Metoda grawimetryczna analizy: charakter i właściwości

Jedną z najbardziej dostępnych metod badania substancji w chemii analitycznej jest grawimetria. Najważniejszą rzeczą, na której opiera się grawimetryczna metoda analizy, jest dokładny pomiar masy oznaczanego związku, wyodrębniony jako substancja o znanym składzie lub w postaci elementarnej. W tym celu stosuje się odparowanie, destylację, sublimację lub strącanie.

Istota metody

Gravimetria jest ważna dla analizy ilościowej. Metoda grawimetryczna polega na określeniu masy określonego składnika w analizowanej próbce. W tym celu dokonuje się dokładnego ważenia substancji w stabilnej postaci końcowej, do której przenoszony jest mierzony składnik. Powinno być łatwo oddzielić i zważyć.

Najczęściej wodę stosuje się jako rozpuszczalnik w grawimetrycznej metodzie analizy. W celu wyodrębnienia maksymalnej ilości związku, który ma zostać określony, otrzymany osad musi mieć w nim minimalną rozpuszczalność. Ponieważ rozpuszczalność soli jest związana ze stałą równowagową procesu, można ją zmniejszyć dodając stechiometryczny nadmiar odczynnika strącającego do roztworu.

Mocne i słabe strony

Metoda grawimetryczna, podobnie jak wszystkie inne metody badań substancji, ma swoje zalety i wady. Przede wszystkim wyróżnia się dużą dokładnością wyznaczania masy substancji w analizowanej próbce. Ponadto badanie nie wymaga skomplikowanego sprzętu i może być przeprowadzane w prawie każdym laboratorium. Ważne jest również to, że do analizy nie trzeba kalibrować instrumentów i przygotować serii standardowych rozwiązań.

Główną wadą grawimetrii jest czas trwania analizy. Uzupełnia potrzebę sprawdzenia jakości formularza wagi. Tak więc nie powinien zawierać zanieczyszczeń, a jego skład powinien być znany rzetelnie.

Wszystkie te zalety i wady grawimetrycznej metody analizy decydują o tym, że są one stosowane stosunkowo rzadko, jeśli jest to absolutnie konieczne. Na przykład służy do monitorowania wyników w wątpliwych przypadkach.

Zasady metody

Analiza grawimetryczna oparta jest na trzech fundamentalnych prawach chemii. Należą do nich:

1. Prawo ochrony masy: masa odczynniki są równe masie produktów reakcji.
2. Prawo stałości składu: ilościowy skład chemicznie czystych substancji nie zależy od sposobu ich przygotowania.
3. Ustawa równoważna: objętości roztworów dwóch różnych substancji reagujących ze sobą bez pozostałości są odwrotnie proporcjonalne do normalności tych roztworów, lub V ₁ / V ₂ = C _H2 / C _H1 lub V ₁ · C _H1 = V ₂ · C _H2 , gdzie C _H1 i C _H2 - normalności pierwszego i drugiego rozwiązania; V1 i V2 - wielkości pierwszego i drugiego rozwiązania.

Obszary zastosowania

Pomimo, że grawimetryczna metoda analizy ilościowej nie jest tak często stosowana, jest nieodzowna w niektórych przypadkach:

• do znajdowania mas atomowych;
• w określaniu higroskopijnej wilgoci i wody krystalizacyjnej;
• znaleźć ilościową zawartość jonów siarczanowych, SiO2, metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych w próbkach;
• ustalenie składu chemicznego syntetyzowanych substancji.

Rodzaje definicji wag

Ponieważ podczas grawimetrycznej metody analizy pojawia się powtarzany pomiar masy, oznaczenia ciężaru zazwyczaj dzielą się na trzy typy. Pierwszy obejmuje te, w których część, która ma zostać określona, ​​jest ilościowo izolowana od próbki poddawanej analizie i ważona. Na przykład określenie zawartości popiołu w węglu (popiół).

Drugi rodzaj wymaga usunięcia badanego składnika i zważenia pozostałości. W ten sposób zawartość wilgoci w materiałach mierzy się grawimetryczną metodą analizy. Istota metody polega na ważeniu próbki przed i po kalcynowaniu (lub suszeniu).

Trzeci rodzaj jest najtrudniejszy, ponieważ wymaga ilościowego związania mierzonego składnika z substancją chemiczną, którą można wyizolować i zważyć. W tym przypadku analizowany związek występuje w dwóch postaciach:

• grawimetryczne - związki, w których ważona jest badana część;
• wytrącony - związki, w których wytrąca się badana część.

Rodzaje grawimetrii

Charakterystyki grawimetrycznej metody analizy można podać z różnych powodów. Tak więc, zgodnie z typem podstawowej reakcji chemicznej, mogą zachodzić procesy rozkładu, podstawienia, wymiany lub tworzenia się kompleksów.

Zgodnie z metodą wytwarzania osadu i jego separacji, metody grawimetryczne dzielą się na:

• Metody osadzania. Badany składnik roztworu reaguje ze środkiem strącającym i tworzy słabo rozpuszczalny produkt, który oddziela się, myje, suszy i waży.
• Metody destylacji. Badany komponent oddziela się od analizowanej próbki, przekształcając ją w stan gazowy i mierzy się masę substancji po destylacji lub masę pozostałości.
• Metody termograwimetryczne. Istotą tej metody analizy grawimetrycznej jest pomiar masy analitu podczas podgrzewania. Wymaga specjalnego urządzenia - pochodnej, która jest w stanie stale rejestrować zmianę masy substancji podczas procesu ogrzewania.
• Metody selekcji. Badany składnik jest oddzielany od roztworu, na przykład za pomocą elektrolizy na elektrodzie, którą waży się przed i po zanurzeniu w roztworze.

Ważenie

Pierwszą z głównych operacji grawimetrycznej metody analizy jest pobranie próbki. Błąd ciężaru analitycznego stosowanego w tej procedurze musi wynosić co najmniej 0,0001 g. Aby uzyskać dokładną wagę, należy zastosować jedną z dwóch metod.

1. Zważyć czystą, suchą butelkę wagową na wadze analitycznej (lub innym odpowiednim pojemniku chemicznym), a następnie umieścić na technicznej skali ważenia, wlać do niej analit z dokładnością 0,01 g. Następnie ponownie zważyć napełnione wagę na wadze analitycznej. Różnica w wartościach masy pustych i pełnych buksów daje masę próbki. Aby przenieść badaną substancję do szkła, najpierw ostrożnie wylej ją, a następnie zmyj cząsteczki pozostałe na ściankach butelki z podkładką rozpuszczalnikiem.
2. Pustą butelkę wypełnioną analizowaną substancją waży się na skalę techniczną. Następnie napełnioną rurkę waży się na wadze analitycznej. Następnie wylać substancję do zlewki lub kolby i zważyć pustą rurkę na wadze analitycznej. Masę próbki określa się na podstawie różnicy dwóch ważeń na wadze analitycznej.

Rozpuszczanie

Wybór rozpuszczalnika jest jednym z ważnych etapów grawimetrycznej metody analizy. Woda w tym przypadku nie jest jedynym właściwym rozwiązaniem. Główny warunek tutaj powinien być nazwany maksymalnym możliwym rozpuszczeniem, a do tego konieczne jest oparcie na składzie chemicznym próbki. Często stosuje się do tych celów kwasy nieorganiczne lub ich mieszaniny, a także roztwory alkaliczne. Metale i ich stopy, tlenki, siarczki i inne sole są najczęściej rozpuszczane w stężonych lub rozcieńczonych kwasach.

Proces rozpuszczania próbki przeprowadza się w zlewce o odpowiedniej objętości. Ważne jest, aby zapobiec utracie substancji, które mogą wystąpić podczas rozpryskiwania roztworu z powodu nadmiernie aktywnej reakcji lub uwolnienia pęcherzyków gazu. Rozpuszczalnik należy dodawać stopniowo, małymi porcjami, wlewając go do wewnętrznej ściany szklanki. Czasami, aby przyspieszyć proces rozpuszczania zawartość szkła jest podgrzewana.

W niektórych przypadkach substancja nie może zostać przeniesiona do roztworu przy użyciu ciekłych odczynników. Następnie używają płynów, z którymi próbka jest łączona przed rozpuszczeniem.

Opady

Ten etap jest odbiciem istoty metody analizy grawimetrycznej. W skrócie, metodę osadzania można opisać jako reakcję chemiczną, której towarzyszy tworzenie nierozpuszczalnej substancji. Jako środki strącające stosuje się zarówno związki nieorganiczne, jak i organiczne. Do prawidłowego osadzania konieczne jest:

• zminimalizować straty związane z rozpuszczeniem wytrąconego osadu;
• aby uniknąć pojawienia się zanieczyszczeń w osadach, które mogą wystąpić w wyniku ich adsorpcji, okluzji lub współstrącania;
• uzyskać dość duże cząstki, które nie mogą przejść przez pory filtra.

Osadzanie prowadzi się w szkłach chemicznych, najczęściej z rozcieńczonych gorących roztworów przez powolne dodawanie środka strącającego przy ciągłym mieszaniu roztworu. Filtr jest umieszczany w biurecie zamocowanej na statywie (rzadziej dodawanej za pomocą pipety). Analizowane rozwiązanie doprowadza się do pożądanej objętości i ogrzewa, próbując nie doprowadzić do wrzenia. Włóż szklany pręt z gumową końcówką do szklanki i umieść ją pod biureczką w taki sposób, aby końcówka biurety znajdowała się wewnątrz szkła. Następnie dodaje się kroplami środek strącający z ciągłym mieszaniem. Następnie są przekonani o całkowitym wytrąceniu, umożliwiając osiadaniu osadu i dodaniu kilku kropel środka strącającego do klarowanego roztworu. Jeśli nie ma zmętnienia w miejscach, w których spadają krople, to opady opadły w całości.

Mechanizm opadów

Prawidłowy przebieg tego procesu znacząco wpływa na wyniki grawimetrycznej metody analizy. Krótko mówiąc, jego istotę można opisać na kilku etapach:

• Na początku powstają maleńkie kryształy zarodkowe, które nie są jeszcze zdolne do wytrącenia z powodu ich małej masy. Ich liczba zależy od stężenia roztworu i rozpuszczalności substancji. Im mniejsza rozpuszczalność, tym większa liczba zarodków. Na ich liczbę ma również wpływ szybkość mieszania roztworów. Dzięki szybkiemu odwodnieniu stężonych roztworów utworzą się liczne kryształy podobne do zarodków i utworzy się drobnokrystaliczny osad. Jeśli roztwory zostaną rozcieńczone, a ich szybkość mieszania jest niska, wówczas centra krystalizacji będą niewielkie, ale powstałe kryształy będą rosły dość duże.
• Kryształy zarodków są powiększane, co może wystąpić przy tworzeniu krystalicznych lub amorficznych osadów. Jeżeli substancja jest uwalniana na powierzchni kryształów germinalnych, czemu towarzyszy ich stopniowy wzrost, powstaje krystaliczny osad. Jeśli kryształy zarodkowe łączą się ze sobą w większe cząstki, otrzymuje się amorficzny osad. Amorficzne agregaty mogą rosnąć w krystaliczny.
• Osadzanie się krystalicznych lub bezpostaciowych struktur na dnie chemicznego szkła.

Separacja osadów

Ten proces przeprowadza się przez filtrowanie roztworu. Zrób to po jego dojrzewaniu lub po depozycji. Jako sprzęt i materiały wykorzystano tygle filtracyjne i bezpopiołowe filtry papierowe.

Stosowane są dwa rodzaje tygli filtracyjnych: porcelana i szkło. Dno pierwszych jest nieoszklane i porowate, a w zależności od średnicy porów różnią się one liczbą. Dno szklanych filtrów to porowata szklana płytka o różnych rozmiarach porów. Zazwyczaj przemywanie tygli i filtrowanie osadów za ich pośrednictwem odbywa się przy oddzielaniu cieczy pod próżnią.

Częściej w grawimetrycznej metodzie analizy stosowane są specjalne filtry papierowe. Z uwagi na fakt, że papier jest wysoce higroskopijny, ważenie placka filtracyjnego jest błędne. Dlatego filtr i osad na nim są umieszczane w tyglu i spalane. Ponieważ popiół z filtrów pozostaje wyjątkowo mały (około 0,1 g), są one nazywane bezpopiołowo. Konieczne jest jednak wprowadzenie w odpowiednim czasie zmian w ich stosowaniu, biorąc pod uwagę znaną masę popiołu. Takie filtry mogą mieć różne gęstości i wielkości porów. Jest to oznaczone kolorem taśmy na stosie filtrów.

Najbardziej gęste filtry z niebieską wstążką są stosowane do precypitacji drobnokrystalicznej. Filtry o średniej gęstości z białym paskiem - dla średnich. Najmniej gęste filtry z czarną lub czerwoną wstążką są odpowiednie do filtrowania krystalicznych i amorficznych osadów. Wielkość filtra należy dobrać odpowiednio do objętości osadu, tak aby zajmował nie więcej niż połowę filtra stożkowego.

Podczas filtrowania klarowny roztwór jest najpierw przepuszczany przez bibułę filtracyjną. Krystaliczne osady, które łatwo można przefiltrować, można myć bezpośrednio na filtrze. Przed przeniesieniem do filtra, bezpostaciowe galaretowate osady są przemywane przez dekantację, przez spuszczenie przezroczystej cieczy myjącej powyżej osadu przez filtr i mieszanie osadu z płynem do mycia i ponowne opróżnianie. Na filtrze oddzielony osad przemywa się również małymi porcjami cieczy myjącej. Aby przenieść do filtra tę część osadu, która przylgnęła do szklanego lub szklanego pręta, delikatnie przepłucz szklankę zawierającą pozostałą pozostałość, patyczek i szklankę z myjki. Następnie, za pomocą małego kawałka bezpopiołowego filtra, wytrzyj różdżkę, próbując usunąć cząstki osadu i dodaj ją do osadu na filtrze.

Osad na filtrze przemywa się 3-4 razy, przy czym odstęp czasowy jest wystarczający, aby ciecz całkowicie spłynęła. Następnie odpowiedni odczynnik sprawdza kompletność przemywania osadu. Po całkowitym przemyciu cieczy myjącej, osad z filtrem delikatnie suszy się w suszarce bezpośrednio na lejku w temperaturze 100-150 ° C. Filtr powinien pozostać lekko wilgotny. Jego krawędzie są oddzielone od lejka łopatką, całkowicie pokrywając osad. Następnie filtr z osadem usuwa się z lejka i umieszcza w tyglu, który wcześniej był ważony.

Suszenie

Po doprowadzeniu tygla zawierającego osad i filtr do stałej masy umieszcza się go w trójkącie porcelanowym umieszczonym na pierścieniu statywu w piecu muflowym. Ogrzewanie jest wolne. W przypadku szybkiego nagrzewania, cząsteczki osadu mogą być uwalniane z parującą wilgocią. Po całkowitym usunięciu płynu, zwiększa się ogrzewanie, aby stopniowo karbonizować filtr. Ważne jest, aby wybrać temperaturę, w której papier jest zwęglony, ale nie ulega zapłonowi, aby nie przenosić cząstek materii z tygla. Po kalcynowaniu i usunięciu filtra tygiel umieszcza się w eksykatorze i chłodzi do temperatury pokojowej. Następnie kalcynowanie jest ważone i powtarzane. Zrób to tyle razy, ile potrzeba, aby uzyskać stałą masę.

Obliczenia

Równie ważną częścią grawimetrycznej metody analizy są obliczenia. Ponieważ proces ten jest wieloetapowy i zwykle stosuje się kilka odczynników, konieczne jest matematyczne potwierdzenie dopuszczalnych mas i objętości. Do przeprowadzenia badań konieczne jest obliczenie:

• rozmiar zaczepu;
• ilość środka strącającego lub rozpuszczalnika, w zależności od metody analizy;
• ilość płynu do mycia;
• wyniki badań.

Metody i formuły są wyszczególnione w Shapiro w podręczniku chemii analitycznej i grawimetrycznej metodzie analizy. Dokładność każdego z tych elementów jest nieco inna. Pierwsze trzy są obliczane w przybliżeniu, a wyniki analizy są obliczane do dziesiętnych ułamków gramów.

Przetwarzanie wyników

W zależności od wybranej metodologii i celów badawczych grawimetryczna metoda analizy pozwala określić ilość jednego lub kilku składników badanej próbki, a także przeprowadzić analizę elementarną związku. Często dane są gotowe do podania w celu ustalenia wzoru związku. Wyniki definicji są najczęściej wyrażane w procentach. Na przykład przy analizie stopów wynik jest opisany przez listę pierwiastków chemicznych (% Fe,% Mn itd.). Badania skał wyrażane są w postaci tlenków ich składników (% SiO ₂ ,% Fe ₂ O ₃ itd.).

Następnie, gdy wybrana część próbki zostanie wybrana w tej samej formie co w próbce, jej zawartość x zostanie znaleziona wzorem: x = (m ₀ · 100) / m _n , gdzie m ₀ jest masą wybranej części; m _n - zaczep.

Udział masowy określony składnik w próbce ω oblicza się za pomocą wzoru: ω = (m _grav.f · F · 100) / m _n .

Wyprowadzenie formuły

Jeśli celem grawimetrycznej metody analizy związku jest wyprowadzenie wzoru, to uzyskane dane na temat pierwiastków dodaje się do stosunku:

a / M _a : b / M _b : c / M _c ,

gdzie a, b i c są masowymi frakcjami chemicznych pierwiastków A, B i C, a M _a , Mb i M _c są ich molowymi masami. Wynikowe ułamkowe proporcje dają liczbę całkowitą.