Gravimetrická metoda analýzy: povaha a vlastnosti

Jednou z nejvhodnějších metod pro studium látek v analytické chemii je gravimetrie. Hlavní věc, na níž je založena gravimetrická metoda analýzy, je přesné měření hmotnosti zjištěné sloučeniny, izolované jako látka se známým složením nebo v elementární formě. Pro tento účel se používá odpařování, destilace, sublimace nebo srážení.

Podstata metody

Gravimetrie je důležitá pro kvantitativní analýzu. Gravimetrická metoda spočívá v určení hmotnosti určité složky analyzovaného vzorku. Za tímto účelem se přesné vážení látky provádí ve stabilní konečné podobě, do které se přenáší měřená složka. Mělo by být snadné oddělit a zvážit.

Nejčastěji se používá voda jako rozpouštědlo v gravimetrické metodě analýzy. Aby se izolovalo maximální množství sloučeniny, která má být stanovena, musí mít získaná sraženina v ní minimální rozpustnost. Jelikož rozpustnost soli souvisí s rovnovážnou konstantou procesu, může být redukována přidáním stechiometrického přebytku srážecího činidla k roztoku.

Silné a slabé stránky

Gravimetrická metoda analýzy, stejně jako všechny ostatní metody výzkumu látek, má své klady i zápory. Nejprve se vyznačuje vysokou přesností stanovení hmotnosti látky v analyzovaném vzorku. Navíc studie nevyžaduje sofistikované vybavení a může se provádět téměř ve všech laboratořích. Důležitá je také skutečnost, že pro analýzu není nutné kalibrovat přístroje a připravit řadu standardních řešení.

Hlavní nevýhodou gravimetrie je doba trvání analýzy. Doplňuje potřebu kontroly kvality váhy. Takže by neměl obsahovat nečistoty a jeho složení by mělo být spolehlivě známo.

Všechny tyto výhody a nevýhody gravimetrické metody analýzy určují skutečnost, že se používají poměrně vzácně, pokud je to naprosto nezbytné. Například se používá k monitorování výsledků v pochybných případech.

Principy metody

Gravimetrická analýza je založena na třech základních chemických právech. Patří sem:

1. Zákon o masovém zachování: hmotnost činidla se rovná hmotnosti reakčních produktů.
2. Zákon stálosti složení: kvantitativní složení chemicky čistých látek nezávisí na způsobu jejich přípravy.
3. Zákon o ekvivalentech: přičemž objemy roztoků dvou různých látek, které spolu reagují bez zbytku, jsou nepřímo úměrné normálnosti těchto roztoků nebo V1 / V2 = C _H2 / C _H1 nebo _V1.CH1 = _V2.CH2 , kde _CH1 a C _H2 - normality prvního a druhého řešení; V1 a V2 - objemy prvního a druhého řešení.

Oblasti použití

Navzdory skutečnosti, že gravimetrická metoda kvantitativní analýzy není tak často používána, je v některých případech nezbytná:

• pro nalezení atomové hmoty;
• při stanovení hygroskopické vlhkosti a krystalizační vody;
• k nalezení kvantitativního obsahu síranových iontů, Si02, alkalických kovů a kovů alkalických zemin ve vzorcích;
• stanovit chemické složení syntetizovaných látek.

Typy definic hmotnosti

Vzhledem k tomu, že v průběhu gravimetrické metody analýzy dochází k opakovanému měření hmotnosti, stanovení hmotnosti se obvykle dělí na tři typy. První zahrnuje ty, ve kterých je část, která má být stanovena, kvantitativně izolována od analyzovaného vzorku a zvážena. Například stanovení obsahu popela v uhlí (popel).

Druhý typ vyžaduje odstranění určeného komponentu a vážení zbytku. Tímto způsobem se měří vlhkost materiálů gravimetrickou metodou analýzy. Podstata metody spočívá v tom, že vzorek se váží před a po kalcinaci (nebo sušení).

Třetí typ je nejtěžší, protože vyžaduje kvantitativní vazbu měřené složky na chemickou látku, která může být izolována a zvážena. V tomto případě analyzovaná sloučenina existuje ve dvou formách:

• gravimetrické sloučeniny, ve kterých je zvážen testovaný díl;
• vysrážených sloučenin, ve kterých se vysrážená část vysráží.

Typy gravimetrie

Vlastnosti gravimetrické metody analýzy mohou být uvedeny z různých důvodů. Takže podle druhu základní chemické reakce mohou pokračovat procesy rozkladu, substituce, výměny nebo tvorby komplexů.

Podle metody produkce kalu a jeho separace se gravimetrické metody dělí na:

• Metody depozice. Studovaná složka roztoku reaguje se srážecím činidlem a tvoří špatně rozpustný produkt, který se oddělí, promyje, vysuší a zváží.
• Destilační metody. Složka, která se má zkoumat, se oddělí od analyzovaného vzorku, převede jej na plynný stav a změří se hmotnost látky po destilaci nebo hmotnost zbytku.
• Termogravimetrické metody. Podstatou této metody gravimetrické analýzy je měření hmotnosti analytu při zahřátí. Vyžaduje speciální zařízení - derivát, který je schopen nepřetržitě zaznamenávat změnu hmotnosti látky během procesu ohřevu.
• Metody výběru. Studovaná složka se oddělí od roztoku, například elektrolýzou na elektrodě, která se váží před a po ponoření do roztoku.

Vážení

První z hlavních operací gravimetrické metody analýzy je vzorek. Chyba analytických vah používaných pro tento postup musí být nejméně 0,0001 g. Abyste získali přesnou váhu, musíte použít jednu ze dvou metod.

1. Do analytické vahy (nebo jiného vhodného chemického kontejneru) navážíme čistou, suchou vážící láhev a poté ji umístěte na technickou váhu, do ní nalijte analytu s přesností 0,01 g. Pak znovu vážíme váhu na analytickém vážení. Rozdíl v hodnotách hmotnosti prázdných a plných buků poskytne hmotnost vzorku. Pro převedení testované látky na sklo nejdříve ji opatrně vylijete a poté zbytky částic, které zůstávají na stěnách láhve po boku, z myčky rozpláchneme rozpouštědlem.
2. Prázdná láhev naplněná analyzovanou látkou se váží na technické úrovni. Potom se naplněná trubice zváží na analytické rovnováze. Potom nalijte látku do kádinky nebo baňky a zvážíte prázdnou trubici na analytické rovnováze. Hmotnost vzorku je zjištěna z rozdílu dvou vážení na analytické rovnováze.

Rozpuštění

Výběr rozpouštědla je jedním z důležitých stupňů gravimetrické metody analýzy. Voda v tomto případě není jediným správným řešením. Hlavní podmínka by měla být nazývána maximální možné rozpouštění, a proto je nutné vycházet z chemického složení vzorku. Často se pro tyto účely používají anorganické kyseliny nebo jejich směsi, stejně jako alkalické roztoky. Takže kovy a jejich slitiny, oxidy, sulfidy a další soli se nejčastěji rozpouštějí v koncentrovaných nebo zředěných kyselinách.

Proces rozpouštění vzorku se provádí v kádince s vhodným objemem. Je důležité zabránit ztrátám látek, které se mohou vyskytnout při stříkání roztoku kvůli příliš aktivní reakci nebo uvolnění plynových bublin. Rozpouštědlo by mělo být přidáváno postupně, v malých částech, naléváno na vnitřní stěnu skla. Někdy se urychlí proces rozpouštění obsahu skla.

V některých případech se látka nemůže přemísťovat do roztoku za použití kapalných činidel. Poté se uchýlí k použití tekutin, se kterými je zkoušený vzorek rozpuštěn před rozpuštěním.

Srážení

Tato fáze je odrazem podstaty metody gravimetrické analýzy. Stručně řečeno, metoda depozice může být popsána jako chemická reakce, doprovázená tvorbou nerozpustné látky. Jako precipitanty se používají jak anorganické, tak organické sloučeniny. Pro správné ukládání je nutné:

• minimalizovat ztráty spojené s rozpouštěním vysrážené sraženiny;
• aby se zabránilo vzniku nečistot v sedimentech, které se mohou vyskytnout v důsledku jejich adsorpce, okluze nebo koprecipitace;
• dostat docela velké částice, které nemohou projít póry filtru.

Depozice se provádí v chemických sklech, nejčastěji zředěnými horkými roztoky pomalým přidáváním sraženiny za stálého míchání roztoku. Odlučovač se umístí do byrety upevněné na stativu (méně běžně přidávané pipetou). Analyzované roztoky se přivádějí na požadovaný objem a zahřívají se, aby nedošlo k varu. Položte do sklenice skleněnou tyčinku s gumovou špičkou a umístěte ji pod byretu tak, aby špička byrety byla uvnitř skla. Potom se za míchání přidá po kapkách sraženina. Dále jsou přesvědčeni o úplném srážení, umožňující usazování sedimentu a přidání několika kapek precipitantu k vyčištěnému roztoku. Pokud na místech, kde klesají kapky, nedošlo k zákalu, pak došlo k úplnému srážení srážek.

Mechanismus srážek

Správný průběh tohoto procesu významně ovlivňuje výsledky gravimetrické metody analýzy. Stručně, jeho podstatu lze popsat v několika fázích:

• Nejprve se tvoří malé zárodkové krystaly, které se vzhledem ke své nízké hmotnosti ještě nedokáží vysrážet. Jejich počet závisí na koncentraci roztoku a rozpustnosti látky. Čím je rozpustnost menší, tím větší je počet embryí. Jejich počet je také ovlivněn rychlostí míchání roztoků. Takže s rychlým odváděním koncentrovaných roztoků se vytvoří četné zárodečné krystaly a vytvoří se jemně krystalická sraženina. Jsou-li roztoky zředěny a jejich rychlost míchání je nízká, budou krystalizační centra jen málo, ale výsledné krystaly rostou poměrně velké.
• Krystaly embryí jsou zvětšeny, což může nastat při tvorbě krystalických nebo amorfních precipitátů. Pokud se na povrchu zárodečných krystalů uvolní látka, která je doprovázena jejich postupným růstem, vzniká krystalická sraženina. Pokud se zárodečné krystaly spojují dohromady na větší částice, získá se amorfní sraženina. Amorfní agregáty mohou růst na krystalické.
• Usazování krystalických nebo amorfních struktur na dně chemického skla.

Odlučování kalů

Tento proces se provádí filtrováním roztoku. Udělejte to buď po zrání, nebo po vylučování. Jako zařízení a materiály používaly filtrační kelímky a bezpopolové papírové filtry.

Používají se dva typy filtračních kelímků: porcelán a sklo. Spodní část prvních je neglazovaná a porézní a v závislosti na průměru pórů se liší čísly. Spodní část skleněných filtrů je porézní skleněná deska s různými velikostmi pórů. Typicky se promývání kelímků a filtrační sedimenty provádí separací kapaliny ve vakuu.

V gravimetrické metodě analýzy se častěji používají speciální papírové filtry. Vzhledem k tomu, že papír je vysoce hygroskopický, je vážení filtračního koláče chybné. Proto je filtr a sediment na něm umístěny v kelímku a spáleny. Protože popel z filtrů zůstává extrémně malý (asi 0,1 g), nazývá se bezpopolovým. Je však třeba včas upravit jejich použití, s přihlédnutím k známému množství popela. Takové filtry mohou mít různé hustoty a velikosti pórů. To je označeno barvou pásky na hromadě filtrů.

Nejjemnější filtry s modrou stuhou se používají pro jemné krystalické srážení. Filtry střední hustoty s bílým pruhem - pro médium. Nejméně husté filtry s černým nebo červeným pásem jsou vhodné pro filtraci krystalických a amorfních precipitátů. Velikost filtru by měla být zvolena podle objemu sedimentu tak, aby nezahrnovala více než polovinu složeného filtru.

Během filtrace nejdříve prochází čirý roztok filtračním papírem. Krystalické sraženiny, které jsou snadno filtrovány, lze umýt přímo na filtr. Před přenesením na filtr se amorfní želatinové usazeniny promyjí dekantací, odváděním čiré promývací kapaliny nad sraženinou přes filtr a promícháním sraženiny promývací kapalinou a opětným odvodněním. Na filtru je oddělená sraženina také promyta malými částmi prací kapaliny. Chcete-li do části filtru přenést část sedimentu, který přilnul k skleněné nebo skleněné tyčce, jemně opláchněte sklo obsahující zbývající zbytky, hůl a sklo z podložky. Poté, s malým kusem bezpopolového filtru, utřete hůlku, pokoušejte se odstranit částice sedimentu a přidejte ji do sraženiny na filtru.

Sraženina na filtru se promyje 3-4 krát, přičemž časový interval je dostatečný k úplnému vypuštění kapaliny. Dále vhodná činidla kontroluje úplnost promývání sraženiny. Po úplném promytí promývací kapaliny je sraženina s filtrem mírně vysušena v sušárně přímo na nálevce při teplotě 100 až 150 ° C. Filtr by měl zůstat mírně vlhký. Jeho okraje jsou oddělené od trychtýře špachtlí a zcela usazují sediment. Poté se filtr se sedimentem vyjme ze trychtýře a umístí do kelímku, který byl předtím zvážen.

Sušení

Poté, co byl kelímek obsahující sediment a filtr přiveden do konstantní hmotnosti, je umístěn v porcelánovém trojúhelníku umístěném na stativovém kroužku v muflové peci. Ohřev je pomalý. V případě rychlého zahřívání mohou být částice sraženiny uvolněny odpařovací vlhkostí. Po úplném odstranění kapaliny se ohřev zvyšuje, aby se postupně karbonizoval filtr. Je důležité zvolit teplotu, při níž je papír spálený, ale nezapaluje, aby nedošlo k přenášení částic hmoty z kelímku. Po kalcinování a vyjmutí filtru se kelímek umístí do exsikátoru a ochladí se na pokojovou teplotu. Poté se kalcinaci zváží a opakuje se. Udělejte to tolikrát, kolikrát je třeba, abyste získali konstantní hmotnost.

Výpočty

Rovněž důležitou součástí gravimetrické metody analýzy jsou výpočty. Vzhledem k tomu, že tento proces je vícestupňový a obvykle se používá několik činidel, je nutné matematické zdůvodnění přijatelných hmotností a objemů. Pro provedení výzkumu je nutné vypočítat:

• velikost závěsu;
• množství precipitantu nebo rozpouštědla v závislosti na způsobu analýzy;
• množství mycí kapaliny;
• výsledky výzkumu.

Metody a vzorce jsou podrobně popsány v Shapiro v učebnici analytické chemie a gravimetrické metody analýzy. Přesnost každé z těchto položek je poněkud odlišná. První tři se vypočítávají přibližně a výsledky analýzy vypočítají až desetinné zlomky gramů.

Výsledky zpracování

V závislosti na zvolené metodologii a výzkumných cílech umožňuje gravimetrická metoda analýzy stanovení množství jedné nebo několika složek ve studovaném vzorku a provádí elementární analýzu sloučeniny. Často jsou data připravena pro stanovení vzorce sloučeniny. Výsledky definic jsou nejčastěji vyjádřeny v procentech. Například při analýze slitin je výsledek popsán seznamem chemických prvků (% Fe,% Mn atd.). Studium hornin je vyjádřeno ve formě jejich oxidů (% SiO ₂ ,% Fe ₂ O ₃ , atd.).

Potom, když je určená část vzorku vybrána ve stejné formě jako ve vzorku, její obsah x se zjistí podle vzorce: x = (m ₀ · 100) / m _n , kde m ₀ je hmotnost vybrané části; m _n - závěs.

Hmotnostní zlomek zjištěná složka ve vzorku ω se vypočte podle vzorce: ω = (m _grav.f · F · 100) / m _n .

Odvození vzorce

Jestliže cílem gravimetrické metody pro analýzu sloučeniny je odvodit vzorec, získané údaje o prvcích se přidávají k poměru:

a / Ma: b / Mb: c / Mc,

kde a, b a c jsou hmotnostní frakce chemických prvků A, B a C a Ma, Mb a Mc jsou jejich molární hmotnosti. Výsledné zlomkové rozměry vedou k celému číslu.