Войти
 Аналитические весы | |
| Классификация | Гравиметрические |
|---|---|
| Аналиты | Твердые вещества. Жидкости |
| Другие методы | |
| Связанные | Осаждение. Титрование |
Гравиметрический анализ описывает набор методов, используемых в аналитической химии для количественного определения аналит (анализируемый ион) в зависимости от его массы. Принцип этого типа анализа заключается в том, что после определения массы иона как уникального соединения это известное измерение может быть использовано для определения массы того же аналита в смеси, если известны относительные количества других составляющих..
Четыре основных типа этого метода анализа: осаждение, улетучивание, электроаналитический и прочие физические методы. Эти методы включают изменение фазы аналита для отделения его в чистом виде от исходной смеси и являются количественными измерениями.
Метод осаждения используется для определение количества кальция в воде. Используя этот метод, избыток щавелевой кислоты H 2C2O4добавляют к измеренному известному объему воды. При добавлении реагента , в данном случае оксалата аммония, кальций будет выпадать в осадок в виде оксалата кальция. Подходящий реагент при добавлении к водному раствору будет давать очень нерастворимые осадки положительных и отрицательных ионов, которые в противном случае были бы растворимы с их аналогами (уравнение 1).
Реакция:
Образование оксалата кальция:
Ca(водн.) + C 2O4→ CaC 2O4
Осадок собирают, сушат и поджигают до высокой температуры (красного), которая полностью превращает его в оксид кальция.
В результате образуется чистый оксид кальция
CaC 2O4→ CaO (s) + CO (г) + CO 2(g)
Чистый осадок охлаждают, затем измеряют путем взвешивания, и разница в весе до и после показывает массу потерянного аналита, в данном случае оксида кальция. Затем это число можно использовать для расчета его количества или процентной концентрации в исходной смеси.
В методах улетучивания удаление аналита включает разделение нагревание или химическое разложение летучего образца при подходящей температуре. Другими словами, для осаждения летучих веществ используется тепловая или химическая энергия. Например, содержание воды в соединении можно определить путем испарения воды с использованием тепловой энергии (тепла). При наличии кислорода также можно использовать тепло для сжигания, чтобы изолировать подозрительные частицы и получить желаемые результаты.
Два наиболее распространенных гравиметрических метода с улетучиванием - это методы для воды и углекислого газа. Примером этого метода является выделение гидрокарбоната натрия (основного ингредиента большинства антацидных таблеток) из смеси карбоната и бикарбоната. Общее количество этого аналита в любой форме получается добавлением избытка разбавленной серной кислоты к аналиту в растворе.
В этой реакции газообразный азот вводят через трубку в колбу, содержащую раствор. Проходя сквозь него, он мягко пузырится. Затем газ выходит, сначала пропуская осушающий агент (здесь CaSO 4, обычный осушающий дриерит). Затем он пропускает смесь осушающего агента и гидроксида натрия, которая лежит на асбесте или аскарите II, неволокнистом силикате, содержащем гидроксид натрия. Массу диоксида углерода получают путем измерения увеличения массы этого абсорбента. Это выполняется путем измерения разницы в весе трубки, в которой содержался аскарит, до и после процедуры.
Сульфат кальция (CaSO 4) в трубке избирательно удерживает диоксид углерода при нагревании и, таким образом, удаляется из раствора. Осушающий агент абсорбирует любую воду в виде аэрозоля и / или водяной пар (реакция 3.). Смесь осушающего агента и NaOH абсорбирует CO 2 и любую воду, которая могла образоваться в результате абсорбции NaOH (реакция 4.).
Реакции протекают. :
Реакция 3 - абсорбция воды
NaHCO 3(водн.) + H 2SO4(водн.) → CO 2(g) + H 2O(1) + NaHSO 4(водн.).
Реакция 4. Поглощение CO 2 и остаточной воды
CO2(г) + 2 NaOH (s) → Na2CO3(s) + H 2O(l).
Методы улетучивания могут быть прямыми или косвенными. Вода, количественно удаленная из многих неорганических веществ путем воспламенения, является примером прямого определения. Он собирается на твердом осушителе, и его масса определяется увеличением массы осушителя.
Другой метод прямого испарения включает карбонаты, которые обычно разлагаются с выделением диоксида углерода при использовании кислот. Поскольку диоксид углерода легко выделяется при нагревании, его масса напрямую определяется измеренным увеличением массы используемого абсорбирующего твердого вещества.
Определение количества воды путем измерения потери массы образца при нагревании - пример косвенного метода. Хорошо известно, что изменение массы происходит из-за разложения многих веществ при воздействии тепла, независимо от наличия или отсутствия воды. Поскольку необходимо исходить из предположения, что вода была единственным потерянным компонентом, этот метод менее удовлетворителен, чем прямые методы.
Это часто ошибочное и вводящее в заблуждение предположение неоднократно оказывалось неверным. Есть много других веществ, помимо потери воды, которые могут привести к потере массы при добавлении тепла, а также ряд других факторов, которые могут этому способствовать. Увеличенная погрешность, создаваемая этим слишком часто ложным предположением, нельзя игнорировать, поскольку последствия могут быть далеко идущими.
Тем не менее, косвенный метод, хотя и менее надежен, чем прямой, по-прежнему широко используется в торговле. Например, он используется для измерения содержания влаги в зерновых, где для этой цели доступен ряд неточных и неточных инструментов.
.
Кусок руды должен быть проанализирован на содержание серы. Его обрабатывают концентрированной азотной кислотой и хлоратом калия для превращения всей серы в сульфат (SO. 4). Нитрат и хлорат удаляются обработкой раствора концентрированной HCl. Сульфат осаждают барием (Ba) и взвешивают как BaSO 4.
Гравиметрический анализ при тщательном соблюдении методов обеспечивает чрезвычайно точный анализ. Фактически, гравиметрический анализ использовался для определения атомных масс многих элементов периодической таблицы с шестизначной точностью. Гравиметрия дает очень мало места для инструментальной погрешности и не требует ряда стандартов для расчета неизвестного. Кроме того, методы часто не требуют дорогостоящего оборудования. Гравиметрический анализ, благодаря своей высокой степени точности, при правильном выполнении может также использоваться для калибровки других инструментов вместо эталонов. Гравиметрический анализ в настоящее время используется, чтобы позволить студентам бакалавриата химии / биохимии испытать лабораторию уровня магистра, и это высокоэффективный инструмент обучения для тех, кто хочет посещать медицинскую школу или любую исследовательскую аспирантуру.
Гравиметрический анализ обычно предусматривает анализ только одного элемента или ограниченной группы элементов за раз. Сравнение современного динамического мгновенного сжигания в сочетании с газовой хроматографией с традиционным анализом горения покажет, что первый является более быстрым и позволяет одновременно определять несколько элементов, в то время как традиционное определение позволяет определять только углерод и водород. Методы часто бывают запутанными, и небольшое отклонение от процедуры часто может означать катастрофу для анализа (например, образование коллоидов в осадочной гравиметрии). Сравните это с надежными методами, такими как спектрофотометрия, и вы обнаружите, что анализ этими методами намного эффективнее.
После соответствующего растворения образца для успешной гравиметрической процедуры необходимо выполнить следующие этапы:
1. Приготовление раствора: это может включать несколько этапов, включая регулировку pH раствора для количественного образования осадка и получения осадка с желаемыми свойствами, устранение помех, регулирование объема образца в соответствии с количеством осаждающего агента. быть добавленным.
2. Осаждение: для этого необходимо добавить раствор осадителя к раствору образца. При добавлении первых капель осаждающего агента происходит перенасыщение, затем начинается зародышеобразование, когда каждые несколько молекул осадка объединяются вместе, образуя ядро. На этом этапе добавление дополнительного осаждающего агента приведет либо к образованию новых ядер, либо к накоплению на существующих ядрах с образованием осадка. Это можно предсказать с помощью соотношения фон Веймарна, где, согласно этому соотношению, размер частиц обратно пропорционален величине, называемой относительным перенасыщением, где
Относительное перенасыщение = (Q - S) / S
Q - это концентрация реагентов до осаждения, S - растворимость осадка в среде, из которой он осаждается. Следовательно, чтобы получить рост частиц вместо дальнейшего зарождения, мы должны сделать относительное пересыщение как можно меньшим. Оптимальные условия для осаждения, которые уменьшают пересыщение, следующие:
a. Осаждение с использованием разбавленных растворов для уменьшения Q b. Медленное добавление осаждающего агента, чтобы поддерживать Q как можно ниже c. Перемешивание раствора во время добавления осаждающего агента, чтобы избежать участков концентрации и сохранить низкий Q d. Увеличить растворимость путем осаждения из горячего раствора e. Отрегулируйте pH, чтобы увеличить S, но не слишком сильно увеличивать np, так как мы не хотим терять осадок при растворении f. Обычно добавляют небольшой избыток осаждающего агента для количественного осаждения и проверяют полноту осаждения
3. Переваривание осадка: осадок оставляют горячим (ниже точки кипения) от 30 минут до одного часа для переваривания частиц. Переваривание включает растворение мелких частиц и повторное осаждение более крупных, что приводит к росту частиц и лучшим характеристикам осадка. Этот процесс называется созреванием Оствальда. Важное преимущество разложения наблюдается для коллоидных осадков, когда большие количества адсорбированных ионов покрывают огромную площадь осадка. Переваривание заставляет маленькие коллоидные частицы агломерироваться, что уменьшает их площадь поверхности и, следовательно, адсорбцию. Вы должны знать, что адсорбция является серьезной проблемой в гравиметрии в случае коллоидного осадка, поскольку осадок имеет тенденцию адсорбировать свои собственные ионы, присутствующие в избытке, поэтому образуя так называемый первичный ионный слой, который притягивает ионы из раствора, образуя вторичный или противоион. слой. Отдельные частицы отталкиваются друг от друга, сохраняя коллоидные свойства осадка. Коагуляция частиц может быть вызвана либо перевариванием, либо добавлением высокой концентрации раствора сильного электролита с различными ионами, чтобы защитить заряды коллоидных частиц и вызвать агломерацию. Обычно коагулированные частицы возвращаются в коллоидное состояние при промывании водой, этот процесс называется пептизацией.
4. Промывка и фильтрация осадка: очень важно тщательно промыть осадок, чтобы удалить все адсорбированные частицы, которые могут добавить к массе осадка. Следует соблюдать осторожность и не использовать слишком много воды, так как часть осадка может выпасть. Кроме того, в случае коллоидных осадков не следует использовать воду в качестве промывочного раствора, поскольку это может привести к пептизации. В таких ситуациях можно использовать разбавленную азотную кислоту, нитрат аммония или разбавленную уксусную кислоту. Обычно рекомендуется проверять наличие осадителя в фильтрате конечного промывочного раствора. Наличие осадителя означает, что требуется дополнительная промывка. Фильтрацию следует проводить с использованием фильтровальной бумаги Gooch или розжига соответствующего размера.
5. Сушка и зажигание: цель сушки (нагрев примерно до 120-150 ° C в печи) или зажигания в муфельной печи при температуре в диапазоне 600-1200 ° C - получить материал с точно известной химической структурой, чтобы количество аналита можно точно определить.
6. Осаждение из гомогенного раствора: чтобы сделать Q минимальным, в некоторых ситуациях мы можем генерировать осаждающий агент в среде для осаждения, а не добавлять его. Например, чтобы осаждать железо в виде гидроксида, мы растворяем мочевину в образце. При нагревании раствора в результате гидролиза мочевины образуются ионы гидроксида. Ионы гидроксида образуются во всех точках раствора, поэтому места концентрации отсутствуют. Мы также можем регулировать скорость гидролиза мочевины и, таким образом, контролировать скорость образования гидроксида. Этот тип процедуры может быть очень полезен в случае коллоидных осадков.
Как и ожидалось из предыдущей информации, различные ионы оказывают экранирующее действие на диссоциированные ионы, что приводит к дополнительной диссоциации. Растворимость будет явно увеличиваться в присутствии различных ионов по мере увеличения произведения растворимости. Посмотрите на следующий пример:
Найдите растворимость AgCl (K sp = 1,0 x 10) в 0,1 M NaNO 3. Коэффициенты активности для серебра и хлорида составляют 0,75 и 0,76 соответственно.
Мы больше не можем использовать константу термодинамического равновесия (т.е. в отсутствие различных ионов), и мы должны учитывать константу равновесия концентрации или использовать активности вместо концентрации, если мы используем Kth :
Мы имеем рассчитал растворимость AgCl в чистой воде, равную 1,0 x 10 M, если мы сравним это значение с полученным в присутствии различных ионов, мы увидим% увеличения растворимости = {(1,3 x 10 - 1,0 x 10) / 1,0 x 10} x 100 = 30% Таким образом, мы снова имеем свидетельство увеличения диссоциации или сдвига равновесия вправо в присутствии различных ионов.
