Характеристика гравиметрического анализа

Гравиметрическим анализом называют метод количественного химического анализа, при котором о содержании вещества в исследуемой пробе судят по его массе, полученной в результате анализа.

В большинстве случаев применяют методы осаждения. В этих случаях определяемый компонент выделяют в осадок в виде трудно растворимого соединения и определяют его массу. Перед тем как определить массу этого соединения, его высушивают и прокаливают. При этом осажденное соединение превращается в соединение другого состава. Кроме методов осаждения, значительно реже применяют методы отгонки. Этими методами можно определять только летучие соединения или такие, которые превращаются в летучие в процессе анализа.

Гравиметрический анализ находит широкое применение при санитарно-гигиенических исследованиях.

Гравиметрический анализ применяется также при анализе фармацевтических препаратов: хинина сульфата, натрия сульфата.

Для метода осаждения используются различные реакции: реакции обмена, комплексообразования, разложения. При прибавлении реактива к раствору в результате реакции определяемый компонент выделяется в осадок, например:

FeCl₃ + 3NH₄OH = Fe(OH)₃↓ +3NH₄C

Вещество, в виде которого выделяется в осадок определяемый компонент, называется осаждаемой формой. К осаждаемой форме предъявляется ряд требований.

1.Осаждаемое вещество должно быть очень мало растворимым, без чего невозможно практически полностью выделить определяемое вещество в осадок. Произведение растворимости осаждаемого вещества не должно быть выше 1.10^-8.

2.Осадок должен иметь структуру, которая позволяла бы легко его отфильтровать промыть Кроме того осадок не должен легко загрязняться посторонними веществами из раствора. Наиболее удобными являются крупнокристаллические осадки, так как они быстро фильтруются и легко промываются. Очень мелкокристаллические осадки менее удобны, они могут проходить через поры фильтра, если фильтр недостаточно плотный или осаждение проведено неправильно. Аморфные осадки, особенно студенистые, типа гидроксида алюминия Al(OH)₃, фильтруются медленно, кроме того, они легко адсорбируют посторонние примеси из раствора и трудно отмываются от них.

Отфильтрованный и промытый осадок подвергают температурной обработке: высушивают или прокаливают. При этом из осадка полностью удаляется вода, не отмытые летучие примеси и, кроме того, часто меняется состав осадка. Например: при прокаливании осадка Fe(OH)₃ он превращается в Fe₂O₃:

2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂О

В конце анализа определяют массу Fe₂O₃.

Соединение, по массе которого судят о количестве определяемого компонента, называют весовой (гравиметрической) формой. Иногда весовая форма совпадает с осаждаемой формой, например ВаSO₄. Если весовая и осаждаемая формы не совпадают, необходимо, чтобы осаждаемая форма достаточно легко и полностью превращалась в весовую. К весовой форме предъявляется ряд требований.

1. Весовая форма должна иметь вполне определенный состав, точно соответствующий химической формуле .Осаждаемая форма часто имеет не вполне определенный состав, вследствие этого приходится прибегать к прокаливанию.

2. Полученная весовая форма должна быть химически устойчива, не разлагаться и не улетучиваться при более высоких температурах. Прокаленный осадок не должен быть заметно гигроскопичным.

3. При соблюдении всех этих требований лучшей является весовая форма, в которой отношение ее массы к массе определяемого компонента будет наибольшим. В этом случае погрешности определения меньше скажутся на результате анализа.

2.2. условия осаждения

Осадитель выбирается такой, чтобы при реакции с определяемым компонентом получалась нужная нам осаждаемая форма.

Желательно, чтобы осадитель был специфическим, т.е.осаждал бы только данный ион; если не удается найти такой осадитель, мешающие ионы связывают в прочные комплексы или удаляют тем или иным способом из раствора.

Удобно, если осадитель является летучим веществом. Если какая-то часть осадителя остается неотмытой из осадка, она удаляется при прокаливании. Поэтому железо осаждают действием раствора аммиака, а не щелочи. Для осаждения бария лучше применять серную кислоту, а не сульфаты.

Количество осадителя. Практически полным считается осаждение, когда остающееся в растворе количество осаждаемого соединения не превышает 0,0002г. Для более полного осаждения какого-либо иона требуется избыток осадителя. Обычно осадитель берут в количестве, в 1,5 раза большем, чем вычислено по уравнению реакции. Слишком большой избыток осадителя вреден, так как он вызывает повышение растворимости осадка. Причинами повышения растворимости могут быть образование кислых солей, амфотерность осаждаемого соединения, солевой эффект и т.д.

Так, например, если осаждать алюминий в виде гидроксида, избыток ионов ОН^- может привести к растворению осадка.

Al(OH)₃ + OH^- ← [Al(OH)₄]^-

→

При осаждении свинца (П) в виде сульфата с помощью серной кислоты прибавление большого избытка осадителя вызывает повышение растворимости осадка вследствие образования кислой соли Pb(HSO₄)₂.

Влияние температуры. Большая или меньшая полнота осаждения определяется величиной произведения растворимости осадка, которая повышается с увеличением температуры. С другой стороны, осаждение из горячего раствора способствует росту кристаллов осадка или коагуляции коллоидных частиц, если получаемое соединение склонно к образованию коллоидных растворов. Поэтому, как правило, осаждение из горячего раствора проводить предпочтительнее.

Выгоднее фильтровать раствор горячим, так как фильтрование в этом случае проходит быстрее. Однако, если растворимость осадка возрастает с повышением температуры, фильтрование производят только после охлаждения раствора.

3. ЭТАПЫ ГРАВИМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Подготовка тиглей

Тигли тщательно промывают, высушивают и затем прокаливают в муфельной печи при температуре прокаливания осадка в течение 30-40 минут.

Прокаленный тигель помещают в эксикатор (рис.1) на 40-45 минут, где ему дают охладиться до комнатной температуры. После взвешивания тигель снова прокаливают в муфельной печи в течение 15-20 минут, охлаждают в эксикаторе и снова взвешивают. Эту операцию повторяют до тех пор, пока не доведут тигель до постоянной массы. Тигель считается доведенным до постоянной массы, если разность между результатами двух последовательных взвешиваний не превышает 0,0002г (точность взвешивания на аналитических весах).

3.2. Осаждение.Осаждение проводят в химических стаканах. Реактив, которым проводят осаждение, аккуратно приливают из маленького стаканчика по внутренней стенке стакана. в котором ведется осаждение. Нельзя допускать разбрызгивания, так как это может привести к потере определяемого вещества. При этом необходимо непрерывно перемешивать раствор стеклянной палочкой. При перемешивании раствора надо следить за тем, чтобы палочка не прикасалась к стеклу и дну стакана и не царапала стекло. Если осаждение проводится в горячем растворе, то следует доводить раствор до кипения. Так как добавление реактива к кипящему раствору может вызвать потерю вещества вследствие неожиданного выделения пара.

Для получения достаточно чистого и удобного для фильтрования кристаллического осадка необходимо выполнить следующие условия:

а) осаждение кристаллических осадков проводить из сильно разбавленных растворов разбавленным раствором осадителя;

б) осадитель прибавлять медленно, в начале осаждения – по каплям;

в) осаждение проводить из горячих растворов;

г) для образования более крупных кристаллов осадки следует некоторое время выдерживать в маточном растворе (раствор, в котором проводилось осаждение) на холоду; при этом образуются крупные кристаллы, происходит “старение” или “созревание”осадка.

При осаждении аморфных осадков условия другие:

а) осаждения проводят из малоразбавленных растворов концентрированным раствором осадителя – в этих условиях образуются более плотные осадки;

б) осадитель прибавляют более быстро, чем при осаждении кристаллических осадков;

в) перед осаждением в раствор добавляют электролит, вызывающий коагуляцию;

г) осаждение ведут из горячего раствора и немедленно начинают фильтрование.

3.3. Фильтрование и промывание осадка. Для фильтрования применяются так называемые беззольные фильтры, т.е. фильтры, дающие при сжигании очень незначительное количество золы (~ 0,0001г). Точная масса золы, образующейся при сжигании таких фильтров, указана на каждой пачке фильтровальной бумаги. Беззольные фильтры отличаются друг от друга по степени плотности. Наименее плотные фильтры обернуты лентой черного или красного цвета, отсюда название “черная лента”, “красная лента”, средней плотности – белой лентой, наиболее плотной – голубой. Величина фильтра определяется количеством осадка: он должен занимать около трети фильтра, но не более половины. Воронку выбирают такого размера, чтобы края фильтра были на 0,5 – 1см ниже края воронки.

Фильтр складывают вчетверо, отгибают одну четверть и вставляют его в воронку. Затем смачивают фильтр водой из промывалки и пальцем плотно прижимают края фильтра к воронке, наблюдая, чтобы не образовались пузырьки воздуха между поверхностью влажного фильтра и стенки воронки. Затем конец трубки воронки прикрывают пальцем и воронку наполняют водой. Фильтр приподнимают и заполняют всю трубку водой, наблюдая, чтобы в ней не остались пузырьки воздуха. Фильтр снова опускают на стенки воронки, плотно прижимают к ним и проверяют быстроту фильтрования. Вода должна стекать через фильтр без пузырьков воздуха; трубка воронки даже после опорожнения фильтра должна оставаться заполненной столбиком воды. Фильтрование будет происходить гораздо быстрее, если трубка воронки будет касаться внутренней поверхности стакана (рис.2). Носик стакана, в котором находится осадок, рекомендуется с наружной стороныслегка потереть пальцем. Тогда он не будет смачиваться водой и капли фильтруемой жидкости не будут стекать по наружной стенке стакана.

Стакан, содержащий фильтруемую жидкость, берут правой рукой и поднимают немного над воронкой. Стеклянную палочку, которая служила для перемешивания, осторожно вынимают из стакана и держат левой рукой вертикально над воронкой. Струю жидкости направляют по стеклянной палочке на внутреннюю поверхность фильтра. Стеклянную палочку при сливании держат вертикально над средней частью фильтра с той стороны, где он имеет тройной слой фильтровальной бумаги. Нижний конец палочки не должен касаться жидкости над фильтром. Уровень жидкости в фильтре должен примерно на 1см не доходить до края бумаги. Перенося жидкость на фильтр по стеклянной палочке, нужно стараться не взмутить осадок на дне стакана. Тогда фильтрование идет быстро, так как поры фильтра не забиваются осадком. Когда большая часть жидкости будет слита с осадка на фильтр и на дне стакана останется осадок с очень небольшим количеством жидкости, приступают к промыванию осадка декантацией. Для этого направляют струю жидкости из промывалки так, чтобы она смывала со стенок стакана приставшие к ним частицы осадка, взмучивают осадок и дают смеси постоять, чтобы осадок собрался на дне стакана. Осветленную жидкость переносят на фильтр. Эту операцию повторяют 3-4 раза Затем осадок надо полностью перенести на фильтр, предварительно взболтав его с последней порцией промывной жидкости. Частицы осадка, оставшиеся на дне стакана и его станках, струей промывной жидкости переносят на фильтр (рис.3). Для того чтобы собрать частицы осадка, приставшие к стенкам стакана, их собирают кусочком влажного беззольного фильтра с помощью палочки с резиновым наконечником. Кусочек фильтра переносят на фильтр с осадком и еще 2-3 раза промывают стакан.

Когда весь осадок окажется перенесенным на фильтр, его промывают 4-5 раз на фильтре из промывалки. При промывании направляют струю воды на воронку, обводя ею края фильтра так, чтобы струя не попадала на осадок с большой силой. После этого проверяют полноту промывания осадка. Для этого обмывают из промывалки наружную часть трубки воронки, собирают несколько капель промывных вод в пробирку и проверяют качественно в них присутствие тех ионов, от которых отмывают осадок. Промывание осадка продолжают до тех пор, пока промывные воды не перестанут давать реакцию на отмываемые ионы. Фильтру с хорошо промытым осадком дают некоторое время постоять, чтобы полнее стекла вода.

Если осадок в дальнейшем не будет прокаливаться в муфельной печи, а будет высушиваться в сушильном шкафу, его фильтруют через стеклянный фильтр с применением вакуума.

3.4. Высушивание и прокаливание осадка. Свернув края фильтра к центру, осторожно вынимают фильтр с осадком из воронки и помещают в тигель. Тигель с осадком вставляют в фарфоровый треугольник, кладут треугольник на кольцо штатива и осторожно нагревают тигель на пламени горелки. Когда фильтр станет почти сухим, нагревают сильнее, пока не начнется обугливание фильтра. Нельзя допускать воспламенения фильтра. Затем тигель с осадком помещают в муфельную печь и прокаливают. Температура и время прокаливания обусловлены составом и количеством осадка. После этого тигель охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Затем опять помещают его в муфельную печь на 15-20 мин., охлаждают в эксикаторе и снова взвешивают. Операцию прокаливания повторяют, пока не доведут тигель с осадком до постоянной массы. Если масса при повторном взвешивании отличается от массы первого взвешивания не более чем на 0,0002г, то можно считать, что достигнуто постоянство массы.

3.5.Вычисление результатов анализа. Для того, чтобы узнать массу осадка, надо из полученной массы тигля с осадком вычесть массу тигля и массу золы фильтра (указана на этикетках). Чтобы рассчитать массу определяемого вещества, надо знать величину аналитического множителя для данного определения. Аналитический множитель F показывает, скольким граммам определяемого вещества или элемента соответствует 1г весовой формы. Величину аналитического множителя обычно находят в специальных таблицах. Если не имеется таблиц, то величину F можно рассчитать.

Зная величину аналитического множителя, легко рассчитать массу вещества в анализируемом растворе:

P = F x m, где

Р – масса определяемого вещества, г; F – аналитический множитель, m – масса осадка, г.

В гравиметрическом анализе, как и вообще в количественном анализе, проводится 2 или 3 параллельных определения. Из полученных результатов, если расхождения между параллельными определениями не превышают 0,0002-0,0004г, берут среднее значение. При большем расхождении работу надо переделать. Анализ считается выполненным тем более точно, чем меньше расхождение между параллельными определениями. Результаты всех параллельных определений записываются в рабочий журнал.

При анализах обычно интересуются не абсолютным количеством определяемого элемента, а процентным содержанием его в анализируемом веществе. Процентное содержание можно рассчитать по формуле:

X = mF x 100 (%), где

g

g – навеска анализируемого вещества; m – масса осадка; F – аналитический множитель.