Количественный химический анализ
· Введение в количественный анализ объектов металлургических производств
Количественный анализ предназначен для определения количественныхсоотношений составных частей исследуемого вещества.
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 Ni2+, Zn2+, CN-, OH- и т.п.
В других случаях требуется установить содержание некоторых отдельных элементов, ионов или соединений, входящих в состав анализируемогопродукта. Так, при анализе металлического сплава исследователя 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, но и формы нахождения его в исследуемом веществе. Таким образом, количественный анализ позволяет установить:
− количественные соотношения составных частей неизвестного соединения, т.е. установить его формулу.
− содержание или концентрацию определяемого вещества в исследуемом образце.
− содержание всех или некоторых элементов или ионов, входящих в состав данного вещества.
− содержание всех или некоторых главных (основных) компонентов анализируемой смеси.
− содержание определенных форм того или иного элемента. −содержание неглавных (неосновных) компонентов (примесей) −содержание микропримесей в особо чистых веществах (металлах, сплавах, полупроводниковых материалов и т.п.)
Основоположником современного количественного анализа является33
М.В. Ломоносов, положивший начало систематическому применению весов при химических исследованиях.
В 1756г. М.В. Ломоносов экспериментальным путём доказал сформулированный им ещё ранее (1748г.) закон сохранения массы вещества, являющийся основой количественного анализа.
В 1748 г. М. В. Ломоносов организовал первую в России химическую лабораторию. Его научные исследования имеют важное значение в истории развития русской химической науки.
В основе химических методов анализа лежат химические реакции четырех типов:
-кислотно-основные,
-окислительно-восстановительные
-комплексооб-разования.
-осаждения
Наибольшее значение среди химических методов имеют гравиметриче-ский и титриметрический. Эти методы называют классическими.
Тема: Гравиметрический (весовой) метод анализа – (часть1)
Гравиметрический метод анализа это метод химического количественного анализа, основанный на точном измерении массы определяемого компонента, выделенного из пробы анализируемого образца в чистом виде или в виде химического соединения, путем прямого взвешивания.
Взвешивание выполняется на аналитических весах с точностью 0.0002г
· Три метода гравиметрических измерений:
1.Метод выделения - анализируемую составную часть количественно (без потерь) выделяют (сжиганием, фильтрованием, электролизом) и взвешивают
Пример: определение содержания золы в топливе, пыли в воздухе, взвесей в промышленных водах
2. Метод отгонки - анализируемую составную часть количественно удаляют из пробы и о ее содержании судят по убыли массы пробы.
Пример: определении влаги, летучих компонентов, потерь при прокаливании (ППП)
3. Метод осаждения - анализируемую составную часть количественно связывают с помощью реагентов в осадок, в виде которого отделяют от других компонентов пробы и после ряда операций взвешивают.
Пример:
-определение серы SO42- + Ba2+ = BaSO4
-определение хлоридов Cl- + Ag+ = AgCl
-определение кальция Ca2+ + C2O42- = CaC2O4
Гравиметрическое определение состоит из нескольких стадий:
1. Отбор средней пробы
2. Расчет и взятие массы навески
3. Разложение пробы
4. Осаждение
5. Фильтрование
6. Промывание осадка
7. Высушивание и прокаливание осадка
8. Взвешивание и расчет результата анализа
Рассмотрим подробнее эти операции, их цель и правила выполнения
· 1.
Проба материала, поступающая в лабораторию (лабораторная проба)должна быть представительной, т.е. состав пробы и всей партии объекта анализа должны быть идентичными.
Партией считают определенное количество однородного сырьевого материала или изделий. Обычно это весьма значительные массы природных и промышленных объектов. Поэтому от партии отбирают среднюю пробу.
Средней пробой называют относительно небольшое количество исследуемого материала, которое по своему составу, физическим и физико-химическим свойствам соответствует всей партии.
Различают три вида проб:
Первичная или генеральная проба отбирается на первом этапе отбольшой массы материала. Масса отобранного материала может быть до 100 кг и более.
Первичная проба подвергается разделке, т.е. проходит измельчение (дробление, растирание) и перемешивание.
Для проведения химического анализа требуется небольшая масса материала, поэтому первичную среднюю пробу сокращают до лабораторной пробы различными способами (способ кольца и конуса,квартование, в механических сократителях)
способ кольца и конуса
Лабораторная или паспортная проба получается путем сокращенияпервичной пробы до массы, необходимой для выполнения всех анализов(1-2 кг.) Проба шифруется, и часть ее хранится в ОТК до полного расходования партии материала (не менее 6 месяцев)
Аналитическая проба отбирается от лабораторной для проведения ана-лиза. Масса ее обычно до 200г
Правила пробоотбора регламентируется нормативно-технической до-кументацией (ГОСТы, ТУ), частота и точки отбора проб для аналитического контроля определяются технологической картой контроля в соответствии со схемой производства и выполняются работниками отдела технического контроля (ОТК)
· 2.
Навеска -часть анализируемого материала, взятого от аналитической средней пробы, с которой выполняются все операции анализа
Навеска должна быть оптимальной
-маленькая масса навески снижает чувствительность анализа
- большая масса затрудняет выполнение операций. Увеличивает время анализа
Оптимальная масса навески 0.1-10г
· 3
Разложение пробы выполняется с целью перевода всех ее компонентов в раствор.
Способы разложения (вскрытия) проб:
-кислотное разложение с применением концентрированных кислот:
H2SO4, HNO3, HCl H2O2
3HCl + HNO3 царская водка
Разложение ведут в термостойко посуде. Пробы, содержащие фториды разлагают в платиновой, стеклоуглеродистой посуде при нагревании
-сплавление со щелочными плавнями применяют, если пробы носят кислотный характер (силикаты, кремнеземы).
Применяют соду Na2CO3,буру Na2B4O7*10H2O,оксиды кальция CaOи магния MgO
Навеску пробы смешивают с плавнем в тигле и спекают в муфельной печи при температуре 850-100оС
После спекания пробу выщелачивают в воде или подкисленном растворе и доводят объем до 200 мл
Кислотное разложение Спекание в муфельной печи
· 4
Осаждение - это наиболее важная операция в гравиметрическом анализе. Главная цель операции осаждения - наиболее полно перевести в осадок определяемый компонент и чем полнее это будет сделано, тем точнее получится результат анализа.
Соединение, в виде которого определяемый компонент осаждается из раствора, называется осаждаемой формой
Требования к осаждаемой форме:
-осадок должен быть малорастворим (произведение растворимости ПР ≤ 10-8), т.е. осаждение должно быть достаточно полным;
-полученный осадок должен быть чистым и легко фильтрующимся, т.е образовывать крупные частицы
-при прокаливании форма осаждения должна легко и полно переходить в гравиметрическую.
Требования оределяют условия осажденияусловия осаждения:
Кристаллические осадки осаждают из горячих разбавленных растворов разбавленными осадителями и осадок оставляют для созревания на 12 часов
Аморфные осадки (гидроксиды) осаждают из горячих разбавленных растворов концентрированными осадителями и сразу отделяют от раствора для предотвращения адсорбции посторонних ионов осадком.
Осадитель берется в избытке:
-летучие (HCl,NH4OH)-100%
-нелетучие(H2SO4, AgNO3)-50%
· 5
Фильтрование. Сущность фильтрования состоит в том, что жидкость с находящимися в ней частицами твердого вещества пропускают через пористую перегородку. При этом частицы твердого вещества (осадок) остаются на перегородке, которая называется фильтром. Осветленная жидкость, которая прошла через фильтр, называется фильтратом.
При фильтровании нужно выполнять следующие требования.
Фильтр должен плотно прилегать к стенке воронки, а конец воронки при фильтровании должен касаться стенки стакана.
Бумажные обеззоленные фильтры различаются по размеру (диаметру), а также по сортам и разделительной способности, которую обозначают цветом бумажной ленты. Приняты следующие обозначения для фильтров:
– красная лента (КЛ) – фильтры быстрой фильтрации (ФБ) для отделения творожистых и крупнокристаллических осадков;
– белая лента(БЛ) – фильтры средней фильтрации (ФС) для отделения среднезернистых осадков;
– синяя лента (СЛ) – фильтр медленной фильтрации (ФМ) для мелкокристаллических осадков;
– зеленая лента (ЗЛ) – фильтр медленной фильтрации (ФОМ) для мелкодисперсных осадков;
– желтая лента (ЖЛ) – обезжиренные фильтры (ФОБ) для анализа масло- и жиро продуктов.
· 6
Промывание осадка - это удаление примесей адсорбированных на поверхности осадка, а также маточного раствора, пропитывающего осадок. Выбор промывной жидкости зависят от свойств осадка. Обычно используют дистиллированную воду, содержащую определенные добавки, назначение добавок показано в табл.
Промывание ведут до полного удаления посторонних ионов, что проверяется с помощью качественных реакций
| Выбор промывной жидкости | Таблица | ||
| Свойства осадка | Добавка | Назначение добавки | |
| Большая растворимость | Электролит, | содержащий | Уменьшение растворимости |
| одноименные ионы | осадка | ||
| Аморфные осадки | Сильные | электролиты | Уменьшение пептизации |
| (NH4Cl, NH4NO3 и т.п.) | |||
| Гидролизуемость | Кислоты, основания | Подавление гидролиза | |
· 7
Прокаливание пробы выполняется с целью перевода осаждаемой формы в гравиметрическую (весовую)
ТРЕБОВАНИЯ
Обычно перед прокаливанием проводят операцию обугливания фильтра при сравнительно невысокой температуре (300 – 400 0С). Если же тигель сразу поместить в муфельную печь с температурой 800-1000 0С то фильтр воспламенится и пламенем часть осадка может выброситься из тигля.
После прокаливания тигель с осадком нужно охладить до комнатной температуры. Охлаждение тигля проводят в эксикаторе, чтобы предотвратить поглощение влаги осадком.
Эксикатор - сосуд с притертой крышкой, в котором находится влагопоглощающее вещество (CaCl2, силикагель SiO2 и др.)
Тигель с осадком охлаждают в эксикаторе, а затем взвешивают на ана-литических весах с точностью до 0,0002 г.
эксикатор
Тигли и щипцы для горячих проб
· 8
Взвешивание на аналитических весах
Весы являются основным прибором в химическом анализе. Приступая к определению качественного или количественного состава образца, сначала берут его навеску. К взвешиванию прибегают при приготовлении растворов, при нахождении массы осадка и т.д.
На каждых весах указывается предельная нагрузка, допустимая при использовании данными весами, а также точность взвешивания. В химическом анализе используют весы категории для точного взвешивания, которые делят по точности на технические (технохимические) и аналитические.
Технические и технохимические весы позволяют проводить взвешивание с погрешностью до ± 0,01 г с предельной нагрузкой до десятка килограммов (технические весы) и до 1 кг (технохимические). У аналитических весов различной конструкции предельная нагрузка изменяется от 20 до 200 г и погрешность взвешивания составляет ± 0,0001 г.
В недалеком прошлом в лабораториях использовали механические технические и аналитические весы (рис. 14). Последние имели коромысло, опирающееся на призму, от состояния которой зависела точность весов. Поэтому призма поддерживала коромысло только при включении весов, поднимаясь и опускаясь до опоры при помощи специального устройства – арретира. Сверху коромысла весов имели алюминиевые цилиндры – демпферы, которые помогали быстрее погасить колебания коромысла весов.
Аналитические электрические весы ВЛР-200
В современных лабораториях используют преимущественно электронные весы (рис. 14), работа которых основана на пьезоэффекте. У многих подобных весов есть функция обнуления тары.
Работа с аналитическими весами требует соблюдения следующих правил:
Помещение для установки весов должно состоять из весовой комнаты и препараторской. Одно из условий, предъявляемых к весовой комнате, - полная изолированность ее от смежных лабораторных помещений.
Весы следует устанавливать в горизонтальном положении на особо прочных постаментах, предохраняющих весы от всяких сотрясений. Не рекомендуется переносить весы с места на место.
Открывание защитного кожуха сложной конструкции должно быть наименьшим.
Не рекомендуется переносить весы.
За 20-30 минут перед началом измерений чуть открыть дверку кожуха, чтобы температура внутри весов выровнялась с окружающей средой.
Контейнеры, в которых взвешивают, должны быть как можно меньшими по размерам.
Не использовать стеклянные и пластмассовые контейнеры при влажности воздуха меньше 30%. Это позволит исключить электростатический разряд.
Температура помещения, контейнера и образца должна быть одинаковой, чтобы не возникали воздушные потоки и влага на сосуде и на образце.
Для взвешивания необходимо пользоваться чистой сухой посудой (бюкс, стакан, часовое стекло, тигель), помещать вещества непосредственно на чашку весов запрещено. Летучие и гигроскопичные вещества следует взвешивать только в закрытых бюксах.
Нельзя помещать на весы образцы предельной нормы и тяжелее. До взвешивания и после него показатели весов должны равняться нулю.
Помещать взвешиваемый предмет на середину чашек весов.
Избегать толчков, ударов по весам.
Ежегодно поверять аналитические весы.
Защищать весы специальными чехлами.
Применять салфетки, пинцеты, щипчики, не загрязнять весы пылью или жиром.
· Практическое применение и общая оценка метода.
Гравиметрический анализ - один из наиболее универсальных методов. Его применяют для определения почти любого элемента.
Наиболее существенным достоинством метода является высокая точность анализа. Обычно погрешность определения составляет 0,1÷0,2%. К числу достоинств гравиметрического метода относится также отсутствие стандартизаций или градуировок по стандартным образцам, необходимых по-чти в любом другом аналитическом методе, а также простота расчета ре-зультатов анализа.
Существенным недостатком гравиметрического метода является дли38
тельность определений (иногда несколько десятков часов), невысокая селективность анализа, связанная с отсутствием соответствующих реагентов на большинство ионов.
Чаще всего гравиметрический метод применяют для определения основных компонентов пробы, для анализа эталонов, используемых в других методах, для установления состава минералов, различных веществ, впервые синтезированных, состава различных композиций и т.д.