Analytical Chemistry PDF

Lec-2-Pharm 2‫كميياء نظري‬ ANALYTICAL CHEMISTRY.‫الكميياء التحليلية‬ Analytical chemistry is the science of obtaining, processing, and communicating information about the composition and structure of matter. In other wor...

Lec-2-Pharm 2‫كميياء نظري‬ ANALYTICAL CHEMISTRY.‫الكميياء التحليلية‬ Analytical chemistry is the science of obtaining, processing, and communicating information about the composition and structure of matter. In other words, it is the art and science of determining what matter is and how much of it exists. ،‫ بعبارة أخرى‬.‫الكميياء التحليلية ه عل احلصول عل املعلومات حول تركيب املادة وبنيهتا ومعاجلهتا ونقلها‬.‫اهنا فن وعل حتديد ماهية املادة ومكيهتا‬ Analytical chemistry involves the separation, identification, and the quantification of matter. It involves the use of classical methods along with modern methods involving the use of scientific instruments. ‫ وه تتضمن اس تخدام الساليب‬،‫تتضمن الكميياء التحليلية فصل املادة وحتديدها وحتديد مكيهتا‬.‫الالكس يكية ال جانب الساليب احلديثة الت تتضمن اس تخدام الدوات العلمية‬ Analytical chemistry involves the following methods: :‫تتضمن الكميياء التحليلية الساليب التالية‬ The process of separation isolates the required chemical species which is to be analysed from a mixture..‫ان معلية الفصل تعمل عل عزل النواع الكمييائية املطلوبة والت سيت حتليلها من اخلليط‬ The identification of the analyte substance is achieved via the method of qualitative analysis. ‫يت حتديد املادة احمللل من خالل طريقة التحليل النوعي‬ Lec-2-Pharm The concentration of the analyte in a given mixture can be determined with the method of quantitative analysis..‫ميكن حتديد تركي احمللل ف خليط معي ابس تخدام طريقة التحليل المكي‬ Today, the field of analytical chemistry generally involves the use of modern, sophisticated instruments. However, the principles upon which these instruments are built can be traced to more traditional techniques. ‫ ميكن ارجاع املبادئ‬،‫ ومع ذكل‬.‫ يتضمن جمال الكميياء التحليلية معو ًما اس تخدام أدوات حديثة ومتطورة‬،.‫الت تُبىن علهيا هذه الدوات ال تقنيات أكرث تقليدية‬ Methods Used in Analytical Chemistry ‫الساليب املس تخدمة ف الكميياء التحليلية‬ The methods used to determine the identity and the quantity of the analytes in the field of analytical chemistry can be broadly divided into classical and instrumental methods. ‫ميكن تقس ي الساليب املس تخدمة لتحديد هوية ومكية احمللالت ف جمال الكميياء التحليلية عل نطاق واسع‬.‫ال طرق الكس يكية وطرق ألية‬ 1.Classical Methods‫الساليب الالكس يكية‬ There exist many classical methods of checking for the presence or absence of a particular compound in a given analyte. One such example is the acid test for gold. ‫توجد العديد من الطرق التقليدية للتحقق من وجود أو عدم وجود‬.‫ ومن المثل عل ذكل اختبار امحلض لذلهب‬.‫مركب معي ف حملل معي‬.Another example of a classical method for qualitative analysis is the kastle-Meyer test which employs phenolphthalein as an indicator to check for the presence of haemoglobin in the given analyte. ‫مثال أخر عل الطريقة الالكس يكية للتحليل النوعي هو اختبار اكس تل ماير اذلي يس تخدم الفينول فثالي‬.‫مكؤش للتحقق من وجود الهميوجلوبي ف احمللل املعطى‬ Lec-2-Pharm Flame tests can be used to check for the presence of specific elements in an analyte by exposing it to a flame and observing the change in the colour of the flame. ‫ميكن اس تخدام اختبارات اللهب للتحقق من وجود عناص حمددة ف احمللل عن طريق تعريضه للهب‬.‫ومراقبة التغيري ف لون اللهب‬ Gravimetric analysis is a classical method of quantitative analysis, which can be used in analytical chemistry to determine the amount of water in a hydrate by heating it and calculating the weight of the water lost. ‫ والت ميكن اس تخداهما ف الكميياء التحليلية لتحديد‬،‫التحليل الوزن هو طريقة الكس يكية للتحليل المكي‬.‫مكية املاء ف الهيدرات عن طريق تسخينه وحساب وزن املاء املفقود‬ One of the better known classical methods of quantitative analysis is volumetric analysis (also known as titration). In the titration method, a reactant is added to the analyze till an equivalence point is obtained..)‫أحد الطرق الالكس يكية املعروفة للتحليل المكي هو التحليل احلجمي (املعروف أيضً ا ابس املعايرة‬..‫ يت اضافة مادة متفاعل ال التحليل حت يت احلصول عل نقطة التاكفؤ‬،‫ف طريقة املعايرة‬ 2.Instrumental Methods‫الساليب اللية‬ Spectroscopy involves the measurement of the interaction between electromagnetic radiation and the atoms or molecules belonging to a sample. ‫يتضمن التحليل الطيفي قياس التفاعل بي الشعاع الكهرومغناطيس واذلرات أو‬.‫اجلزيئات الت تنمتي ال عينة‬ With the help of electric fields and magnetic fields, the method of mass spectroscopy is used to measure the ratio of the mass of the molecule to Lec-2-Pharm its charge. ‫ومبساعدة اجملالت الكهرابئية واجملالت املغناطيس ية يت اس تخدام طريقة مطيافية‬.‫الكتل لقياس نس بة كتل اجلزيء ال حشنته‬ A common instrumental method used in the field of analytical chemistry is electrochemical analysis. In this method, the analyte is placed in an electrochemical cell and the voltage or the current flowing through it is measured. ‫الطريقة اللية الشائعة املس تخدمة ف جمال الكميياء التحليلية ه التحليل‬.‫الكهروكمييائ‬ The interaction between the analyte and energy in the form of heat is studied in the discipline of analytical chemistry known as calorimetry. A calorimeter is an instrument that is used to measure the heat of a chemical reaction. ‫تت دراسة التفاعل بي احمللل والطاقة ف صورة حرارة ف جمال الكميياء التحليلية املعروف ابس القياس‬.‫ املسعر احلراري هو هجاز يس تخدم لقياس حرارة التفاعل الكمييائ‬.‫احلراري‬ It can be noted that even biological measurements are made with the help of this branch of chemistry, and this field is known as bio analytical chemistry. ‫ وهذا اجملال يعرف‬،‫ومن املمكن أن نالحظ أنه حت القياسات البيولوجية تت مبساعدة هذا الفرع من الكميياء‬.‫ابس الكميياء التحليلية احليوية‬ Branches of Analytical Chemistry‫فروع الكميياء التحليلية‬ Two sub-branches come under analytical chemistry namely quantitative analysis and qualitative analysis which can be explained as follows. These two methods form the backbone of many educational labs of analytical chemistry. ‫يتضمن الكميياء التحليلية فرعي فرعيي هم التحليل المكي والتحليل النوعي وميكن تفسريهم عل النحو‬.‫ تشك هااتن الطريقتان العمود الفقري للعديد من اخملتربات التعلميية للكميياء التحليلية‬.‫التايل‬ 1.Qualitative Analysis‫التحليل النوعي‬ Lec-2-Pharm Quality means the standard or the feature of one substance. Hence, Qualitative analysis method deals with the determination of the quality of a particular compound, irrespective of its quantity or concentration. ‫ وابلتايل فان أسلوب التحليل النوعي يتعامل مع حتديد‬،‫اجلودة تعن املعيار أو اخلاصية الت متي مادة ما‬.‫ بغض النظر عن مكيته أو تركيه‬،‫جودة مركب معي‬ In simpler words, the qualitative analysis does not measure the amount of the substance but measures the quality of that material. One of the best examples of this type of method is the observation of a chemical reaction, whether there will be a change in colour or not. ‫ ومن أفضل المثل‬.‫ بل يقيس جودة تل املادة‬،‫ فان التحليل النوعي ل يقيس مكية املادة‬،‫وبعبارة أبسط‬.‫ ما اذا اكن هناك تغيري ف اللون أم ل‬،‫عل هذا النوع من الساليب هو مالحظة التفاعل الكمييائ‬ The qualitative analysis method can be measured in different ways such as Chemical tests, flame tests, etc. Several such tests are widely used in salt analysis (identification of the cation & anion of inorganic salts)..‫ميكن قياس طريقة التحليل النوعي بطرق خمتلفة مثل الاختبارات الكمييائية واختبارات اللهب وما ال ذكل‬ ‫تُس تخدم العديد من هذه الاختبارات عل نطاق واسع ف حتليل امللح (حتديد الاكتيون والنيون للمالح‬ )‫غري العضوية‬ 2.Quantitative Analysis‫التحليل المكي‬ Quantitative Analysis is a method of determining the absolute or relative quantity regarding the concentration of one or more substances present in a sample or compound. ‫التحليل المكي هو طريقة لتحديد المكية املطلقة أو النسبية فمي يتعلق برتكي مادة واحدة أو أكرث موجودة ف‬.‫عينة أو مركب‬ For example, take a sample of an unknown solid substance. The chemists first use “qualitative” methods to identify what type of compound is present in the sample; Lec-2-Pharm ‫ يس تخدم الكمييائيون أو ًل أساليب "نوعية" لتحديد‬.‫ خذ عينة من مادة صلبة غري معروفة‬،‫عل سبيل املثال‬ ‫نوع املركب املوجود ف العينة؛‬ then he adopts the quantitative analysis procedure to determine the exact amount or the quantity of the compound present in the sample. Some Quantitative analysis techniques include Gravimetric Analysis and Volumetric analysis. ‫ ومن أساليب‬،‫ث يتبع أسلوب التحليل المكي لتحديد المكية ادلقيقة أو مكية املركب املوجود ف العينة‬.‫التحليل المكي التحليل الوزن والتحليل احلجمي‬ Volumetric Analysis‫التحليل احلجمي‬ The volumetric method involves measurement of volumes of the reacting substances..‫تتضمن الطريقة احلجمية قياس أجحام املواد املتفاعل‬ TITRATION: Titration is a common laboratory process for quantitative chemical analysis to determine the concentration of a specific analyte (a substance to be analyzed). It reacts with a standard solution of known concentration and volume in the presence of an indicator. ‫ املعايرة ه معلية معملية شائعة للتحليل الكمييائ المكي لتحديد تركي حملل معي (مادة جيب‬:‫املعايرة‬.‫ يتفاعل مع حملول قياس ذو تركي وجحم معروفي ف وجود مؤش‬.)‫حتليلها‬ Lec-2-Pharm The requirements of the titration are::‫متطلبات املعايرة ه‬ Titration is divided into four types depending upon the nature of the chemical reaction: :‫تنقسم معلية املعايرة ال أربعة أنواع اعامتدًا عل طبيعة التفاعل الكمييائ‬ 1-The reaction must be balanced (stoichiometric) and complete, meaning it must be represented by a balanced and known chemical equation..‫ أي أنه جيب متثيل مبعادل كمييائية متوازنة ومعروفة‬،‫جيب أن يكون التفاعل متوازنً (متوازنً ) واكم ًال‬ 2-The reaction must be rapid..‫جيب أن يكون رد الفعل رسي ًعا‬ 3-There must be no side reactions..‫ل ينبغي أن تكون هناك أي ردود فعل جانبية‬ 4-The solution must show a clear change in its properties upon the completion of the reaction, such as a change in its electrical or physical properties or in its color. ‫ مثل تغري ف خصائصه‬،‫تغيريا واحضًا ف خصائصه عند اكامتل التفاعل‬ ً ‫جيب أن يظهر احمللول‬.‫الكهرابئية أو الفيايئية أو ف لونه‬ Lec-2-Pharm Equivalent point: The equivalence point in titration is the point at which the quantity of titrant added is chemically equivalent to the amount of analyte in the solution. ‫ نقطة التاكفؤ ف املعايرة ه النقطة الت تصبح فهيا مكية املادة املعرية املضافة ماكفئة كمييائ ًيا‬:‫نقطة التاكفؤ‬.‫لمكية احمللل ف احمللول‬ At this stage, the reactants have reacted completely according to their stoichiometric ratio as defined by the balanced chemical equation. ‫ تفاعلت املواد املتفاعل بشك اكمل وفقًا لنس هبا املتاكفئة كم هو حمدد ف املعادل الكمييائية‬،‫ف هذه املرحل‬.‫املتوازنة‬ End Point: The end point in titration is the stage at which a noticeable change occurs in the reaction mixture, typically signaled by a color change in the indicator, a sudden change in pH, or another measurable property. ‫ وعادة ما‬،‫ نقطة الهناية ف املعايرة ه املرحل الت حيدث فهيا تغيري ملحوظ ف خليط التفاعل‬:‫نقطة الهناية‬ ‫ أو أي‬،‫ أو تغيري مفاجئ ف الرق الهيدروجين‬،‫يت الشارة ال ذكل من خالل تغيري اللون ف املؤش‬ ‫خاصية أخرى قابل للقياس‬ - The end point is used to approximate the equivalence point, which is the exact theoretical point at which the reactants have reacted completely in their stoichiometric ratio, while the end point is an experimental observation that may slightly deviate from equivalent point due to limitations in the indicator or measurement technique. ‫ وه النقطة النظرية ادلقيقة الت تفاعلت عندها املتفاعالت‬،‫تُس تخدم نقطة الهناية لتقريب نقطة التاكفؤ‬ ‫ ف حي أن النقطة الهنائية ه مالحظة جتريبية قد تنحرف قلي ًال عن النقطة‬،‫بشك اكمل بنس هبا املتاكفئة‬.‫املاكفئة بسبب القيود ف املؤش أو تقنية القياس‬ Lec-2-Pharm Standard solutions: A standard solution is a solution with a precisely known concentration of a solute. It is prepared by dissolving an accurately measured amount of a substance (called the primary standard) in a specific volume of solvent, or by diluting a more concentrated solution to a known volume. ‫ يت حتضريه عن‬.‫ احلل القياس هو احلل اذلي حيتوي عل تركي معروف بدقة من املذاب‬:‫احللول القياس ية‬ ‫ أو عن طريق‬،‫طريق اذابة مكية حمددة بدقة من مادة ما (تسمى املعيار الساس) ف جحم معي من املذيب‬.‫تركيا ال جحم معروف‬ ً ‫ختفيف حملول أكرث‬ Specifications of standard solution‫مواصفات احمللول القياس‬ The specifications of a standard solution include the following key characteristics::‫تتضمن مواصفات احلل القياس اخلصائص الرئيس ية التالية‬ 1-Known Concentration:‫الرتكي املعروف‬ The concentration of the solution must be accurately known and expressed in suitable units, such as molarity (mol/L)..)‫لرت‬/‫ مثل املولرية (مول‬،‫جيب أن يكون تركي احمللول معروفًا بدقة ويت التعبري عنه بوحدات مناس بة‬ 2-Stability:‫اس تقرار‬ The solution must remain chemically stable over time without undergoing degradation or reacting with its container or the atmosphere. ‫تقرا كمييائ ًيا مبرور الوقت دون أن خيضع للتحلل أو التفاعل مع احلاوية اخلاصة به أو‬ ً ‫جيب أن يظل احمللول مس‬.‫الغالف اجلوي‬ 3-Purity of the Solute:‫نقاء املذاب‬ The substance used to prepare the solution (primary standard) must be of high Lec-2-Pharm purity, ideally greater than 99.9%, and free from impurities or water of hydration (if possible). ‫جيب أن تكون املادة املس تخدمة لعداد احمللول (املعيار الويل) ذات نقاء‬.)‫ وخالية من الشوائب أو ماء الرتطيب (ان أمكن‬،٪99.9 ‫ ويفضل أن تكون أكرب من‬،‫عايل‬ 4-Non-Volatility:‫عدم التقلب‬ The solution should not evaporate or lose any components under normal conditions, ensuring its concentration remains unchanged..‫ مما يضمن بقاء تركيه دون تغيري‬،‫ل ينبغي أن يتبخر احمللول أو يفقد أ ًاي من مكونته ف الظروف العادية‬ 5-Compatibility with Indicators:‫التوافق مع املؤشات‬ The solution should not interfere with the indicator..‫ل ينبغي أن يتداخل احلل مع املؤش‬.Types of Titration:‫أنواع املعايرة‬ 1-Acid-Base Titration: Used to determine the concentration of acidic or basic substances (e.g., using indicators like phenolphthalein or methyl orange). ،‫ ابس تخدام‬،‫ تس تخدم لتحديد تركي املواد امحلضية أو القاعدية (عل سبيل املثال‬:‫املعايرة امحلضية والقاعدية‬.)‫مؤشات مثل الفينول فثالي أو الربتقايل امليثيل‬ 2-Redox Titration: Based on oxidation-reduction reactions (e.g., using potassium permanganate or iodine). ‫ ابس تخدام‬،‫ تعمتد عل تفاعالت الكسدة والاخزتال (عل سبيل املثال‬:‫املعايرة الكسدة والاخزتال‬.)‫برمنجنات البواتس يوم أو اليود‬ 3-Complexometric Titration: Involves reactions with metal ions (e.g., using EDTA to determine metal ion concentrations). ‫ لتحديد تركيات‬EDTA ‫ اس تخدام‬،‫ تتضمن تفاعالت مع أيونت معدنية (عل سبيل املثال‬:‫املعايرة املعقدة‬.)‫أيونت معدنية‬ Lec-2-Pharm 4-Precipitation Titration: Relies on forming a precipitate during the reaction (e.g., using silver nitrate for halide ion determination). ‫ اس تخدام نرتات الفضة لتحديد‬،‫ تعمتد عل تكوين راسب أثناء التفاعل (عل سبيل املثال‬:‫املعايرة ابلرتسيب‬.)‫أيونت الهاليد‬ Equivalent weight‫الوزن املاكف‬ Equivalent weight refers to the mass of a substance that will react with or supply one mole of hydrogen ions (H⁺) in an acid-base reaction, or one mole of electrons in a redox reaction. ‫) ف‬⁺H( ‫يشري الوزن املاكف ال كتل املادة الت تتفاعل مع أو تزود مول واحد من أيونت الهيدروجي‬.‫ أو مول واحد من اللكرتونت ف تفاعل الكسدة والاخزتال‬،‫قاعدة‬-‫تفاعل محض‬ It is a useful concept in stoichiometry and helps in determining the amount of a substance required to react with a specific amount of another substance. ‫انه مفهوم مفيد ف عل القياس الكمييائ ويساعد ف حتديد مكية املادة املطلوبة للتفاعل مع مكية معينة من مادة‬.‫أخرى‬ The equivalent weight (E) of a substance is calculated using the following formula: ‫) للمدة ابس تخدام الصيغة التالية‬E( ‫يت حساب الوزن املاكف‬ E=Molar mass/n Where: ‫حيمث‬ Molar mass = is the molar mass (molecular weight) of the substance, typically expressed in grams per mole (g/mol). ‫ والت يت التعبري عهنا عادة ابجلرام لك مول‬،‫ الكتل املولية = ه الكتل املولية (الوزن اجلزيئ) للمدة‬:.)‫مول‬/‫(ج‬ Lec-2-Pharm N = is the valence factor, which represents the number of reactive units (such as hydrogen ions, hydroxide ions, or electrons) the substance can donate or accept in a chemical reaction. ‫ أو أيونت‬،‫ واذلي ميثل عدد الوحدات التفاعلية (مثل أيونت الهيدروجي‬،‫ = هو عامل التاكفؤ‬N.‫ أو اللكرتونت) الت ميكن للمدة التربع هبا أو قبولها ف تفاعل كمييائ‬،‫الهيدروكس يد‬ For example:‫عل سبيل املثال‬ 1-In an acid-base reaction, the equivalent weight of an acid is its molar mass divided by the number of hydrogen ions (H⁺) it can donate. ‫ الوزن املاكف للحمض هو كتلته املولية مقسومة عل عدد أيونت الهيدروجي‬،‫قاعدة‬-‫ف تفاعل محض‬ ‫) الت ميكنه التربع هبا‬⁺H( Hydrochloric acid‫محض الهيدرولكوريك‬ To calculate the equivalent weight of a substance, we use the formula: Equivalent weight=Molar mass/n Where:: Molar mass is the molecular weight of the compound...n is the number of replaceable reactive units (e.g., hydrogen ions for acids, hydroxide ions for bases, or electrons in redox reactions). ‫ أو‬،‫ أيونت الهيدروجي للحمض‬،‫ هو عدد الوحدات التفاعلية القابل لالستبدال (عل سبيل املثال‬n..)‫ أو اللكرتونت ف تفاعالت الكسدة والاخزتال‬،‫أيونت الهيدروكس يد للقواعد‬ 1. Hydrochloric acid (HCl).Molar mass of HCl: 36.46 g/mol Lec-2-Pharm.HCl is a strong monoprotic acid, meaning it can donate 1 mole of H⁺ per mole of HCl, so n = 1. Equivalent weight of HCl=36.46 g/mol/1=36.46 g/equivalent 2.Sulfuric acid (H₂SO₄): Molar mass = 98 g/mol It can donate 2 moles of H⁺ per mole of H₂SO₄, so n = 2. Equivalent weight = 98 g/mol / 2 = 49 g/equivalent 3.Sodium hydroxide (NaOH) Molar mass of NaOH: 40 g/mol NaOH is a strong base and can donate 1 mole of OH⁻ per mole of NaOH, so n = 1. Equivalent weight of NaOH=40 g/mol/1=40 g/equivalent 4.Ca(OH)2 To calculate the equivalent weight of calcium hydroxide Ca(OH)₂, we use the formula: Equivalent weight=Molar mass/n Where: Molar mass is the molecular weight of the compound. ‫ الكتل املولية ه‬:‫حيمث‬.‫الوزن اجلزيئ للمركب‬ n is the number of replaceable reactive units (hydroxide ions in the case of a base). Lec-2-Pharm Step-by-Step Calculation for Ca(OH)₂: 2.Molar mass of Ca(OH)₂: Ca = 40.08 g/mol O = 16.00 g/mol H = 1.008 g/mol So, the molar mass of Ca(OH)₂ is: 40.08+(2×16.00)+(2×1.008)=74.096 g Therefore, it can donate 2 moles of OH⁻ per mole of Ca(OH)₂, so n = 2. Equivalent Weight of Ca(OH)₂: Equivalent weight of Ca(OH)2=74.096 g/mol/2=37.048 g/equivalent Mustafa Rabih