Все методы количественного анализа в зависимости от характера экспериментальной техники, применяемой для конечного определения составных частей анализируемого вещества или смеси веществ, делят на три группы: химические, физические и физико-химические (инструментальные) методы анализа.
К химическим методам анализа относятся:
1. Весовой анализ - измерение массы определяемого вещества или его составных частей, выделяемых в химически чистом состоянии или в виде соответствующих соединений.
2. Объемный анализ - измерение объема жидких, твердых и газообразных продуктов или их водных и неводных растворов.
Известны разнообразные объемные методы:
1) объемный титриметрический - измерение объема израсходованного на реакцию реактива точно известной концентрации;
2) газовый объемный - анализ газовых смесей, основанный на избирательном поглощении из анализируемой газовой смеси определяемого компонента подходящими поглотителями;
3) седиментационный объемный, основанный на расслоении дисперсных систем под действием силы тяжести, сопровождающемся отделением дисперсной фазы в виде осадка и последующем измерении объема осадка в калиброванной центрифужной пробирке. Например, в микро- и ультрамикроанализе содержание серы находят путем окисления ее до сульфатной и последующего осаждения в виде осадка сульфата бария, определяемого указанным методом.
В более широком смысле седиментационным анализом называют метод определения в дисперсных системах величины и относительного содержания частиц различных размеров по скорости седиментации (оседания или всплывания).
Скорость седиментации сферических частиц при известных условиях описывается уравнением Стокса:
где v - скорость седиментации;
Радиус частицы;
Плотность материала частицы;
Плотность дисперсной среды;
Вязкость среды;
Ускорение силы тяжести.
Очень часто в лабораторной практике применяют весовые методы седиментационного анализа, основанное на гидростатическом взвешивании осадка в процессе его накопления при помощи седиментационных стеклянных весов Н. А. Фигуровского.
В ряде случаев разделение методов анализа на химические и физикохимические условно, так как иногда трудно или практически невозможно решить вопрос о принадлежности того или иного метода анализа к какой-либо из указанных групп.
Перечисленные методы являются лишь методами конечного определения определяемого вещества или его составных частей и не отражают всех особенностей химического анализа.
Существенной частью химического анализа, на выполнение которой химику-аналитику иногда приходится расходовать больше времени и труда, чем на конечное определение определяемого вещества, являются методы разложения анализируемого вещества, а также методы разделения, выделения и концентрирования определяемых элементов (или ионов).
Методы аналитической химии могут быть классифицированы на основе различных принципов. В зависимости от измеряемого свойства вещества различают следующие методы: химические; физико-химические; физические (табл. 14). Основой химических методов являются аналитические химические реакции. В основе физико-химических методов лежит измерение каких-либо физических параметров химической системы, зависящих от природы компонентов системы и изменяющихся в процессе химической реакции. К таким параметрам относятся, например, величины потенциалов в потенциометрии, оптических плотностей в спектрофотометрии и т.д. Физические методы не связаны с применением химических реакций. Состав вещества устанавливается изменением каких-либо физических свойств объекта (плотности, вязкости, интенсивности излучения и т.д.). Четких границ между химическими и физико-химическими и физико-химическими и физическими методами нет. Физические и физико-химические методы часто называют инструментальными. В последнее время используют так называемые «гибридные» методы, сочетающие два и более метода. Например, хромато-масс-спектрометрия.
Методы количественного анализа
|
Методы анализа |
||
|
Химические |
Физико-химические |
Физические |
|
гравиметрия титриметрия |
электрохимические спектроскопические (оптические) люминесцентные кинетические термометрические хроматографические |
спектроскопические (не оптические) ядерно-физические радиохимические |
|
Аналитический сигнал (величина, функционально связанная с содержанием определяемого компонента) |
||
|
изменение окраски индикатора, выделение газа, осадка и др. |
|
|
Анализ вещества заключается в получении опытным путем данных о его химическом составе. Независимо от используемых методов к анализу предъявляют следующие требования:
- 1. Точность анализа - это собирательная характеристика метода, включающая их правильность и воспроизводимость.
- 2. Правильность результатов анализа - получение результатов, близких к действительным.
- 3. Воспроизводимость - получение одинаковых или близких результатов при повторных определениях.
- 4. Экспрессность - быстрота проведения анализа.
- 5. Чувствительность - минимальное количество вещества, которое можно определить данным методом.
- 6. Универсальность - возможность определять многие компоненты. Особенно важно определять их одновременно в одной пробе.
- 7. Автоматизация анализа. При проведении массовых однородных анализов следует выбирать метод, допускающий автоматизацию, которая снижает трудоемкость, погрешности, увеличивает скорость, снижает стоимость анализа.
- 21. Характеристика метод анализа
Количественный анализ, совокупность химических, физико-химических и физических методов определения количественного соотношения компонентов, входящих в состав анализируемого вещества. Наряду с качественным анализом К. а. является одним из основных разделов аналитической химии. По количеству вещества, взятого для анализа, различают макро-, полумикро-, микро- и ульт-рамикрометоды К. а. В макрометодах масса пробы составляет обычно >100 мг, объём раствора > 10 мл; в ультрамикрометодах - соответственно 1-10-1 мг и 10-3-10-6 мл (см. также Микрохимический анализ, Ультрамикрохимический анализ). В зависимости от объекта исследования различают неорганический и органический К. а., разделяемый, в свою очередь, на элементный, функциональный н молекулярный анализ. Элементный анализ позволяет установить содержание элементов (ионов), функциональный анализ - содержание функциональных (реакционноспособных) атомов и групп в анализируемом объекте. Молекулярный К. а. предусматривает анализ индивидуальных химических соединений, характеризующихся определенной молекулярной массой. Важное значение имеет так называемый фазовый анализ - совокупность методов разделения и анализа отдельных структурных (фазовых) составляющих гетерогенных систем. Помимо специфичности и чувствительности (см.Качественный анализ), важная характеристика методов К. а. - точность, то есть значение относительной ошибки определения; точность и чувствительность в К. а. выражают в процентах.
К классическим химическим методам К. а. относятся: гравиметрический анализ, основанный на точном измерении массы определяемого вещества, и объёмный анализ. Последний включает титриметрический объёмный анализ - методы измерения объёма раствора реагента, израсходованного на реакцию с анализируемым веществом, и газовый объёмный анализ - методы измерения объёма анализируемых газообразных продуктов (см. Титриметрический анализ, Газовый анализ).
Наряду с классическими химическими методами широко распространены физические и физико-химические (инструментальные) методы К. а., основанные на измерении оптических, электрических, адсорбционных, каталитических и других характеристик анализируемых веществ, зависящих от их количества (концентрации). Обычно эти методы делят на следующие группы: электрохимические (кондуктометрия, полярография, потенциометрия и др.); спектральные или оптические (эмиссионный и абсорбционный спектральный анализ, фотометрия, колориметрия, нефелометрия, люминесцентный анализ и др.); рентгеновские (абсорбционный и эмиссионный рентгеноспектральный анализ, рентгенофазовый анализ и др.); хроматографический (жидкостная, газовая, газо-жидкостная хроматография и др.); радиометрические (активационный анализ и др.); масс-спектрометрические. Перечисленные методы, уступая химическим в точности, существенно превосходят их по чувствительности, избирательности, скорости выполнения. Точность химических методов К. а. находится обычно в пределах 0,005-0,1%; ошибки определения инструментальными методами составляют 5-10%, а иногда и значительно больше. Чувствительность некоторых методов К. а. приведена ниже (%):
Объёмный.......................................................10-1
Гравиметрический......................................... 10-2
Эмиссионный спектральный.........................10-4
Абсорбционный рентгеноспектральный...... 10-4
Масс-спектрометрический.............................10-4
Кулонометрический....................................... 10-5
Лабораторная работа №9
Химическая идентификация и анализ вещества
Аналитическая химия – это научная дисциплина, которая развивает и применяет методы, общие подходы и приборы для получения информации о составе и природе вещества в пространстве и времени. Под химическим составом понимают состав элементный (наиболее важный и распространённый вид анализа), молекулярный, фазовый, изотопный. При определении химического состава органических соединений часто применяют функциональный анализ – установлении наличия конкретных функциональных групп в молекуле анализируемого соединения.
Различают методы качественного и количественного анализа. Цель качественного анализа – обнаружение элементов, ионов, молекул, функциональных групп, свободных радикалов, фаз, содержащихся в исследуемом образце на основе сопоставления их экспериментально полученных характеристик с имеющимися справочными данными, иными словами, химическая идентификация. При анализе органических соединений находят непосредственно отдельные элементы (например, углерод, кислород, азот) или функциональные группы. При анализе неорганических соединений определяют какие ионы, молекулы, группы атомов, химические элементы составляют анализируемое вещество. Задача количественного анализа – определение количественного содержания и соотношения компонентов в анализируемом веществе или смеси.
Химическая идентификация (обнаружение) – это установление вида и состояния фаз, молекул, атомов, ионов и других составных частей вещества на основе сопоставления экспериментальных и соответствующих справочных данных для известных веществ. Идентификация является целью качественного анализа. При идентификации обычно определяется комплекс свойств веществ, например: цвет, фазовое состояние, плотность, вязкость, температуры плавления, кипения и фазового перехода, растворимость, электродный потенциал, энергия ионозации.
Качественный анализ характеризуется пределом обнаружения (открываемый минимум) сухого вещества, т.е. минимальным количествомнадежно идентифицируемого вещества, и предельной концентрацией вещества С min ,. Эти две величины связаны друг с другрм соотношением:
Методы качественного анализа
Сухие методы анализа. Летучие соединения металлов окрашивают пламя горелки в тот или иной цвет. Поэтому, если внести изучаемое вещество на платиновой проволоке в бесцветное пламя горелки, то происходит окрашивание пламени в присутствии в молекуле вещества тех или иных элементов
Мокрые методы анализа. Методы качественного анализа базируются на ионных реакциях, которые позволяют идентифицировать элементы в форме тех или иных ионов. В ходе реакции образуются труднорастворимые соединения, окрашенные комплексные соединения, происходит окисление или восстановление с изменением цвета раствора. Любой катион можно идентифицировать с помощью определенной реакции, если удалить другие катионы, мешающие этой идентификации.
Для идентификации с помощью образования труднорастворимых соединений используют как групповые, так и индивидуальные осадители.
Анионы обычно классифицируют по растворимости солей, либо по окислительно-восстановительным свойствам.
Методы количественного анализа
Методы определения часто делят на химические, физико-химические, иногда выделяют группу физических методов анализа. Химические методы основаны на химических реакциях. Для анализа используют только такие реакции, которые сопровождаются внешними эффектами, например, изменением цвета раствора, выделением газа, выпадением или растворением осадка и т.д. Эти внешние эффекты являются, в данном случае, аналитическими сигналами . Происходящие химические изменения называют аналитическими реакциями , а вещества, вызывающие эти реакции – химическими реагентами . В случае физико-химических методов происходящие химические изменения, влекущие за собой изменение таких параметров, как интенсивность окраски раствора в спектрофотометрии, величина диффузионного тока в вольтмперометрии и т.д., регистрируются с помощью физических приборов. При анализе физическими методами химические реакции не используют, а изучают физические свойства вещества с помощью приборов. К физическим методам относят хроматографию, рентгеноструктурный, люминесцентный, радиоактивационный методы анализа и др.
Титриметрический метод основан на том, что все вещества реагируют между собой в строго эквивалентных количествах.Аналитическим сигналом в титриметрии является объём. Эквивалент – это некая реальная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим образом эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.
Условной частицей может быть атом, молекула, ион, часть молекулы. Например, в реакции
Na 2 CO 3 + HCl = NaHCO 3 + NaCl
условной частицей является молекула Na 2 CO 3 , а в реакции
Na 2 CO 3 + 2HCl = Na 2 CO 3 + 2NaCl
условной частицей является ½ Na 2 CO 3 .
В реакции
KMnO 4 + 5 e + 8H + → Mn 2+ + 4 H 2 O + K +
условная единица – 1/5 KMnO 4.
Число, показывающее, какая доля молекулы эквивалентна в данной реакции одному иону водорода или электрону, называется фактором эквивалентности (f) . Например, f Na 2 CO 3 = 1 – для первой реакции, f Na 2 CO 3 = 1/2 – для второй реакции и f KMnO 4 = 1/5 – для третьей реакции.
На практике пользоваться молекулами, ионами, эквивалентами неудобно, так как они очень малы (~ 10 -24 г). Используется моль, который содержит 6,02·1023 условных частиц. Масса одного моля называется молярной массой, а масса одного моля эквивалента называется молярной массой эквивалента Э. Молярной массой эквивалента вещества Х называют массу одного моля эквивалента этого вещества, равную произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества Х:
Э = мол.масса ∙f (9)
Молярная масса имеет размерность г/моль. Например, мол. масса Na 2 CO 3 = 106 (г/моль), мол.масса ½ Na 2 CO 3 = 53 (г/моль) или, по-другому, Э Na 2 CO 3 (f=1) =106, Э Na 2 CO 3 (f=1/2) =53.
В титриметрии используют растворы. Концентрация раствора выражается количеством вещества в единице объёма. За единицу объёма в титриметрии принят литр (1 дм 3). Раствор, содержащий 1 моль условных частиц в литре, называется молярным. Например, С HCl = 1 М (одномолрный раствор HCl), С HCl = 0,1 М (децимолрный раствор HCl), С ½ Na 2 CO 3 = 0,1 М (децимолрный раствор ½ Na 2 CO 3). Раствор, содержащий 1 моль эквивалентов в литре, называется нормальным; при этом необходимо указывать фактор эквивалентности. Например, 0,1 н Na 2 CO 3 (f=1) или 0,1 н Na 2 CO 3 (f=1/2), децимолрный раствор Na 2 CO 3. Если f=1, то молрная и нормальная концентрации совпадают.
Если два вещества прореагировали в эквивалентных количествах, то количество вещества 1 (n 1) равно количеству вещества 2 (n 2). Поскольку n 1 = M 1 V 1 и n 2 = M 2 V 2 , то
M 1 V 1 = M 2 V 2 .
Зная концентрацию одного из веществ и объёмы растворов, модно найти неизвестную концентрацию и, следовательно, массу другого вещества:
M 2 = (10) или N 2 = (11) и
m = М 2 ·мол.масса (12) или m = N 2 ·Э (13).
Кроме молярной и нормальной концентрации используют ещё титр раствора. Титр показывает число граммов растворённого вещества в 1 мл раствора. Титр по определяемому веществу показывает массу определяемого вещества, с которой реагирует 1 мл данного раствора; например, Т HCl /Са CO 3 = 0,006 г/см 3 , это означает, что 1 мл раствора HCl реагирует с 0,006 г СаСО 3 .
Титрованный, или стандартный, раствор – раствор, концентрация которого известна с высокой точностью. Титрование – прибавление титрованного раствора к анализируемому для определения точно эквивалентного количества. Титрующий раствор часто называют рабочим раствором или титрантом. Момент титрования, когда количество добавленного титранта химически эквивалентно количеству титруемого вещества, называется точкой эквивалентности (т,э.). Способы обнаружения т.э. разнообразны: визуальные (с помощью индикатора и безиндикаторные), физико-химические.
Реакции, используемые в титриметрии должны удовлетворять следующим требованиям:
- реакция должна протекать количественно, т.е. константа равновесия должна быть достаточно велика;
- реакция должна протекать с большой скоростью;
- реакция не должна осложняться протеканием побочных реакций;
- должен существовать способ фиксирования т.э.
По способу фиксирования точки эквивалентности выделяют методы титрования с цветными индикаторами, методы потенциометрического титрования, кондуктометрического, фотометрического и т.д. при классификации по типу основной реакции, протекающей при титровании, обычно выделяют следующие методы титриметрического анализа:
- Методы кислотно-основного взаимодействия связаны с процессом передачи протона:
Н + + ОН - = Н 2 О
СН 3 СООН + ОН - = СН 3 СОО - + Н 2 О
- Методы комплексообразования используют реакции образования координационных соединений:
Hg 2+ + 2Cl - = HgCl 2 (меркуриметрия)
Mg 2+ + H 2 Y 2- = MgY 2- + 2H + (комплексономерия)
- Методы осаждения основаны на реакциях образования малорастворимых соединений:
Ag + + Cl - = AgCl (аргентометрия)
Hg + 2Cl - = Hg 2 Cl 2 (меркурометрия)
- Методы окисления-восстановления объединяют многочисленную группу окислительно-восстановительных реакций:
MnO + 5 Fe 2+ + 8H + = Mn 2+ + 5Fe 3+ + 4 H 2 O (перманганатометрия)
2S 2 O + I 2 = S 4 O + 2I - (иодометрия)
Для нахождения точки эквивалентности часто строят дифференциальную кривую в координатах ΔрН/ΔV – V,т.е. определяют скорость изменения рН при изменении количества добавленного раствора в разных точках титрования. На точку эквивалентности указывает максимум полученной кривой, а отсчёт по оси абсцисс, соответствующий этому максимуму, даёт объём титранта, израсходованного на титрование до точки эквивалентности. Определение точки эквивалентности по дифференциальной кривой значительно точнее, чем по простой зависимости рН – V.
Пример. На титрование 20 см 3 0,02М раствора HCl расходуется 15,00 см 3 раствора NaOH. Определить молярную концентрацию этого раствора.
Решение. Так как вещества реагируют между собой в строго эквивалентных количествах, то количество HCl в точке эквивалентности должно быть равно количеству NaOH, т.е.
n(HCl) = n(NaOH); n(HCl) = C(HCl) · V(HCl) ; n(NaOH)= C(NaOH) · V(NaOH);
C(NaOH)= 
;
C(NaOH) = 
= 0,02667 моль/дм 3 .
Цель работы: изучить«сухие» и «мокрые» методы химической идентификации, ознакомиться с основными положениями титриметрического метода анализа и методикой определения концентрации кислот и щелочей.
Оборудование и материалы:
1. газовая горелка,
2. платиновая проволочка,
3. пробирки,
4. штатив для пробирок,
5. штатив,
6. бюретка,
7. колба для титрования
8. набор реактивов: сухие соли – KCl, LiCl, NaCl, CaCl 2 , BaCl 2 , SrCl 2 , CuCl 2 , 0,5н растворы Na 3 PO 4 , AgNO 3 , FeSO 4 , K 3 , K 4 , KOH, FeCl 3 , KSCN, KI, NaCl, NaBr, HNO 3 .
Аналитическая химия занимается исследованием экспериментальных методов определения состава веществ. Определение состава веществ включает выявление природы компонентов, из которых состоит исследуемое вещество, и установление количественных соотношений этих компонентов.
Сначала устанавливают качественный состав исследуемого объекта, т.е. решают вопрос, из чего он состоит, а затем приступают к определению количественного состава, т.е. узнают, в каких количественных соотношениях обнаруженные составные части находятся в объекте исследования.
Качественный анализ вещества можно проводить химическими, физическими, физико-химическими методами.
Химические методы анализаоснованы на применении характерных химических реакций для установления состава анализируемого вещества.
Химический анализ вещества проводят двумя способами: «сухим путем» или «мокрым путем». Анализ сухим путем - это химические реакции, происходящие с веществами при накаливании, сплавлении и окрашивании пламени.
Анализ мокрым способом - это химические реакции, протекающие в растворах электролитов. Анализируемое вещество предварительно растворяют в воде или других растворителях. В зависимости от массы или объема взятого для анализа вещества, от применяемой техники различают макро-, полумикро- и микрометоды.
Макрометод. Для проведения анализа берут 1-2 мл раствора, содержащего не менее 0,1 г вещества, и добавляют не менее 1 мл раствора реактива. Реакции проводят в пробирке, осадок отделяют фильтрованием. Осадок на фильтре промывают от примесей.
Полумикрометод . Для анализа берут в 10-20 раз меньше вещества (до 0,01 г). Так как в этом методе работают с малыми количествами вещества, то пользуются микропробирками, часовыми или предметными стеклами. Для отделения осадка от раствора применяют центрифугирование.
Микрометод. При выполнении анализа данным методом берут одну-две капли раствора, а сухого вещества - в пределах 0,001г. Характерные реакции проводят на часовом стекле или фарфоровой пластинке.
При проведении анализа пользуются следующими операциями: нагревание и выпаривание, осаждение, центрифугирование, проверка полноты осаждения, отделение раствора (центрифуга) от осадка, промывание и растворение осадка.
Нагревание растворов можно вести непосредственно пламенем газовой горелки, на асбестовой сетке или водяной бане. Небольшое количество раствора нагревают до температуры, не превышающей 100°С, на водяной бане, вода в которой должна кипеть равномерно.
Для концентрирования растворов применяют водяную баню. Выпаривание раствора до сухого остатка проводят в фарфоровых чашках или тиглях, нагревая их на асбестовой сетке. Если сухой остаток после выпаривания необходимо прокалить для удаления летучих солей, то тигель ставят на фарфоровый треугольник и нагревают пламенем газовой горелки.
Осаждение. Реакцию осаждения проводят в конических колбах или цилиндрической пробирках. В исследуемый раствор приливают пипеткой реактив-осадитель. Осадитель берут в избытке. Смесь тщательно перемешивают стеклянной палочкой и потирают о внутренние стенки пробирки, это ускоряет процесс образования осадка. Осаждение часто ведут из горячих растворов.
Центрифугирование. Осадок отделяют от раствора центрифугированием, используя ручную или электрическую центрифугу. Пробирку с раствором и осадком помещают в гильзу. Центрифуга должна быть загружена равномерно. При быстром вращении центробежная сила отбрасывает частицы осадка на дно и уплотняет его, а раствор (центрифугат) становится прозрачным. Время вращения составляет от 30 с до нескольких минут.
Проверка полноты осаждения. Пробирку осторожно вынимают из центрифуги и добавляют по стенке 1-2 капли реактива-осадителя к прозрачному раствору. Если раствор не мутнеет, значит осаждение полное. Если же наблюдается помутнение раствора, то в пробирку еще добавляют осадитель, содержимое перемешивают, нагревают и вновь центрифугируют, затем повторяют проверку полноты осаждения.
Отделение раствора (центрифугата) от осадка. Убедившись в полноте осаждения, отделяют раствор от осадка. Раствор от осадка отделяют капельной пипеткой. Пипетку закрывают указательным пальцем и осторожно вынимают из пробирки. Если отобранный раствор необходим для анализа, то его переносят в чистую пробирку. Для полного отделения операцию повторяют несколько раз. При центрифугировании осадок может плотно осесть на дно пробирки, тогда раствор отделяют декантацией (осторожно сливают).
Промывание осадка . Осадок (если он исследуется) необходимо хорошо отмыть; для этого приливают промывную жидкость, чаще всего дистиллированную воду. Содержимое тщательно перемешивают стеклянной палочкой и центрифугируют, затем промывную жидкость отделяют. Иногда в работе эту операцию повторяют 2-3 раза.
Растворение осадка. Для растворения осадка в пробирку добавляют растворитель, помешивая стеклянной палочкой. Нередко растворение осадка ведут при нагревании на водяной бане.
Для определения количественного состава вещества или продукта используются реакции нейтрализации, осаждения, окисления - восстановления, комплексообразования. Количество вещества можно определить по его массе или объему раствора, затраченного на взаимодействие с ним, а также по показателю преломления раствора, его электрической проводимости или интенсивности окраски и т.п.
По количеству взятого для исследования вещества аналитические методы количественного анализа классифицируются следующим образом: макроанализ - 1-10 г твердого вещества, 10-100 мл анализируемого раствора; полумикроанализ - 0,05-0,5 твердого вещества, 1-10 мл анализируемого раствора; микроанализ - 0,001-1-10- 4 г твердого вещества, 0,1-1 * 10- 4 мл анализируемогораствора. В товароведной практике часто пользуются гравиметрическим (весовым) и титриметрическим (объемным) методами.
Гравиметрический (весовой) анализ - один из методов количественного анализа, который позволяет определять состав анализируемого вещества путем измерения массы. Измерение массы (взвешивание) выполняется на аналитических весах с точностью 0,0002 г. Этот метод часто используется в пищевых лабораториях для определения влажности, зольности, содержания отдельных элементов или соединений. Анализ может быть выполнен одним из следующих способов.
1. Определяемую составную часть количественно (полностью, насколько это возможно) выделяют из исследуемого вещества и взвешивают. Так определяют зольность продуктов. Взвешенный на аналитических весах исходный продукт (навеску) сжигают, полученную золу доводят до постоянной массы (прокаливают до тех пор, пока не перестанет изменяться масса) и взвешивают.
Зольность продукта х (%) рассчитывают по формуле
где В - масса прокаленной золы, г;
А - исходная навеска продукта, г.
2. Из навески исходного вещества полностью удаляют определяемую составную часть и остаток взвешивают. Так определяют влажность продуктов, при этом навеску исходного вещества высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы.
Влажность продукта х (%) рассчитывают по формуле
где А - исходная навеска продукта, г;
В - масса навески после высушивания, г.
Объемный анализ - метод количественного анализа, где искомое вещество определяют по объему реактива с точно известной концентрацией, затраченному на реакцию с этим веществом.
При определении объемным методом к известному объему раствора определяемого вещества малыми порциями (по каплям) добавляют реактив с точно известной концентрацией до тех пор, пока его количество не будет эквивалентно количеству определяемого вещества. Раствор реактива с точно известной концентрацией называется титрованным, рабочим или стандартным раствором.
Процесс медленного прибавления титрованного раствора к раствору определяемого вещества называется титрованием. Момент, когда количество титрованного раствора будет эквивалентно количеству определяемого вещества, называется точкой эквивалентности или теоретической точкой конца титрования. Для определения точки эквивалентности пользуются индикаторами, которые вблизи ее претерпевают видимые изменения, выражающиеся в изменении цвета раствора, появлении помутнения или выпадении осадка.
Важнейшие условия для правильного проведения объемно-аналитических определений: 1) возможность точного измерения объемов растворов; 2) наличие стандартных растворов с точно известной концентрацией; 3) возможность точного определения момента окончания реакции (правильный выбор индикатора).
В зависимости от того, на какой реакции основано определение, различают следующие разновидности объемного метода:
· метод нейтрализации
· метод окисления - восстановления
· метод осаждения и комплексообразования.
В основе метода нейтрализации лежит реакция взаимодействия ионов Н + и ОН - . Метод применяется для определения кислот, оснований и солей (которые реагируют с кислотами или основаниями) в растворе. Для определения кислот используют титрованные растворы щелочей КОН или NаОН, для определения оснований - растворы кислот НС1, Н 2 SO 4 .
Для определения содержания, например, кислоты в растворе точно отмеренный пипеткой объем раствора кислоты в присутствии индикатора титруют раствором щелочи точно известной концентрации. Точку эквивалентности определяют по изменению цвета индикатора. По объему щелочи, израсходованной на титрование, вычисляют содержание кислоты в растворе.
Метод окисления - восстановления основан на окислительно-восстановительных реакциях, происходящих между стандартным раствором и определяемым веществом. Если стандартный раствор содержит окислитель (восстановитель), то определяемое вещество должно содержать соответственно восстановитель (окислитель). Метод окисления-восстановления подразделяется, в зависимости от используемого стандартного раствора на метод перманганатометрии, метод иодометрии и др.
В основе метода осаждения лежат реакции, сопровождающиеся выпадением осадка. В отличие от гравиметрического метода обработку осадка здесь не производят, массу исследуемого вещества определяют по объему реактива, израсходованному на реакцию осаждения.
Цели количественного анализа . Методы количественного анализа . Химические методы анализа. Гравиметрический и титриметрический методы анализа. Инструментальные методы анализа . Фотометрия и спектрофотометрия . Атомно-абсорбционная спектроскопия . Атомно-эмисионная спектроскопия. А бсорбцион но- спектральный метод. Нефелометрический метод определения вещества . Эмиссионная пламенная фотометрия. Люминесцентный метод. Хроматографический анализ. Электрохимические методы. Потенциометрия. Поля рография. Кондуктометрия.
Количественный анализ - раздел аналитической химии, в задачу которого входит определение количества (содержания) элементов (ионов), радикалов, функциональных групп, соединений или фаз в анализируемом объекте.
Количественный анализ позволяет установить элементный и молекулярный состав исследуемого объекта или содержание отдельных его компонентов. В зависимости от объекта исследования различают неорганический и органический анализ. В свою очередь их разделяют на элементарный анализ, задача которого - установить, в каком количестве содержатся элементы (ионы) в анализируемом объекте, на молекулярный и функциональный анализы, дающие ответ о количественном содержании радикалов, соединений, а также функциональных групп атомов в анализируемом объекте.
Количественный анализ проводят в определенной последовательности, в которую входит отбор и подготовка проб, проведения анализа, обработка и расчет результатов анализа.
Количественный анализ широко используется для изучения состава руд, металлов, неорганических и органических соединений. В последние годы особое внимание обращается на определение содержания токсичных веществ в воздухе, водоемах, почвах, в продуктах: питания, различных товарах.
Классификация методов количественного анализа. Все методы количественного анализа можно разделить на две большие группы: химические и инструментальные. Это разделение условно, так как многие инструментальные методы основаны на использовании химических законов и свойств веществ.
Классическими методами химического количественного анализа являются гравиметрический (весовой) анализ и титриметрический (объемный) анализ .
Гравимитрический метод. Сущность метода заключается в получении труднорастворимого соединения, в которое входит определенный компонент. Для этого навеску вещества растворяют в том или ином растворителе, обычно в воде, осаждают с помощью реагента, образующего с анализируемым соединением малорастворимое соединение с низким значением ПР. Затем после фильтрования осадок высушивают, прокаливают и взвешивают. По массе вещества находят массу определяемого компонента и проводят расчет его массовой доли в анализируемой навеске.
Имеются разновидности гравиметрического метода. В методе отгонки анализируемый компонент выделяют в виде газа, который взаимодействует с реактивом. По изменению массы реактива судят о содержании определяемого компонента в навеске. Например, содержание карбонатов в породе можно определить путем воздействия на анализируемый образец кислотой, в результате которого выделяется СО 2 . Количество выделившегося С0 2 можно определить по изменению массы вещества, например СаО, с которым реагирует С0 2 .
Одним из основных недостатков гравиметрического метода является его трудоемкость и относительно большая продолжительность. Менее трудоемким является электрогравиметрический метод, при котором определяемый металл, например медь, осаждают на катоде (платиновой сетке)
Сu 2+ + 2е = Сu
По разности массы катода до и после электролиза определяют массу металла в анализируемом растворе. Однако этот метод пригоден лишь для анализа металлов, на которых не выделяется водород (медь, серебро, ртуть).
Титриметрический анализ. Сущность метода заключается в измерении объема раствора того или иного реагента, израсходованного на реакцию с анализируемым компонентом. Для этих целей используют так называемые титрованные растворы, концентрация которых (обычно титр раствора) известны. Титром называется масса вещества, содержащегося в 1 мл (1 см 3) титрованного раствора (в г/мл и г/см 3). Определение проводят способом титрования, т.е. постепенного приливания титрованного раствора к раствору анализируемого вещества, объем которого точно измерен. Титрование прекращается при достижении точки эквивалентности, т.е. достижения эквивалентности реагента титруемого раствора и анализируемого компонента.
Существует несколько разновидностей титриметрического анализа: кислотно-основное титрование, осадительное титрование, комплексонометрическое титрование и окислительно-восстановительное титрование.
В основе кислотно-основного титрования лежит реакция нейтрализации
Н + + OН - ↔ Н 2 0
Метод позволяет определить концентрацию кислоты или катионов, гидролизирующихся с образованием ионов водорода, титрованием раствором щелочи или определить концентрацию оснований, в том числе анионов, гидролизирующихся с образованием гидроксид-ионов титрованием растворами кислот. Точка эквивалентности устанавливается при помощи кислотно-основных индикаторов, изменяющих окраску в определенном интервале рН. Например, методом кислотно-основного титрования можно определить карбонатную жесткость воды, т.е. концентрацию HCO 3 - в воде путем титрования ее раствора НСl в присутствии индикатора метилового оранжевого
HCO 3 - + H + →Н 2 0 + С0 2
В точке эквивалентности желтая окраска индикатора переходит в бледно-розовую. Расчет производится по уравнению закона эквивалентов/
Cэк, HC О3 ,V 1 = Cэк, HCl V 2,
где V 1 и V 2 - объемы анализируемого и титрованного растворов; С эк HCl - нормальная концентрация эквивалентов вещества НСl в титрованном растворе, с экНС03 - - определяемая молярная концентрация эквивалентов ионов НС0 3 - в анализируемом растворе.
При осадительном титровании анализируемый раствор титруется реагентом, образующим с компонентом титрованного раствора малорастворимое соединение. Точка эквивалентности определяется с помощью индикатора, образующего с реагентом окрашенное соединение, например, красный осадок Ag 2 Cr0 4 при взаимодействии индикатора К 2 Cr0 4 с избытком ионов Ag + при титровании раствора хлорида раствором нитрата серебра.
Комплексонометрическое титрование . При комплексонометрическом титровании определяемый компонент в растворе титруется раствором комплексона, чаще всего этилендиаминотетрауксуснои кислоты (ЕДТА, комплексона II) или ее двунатриевой соли (комплексона III или трилона Б). Комплексоны являются лигандами и образуют со многими катионами комплексы. Индикаторами точки эквивалентности обычно служат лиганды, образующие с анализируемым ионом окрашенное комплексное соединение. Например, индикатор хромоген черный с кальцием и магнием образует комплексы [Са Ind] - и - красного цвета. В результате титрования раствора винно-красного цвета, содержащего ионы кальция, магния и индикатор, раствором комплексона III кальций связывается в более прочный комплекс с комплексоном, в точке эквивалентности анионы индикатора освобождаются и придают раствору синюю окраску. Этот метод комплексонометрического титрования используется, например, для определения общей жесткости воды.
Окислительно-восстановительное титрование . Данный способ заключается в титровании раствора восстановителя титрованным раствором окислителя или в титровании раствора окислителя титрованным раствором восстановителя. В качестве титрованных растворов окислителей нашли применение растворы перманганата калия КМn0 4 (перманганатометрия), дихромата калия К 2 Сг 2 0 7 (дихроматометрия), иода I 2 (иодометрия).
При перманганатометрическом титровании в кислой среде Мn (VII) (малиновая окраска) переходит в Мn (II) (бесцветный раствор). Например, перманганатометрическим титрованием можно определить содержание нитритов в растворе
2KMn0 4 + 5KN0 2 + 3H 2 S0 4 = 2MnS0 4 + K 2 S0 4 + 5KN0 3 + ЗН 2 0
При дихроматометрическом титровании индикатором служит дифениламин, окрашивающий раствор в синий цвет при избытке дихромат-ионов. При иодометрическом титровании индикатором служит крахмал. Иодометрическое титрование используется для анализа растворов окислителей, в этом случае титрованный раствор содержит иодид-ион. Например, медь можно определить титрованием ее растворов раствором иодида
2Си 2+ + 4Г = 2CuI +I 2
Затем образующийся раствор титруется титрованным раствором тиосульфата натрия Na 2 S 2 0 3 с индикатором крахмалом, добавляемым в конце титрования
2Na 2 S 2 0 3 +I 2 = 2NaI + Na 2 S 4 0 6