Тема: Гравіметричний (ваговий) аналіз
Поняття про кількісний аналіз
Завдання кількісного аналізу – це визначення точного вмісту елементів йонів елементів йонів, або їх сполук досліджуваної речовини. Кількісний аналіз виконується хімічними і фізико-хімічними методами, їх відомо понад 50. Хімічні методи ґрунтуються на хімічних реакціях (охолодження і нейтралізації, окислення відновлення) до них відносять гравіметричні (вагові), титриметричні (об’ємні), оксиди метричні (окислення відновлення). Фізико-хімічні методи основані на вимірюванні фізичних речовин, хімічних реакцій в них можуть виконуватись, або не виконуватись і мати другорядне значення.
Гравіметричний (ваговий) аналіз – полягає в тому, що складову частину речовини визначають відокремлюючи осадження, у вигляді осаду, відомого сталого складу, а потім зважують. Осад, що утворився повинен відповідати таким вимогам:
Бути практично нерозчинним;
Склад осаду після висушування, чи прожарювання повинен відповідати певній формі;
Розмір зерен повинен бути більший ніж пори фільтра (осад повинен добре відокремлюватись від фільтрату);
Молярна маса вагової форми повинна бути по можливості великою.
Розрізняють три варіанти вагового аналізу: визначення вологи, визначення золи, визначення за масою осаду.
Визначення вологи: точну наважку речовини висушують, волога випаровується маса зменшування і по зменшенню маси визначають вміст вологи:
W = m1 – m2/ m1 * 100%
Визначення золи: спалюють в тиглі точну наважку аналізуючої речовини, прокалюють залишок до тих пір поки маса перестане зменшуватись тобто до постійної маси. Залишок золи зважують і обчислюють вміст золи в аналізюючій речовині:
W = m1/m * 100%
m1 – маса золи,m – маса наважки
Визначення по масі осаду:аналізуючи речовину за допомогою хімічної реакції переводять в осад, який фільтрують, промивають, висушують, зважують і по масі його визначають вміст аналізуючої речовини. Цей спосіб найбільш поширений.
Переваги і недоліки гравіметричного аналізу
Не потрібно складного обладнання, але метод є не дуже точним і виконується довго, не дивлячись на це має найбільш широке використання.
Кількісне визначення речовини хімічними методами складається з трьох етапів:
І – відмірювання певної кількості речовини для аналізу. Для цього речовину зважують чи вимірюють об’єм її розчину.
ІІ – проведення хімічної реакції, в результаті якої компонент, що визначають перетворюється у сполуку з певними хімічними і фізичними властивостями.
ІІІ – вимірювання показника якості фізичної властивості за величиною якого, роблять висновки про кількість компонента.
Важливе значення має правильний вибір умов проведення хімічної реакції.
І – Перша група методів кількісного хімічного аналізу включає методи, в основу яких покладено вимірювання показника властивості продукту реакції (Р). До першої групи методів належить гравіметричний і колориметричний аналізи.
ІІ – Друга група методів кількісного хімічного аналізу включає методи, в основі яких лежить вимірювання кількості реактиву витраченого на взаємодію з компонентом, що визначають. До цієї групи належать титриметричні (об’ємні) аналіз з його підрозділами. Основним є правильне визначення точки еквівалентності, тобто моменту коли між речовиною Х і реактивом R існує еквівалентне співвідношення.
За типом хімічної реакції розрізняють такі методи об'ємного аналізу: метод кислотно-основного титрування (нейтралізації), метод осадження і комплексоутворення, метод окислення відновлення (залежить від характеру реактиву, підрозділяється на перманганатометрію, йодометрію, хроматометрію).
ІІІ- До третьої групи методів кількісного хімічного аналізу відносять методи, які ґрунтуються на вимірюванні змін властивості самого компонента Х зумовлених зв’язуванням його реактивом R у певну хімічну сполуку. До них належать методи газового аналізу.
Основні операції гравіметричного аналізу: отримання осаду, відділення осаду, висушування, зважування. Вимоги до осадів
До основних операцій гравіметричного аналізу залежать:
розрахунок наважки;
взяття наважки;
розчинення аналізуючої речовини;
осадження;
фільтрування;
промивання осаду;
висушування;
прокалювання і зважування, розрахунок результатів.
Відбір проби: проба – це невелика кількість речовини взята дляаналізу. Для аналізу беруть середню пробу, яка складається із багатьох проб взятих у різних точках. Правильно відібрана проба дає правильні результати.
Зважування: для приблизного зважування з точністю до 1 – 0,1 г використовують технохімічні ваги, а для точного зважування використовують аналітичні ваги з точністю до четвертого знака після коми до 0,0001 г. Марки аналітичних терезів: ВЛАО 200, ВАДП 100. Максимальна маса, яку можна зважити 100-200 г.
Взяття наважки: наважка – це невелика кількість речовини взята для аналізу. Речовину не можна зважувати на чашках терезів. Для зважування речовини поміщають в бюкс чи на часове скло. Відомо два способи взяття наважки: І – наважку поміщають в попередньо зважену тару, зважують і по різниці мас обчислюють масу наважки, яку необхідно повністю перенести наважку в склянку. ІІ- посудину для зважування насипають аналізуючи речовину, зважують разом із посудиною, висипають у склянку зважують для розчинення, а посудину із залишками знову зважують по різниці мас визначають величину наважки.
Наважка, яка береться для аналізу неповинна бути дуже малою тому, що збільшується помилка аналізу, неповинна бути дуже великою тому, що фільтрування, сушка, прожарювання займуть багато часу. Встановлено, що для утворення кристалічних осадів наважку треба взяти біля 0,5 г, а для аморфних 0,1-0,3 г.
Відбір осаджувача і його концентрація. На практиці осаджувача беруть в 1,5-2 рази більше ніж потрібно за рівнянням надлишок осаджувача зменшує розчинність осаду. Для осадження кристалічних осадів користуються розведеними розчинниками. В цих умовах осади утворюються у формі більших кристалів. Аморфні осади осаджують із концентрованих розчинів.
Умови отримання крупно кристалічних і аморфних осадів
Для отримання крупнокристалічних осадів необхідно дотримуватись таких умов садження:
Осаджують із достатньо розбавленого розчину розбавленим розчином.
Розчин осаджувача добавляють повільно, краплями, особливо на початку осадження.
При введені осаджувача розчин потрібно добре перемішувати скляною паличкою.
Осадження проводять із гарячого розчину гарячим розчином осаджувача, що сприяє росту кристалів.
Осад залишають на декілька годин на дозрівання, що веде до укруплення кристалів.
Осадження аморфних осадів проводиться за таких умов:
Осадження із гарячих розчинів.
Перед осадженням у розчин добавляють коагулюючий електроліт.
Осадження проводять із концентрованих розчинів концентрованими розчинами осаджувача, осаджувач вводять швидко.
Аморфні осади фільтрують і промивають відразу ж після осадження без дозрівання.
Після осадження проводять пробу на повноту осадження: в розчин з відстояним осадом обережно по стінці стакана приливають декілька крапель осаджувача і слідкують за місцем стікання крапель, якщо в місті падіння крапель осаджувача в розчині не утворилось муті це означає, що осадження відбулося повністю. Фільтрування і промивання осаду важливі операції вагового аналізу. Фільтрують через паперові беззольні фільтри у яких зола, що залишилась після спалювання настільки незначна, що нею можна знехтувати. Беззольні фільтри розрізняють за діаметром (5, 7, 9, 11 см) і щільністю паперу (від щільності фільтра залежить швидкість фільтрування). Вони бувають трьох сортів: І – найменшої щільності, що швидко фільтрують, їх застосо
При фільтруванні спочатку зливають відстояну рідину над осадом через фільтр по щільно приставленій до носика стакана скляній паличці. Рівень рідини на фільтрі повинен бути нижче краю фільтра на 3-5 мм. Коли вся рідина злита з осаду і на дні стакана залишився осад приступають до промивання осаду шляхом декантації. Кількість промивної рідини залежить від характеру осаду, аморфні осади промиваються довше ніж кристалічні, при цьому промивну рідину потрібно вливати малими порціями. Промивають осад декантацією до тих пір поки стікаюча рідина не буде мати домішок, для цього збирають в пробірку 1-2 мл фільтрату, і приливають реактив, який дає якісну реакцію на домішки (хлориди – з AgNO3, утворюється біла муть, якщо нема муті то в осаді немає домішок). Далі осад разом із фільтром висушують при температурі 100-110˚С і прожарюють в муфельній печі при високій температурі.
Приклади гравіметричного аналізу (визначення барію у хлориді барію), визначення заліза, алюмінію
Визначення Феруму в хлориді феруму (III). Для солей Феруму (ІІІ) осаджувачем є розчин аміаку, який реагує із йонами Феруму за таким рівнянням:
FеСl3 + ЗNН3 + ЗН2O = Fе(ОН)3↓ + ЗNН4С1
Гідроксид феруму (III) під час прожарювання перетворюється в оксид феруму (III), склад якого відповідає формулі Fе2O3:
Fе(ОН)3 = Fе2O3 + ЗН2O
Хід роботи: 0,3—0,5 г хлориду феруму (III) зважують на годинниковому склі на аналітичних терезах з точністю до 0,0001 г. Наважку розчиняють у стакані місткістю 300 мл у 10 мл води, до якої добавляють 2 мл 2 н розчину хлоридної кислоти, щоб запобігти гідролізу солей. Розчин нагрівають до кипіння і добавляють до нього краплями концентрований розчин аміаку до появи запаху. Потім у стакан з аморфним осадом гідроксиду феруму (ІІІ) доливають 80—100 мл гарячої води, вміст стакана перемішують і через кілька хвилин, коли осад збереться на дні стакана, декантують прозорий розчин крізь фільтр з червоною смужкою. Потім до осаду знову приливають 15 мл гарячої води, вміст перемішують : декантують розчин крізь той самий фільтр. Так повторюють 3—4 рази. Після цього осад змивають на фільтр потужним струменем гарячої води з промивалки і промивають його на фільтрі ще 5—6 раз. Промивання вважають закінченим, якщо у фільтраті після добавляння розчину нітрату аргентуму не утворюється осад хлориду аргентуму.
Лійку з промитим осадом закривають фільтрувальним папером і протягом однієї години висушують у сушильній шафі за температури 100 °С. Сухий осад з фільтром переносять у зважений фарфоровий тигель і, загнувши верхню частину фільтра, прожарюють тигель з осадом у муфелі за температури 800 °С до сталої маси. Прожарювання можна вважати закінченим, якщо маса двох останніх зважувань після прожарювання осаду відрізнятиметься не більше, ніж на 0,1—0,2 мг. Масову частку Феруму обчислюють за формулою:
W(Fe) = 2Ar(Fe)*B / Mr(Fe2O3)*g
Де Ar -відносна атомна маса Феруму;
Mr(Fе2O3) - відносна молекулярна маса вагової форми;
В — маса осаду вагової форми в грамах;
g — наважка в грамах.
Визначення алюмінію у сплавах.Метод оснований на осадженні йонів алюмінію 8-оксіхіноліном, при цьому утворюється нерозчинна сполука Al(C9H6NO)3, яка випадає в осад. Осадження ведуть при рН=5 в присутності ацетатно-буферного розчину. Утворений кристалічний осад легко фільтрується і промивається. Фільтрування проводять через скляний фільтр.
Розраховують наважку, розчиняють в 100 мл води додають 2н розчин сульфатної кислоти до досягнення слабо кислої реакції, а після цього додають 8-оксіхіноліном при перемішуванні нагрівають до температури 100̊ С, по краплям додають ацетат кальцію і витримують 20 хв на водяній бані. Фільтрують через скляний вакуум фільтр, 2-3 рази промивають гарячою водою, а потім холодною, висушують при температурі 130˚ С в сушильній шафі (більше неможна, бо він розкладається). Осад охолоджують, зважують і проводять окислення.
Визначення барію в кристалічному хлориді барію. Метод базується на розчиненні наважки хлориду барію і осадженню барію сульфатною кислотою:
BaCl2 + H2SO4 = BaSO4↓ + 2HCl
Одержаний осад фільтрують, промивають, прожарюють зважують і за вмістом сульфату барію, розраховуємо вміст барію. Зважуємо BaCl2, а потім на аналітичних вагах уточнюємо масу наважки. Наважку зсипаємо в склянку на 200 мл, додаємо 100 мл дистильованої води, нагріваємо на водяній бані до 90̊ Спри безперервному перемішуванні. Додаємо розчин сульфатної кислоти, коли розчин над осадом стане прозорим, виконують пробу на повноту осадження при позитивній пробі, яка свідчить, що весь барій перейшов в осад. Склянку залишаємо на 2 години для осадження. Для фільтрування беруть беззольні фільтри з синьою стрічкою, переносять осад на фільт, тричі промивають, прожарюють при температурі 800˚ С протягом одної години. Після зважування визначають вміст барію за розрахунковими формулами гравіметричного методу.
Визначення сульфатів у вигляді сульфату барію. Одним із методів визначення Сульфуру є ваговий метод, при якому його переводять у кристалічний осад сульфату барію. Суть методу полягає у тому, що аніони SO4 за допомогою розчинних солей Барію осаджують у вигляді сульфату барію:
Nа2SO4 + ВаС12 = ВаSO4↓ + 2NaС1
Сульфат барію не зовсім відповідає вимогам до осадів у ваговому аналізі (розчинність ВаSO4 — 2,3 мг в 1 л). Але розчинність осаду можна зменшити дією однойменних йонів. Потрібний для цього надлишок однойменних йонів Барію можна обчислити, виходячи з величини добутку розчинності сульфату барію.
Для виготовлення розчину осаджувача на технічних терезах зважують 2 г хлориду барію, розчиняють його в 50 мл води. терезах зважують і г хлориду барію, розчиняють його в 50 мл води.
Хід роботи: Сульфат-іони осаджують у вигляді кристалічного осаду. Для аналізу беруть наважку, що становить 0,01 молярної маси еквівалента сульфату. На аналітичних терезах зважують 0,7—0,8 г сульфату натрію з точністю до 0,0001 г і розчиняють у 100 мл води. Якщо в утвореному розчині є каламуть механічних домішок, його фільтрують, добавляють 2—3 краплі розчину метилового оранжевого і краплями концентровану хлоридну кислоту, поки забарвлення індикатору не зміниться на червоне. Після цього добавляють ще 1 мл кислоти.
Розчини сульфату, що досліджують, і хлориду барію нагрівають до кипіння і повільно, краплями добавляють до розчину сульфату розчин хлориду барію, аж поки не добавлять 2/3 осаджувача, решту осаджувача доливають відразу.
Стакан з осадом закривають папером і залишають відстоюватися 2—2,5 год. Перевіряють повноту осадження: в окремій пробірці до прозорого розчину над осадом добавляють кілька крапель хлориду барію. Якщо повноти осадження не досягнуто, то розчин з осадом нагрівають, добавляють 1 г хлориду барію, розчиненого в 20 мл води, і вміст стакана знову відстоюють.
Осад після відстоювання відфільтровують крізь щільний фільтр із синьою смужкою і промивають його на фільтрі 2—3 рази малими порціями холодної води. У промивних водах перевіряють наявність йонів Хлору або Барію, щоб упевнитись у повноті промивання. Осад разом з фільтром висушують у сушильній шафі, переносять у зважений тигель, фільтр спалюють і осад прожарюють за температури 750—800 °С протягом 30 хв (за вищої температури може відбутися термічна дисоціація сульфату барію). Тигель охолоджують в ексикаторі і зважують на аналітичних терезах. За знайденою масою сульфату барію обчислюють масову частку сульфат-іону:
W(SO4) = Mr(SO4)*B / Mr(BaSO4)*g *100%
Mr(SO42-) i Mr(ВаSO4 ) – відповідно відносні молекулярні маси сульфат-іона та сульфат барію,
В – маса осаду вагової форми в грамах,
g – наважка в грамах.