Количественный химический анализ
Задача количественного метода анализа состоит в получении информации о том, в каком количестве в анализируемом объекте содержатся элементы, ионы, радикалы, функциональные группы или отдельные химические соединения. По результатам количественного анализа рассчитывают содержание определяемого компонента в пробе. Результаты определений обычно выражают в массовых долях или процентах.
Среди химических методов анализа выделяют следующие: гравиметрический (весовой) и титриметрический (объемный) виды анализа.
Гравиметрический анализ
Общие понятия о гравиметрическом анализе, классификация его методов
Гравиметрический метод анализа основан на точном измерении массы определяемого компонента пробы, отделенного от остальных компонентов системы в элементном виде (в устойчивой форме данного химического элемента) или в виде соединения с точно известным составом. Данный метод анализа обладает простотой выполнения, высокой точностью и воспроизводимостью, но довольно трудоемок и продолжителен.
Метод осаждения. Сущность метода осаждения состоит в следующем. Определяемый компонент раствора вступает в химическую реакцию с прибавляемым реагентом – осадителем, образуя малорастворимый продукт – осадок, который отделяют, промывают, высушивают (при необходимости прокаливают) и взвешивают на аналитических весах. Примером может служить определение анионов сульфата или катионов бария в форме сульфата бария BaSO4.
Метод отгонки. Определяемый компонент выделяют из анализируемой пробы в виде газообразного вещества и определяют массу отогнанного вещества (прямой метод), либо массу остатка (косвенный метод). Прямой метод отгонки применяют для определения содержания воды (или других жидкостей) в исследуемых образцах. Для этого в стеклянную колбу, соединенную с обратным холодильником и градуированным приемником для сбора конденсата, вносят навеску анализируемой пробы, прибавляют толуол или ксилол и кипятят содержимое колбы. Вода, присутствующая в анализируемой пробе, испаряется при кипячении смеси и затем конденсируется в обратном холодильнике, стекая по каплям в приемник. После окончания отгонки воды и охлаждения приемника до комнатной температуры измеряют объем собранной воды и рассчитывают ее массу. Зная массу воды и массу исходной пробы, рассчитывают содержание воды в анализируемом образце.
|
|
Косвенный метод отгонки широко применяют для определения содержания летучих веществ (включая слабосвязанную воду), измеряя потерю массы анализируемого образца при его высушивании в термостате (в сушильном шкафу) при фиксированной температуре. Для проведения анализа навеску взвешивают на аналитических весах, помещают в сухой (предварительно взвешенный бюкс), вносят в термостат (сушильный шкаф) и выдерживают в течение примерно двух часов при заданной температуре (100-110 ºС), при которой удаляются пары слабосвязанной воды и летучих веществ. Затем бюкс переносят в эксикатор с осушителем, охлаждают до комнатной температуры и взвешивают на аналитических весах. Операцию повторяют до достижения постоянной массы бюкса. По разнице исходной и конечной массы бюкса с навеской определяют содержание летучих веществ в процентах по отношению к взятой навеске.
|
|
Метод осаждения
Основные этапы гравиметрического определения в методе осаждения состоят в следующем:
- расчет массы навески анализируемой пробы и объема (или массы) осадителя;
- взятие навески анализируемого образца;
- растворение навески анализируемого образца;
- осаждение, то есть получение осаждаемой формы определяемого компонента;
- фильтрование (отделение осадка от раствора);
- промывание осадка;
- высушивание и (при необходимости) прокаливание осадка до постоянной массы, то есть получение весовой (гравиметрической) формы, определение массы данной формы;
- расчет результатов анализа, их статистическая обработка и представление.
Расчет массы навески анализируемой пробы и объема (массы) осадителя.
При расчете оптимальной массы навески анализируемого вещества учитывают возможную массовую долю определяемого компонента в анализируемой пробе и в гравиметрической (весовой) форме, массу весовой формы, систематическую ошибку взвешивания на аналитических весах (обычно ±0,0002 г), характер получаемого осадка – аморфный, мелкокристаллический, крупнокристаллический. Часто исходят из того, чтобы относительная ошибка гравиметрического анализа не превышала ±0,2 %. Используют такие методики анализа, при которых основной вклад в ошибку вносит погрешность взвешивания на аналитических весах. Тогда как ошибки, связанные с растворимостью осадка в маточном растворе, с потерями при его промывании, были бы меньше погрешности взвешивания на аналитических весах.
|
|
Относительная ошибка e взвешивания на аналитических весах определяется соотношением:
D m · 100 %
e = ¾¾¾¾¾¾¾, (10.1)
m
где: D m = 0,0002 г; m – масса анализируемого вещества в граммах. Поскольку относительная ошибка гравиметрического анализа не должна превышать по абсолютной величине 0,2 %, а она определяется относительной погрешностью взвешивания, то e = 0,2 %. Следовательно, оптимальная масса навески, при которой допустимая относительная ошибка весового анализа не более ± 0,2 %, должна быть не меньше чем
0,0002 · 100 %
m = ¾¾¾¾¾¾¾ = 0,1 г. (10.2)
0,2
В методе осаждения взвешивают не только исходную навеску определяемого вещества, но и конечную навеску весовой формы, масса которой должна быть не менее 0,1 г. Это условие необходимо иметь в виду при расчете массы исходной навески анализируемого вещества.
На практике при расчете оптимальной массы исходной навески исходят из того, чтобы оптимальная масса конечной весовой формы вещества была не меньше 0,1 г.
В результате обобщения многочисленных исследований было рекомендовано задавать оптимальную массу весовой формы следующей:
- для объемистых аморфных осадков – около 0,1 г;
- для кристаллических осадков – от 0,1 до 0,5 г (для легких осадков – от 0,1 до 0,2 г, для тяжелых – от 0,4 до 0,5 г).
Зная требуемую массу весовой формы, ее состав, а также примерное содержание определяемого компонента в исходной анализируемой пробе, можно рассчитать массу исходной навески в каждом конкретном случае. Обычно масса исходной навески указывается в методике анализа.
В общем случае нижний предел оптимальной массы m исходной навески анализируемого вещества (в граммах) рассчитывают по формуле (10.3):
100 · m(ГФ) · F
m = ¾¾¾¾¾¾¾, (10.3)
ω(Х)
где: m(ГФ) – масса весовой формы в граммах; F – гравиметрический фактор; ω(Х) – массовая доля определяемого компонента в анализируемом веществе (в %). Гравиметрический фактор численно равен массе определяемого компонента в граммах, соответствующей одному грамму гравиметрической формы. Гравиметрический фактор рассчитывается по формуле (10.4) как отношение молярной массы М(Х) определяемого компонента Х к молярной массе гравиметрической формы М(ГФ), умноженное на число n молей определяемого компонента, из которого получается один моль гравиметрической формы:
n · М(Х)
F = ¾¾¾¾¾. (10.4)
М(ГФ)
Расчет количества (объема или массы) осадителя ведут с учетом возможного содержания определяемого компонента в анализируемой пробе. Для увеличения полноты выделения осадка применяют умеренный избыток осадителя. Большой избыток осадителя брать не рекомендуется во избежание загрязнения осадка избыточным количеством осадителя. Если осадитель летуч (удаляется при нагревании осадка), то берут двух- или трехкратный его избыток по сравнению со стехиометрическим количеством. Если осадитель нелетучий, то берут полуторакратный избыток.
Основные требования, предъявляемые к осадителю:
1.Осадитель должен быть специфичным, селективным по отношению к осаждаемому иону.
2.Осадитель должен быть по возможности летучим, т.е. должен легко удаляться при нагревании или прокаливании осаждаемой формы.
Расчет объема раствора осадителя проводят, исходя из требуемого количества осадителя и его концентрации (учитывая избыток).