Гравиметричен метод на анализ: природата и характеристиките

Един от най-достъпните методи за изучаване на веществата в аналитичната химия е гравиметрията. Основното, на което се основава гравиметричният метод за анализ, е точното измерване на масата на съединението, което се определя, изолирано като вещество с известен състав или в елементарна форма. За тази цел се използват изпаряване, дестилация, сублимация или утаяване.

Същността на метода

Гравиметрията е важна за количествения анализ. Гравиметричният метод се състои в определяне на масата на даден компонент в анализираната проба. За тази цел се извършва точно претегляне на веществото в стабилна окончателна форма, в която се прехвърля измереният компонент. Трябва лесно да се разделят и претеглят.

Най-често водата се използва като разтворител в гравиметричен метод за анализ. И за да се изолира максималното количество от съединението, което трябва да се определи, получената утайка трябва да има минимална разтворимост в нея. Тъй като разтворимостта на солта е свързана с равновесната константа на процеса, тя може да бъде намалена чрез добавяне на стехиометричен излишък на преципитиращия реагент към разтвора.

Силни и слаби страни

Гравиметричният метод на анализ, както и всички други методи за изследване на веществата, има своите плюсове и минуси. На първо място, то се отличава с висока точност на определяне на масата на веществото в анализираната проба. В допълнение, проучването не изисква сложно оборудване и може да се извърши в почти всяка лаборатория. Важно е и фактът, че за анализа не е необходимо да се калибрират инструментите и да се подготвят редица стандартни решения.

Основният недостатък на гравиметрията е продължителността на анализа. Допълва необходимостта от проверка на качеството на теглото. Така че, той не трябва да съдържа примеси, а съставът му трябва да се знае надеждно.

Всички тези предимства и недостатъци на гравиметричния метод на анализ определят факта, че те се използват сравнително рядко, ако това е абсолютно необходимо. Например, той се използва за наблюдение на резултатите в съмнителни случаи.

Принципи на метода

Гравиметричният анализ се основава на три основни закона на химията. Те включват:

1. Закон за опазване на масата: маса Реагентите са равни на масата на реакционните продукти.
2. Законът за постоянството на състава: количественият състав на химически чистите вещества не зависи от метода на тяхното получаване.
3. Закон за еквивалентите: обемите на разтворите на две различни вещества, реагиращи една с друга без остатък, са обратно пропорционални на нормалностите на тези разтвори, или V ₁ / V ₂ = C _H2 / C _H1, или V ₁ · C _H1 = V ₂ · C _H2 , където C _H1 и C _H2 - нормалности на първия и втория разтвор; V1 и V2 - обеми на първия и втория разтвор.

Области на приложение

Въпреки че гравиметричният метод за количествен анализ не се използва толкова често, той е задължителен в някои случаи:

• за намиране на атомни маси;
• при определяне на хигроскопичната влага и кристализационна вода;
• да се намери количественото съдържание на сулфатни йони, SiO2, алкални и алкалоземни метали в проби;
• да се установи химичният състав на синтезираните вещества.

Видове определения на теглото

Тъй като при гравиметричния метод на анализ се извършва повторно измерване на масата, определянето на теглото обикновено се разделя на три типа. Първият включва тези, в които частта, която трябва да се определи, е количествено изолирана от пробата, която се анализира и претегля. Например определянето на съдържанието на пепел в въглищата (пепелта).

Вторият тип изисква отстраняване на определения компонент и претегляне на остатъка. По този начин съдържанието на влага в материалите се измерва чрез гравиметричен метод за анализ. Същността на метода се състои в претегляне на пробата преди и след калцинирането (или сушенето).

Третият тип е най-труден, тъй като изисква количествено свързване на измерения компонент в химично вещество, което може да бъде изолирано и претеглено. В този случай анализираното съединение съществува в две форми:

• гравиметрични - съединения, под формата на които се претегля тестваната част;
• утаени съединения, под формата на които се утаява изследваната част.

Видове гравиметрия

Характеристиките на гравиметричния метод за анализ могат да бъдат дадени на различни основания. По този начин, в зависимост от типа на основната химическа реакция, могат да протичат процесите на разлагане, заместване, обмен или образуване на комплекси.

Съгласно метода за производство на утайки и неговото разделяне, гравиметричните методи се разделят на:

• Методи на отлагане. Изследваният компонент на разтвора реагира с утаител и образува слабо разтворим продукт, който се отделя, промива, суши и претегля.
• Методи за дестилация. Изследваният компонент се отделя от анализираната проба, превръща се в газообразно състояние и се измерва масата на веществото след дестилацията или масата на остатъка.
• Термогравиметрични методи. Същността на този метод на гравиметричен анализ е да се измери масата на аналита при нагряване. Той изисква специално устройство - дериватограф, който е в състояние непрекъснато да записва промяната в масата на веществото по време на процеса на нагряване.
• Методи за подбор. Изследваният компонент се отделя от разтвора, например, чрез електролиза върху електрод, който се претегля преди и след потапяне в разтвора.

претегляне

Първата от основните операции на гравиметричния метод на анализ е вземане на проба. Грешката на аналитичните тегла, използвани за тази процедура, трябва да бъде най-малко 0,0001 г. За да се получи точно тегло, трябва да използвате един от двата метода.

1. Претеглят се чиста, суха бутилка за претегляне върху аналитичната везна (или друг подходящ химически контейнер) и след това се поставят на технически тегловни везни, изсипват се аналита в него с точност до 0,01 g. Разликата в стойностите на теглото на празните и пълните букове ще даде маса на пробата. За да се прехвърли изпитваното вещество към стъклото, първо първо да се излее, след което се измиват частиците, останали по стените на бутилката от промивката с разтворител.
2. Празната бутилка, пълна с анализираното вещество, се претегля в техническа степен. След това напълнената тръба се претегля на аналитична везна. След това веществото се излива в чаша или колба и се претегля празната тръба на аналитичен вез. Теглото на пробата се открива от разликата между две претегляния на аналитичен вез.

разтваряне

Изборът на разтворител е един от важните етапи на гравиметричния метод за анализ. Водата в този случай не е единственото правилно решение. Тук основното условие трябва да се нарече максимално възможно разтваряне, като за това е необходимо да се основава на химичния състав на пробата. Често се използват за тези цели неорганични киселини или техни смеси, както и алкални разтвори. Така, метали и техните сплави, оксиди, сулфиди и други соли най-често се разтварят в концентрирани или разредени киселини.

Процесът на разтваряне на пробата се извършва в бехерова чаша с подходящ обем. Важно е да се предотврати загубата на вещества, които могат да възникнат при пръскане на разтвора поради прекалено активна реакция или освобождаване на газови мехурчета. Разтворителят трябва да се добавя постепенно, на малки порции, като се излива върху вътрешната стена на стъклото. Понякога за ускоряване на процеса на разтваряне съдържанието на стъклото се нагрява.

В някои случаи веществото не може да бъде прехвърлено в разтвора чрез използване на течни реагенти. След това прибягват до използване на течности, с които изследваната проба се разтопява преди разтваряне.

утаяване

Този етап е отражение на същността на метода на гравиметричния анализ. Накратко, методът на отлагане може да бъде описан като химическа реакция, придружена от образуването на неразтворимо вещество. Като утаители се използват както неорганични, така и органични съединения. За правилното отлагане е необходимо:

• минимизиране на загубите, свързани с разтварянето на утаената утайка;
• за да се избегне появата на примеси в седимента, които могат да възникнат в резултат на тяхната адсорбция, оклузия или съ-утаяване;
• получават доста големи частици, които не могат да преминат през порите на филтъра.

Отлагането се извършва в химически стъкла, най-често от разредени горещи разтвори чрез бавно добавяне на утаителя при непрекъснато разбъркване на разтвора. Утаителят се поставя в бюрета, фиксирана на статив (по-рядко се добавя с пипета). Анализираният разтвор се довежда до желания обем и се нагрява, като се опитва да не заври. Поставете стъклена пръчка с гумен накрайник в чашата и я поставете под бюретата по такъв начин, че върхът на бюретата да е вътре в стъклото. След това утайката се прибавя на капки при непрекъснато разбъркване. След това те са убедени в пълното утаяване, като оставят утайката да се утаи и добавят няколко капки утаител към избистрения разтвор. Ако в местата, където пада капки, няма мътност, то валежите са преминали изцяло.

Механизъм за утаяване

Правилният ход на този процес значително влияе върху резултатите от гравиметричния метод на анализ. Накратко, неговата същност може да бъде описана в няколко етапа:

• Отначало се образуват малки зародишни кристали, които все още не могат да се утаят поради ниското си тегло. Броят им зависи от концентрацията на разтвора и разтворимостта на веществото. Колкото по-малка е разтворимостта, толкова по-голям е броят на ембрионите. Броят им също се влияе от скоростта на смесване на разтворите. Така с бързото източване на концентрирани разтвори ще се образуват многобройни зародишни кристали и ще се образува фино-кристална утайка. Ако разтворите се разреждат и скоростта им на смесване е ниска, тогава центровете за кристализация ще бъдат малко, но получените кристали ще станат доста големи.
• Кристалите на ембриона се увеличават, което може да се случи с образуването на кристални или аморфни утайки. Ако на повърхността на зародишните кристали се отделя вещество, което е съпроводено с постепенно нарастване, се образува кристална утайка. Ако зародишните кристали се съберат заедно в по-големи частици, се получава аморфна утайка. Аморфните агрегати могат да прераснат в кристални.
• Утаяване на кристални или аморфни структури на дъното на химически стъклени съдове.

Разделяне на утайки

Този процес се извършва чрез филтриране на разтвора. Направете го или след узряването му, или след отлагането. Като оборудване и материали се използват филтриращи тигли и безсърдечни хартиени филтри.

Използват се два вида филтърни тигели: порцелан и стъкло. Дъното на първите е неглазирано и поресто, а в зависимост от диаметъра на порите се различават по брой. Дъното на стъклените филтри е пореста стъклена плоча с различни размери на порите. Обикновено, промиването на тигелите и филтрирането на утайките през тях се извършва с отделяне на течността под вакуум.

По-често в гравиметричен метод на анализ се използват специални хартиени филтри. Поради факта, че хартията е силно хигроскопична, претеглянето на филтърния кейк е погрешно. Следователно, филтърът и утайката върху него се поставят в тигел и се изгарят. Тъй като след това пепелта от филтрите остава изключително малка (около 0,1 g), те се наричат ​​без пепел. Въпреки това е необходимо да се направи своевременно изменение на тяхното използване, като се вземе предвид известната маса на пепелта. Такива филтри могат да бъдат с различна плътност и размери на порите. Това е маркирано с цвета на лентата върху купа филтри.

Най-плътните филтри със синя лента се използват за фино кристални утаявания. Филтри със средна плътност с бяла ивица - за средни. Най-малко плътните филтри с черна или червена лента са подходящи за филтриране на кристални и аморфни утайки. Размерът на филтъра трябва да се избере според обема на утайката, така че да заема не повече от половината от конусовидния филтър.

По време на филтриране, през филтърната хартия първо се пропуска бистър разтвор. Кристалните утайки, които са лесно филтрирани, могат да бъдат измити директно върху филтъра. Преди да се прехвърлят във филтъра, аморфните желатинови утайки се промиват чрез декантиране, чрез пресушаване на чистата промивна течност над утайката през филтър и разбъркване на утайката с промивна течност и повторно източване. На филтъра, отделената утайка също се промива на малки порции от промивната течност. За да се прехвърли към филтъра, тази част от утайката, която е залепнала за стъклото или стъклената пръчка, внимателно се изплаква върху стъклото, съдържащо остатъка, пръчката и стъклото от шайбата. След това, с малко парче пепелен филтър, избършете пръчката, опитвайки се да отстраните частиците от седимента, и я добавете към утайката върху филтъра.

Утайката върху филтъра се промива 3-4 пъти, с времеви интервал, достатъчен за пълното изтичане на течността. След това, подходящ реагент проверява пълнотата на промиване на утайката. След пълното промиване на промивната течност, утайката с филтъра се суши леко в сушилен шкаф директно върху фуния при 100-150 ° С. След това филтърът трябва да остане леко влажен. Ръбовете му са отделени от фунията с шпатула, като покриват седимента с тях напълно. След това филтърът с утайката се отстранява от фунията и се поставя в тигел, който преди това се претегля.

сушене

След като тигелът, съдържащ утайка и филтъра, се доведе до постоянно тегло, той се поставя в триъгълник от порцелан, поставен на триножник в муфелна пещ. Отоплението е бавно. В случай на бързо загряване, частиците от утайката могат да се отделят с изпаряваща се влага. След пълното отстраняване на течността, нагряването се увеличава, за да се постигне постепенно карбонизиране на филтъра. Важно е да се избере температура, при която хартията се овъгли, но не се запалва, за да не се пренасят частици от материята от тигела. След калциниране и отстраняване на филтъра, тигелът се поставя в ексикатор и се охлажда до стайна температура. След това калцинирането се претегля и се повтаря. Направете го толкова пъти, колкото е необходимо, за да се получи постоянна маса.

селища

Също толкова важна част от гравиметричния метод за анализ са изчисленията. Тъй като този процес е многостепенен и обикновено се използват няколко реагента, е необходима математическа обосновка на приемливите маси и обеми. За провеждане на изследвания е необходимо да се изчисли:

• размер на прикачното устройство;
• количеството утаител или разтворител, в зависимост от метода за анализ;
• количеството на измиващата течност;
• резултатите от изследванията.

Методите и формулите са описани подробно в Шапиро в учебник по аналитична химия и гравиметричен метод за анализ. Точността на всеки от тези елементи е малко по-различна. Първите три се изчисляват приблизително, а резултатите от анализа се изчисляват до десетични дроби от грамове.

Резултати от обработката

В зависимост от избраната методология и изследователски цели гравиметричният метод на анализ позволява да се определи количеството на един или няколко компонента в изследваната проба, както и да се проведе елементарен анализ на съединението. Често данните са готови да служат за установяване на формулата на съединение. Резултатите от определенията най-често се изразяват като процент. Например, когато се анализират сплави, резултатът се описва със списък от химични елементи (% Fe,% Mn и др.). Изследването на скалите се изразява под формата на съставните им оксиди (% SiO2,% Fe2O3 и др.).

Тогава, когато определената част от пробата е избрана в същата форма, както в пробата, съдържанието му x се намира по формулата: x = (m ₀ · 100) / m _n , където m ₀ е масата на избраната част; m _n - сцепка.

Масова фракция определената компонента в пробата ω се изчислява по формулата: ω = (m _grav.f · F · 100) / m _n .

Извличане на формулата

Ако целта на гравиметричния метод за анализ на съединение е да се извлече формула, тогава получените данни за елементите се добавят към съотношението:

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

където a, b и c са масовите фракции на химичните елементи A, B и C, а M _a , M _b и M _c са техните моларни маси. Получените фракционни пропорции водят до цяло число.