металл-лиганд,
по
однородности
лиганда
и
центрального
иона
(комплексообразователя): внутрисферные комплексы и ионные ассоциаты
(внешнесферные комплексы и ионные пары), однороднолигандные и
смешанолигандные, полиядерные (гетерополиядерные и гомополиядерные).
Классификация комплексных соединений по термодинамической и
кинетической устойчивости.
Свойства комплексных соединений, имеющие аналитическое значение:
устойчивость, растворимость, окраска, летучесть.
Органические соединения как лиганды, их преимущества перед
неорганиче-скими
лигандами.
Функционально-аналитические
группы.
Основные типы соединений, образуемых с участием органических реагентов.
Хелаты, внутрикомплексные соединения. Важнейшие органические реагенты,
применяемые в анализе для разделения, обнаружения, определения ионов
металлов, для маскирования и демаскирования. Возможности использования
комплексных соединений и органических реагентов в различных методах
анализа.
Раздел 9. Окислительно-восстановительные процессы в аналитической химии
Электродный потенциал. Уравнение Нернста. Стандартный и
формальный потенциалы. Связь константы равновесия со стандартными
потенциалами. Направление реакции окисления и восстановления. Факторы,
влияющие на направление окислительно-восстановительных реакций. Понятие
6
о смешанных потенциалах. Механизмы окислительно-восстановительных
реакций.
Основные неорганические и органические окислители и восстановители,
применяемые в анализе. Методы предварительного окисления и
восстановления определяемого элемента.
Раздел 10. Методы выделения, разделения и концентрирования
Основные методы разделения и концентрирования, их роль в химическом
анализе, выбор и оценка. Константы распределения. Коэффициент
распределения. Степень извлечения. Фактор разделения. Коэффициент
концентрирования.
Методы экстракции. Теоретические основы методов. Закон распределения.
Классификация экстракционных процессов. Скорость экстракции. Типы
экстракционных систем. Условия экстракции неорганических и органических
соединений. Реэкстракция. Природа и характеристика экстрагентов. Основные
органические реагенты, используемые для разделения элементов методом
экстракции. Приборы для экстракции.
Методы осаждения и соосаждения. Применение неорганических и
органических реагентов для осаждения. Способы разделения путем
установления различных значений рН, образования комплексных соединений и
применения окислительно-восстановительных реакций. Групповые реагенты и
предъявляемые к ним требования. Концентрирование микроэлементов
соосаждением на неорганических и органических носителях (коллекторах).
Другие методы. Электрохимические методы. Отгонка (дистилляция,
возгонка). Зонная плавка. Селективное растворение. Направленная
кристаллизация. Химические транспортные реакции. Мембранные методы.
Сорбция. Флотация. Термодиффузия.
Раздел 11. Пробоотбор и пробоподготовка
Представительность пробы; проба и объект анализа; проба и метод
анализа. Факторы, обусловливающие размер и способ отбора представительной
пробы. Отбор проб гомогенного и гетерогенного состава. Способы получения
средней пробы твердых, жидких и газообразных веществ; устройства и приемы,
используемые при этом; первичная обработка и хранение проб; дозирующие
устройства.
Основные способы перевода пробы в форму, необходимую для данного
вида анализа: растворение в различных средах; спекание, сплавление,
разложение под действием высоких температур, давления, высокочастотного
разряда; комбинирование различных приемов; особенности разложения
органических соединений. Способы устранения и учета загрязнений и потерь
компонентов при пробоподготовке.
Раздел 12. Гравиметрический метод анализа
Сущность гравиметрического анализа, преимущества и недостатки метода.
Прямые и косвенные методы определения. Важнейшие органические и
неорганические осадители. Погрешности в гравиметрическом анализе. Общая
схема определений. Требования к осаждаемой и гравиметрической формам.
Изменения
состава
осадка
при
высушивании
и
прокаливании.
7
Термогравиметрический анализ. Аналитические весы. Примеры практического
применения гравиметрического метода анализа.
Раздел 13. Титриметрические методы анализа
Методы титриметрического анализа. Классификация. Требования,
предъявляемые
к
реакции
в
титриметрическом
анализе.
Виды
титриметрических определений: прямое и обратное, косвенное титрование.
Способы выражения концентраций растворов в титриметрии. Эквивалент.
Молярная масса эквивалента. Первичные стандарты, требования к ним.
Фиксаналы. Вторичные стандарты. Виды кривых титрования. Скачок
титрования. Точка эквивалентности и конечная точка титрования.
Автоматические титраторы.
Кислотно-основное титрование. Построение кривых титрования. Влияние
величины констант кислотности или основности, концентрации кислот или
оснований, температуры на характер кривых титрования. Кислотно-основное
титрование в неводных средах. Кислотно-основные индикаторы. Погрешности
титрования при определении
сильных и слабых кислот и оснований,
многоосновных кислот и оснований. Примеры практического применения.
Окислительно-восстановительное титрование. Построение кривых
титрования. Факторы, влияющие на характер кривых титрования: концентрация
ионов водорода, комплексообразование, ионная сила. Способы определения
конечной точки титрования; индикаторы. Погрешности титрования.
Методы
окислительно-восстановительного
титрования.
Перманганатометрия.
Иодометрия
и
иодиметрия.
Бихроматометрия.
Броматометрия, цериметрия, ванадатометрия, титанометрия, хромометрия.
первичные и вторичные стандарты. Индикаторы.
Осадительное титрование. Построение кривых титрования. Способы
обнаружения конечной точки титрования; индикаторы. Погрешности
титрования. Примеры практического применения.
Комплексометрическое титрование. Неорганические и органические
титранты в комплексометрии. Использование аминополикарбоновых кислот в
комплексонометрии. Построение кривых титрования. Металлохромные
индикаторы и требования, предъявляемые к ним. Важнейшие универсальные и
специфические
металлохромные
индикаторы.
Способы
комплексонометрического титрования: прямое, обратное, косвенное.
Селективность титрования и способы ее повышения. Погрешности титрования.
Примеры практического применения.
8
ЛИТЕРАТУРА
1. Основы аналитической химии. В 2-х кн. (под ред. Ю.А. Золотова). - М.:
Высш. шк., 2004, 383, 461 с.
2. Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2-х ч. - М.: Высш. шк., 2002, 368, 384
с.
3. Харитонов Ю.А. Аналитическая химия. В 2-х кн. - М.: Высш. шк., 2001, 615,
559 с.
4. Цитович И.К. Курс аналитической химии. – М.: Высш. шк.,1994, 495 с.
5. Янсон Э.Ю. Теоретические основы аналитической химии. Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1987, 261 с.
6. Скуг Д., Уэст Д. Основы аналитической химии. В 2-х т. - М.: Мир, 1979, Т.12.
7. Фритц Дж., Шенк Г. Количественный анализ. - М.: Мир, 1978, 557 с.
8. Кунце У., Шведт Г. Основы качественного и количественного анализа. М.:
Мир, 1997, 424 с.
9. М. Отто Современные методы аналитической химии (в 2-х томах). –М.:
Техносфера, 2003.
10.Основы аналитической химии. Практическое руководство: Учеб. пособие
для вузов/ В.И. Фадеева, Т.Н. Шеховцова, В.М. Иванов и др.; Под ред. Ю.А.
Золотова. – М.: Высш. шк., 2001, 463 с.
11.В.П. Васильев, Р.П. Морозова, Л.А. Кочергина Аналитическая химия.
Лабораторный практикум. М.: Дрофа, 2003, 416 с.
12.Аналитическая химия / Под ред. Р. Кельнера, Ж.М. Мермэ, М.,Отто М.
Видмара. Т.Т. 1, 2. – М.: Мир, 2004.
9
ПРИМЕРНЫЕ ВОПРОСЫ ВСТУПИТЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ
ПО АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
1. Аналитическая химия и ее задачи. Виды анализа. Стадии химического
анализа.
2. Основные характеристики методов анализа. Абсолютные и относительные
методы. Выбор метода анализа. Способы повышения чувствительности и
избирательности методов. Автоматизация анализа.
3. Предмет и задачи качественного анализа. Методы качественного анализа.
Анализ «мокрым» и «сухим» путем. Макро- , микро- и ультрамикроанализ.
4. Системы качественного анализа катионов. Сульфидная система анализа, ее
сущность. Положительные стороны и недостатки сульфидной системы
анализа катионов.
5. Кислотно-щелочная система анализа катионов. Положительные стороны и
недостатки кислотно-щелочной системы.
6. Чувствительность аналитических реакций и ее показатели.
7. Основные условия обнаружения ионов в растворе. Общеаналитические,
групповые и специфические реакции и реагенты. Систематический и
дробный ход анализа. Маскировка.
8. Аналитический сигнал. Предел обнаружения.
9. Метрологические требования к результатам измерений. Классификация
погрешностей анализа.
10.Правильность и воспроизводимость анализа. Проверка правильности
анализа: использование стандартных образцов, метод добавок и др.
Статистическая обработка результатов измерений.
11.Закон нормального распределения. t – Распределение. Сравнение дисперсий
и средних двух методов анализа.
12.Представительность пробы в химическом анализе. Отбор средней пробы.
Подготовка пробы к анализу.
13.Закон действующих масс. Химическое равновесие. Термодинамические и
концентрационные константы равновесия. Условные константы.
14.Скорость реакций, используемых в аналитической химии. Факторы,
влияющие на скорость реакции. Механизмы реакций.
15.Идеальные и реальные системы. Факторы, влияющие на равновесие в
реальных системах. Влияние сольватации на равновесие. Способы
выражения констант равновесий в реальных системах.
16.Поведение электролитов и неэлектролитов в растворах. Теория ДебаяХюккеля. Ионная сила раствора. Активность. Коэффициент активности.
17.Влияние химических факторов на равновесие. Уравнение материального
баланса. Уравнение электронейтральности.
18.Современные представления о кислотах и основаниях. Теория БренстедаЛоури. Теория Льюиса и другие теории.
19.Равновесие в системе: кислота - сопряженное основание- растворитель.
Константы кислотности, основности, автопротолиза.
20.Влияние природы растворителя на силу кислоты и основания.
Нивелирующий и дифференцирующий эффекты растворителя.
10
21.Буферные системы и их значение в анализе. Буферная емкость. Сущность
буферного действия.
22.Гидролиз. Механизм гидролиза. Факторы, влияющие на процесс гидролиза.
Константа и степень гидролиза. Значение гидролиза в качественном анализе.
23.Типы и свойства комплексных соединений используемых в аналитической
химии. Количественная характеристика реакций комплексообразования:
константа устойчивости. Ступенчатое комплексообразование.
24.Использование
комплексных
соединений
для
разделения,
концентрирования, маскирования, обнаружения и определения элементов.
Разрушение комплексных ионов. Подбор реагентов, разрушающих
комплексные ионы.
25.Органические реагенты в химическом анализе. Функциональноаналитические и аналитико-активные группы. Влияние строения молекулы
на свойства реагента.
26. Произведение растворимости. Растворимость. Факторы,
влияющие на
растворимость соединений. Солевой эффект.
27.Механизм образования осадков. Условия получения кристаллических
осадков.
28.Коллоидные системы. Коллоидное состояние вещества. Явление коагуляции
и пептизации. Влияние концентрации, заряда ионов, температуры и других
факторов на коагулирующее действие электролитов.
29.Загрязнение осадков: совместное и последующее осаждение, соосаждение.
30.Окислительно-восстановительные процессы в анализе. Направление
окислительно-восстановительных
реакций.
Подбор
эффективных
окислителей и восстановителей для конкретных случаев анализа.
31.Стандартные электродные и окислительно-восстановительные потенциалы.
Уравнение Нернста. Влияние рН среды, концентрации редокс-формы на
протекание реакции.
32.Основные методы разделения и концентрирования, их роль в химическом
анализе, выбор и оценка. Понятие константы распределения, коэффициента
распределения, степени извлечения, фактора разделения, коэффициента
концентрирования.
11
ВАРИАНТ БИЛЕТА
ПО АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
вступительных испытаний
направление подготовки
020100.68 Химия
Квалификация (степень): магистр
Основные условия обнаружения ионов в растворе. Общеаналитические,
групповые и специфические реакции и реагенты. Систематический и дробный
ход анализа. Маскировка.
2.
Использование
комплексных
соединений
для
разделения,
концентрирования, маскирования, обнаружения и определения элементов.
Разрушение комплексных ионов. Подбор реагентов, разрушающих
комплексные ионы.
3. Расчетная задача.
Навеска 0,2253 г бромида натрия растворена в мерной колбе емкостью 100 мл.
Пипеткой отобрано 10 мл полученного раствора и прибавлено из бюретки 18
мл 0,0222 н раствора нитрата серебра. На титрование избытка нитрата серебра
израсходовано 10,40 мл 0,02 н раствора роданида аммония. Определите
содержание бромида натрия в сухой соли (в процентах по массе).
4. Расчетная задача.
Вычислить равновесную концентрацию иона меди Cu2+ и степень диссоциации
комплексного иона в 0,1 М растворе [Cu(NH3)4]SO4, Kн=9,310-13.
1.
12