Гравиметрический анализ
 | Эта статья написана как руководство или руководство . ( сентябрь 2013 г. ) |
 Аналитический баланс | |
| Классификация | Гравиметрический |
|---|---|
| Аналиты | Твердые вещества Жидкости |
| Другие методы | |
| Связанный | Осадки Титрование |
Гравиметрический анализ описывает набор методов, используемых в аналитической химии для количественного определения аналита ( анализируемого иона) по его массе. Принцип этого типа анализа заключается в том, что после того, как масса иона определена как уникальное соединение, это известное измерение может быть использовано для определения массы того же аналита в смеси, если известны относительные количества других компонентов. . [1]
Четырьмя основными типами этого метода анализа являются осаждение , улетучивание , электроаналитический и различные физические методы . [2] Методы предполагают изменение фазы аналита с целью отделения его в чистом виде от исходной смеси и являются количественными измерениями.
Метод осаждения
[ редактировать ]Метод осаждения используется для определения количества кальция в воде. избыток щавелевой кислоты H 2 C 2 O 4 При использовании этого метода к отмеренному известному объему воды добавляют . При добавлении реагента , в данном случае оксалата аммония, кальций выпадет в осадок в виде оксалата кальция. Правильный реагент, добавленный в водный раствор, будет давать крайне нерастворимые осадки из положительных и отрицательных ионов, которые в противном случае были бы растворимы со своими аналогами (уравнение 1). [3]
Реакция:
Образование оксалата кальция:
Что 2+ (водный) + C 2 O 4 2- → СаС 2 О 4
Осадок собирают, сушат и прокаливают до сильного (красного) тепла, в результате чего он полностью превращается в оксид кальция.
В результате реакции образуется чистый оксид кальция.
CaC 2 O 4 → CaO (т) + CO (г) + CO 2 (г)
Чистый осадок охлаждают, затем взвешивают, и разница в весе до и после показывает массу потерянного аналита, в данном случае оксида кальция. [4] [5] Затем это число можно использовать для расчета его количества или процентной концентрации в исходной смеси. [2] [4] [5]
Методы улетучивания
[ редактировать ]Методы волатилизации могут быть прямыми и косвенными . Вода, количественно отделенная от многих неорганических веществ при прокаливании, является примером прямого определения. Его собирают на твердом осушителе, а его массу определяют по приросту массы осушителя.
Другой метод прямого улетучивания включает карбонаты, которые обычно разлагаются с выделением углекислого газа при использовании кислот. Поскольку углекислый газ легко выделяется при нагревании, его массу непосредственно определяют путем измерения увеличения массы используемого твердого абсорбента. [6] [7]
Определение количества воды путем измерения потери массы образца при нагревании является примером косвенного метода. Хорошо известно, что изменения массы происходят вследствие разложения многих веществ при нагреве независимо от наличия или отсутствия воды. Поскольку необходимо сделать предположение, что вода была единственным потерянным компонентом, этот метод менее удовлетворителен, чем прямые методы.
Это часто ошибочное и вводящее в заблуждение предположение неоднократно оказывалось неверным. Существует множество веществ, помимо потери воды, которые могут привести к потере массы при добавлении тепла, а также ряд других факторов, которые могут этому способствовать. Расширенную погрешность, создаваемую этим слишком часто ложным предположением, нельзя легко игнорировать, поскольку последствия могут быть далеко идущими.
Тем не менее, косвенный метод, хотя и менее надежен, чем прямой, все же широко применяется в торговле. Например, он используется для измерения содержания влаги в зерновых, хотя для этой цели доступен ряд неточных и неточных приборов.
Типы методов улетучивания
[ редактировать ]В методах улетучивания удаление аналита включает разделение путем нагревания или химического разложения летучего образца при подходящей температуре. [2] [8] Другими словами, тепловая или химическая энергия используется для осаждения летучих веществ. [9] 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 виды и получить желаемые результаты.
Двумя наиболее распространенными гравиметрическими методами, использующими улетучивание, являются методы для воды и углекислого газа. [2] Примером этого метода является выделение гидрокарбоната натрия (основного ингредиента большинства антацидных таблеток) из смеси карбоната и бикарбоната. [2] Общее количество этого аналита в любой форме получают добавлением избытка разбавленной серной кислоты к аналиту в растворе.
В этой реакции газообразный азот вводится через трубку в колбу, содержащую раствор. Проходя через него, он мягко пузырится. Затем газ выходит, сначала проходя осушитель (в данном случае CaSO 4 , обычный осушитель дриерит ). Затем через него проходит смесь осушителя и гидроксида натрия, нанесенного на асбест или аскарит II , неволокнистый силикат, содержащий гидроксид натрия. [10] Массу диоксида углерода получают путем измерения увеличения массы этого поглотителя. [2] Это осуществляется путем измерения разницы веса пробирки, в которой содержался аскарит, до и после процедуры.
Сульфат кальция (CaSO 4 ) в трубке избирательно удерживает углекислый газ при нагревании и, таким образом, удаляется из раствора. Осушающий агент поглощает любую аэрозольную воду и/или водяной пар (реакция 3). Смесь осушителя и NaOH поглощает CO 2 и воду, которая могла образоваться в результате поглощения NaOH (реакция 4). [11]
Реакции:
Реакция 3 – поглощение воды
NaHCO 3 (водный) + H 2 SO 4 (водный) → CO 2 (г ) + H 2 O (ж) + NaHSO 4 (водный). [11]
Реакция 4. Поглощение CO 2 и остаточной воды.
CO 2 (г) + 2 NaOH (тв) → Na 2 CO 3 (тв) + H 2 O (л) . [11]
Процедура
[ редактировать ]- Проба растворяется, если она еще не находится в растворе.
- Раствор можно обработать, чтобы отрегулировать pH (чтобы образовался правильный осадок или чтобы подавить образование других осадков). Если известно, что присутствуют вещества, которые мешают (также образуя осадки в тех же условиях, что и аналит), образец может потребовать обработки другим реагентом для удаления этих мешающих веществ.
- Осадитель добавляют в концентрации, способствующей образованию «хорошего» осадка (см. ниже). Это может потребовать низкой концентрации, интенсивного нагревания (часто называемого «перевариванием») или тщательного контроля pH. Пищеварение может помочь уменьшить количество соосаждения .
- После того как осадок образовался и ему дали «перевариться», раствор тщательно фильтруют. Фильтр ; используется для сбора осадка более мелкие частицы труднее фильтровать.
- В зависимости от применяемой процедуры фильтр может представлять собой кусок беззольной фильтровальной бумаги в рифленой воронке или фильтрующий тигель . Фильтровальная бумага удобна тем, что обычно не требует очистки перед использованием; однако фильтровальная бумага может подвергаться химическому воздействию некоторых растворов (например, концентрированной кислоты или основания) и может порваться во время фильтрации больших объемов раствора.
- Альтернативой является тигель, дно которого сделано из пористого материала, например спеченного стекла, фарфора или иногда металла. Они химически инертны и механически стабильны даже при повышенных температурах. Однако их необходимо тщательно очищать, чтобы свести к минимуму загрязнение или перенос (перекрестное загрязнение). Тигли часто используются с матом из стеклянных или асбестовых волокон для улавливания мелких частиц.
- После фильтрации раствора его следует проверить, чтобы убедиться, что аналит полностью выпал в осадок. Это легко сделать, добавив несколько капель осаждающего реагента; если наблюдается осадок, то осаждение неполное.
- После фильтрации осадок, включая фильтровальную бумагу или тигель, нагревается или обугливается. Это обеспечивает следующее:
- Оставшаяся влага удаляется (сушка).
- Во-вторых, осадок преобразуется в более химически устойчивую форму. Например, ион кальция можно осаждать с помощью иона оксалата с получением оксалата кальция (CaC 2 O 4 ); затем его можно было бы нагреть, чтобы превратить в оксид (CaO). Крайне важно, чтобы была известна эмпирическая формула взвешенного осадка и чтобы осадок был чистым; если присутствуют две формы, результаты будут неточными.
- Осадок невозможно взвесить с необходимой точностью на фильтровальной бумаге; осадок не может быть полностью удален с фильтровальной бумаги для его взвешивания. Осадок можно осторожно нагревать в тигле до тех пор, пока фильтровальная бумага не сгорит; это оставляет только осадок. (Как следует из названия, «беззольную» бумагу используют для того, чтобы осадок не загрязнялся золой.)
- После того как осадку дают остыть (желательно в эксикаторе , чтобы он не впитывал влагу), его взвешивают (в тигле). Для расчета конечной массы аналита исходную массу пустого тигля вычитают из конечной массы тигля, содержащего образец. Поскольку состав осадка известен, рассчитать массу аналита в исходной пробе несложно.
Пример
[ редактировать ]Кусок руды подлежит анализу на содержание серы. Его обрабатывают концентрированной азотной кислотой и хлоратом калия, чтобы превратить всю серу в сульфат (SO 2−
4 ). Нитрат и хлорат удаляют обработкой раствора концентрированной HCl. Сульфат осаждают барием (Ba 2+ ) и весил как BaSO 4 .
Преимущества
[ редактировать ]Гравиметрический анализ при тщательном соблюдении методов обеспечивает чрезвычайно точный анализ. Фактически, гравиметрический анализ использовался для определения атомных масс многих элементов таблицы Менделеева с точностью до шести цифр. Гравиметрия дает очень мало места для инструментальных ошибок и не требует ряда стандартов для расчета неизвестного. Также методы зачастую не требуют дорогостоящего оборудования. Гравиметрический анализ, благодаря его высокой степени точности, при правильном выполнении также может использоваться для калибровки других приборов вместо эталонных стандартов. Гравиметрический анализ в настоящее время используется, чтобы позволить студентам бакалавриата по химии/биохимии работать в лаборатории аспирантуры, и это высокоэффективный инструмент обучения для тех, кто хочет поступить в медицинскую школу или любую исследовательскую аспирантуру.
Недостатки
[ редактировать ]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 метод быстрее и позволяет одновременно определять несколько элементов, тогда как традиционное определение позволяет определять только углерод и водород. Методы часто запутаны, и небольшая ошибка в процедуре часто может означать катастрофу для анализа (например, образование коллоида при гравиметрии осадков). Сравните это с надежными методами, такими как спектрофотометрия, и вы обнаружите, что анализ этими методами гораздо более эффективен.
Этапы гравиметрического анализа
[ редактировать ]После соответствующего растворения образца для успешной гравиметрической процедуры необходимо выполнить следующие шаги:
1. Приготовление раствора. Это может включать несколько этапов, включая регулировку pH раствора для количественного выпадения осадка и получения осадка с желаемыми свойствами, удаление помех, корректировку объема образца в соответствии с количеством необходимо добавить осадитель.
2. Осаждение. Для этого необходимо добавить раствор осадителя к раствору образца. При добавлении первых капель осадителя происходит пересыщение, затем начинает происходить нуклеация, при которой каждые несколько молекул осадка агрегируют вместе, образуя зародыш. На этом этапе добавление дополнительного осадителя либо приведет к образованию новых зародышей, либо будет накапливаться на существующих зародышах, образуя осадок. Это можно предсказать с помощью соотношения Фон Веймарна, где, согласно этому соотношению, размер частиц обратно пропорционален величине, называемой относительным пересыщением, где
Относительное пересыщение = (Q – S)/S
Q — концентрация реагентов перед осаждением, S — растворимость осадка в среде, из которой он осаждается. Следовательно, чтобы получить рост частиц вместо дальнейшего зародышеобразования, мы должны сделать относительный коэффициент пересыщения как можно меньшим. Оптимальными условиями выпадения осадков, при которых пересыщение становится низким, являются:
а. Осаждение с использованием разбавленных растворов для уменьшения Q.б. Медленное добавление осадителя, чтобы поддерживать Q как можно ниже.в. Перемешивание раствора во время добавления осадителя, чтобы избежать мест концентрации и поддерживать низкий уровень Q.д. Увеличение растворимости путем осаждения из горячего раствора.е. Отрегулируйте pH, чтобы увеличить S, но не слишком сильно увеличивайте np, поскольку мы не хотим терять осадок при растворении.ф. Обычно для количественного осаждения добавляют небольшой избыток осадителя и проверяют полноту осаждения.
3. Переваривание осадка. Осадок оставляют горячим (ниже кипения) на время от 30 минут до одного часа для переваривания частиц. Разложение включает растворение мелких частиц и переосаждение более крупных частиц, что приводит к росту частиц и улучшению характеристик осадка. Этот процесс называется оствальдовским созреванием . Важное преимущество расщепления наблюдается для коллоидных осадков, когда большое количество адсорбированных ионов покрывает огромную площадь осадка. Переваривание заставляет мелкие коллоидные частицы агломерироваться, что уменьшает их площадь поверхности и, следовательно, адсорбцию. Вы должны знать, что адсорбция является основной проблемой в гравиметрии в случае коллоидного осадка, поскольку осадок имеет тенденцию адсорбировать свои собственные ионы, присутствующие в избытке. Таким образом, образуется так называемый слой первичных ионов, 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 расщеплением, либо добавлением высокой концентрации сильного электролитического раствора с различными ионами, чтобы экранировать заряды коллоидных частиц и вызвать агломерацию. Обычно коагулированные частицы возвращаются в коллоидное состояние при промывании водой. Этот процесс называется пептизация .
4. Промывка и фильтрация осадка. Крайне важно тщательно промыть осадок, чтобы удалить все адсорбированные частицы, которые могут увеличить вес осадка. Следует соблюдать осторожность и не использовать слишком много воды, так как часть осадка может быть потеряна. Кроме того, в случае образования коллоидных осадков не следует использовать воду в качестве промывного раствора, поскольку может произойти пептизация. В таких ситуациях можно использовать разбавленную азотную кислоту, нитрат аммония или разбавленную уксусную кислоту. Обычно рекомендуется проверять наличие осадителя в фильтрате окончательного промывного раствора. Присутствие осадителя означает, что требуется дополнительная промывка. Фильтрацию следует проводить через бумажный фильтр Gooch или запальную фильтровальную бумагу соответствующего размера.
5. Сушка и прокаливание. Целью сушки (нагревания примерно до 120-150 оС в печи) или прокаливания в муфельной печи при температуре от 600 до 1200 оС является получение материала с точно известным химическим строением, чтобы количество аналита можно точно определить.
6. Осаждение из гомогенного раствора. Чтобы сделать Q минимальным, в некоторых ситуациях мы можем генерировать осадитель в среде осаждения, а не добавлять его. Например, для осаждения железа в виде гидроксида мы растворяем в образце мочевину. При нагревании раствора в результате гидролиза мочевины образуются гидроксид-ионы. Ионы гидроксида генерируются во всех точках раствора, поэтому нет мест концентрации. Мы также можем регулировать скорость гидролиза мочевины и, таким образом, контролировать скорость образования гидроксида. Этот тип процедуры может быть очень полезным в случае коллоидных осадков.
Растворимость в присутствии различных ионов
[ редактировать ]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 уд = 1,0 х 10 −10 ) в 0,1 М NaNO 3 . Коэффициенты активности серебра и хлорида составляют 0,75 и 0,76 соответственно.
- AgCl(s) = Ag + + Cl −
Мы больше не можем использовать константу термодинамического равновесия (т.е. в отсутствие различных ионов) и нам приходится учитывать константу равновесия концентрации или использовать активности вместо концентрации, если мы используем Kth:
- К сп = aAg + АСl −
- К сп = [Ag + ] предмет + [Кл − ] fCl −
- 1,0 х 10 −10 = сх 0,75 хсх 0,76
- с = 1,3 х 10 −5 М
Мы рассчитали, что растворимость AgCl в чистой воде равна 1,0 х 10. −5 M, если мы сравним это значение с значением, полученным в присутствии различных ионов, мы увидим % увеличения растворимости = {(1,3 x 10 −5 – 1,0 х 10 −5 ) / 1,0 х 10 −5 } х 100 = 30%Таким образом, мы вновь имеем свидетельство усиления диссоциации или смещения равновесия вправо в присутствии разнообразных ионов.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Йодер, Клод (8 января 2017 г.). «Гравиметрический анализ» . www.wiredchemist.com . Архивировано из оригинала 7 января 2017 года . Проверено 8 января 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Скуг, Дуглас; Уэст, Дуглас М; Холлер, Ф. Джеймс (1996). «5: Гравиметрический анализ». Основы аналитической химии (7-е изд.). Форт-Уэрт: Издательство колледжа Сондерс, Харкорт Брейс. стр. 71–96. ЛЦН 95-067683 .
- ^ «Глава 3, Гравиметрия» . www.csudh.edu/ . 8 января 2017. Архивировано из оригинала 25 ноября 2016 года . Проверено 8 января 2017 г.
- ^ Jump up to: а б Холлер, Ф. Джеймс; Скуг, Дуглас А.; Уэст, Дональд М. (1996). Основы аналитической химии . Филадельфия: Паб Saunders College. ISBN 978-0-03-005938-4 .
- ^ Jump up to: а б Гуланицкий А. (1987). Реакции кислот и оснований в аналитической химии . Хорвуд. ISBN 978-0-85312-330-9 .
- ^ Скуг, Дуглас А. (1996). Основы аналитической химии . Сондерс и Харкорт Брейс. п. 97.
- ^ Петруччи, Ральф Х; Харвуд, Уильям С. (1993). Кори, Пол Ф. (ред.). Общая химия: основы и современные приложения . Нью-Йорк: Издательская компания Macmillan. стр. 265–268. ISBN 978-0-02-394931-9 .
- ^ «Введение в гравиметрический анализ» . 8 января 2017 года. Архивировано из оригинала 1 августа 2019 года . Проверено 8 января 2017 г.
- ^ «Гравиметрические методы анализа» (PDF) . 8 января 2017 г. Архивировано из оригинала (PDF) 18 ноября 2017 г. . Проверено 8 января 2017 г.
- ^ Скуг, Дуглас А; Уэст, Дональд М; Холлер, Ф. Джеймс (1995). «5,6». Основы аналитической химии (Седьмое изд.). Форт-Уэрт: издательство Saunders College Publishing и Harcourt Brace. стр. 96–97. ЛЦН 95-067683 .
- ^ Jump up to: а б с «Раздел 3-2: Методы улетучивания» . 8 января 2017. Архивировано из оригинала 25 ноября 2016 года . Проверено 8 января 2017 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]| Инструментарий | |
|---|---|
| Техники | |
| Выборка | |
| Калибровка | |
| Выдающиеся публикации | |
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
