Гравіметричний метод аналізу

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Єнакієвський металургійний  технікум

 

Дисципліна: Фізична хімія та аналітичний контроль

Лекція №7

Гравіметричний  метод аналізу.

Зміст

1. Теоретичні основи методу.
2. Ваги і зважування.
3. Основні операції гравіметричного аналізу.

 

Контрольні питання

 

Література

 

Питання до самостійного вивчення

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Викладач                                                                Ю.В. Старушенко

 

1. Теоретичні основи  методу.

 

Гравіметричний метод  аналізу заснований на точному вимірюванні маси визначаємої речовини у вигляді з'єднання або простої речовини відомого складу. Стара назва - ваговий. Аналітичний сигнал - маса.

Аналітичний сигнал – це будь-який прояв хімічних або фізичних властивостей речовини, який можна використовувати для встановлення якісного складу об'єкту, що аналізується, або для кількісної оцінки компонентів, що містяться в ньому.

Це фундаментальна характеристика речовини, така як заряд ядра атома, атомна маса та ін. Аналітичний сигнал –  носій як якісної, так і кількісної інформації.

При вирішенні аналітичних  задач ваговим методом можливі  кілька варіантів виконання аналізу. У першому, найбільш простому випадку  визначається складову частину виділяють  із речовини і зважують. Таким шляхом визначають вміст золи в кам'яному вугіллі та продуктах промислового органічного синтезу, наприклад в кристалах або в хімікатах для полімерних матеріалів. Тут зола є шкідливою домішкою, яка знижує якість основного продукту. Аналіз проводять, спалюючи в тиглі точно зважену кількість аналізованої речовини і прожарюючи залишок до тих пір, поки маса золи, яка залишилася, не перестане зменшуватися (тобто до постійної маси). Залишок золи зважують і обчислюють вміст її в аналізованій речовині.

У другому випадку  визначаєму складову частину видаляють з аналізованої речовини, а залишок зважують. Таким шляхом, наприклад, визначають зміст кристалізаційної води у хлориді барію ВаCl₂·2H₂O. Аналіз проводять шляхом висушування точно зваженої кількості кристалічного хлориду барію. Вода при висушуванні випаровується, маса зменшується, і по зміні маси обчислюють вміст води в хлориді барію.

Більш складний третій варіант, при якому не можна таким простим  способом виділити обумовлену складову частину речовини, наприклад визначити  зміст барію в хлориді барію. Для цього потрібно провести аналітичну реакцію, в результаті якої барій повністю перейде в форму, придатну для вагового визначення, тобто в вагову форму. Такою реакцією є осадження барію сірчаною кислотою у формі сульфату барію:

ВаС1₂ + Н₂SO₄ = ВаSO₄ ↓ + 2НС1

Аналіз проводять, розчиняючи точно зважену кількість хлориду барію у воді і осаджуючи іони Ва²⁺ сірчаною кислотою у формі сульфату барію. Осад відфільтровують, промивають, висушують, прожарюють до постійної маси і зважують. За кількістю сульфату барію, що утворився, обчислюють вміст барію в аналізованому хлориді барію.

Варіант аналізу, при  якому визначається складову частину  речовини переводять у вагову форму  за допомогою спеціально підібраної хімічної реакції, найбільш поширений  у ваговому аналізі. Основні операції при виконанні вагового аналізу за цим варіантом: зважування аналізованого речовини; розчинення аналізованого речовини; осадження; промивка осаду; висушування осаду; прожарювання осаду; зважування; розрахунок результатів аналізу.

 

2. Ваги і зважування.

 

Найважливішою операцією  в кількісному аналізі, і особливо в гравіметричного аналізу, є  зважування.

Залежно від завдання, що стоїть перед аналітиком, використовують ваги різних типів. Для наближеного  зважування мас до 1 кг з точністю 0,1-0,01 г застосовують технохімічні ваги (рис. 1). Для аналітичних робіт використовують аналітичні ваги з граничним навантаженням 100 або 200 г і точністю 0,2 мг.

Аналітичні ваги представляють собою прилад високої точності, що вимагає обережного поводження.

Схема пристрою аналітичних ваг моделі ВЛР-200г представлена ​​на рис. 2.

 

 

 

 

Рис.1. Технохімічні ваги.

1 – стойка; 2 – стремена; 3 – коромысло; 
         4 – чашка; 5 – стрелка; 6 – ручка арретира

Рис.2. Схема аналітичних ваг ВЛР-200 г:

1 - підстава; 2 - висувні  пружини; 3 - чашки ваг; 4 - демпферного  устрою; 5 - плата; 6 - сережки; 7 - ручка  регулювання нульової точки ваг; 8 - важіль арретир пристрої з  підхопленням; 9 - призма; 10 - опорна майданчик сережки; 11 - регулятор рівноваги коромисла; 12 - коромисло; 13 - стійка; 14 - опорна призма коромисла; 15 - екран; 16 - кожух, 17 - ручка гирьового механізму; 18 - ручка ділильного пристрою; 19 - ручка арретир (ізолюючого) пристрої; 20 - установочні ніжки.

Поряд з вагами ВЛР-200г  з граничним навантаженням 200 г  в лабораторіях використовують аналітичні ваги моделей ВЛАО-200г-1, ВЛДП-100 і деякі другі.

Щоб уникнути впливу механічних коливань, ваги ставлять на кронштейнах, укріплених у капітальній стіні. Не допускається установка ваг поблизу опалювальних приладів, так як зміна температури знижує їх точність.

Для аналізу зважують певну масу речовини, яка зазвичай має назву навішуванням. У хімічному аналізі прийнято вираз "Взяти наважку», тобто відважити на аналітичних терезах певну кількість речовини. Якщо в методиці аналізу зазначено, що потрібно взяти наважку близько 1 г, то зручно попередньо відважити на технохімічних вагах приблизно 1 г речовини з точністю, яку можуть дати ці ваги, до 0,1 г, а потім встановити її точну масу па аналітичних терезах.

Величина наважки залежить від властивостей речовини і методики аналізу.

Хімічну речовину не можна зважувати на чашці терезів безпосередньо. Для зважування його поміщають в бюкс - стаканчик з притертою кришкою або на годинникове скло. Бюкс особливо зручний для гравіметричного визначення вмісту вологи висушуючи речовину. Наважку в бюксі поміщають у сушильну шафу і по мірі видалення вологи ведуть повторне зважування.

Існують два способи узяття навішування. За першим способом наважку поміщають у попередньо зважену тару, зважують і по різниці обчислюють величину наважки. Після цього потрібно повністю перенести наважку в склянку або колбу, де будуть проводити розчинення, і змити розчинником залишилися на склі частки речовини.

За другим способом в  посудину для зважування насипають аналізуємо речовину, визначають вагу брутто, тобто разом з посудиною, потім пересипають речовину в склянку для розчинення, а посудину з залишком речовини знову зважують. По різниці обчислюють величину наважки. Другий спосіб особливо зручний при виконанні масових аналізів у виробничих лабораторіях, коли приходиться брати багато наважок однієї і тої ж речовини.

 

3. Основні операції гравіметричного аналізу.

 

Взяту наважку переносять у хімічний стакан і розчиняють, використовуючи як розчинник воду, кислоту або луг. Розчинник звичайно беруть у такій кількості, щоб концентрація отриманого розчину була 0,5 - 1%. У методиці аналізу вказані кількість розчинника та умови розчинення.

Щоб прискорити розчинених, вміст склянки підігрівають і перемішують скляною паличкою. При цьому потрібно стежити, щоб жодна крапля розчину не була втрачена, - це призведе до помилки в аналізі.

Осадження. Осадження - одна з найважливіших операцій гравіметричного аналізу. Мета її - перевести обумовлену частину аналізованого речовини в хімічну сполуку, зручну для визначення ваговим способом. Наприклад, барій в хлориді барію визначають у формі сульфату барію, який осаджують з водного розчину хлориду барію додаванням сірчаної кислоти:

ВаС1₂ + Н₂SO₄ = ВаSO₄ ↓ + 2НС1

Алюміній з розчинів його солей осаджують додаванням оцтовокислого розчину 8-оксихіноліну. У осад випадає оксіхінолінат  алюмінію:

А1³⁺ + ЗС₉Н₆N (OН) = А1(С₉Н₆NO)₃↓+ 3H⁺

При цьому необхідно, щоб осадження відбувалося кількісно, ​​тобто визначаємий іон повністю переходив в осад.

Для цього обрана осаджувана форма, тобто з'єднання, яке осаджується з розчину, повинно володіти дуже малою розчинністю. Для кількісного аналізу вибирають сполуки, добуток розчинності яких не перевищує 1·10^-8. Виходячи з цього підбирають реактиви для осадження. Відомо, що при осадженні підвищення концентрації одного з іонів, що утворять осад, приводить до пониження концентрації другого іона. Тому при осадженні беруть надлишок розчину осаджувача (в наведених вище прикладах - сірчаної кислоти або 8-оксихіноліну).

Осадження ведуть, доливаючи  розчин осаджувача в склянку з  розчином аналізованого речовини при  безперервному перемішуванні скляною  паличкою. Повноту осадження перевіряють після відстоювання осаду і утворення над ним прозорого розчину. До нього обережно додають декілька крапель розчину осаджувача-відсутність помутніння вказує на повноту осадження.

Для подальшого аналізу  велике значення має структура осаду, який утворився. Дуже зручні крупнокристалічні осади: вони швидко фільтруються, легко промиваються від домішок. Дрібнокристалічні і аморфні осади гірше фільтруються і промиваються, а іноді проходять через пори фільтра.

Для отримання добре  фільтрованих кристалічних осадів слід дотримуватися таких правил:

• вести осадження з гарячого розведеного розчину гарячим розведеним розчином осаджувача;
• додавати осаджувач дуже повільно, а на початку осадження - по краплині;
• безперервно перемішувати розчин скляною паличкою; відфільтровувати осад тільки після повного охолодження розчину.

Слід зазначити, що якщо в кристалічному осаді присутні повільно осідаючи дрібні кристалики, то при стоянні вони укрупнюються - осад дозріває. Тому після осадження доцільно витримати розчин з випали з нього кристалічним осадом в теплі протягом декількох годин, а потім вже повільно охолодити і відфільтрувати.

Деякі сполуки, наприклад  гідроксид заліза або алюмінію, осідають тільки у вигляді аморфних опадів. У цьому випадку більш щільні і осади, що легше фільтруються, отримують при дотримуванні наступних умов:

• ведуть осадження з концентрованих гарячих розчинів концентрованими розчинами осаджувача;
• швидко додають розчин осаджувача;
• ведуть осадження в присутності електролітів, сприяють коагуляції колоїдних частинок.

Аморфні осади на відміну від кристалічних не витримують після осадження, а зараз же переносять на фільтр, фільтрують та промивають.

Фільтрування. Мета операції - відділення осаду від розчину, з  якого він випав (маточного розчину).

Для фільтрування в гравіметричного аналізу використовують беззольні паперові фільтри (рис.3). Ці фільтри при згорянні утворюють так мало золи, що цією масою можна знехтувати. В залежності від характеру осаду використовують беззольні фільтри різних марок. Їх розрізняють за кольором стрічки на упаковці фільтру. Найщільніші (тобто з найменшим розміром пор)-з синьою стрічкою,, фільтри середньої щільності-з білою стрічкою, найменш щільні, швидко фільтруючі - з червоною стрічкою.

Рис.3. Беззольні паперові фільтри.

Паперовий фільтр поміщають  в скляну воронку. Для цього круглий  фільтр складають навпіл по діаметрі, потім знову пополам і вкладають в суху лійку. Потім наповнюють фільтр дистильованою водою і щільно притискають до вирви. Фільтр і воронку вибирають з таким розрахунком, щоб осад займав не більше половини фільтра - інакше важко добре промити осад. Край паперового фільтра повинен на 10-15 мм не доходити до краю воронки. Воронку поміщають в кільце, укріплене на штативі. Під воронку поміщають склянку таким чином, щоб скошений кінець носика воронки стосувався стінки склянки.

Фільтрацію ведуть, декантуючи рідину: зливають на фільтр по скляній паличці відстояну рідину, не взмучиючи осад. Коли майже весь розчин злитий, додають 50-70 мл промивної рідини, перемішують осад, дають йому відстоятися і знову декантують. Декантації повторюють два-три рази і, нарешті, зливають на фільтр рідину разом з осадом. Стакан споліскують два-три рази маленькими порціями промивної рідини і зливають на фільтр. Промивну рідину зручно подавати з промивалки (рис. 4), при цьому слід добре обполіскувати стінки склянки промивної рідиною. Потім обполіскують скляну паличку, по якій зливали осад. При цьому недопустима втрата частинок осаду - він має бути перенесений на фільтр кількісно.