Количественный анализ

Задачей количественного анализа является определение количественного содержания элементов, ионов или химических соединений, входящих в состав исследуемых веществ и материалов.

Результаты анализа обычно выражают в процентах. Например, при анализе карбоната кальция указывают, сколько процентов кальция, углерода и кислорода в нем содержит содержится. Ввиду того, что CaCO₃ можно рассматривать как продукт соединения окиси кальция CaO с угольным ангидридом CO₂, состав этой соли часто выражают также в процентах окислов CaO и CO₂.

Химический анализ является важнейшим методом исследования и широко применяется во всех областях науки, которые так или иначе соприкасаются с химией. Так, огромно его значение для минералогии, геологии, физиологии, микробиологии, медицинских, агрономических и технических наук. Не менее важное значение имеет химический анализ и в производстве. Инженер-технолог на любой стадии производственного процесса должен знать как качественный, так и количественный состав материалов, подвергающихся переработке. Например, правильно составить шихту в чугунолитейном или стекольном производстве можно, только зная состав загружаемых в печь материалов, наилучшим образом провести процесс дубления кожи можно, только зная содержание дубильных веществ в применяемых экстрактах и т.д.

Методы количественного анализа.В количественном анализе обычно используют те же самые реакции ионов, которые применяются в качественном анализе. Так, для количественного определения хлора (вернее Cl - иона) его осаждают из раствора ионом серебра:

Cl^- + Ag⁺ = AgCl

На основе этой реакции хлор можно определять различными способами. Можно, например, осадок AgCl, осторожно прокалить (или высушить) и точно взвесить. По весу осадка AgCl и его формуле нетрудно вычислить, сколько в нем содержится хлора. Так, например, при анализе 0,0536 г. NaCl осадок весил 0,1290 г.. Принимая во внимание, что грамм-моль (т.е. 143,3 г.) AgCl содержит г- атом (т.е. 35,45 г.) Cl, можно записать:

в 143,3г. AgCl содержится 35,45 г. Cl

в 0,1290 г. AgCl содержится. x г. Cl

х = 0,1290 35,45/143,3 г.

Учитывая, что весь найденный хлор содержался раньше во взятой навеске (т.е. в отвешенном для анализа количестве) NaCl легко вычислить процентное содержание хлора в последней.

в 0,0536 г. NaCl содержится. 0,03192 г. Cl

в 100 г. NaCl содержится уг. Cl

у = 0,03192∙100 / 0,0536 = 69,6 %

Такой метод анализа называется весовым анализом, поскольку о количестве определяемого элемента судят по весу продукта реакции. Определить количество хлора в NaCl можно однако и иначе, а именно - при помощи так называемого титрования, т.е. измерения объема раствора реактива AgNO₃ точно известной концентрации, затрачиваемого на осаждение ионов Cl^-. Этих двух величин - объема и концентрации раствора реактива - вполне достаточно для вычисления искомого содер-

жания хлора в исследуемом веществе. Если, например, на осаждение всего хлора из раствора, полученного при растворении навески вещества в воде, потребовалось 18 мл раствора AgNO₃, в 1 мл которого содержится 0,0085 г. этой соли, то всего на реакцию очевидно затрачено 18·0,0085, т.е. 0,1530 г. AgNO₃.

Из уравнения реакции NaCl + AgNO₃ = AgCl + NaNO₃ видно, что на осаждение 1 г-иона (т.е. 35,45 г.) Cl затрачивается 1 г-моль (т.е. 169,9 г.) AgNO₃

Поэтому можно написать:

на осаждение 35,45 г. Cl затрачивается 169,9 г. AgNO₃

на осаждение х г. Cl затрачивается 0,1530 г. AgNO₃

х = 0,1530∙35,45/169,9 = 0,03192 г. Cl

После того, как и в предыдущем случае, остается рассчитать процентное содержание хлора во взятой навеске.

Метод анализа, основанный на точном измерении объема раствора реактива точно известной концентрации, затрачиваемого на реакцию, называется объемным анализом

Объемный анализ имеет в отношении скорости выполнения огромное преимущество перед весовым анализом. Ускорение определений достигается здесь благодаря тому, что вместо взвешивания продукта реакции при объемном анализе измеряют объем затрачиваемого на ее течение раствора реактива, концентрация (или, как говорят титр) которого всегда точно известна.

Титром называется число граммов растворенного вещества, содержащееся в 1 мл раствора. Например, выражение “титр H₂SO₄ равен 0,0049 г./мл” означает, что каждый миллиметр данного раствора серной кислоты содержит 0,0049 г. H₂SO₄, титр обозначается буквой Т с указанием формулы соответствующего вещества. Так, в данном случае:

Т(H₂SO₄) = 0,0049 г/мл.

Раствор, титр которого точно известен, называется титрованным

При анализе титрованный раствор реактива наливают в измерительный сосуд, называемый бюреткой, и понемногу приливают его к исследуемому раствору до тех пор, пока тем или иным способом не будет установлено, что затрачиваемое количество реактива эквивалентно количеству определяемого вещества. Эта операция носит название титрования.

Отсчитав на бюретке, израсходованный на титрование, объем раствора реактива и зная его титр, перемножают эти величины и получают израсходованное на реакцию количество

реактива в г. Отсюда по уравнению реакции уже нетрудно вычислить количество определяемого вещества в исследуемом растворе, а если известен объем последнего, то и титр раствора.

Одно из наиболее существенных отличий объемного анализа от весового заключается в том, что при титровании употребляют не избыток раствора, а количество его, точно отвечающее уравнению реакции и химически эквивалентное количеству определяемого вещества.

Отсюда ясно, что при титровании необходимо достаточно точно установить момент наступления эквивалентности или, как говорят, фиксировать точку эквивалентности.

В некоторых случаях такое фиксирование оказывается возможным благодаря тому, что окрашенный реактив в процессе реакции меняет свою окраску. Например, если подкисленный серной кислотой раствор FeSO₄ титровать раствором KMnO₄, то протекает реакция:

10FeSO₄ + 2 KMnO₄ + 8H₂SO₄ = 5Fe₂(SO₄)₃ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 8H₂O

При этом окраска прибавляемой капли KMnO₄ почти мгновенно исчезает. Это обусловлено восстановлением ионами Fe²⁺ окрашенных ионов MnO₄^- в бесцветные ионы Mn²⁺. Но как только весь FeSO₄ будет окислен до Fe₂ (SO₄)₃ одна лиш-

няя капля KMnO₄ окрасит раствор в бледномалиновый цвет; это показывает, что точка эквивалентности уже перейдена и титрование нужно закончить. Таким образом, его заканчиваютздесь не строго в точке эквивалентности, а несколько “перетитровывают”, т.е. вводят с последней каплей титрованного раствора небольшой избыток KMnO₄. Вследствие этого возникает некоторая погрешность, называемая ошибкой титрования. Так как титрованный раствор KMnO₄ очень разбавлен и избыток его не превышает одной капли, эта ошибка мала и с ней можно не учитывать.

Таким образом, необходимым условием для применения объемного метода анализа является возможность тем или иным способом фиксировать точку эквивалентности.

Вторым необходимым условием для применения реакции в объемном анализе является количественное течение ее, характеризуемое соответствующей величиной константы равновесия реакции. Эта константа должна быть достаточно велика.

Кроме того, необходимо, чтобы при титровании не должны протекать побочные реакции, делающее точное вычисление результатов анализа невозможным.

Вычисления результатов объемных определений.Вычисление при выражении концентраций через нормальность.

Ход вычислений различен в зависимости от того, каким методом пользуются при определении - методом пипетирования или методом точных навесок.

Вычисление при методе пипетирования.

Сколько было Ba(OH)₂ , если после растворения его в мерной колбе емкостью 250 мл и разбавлении раствора водой до метки на титрование 20 мл полученного раствора израсходовано 22,4 мл 0,009884 н. раствора HCl.

Для вычислений используется закон:

Произведение объема раствора, затрачиваемого при титровании, на его нормальность есть величина постоянная для обоих реагирующих веществ.

N₁ × V₁ = N₁ × V₁