Гравиметрический анализ

Реферат по аналитической химии

на тему: гравиметрический анализ.

Сущность гравиметрического анализа

Гравиметрический анализ основан на определении массы вещества.

В ходе гравиметрического анализа определяемое вещество или отгоняется в виде какого-либо летучего соединения (метод отгонки), или осаждается из раствора в виде малорастворимого соединения (метод осаждения). Методом отгонки определяют, например, содержание кристаллизационной воды в кристалло­гидратах, если вещество при нагревании не претерпевает других химических изменений, кроме выделения воды:

ВаС1₂ • 2Н₂О (к) = ВаС1₂ (к) + 2Н₂О (г)

Убыль массы исходной навески равна содержанию воды.

Для определения содержания SiO₂ часто используют реакцию с фтороводородной (плавиковой) кислотой, в результате которой образуется летучий SiF₄:

SiO₂ + 4HF = SiF₄ + 2Н₂О

Метод отгонки применяют также при анализе карбонатов, некоторых нитратов и других соединений, образующих летучие продукты реакции. Содержание анализируемого компонента определяют по уменьшению массы вещества в результате термической обработки или по увеличению массы поглотителя газообразных продуктов реакции.

Методы осаждения применяются более широко, и их практическое значение намного больше, чем методов отгонки.

Рассмотрим методы осаждения более подробно. Вслед за растворением пробы или получением анализируемого раствора выполняются следующие операции (имеется в виду, что осаждается лишь один определяемый компонент):

1) осаждение;

2) фильтрование и промывание осадка;

3) высушивание или прокаливание осадка;

4) взвешивание;

5) расчет результата анализа.

Практическое проведение каждой из этих операций основано на достаточно разработанных теоретических представлениях и многолетнем опыте химиков-аналитиков.

Расчеты в гравиметрическом анализе

Если т — масса гравиметрической формы, например BaSO₄, а в результате анализа требуется определить массу серы S, то результат можно рассчитать по простой пропорции. Обозначим молярную массу BaSO₄ как М (BaSO₄), молярную массу S как М (S). Составим пропорцию:

Отношение молярной массы определяемого компонента к молярной массе гравиметрической формы называют фактором пересчета, или гравиметрическим фактором (множителем), или просто фактором и обозначают буквой F.

z = mF.

Гравиметриче­ский фактор показывает массу определяемого вещества, которое соответствует 1 г гравиметрической формы.

Дифференцирование уравнения и переход к конечным приращениям дает:

dX = dmF + mdF;

АХ = AmF + mAF.

Последнее соотношение показывает, что чем меньше фактор пересчета F, тем меньше погрешность определяемой величины АХ при одной и той же погрешности взвешивания Am. (Погрешность фактора AF пренебрежимо мала, и с ней можно не считаться.) Это, в сущности, вторая формулировка требования большой молярной массы гравиметрической формы.

При вычислении гравиметрического фактора необходимо учитывать стехиометрические коэффициенты в химических формулах определяемого вещества и гравиметрической формы, с тем, чтобы число атомов определяемого компонента в числителе и знаменателе дроби было одинаковым:

Несколько более сложные соотношения получаются при расчете, например, содержания Fe₃O₄, если гравиметрической формой является Fe₂O₃. В этом случае пропорция имеет вид

гМ (Fe₂O₃) - 1М (Fe₃O₄)

Определяемое вещество может и не входить в состав гравиметрической формы. Например, содержание железа (Ш) в растворе сульфата железа Fe₂(SO₄)₃ можно определить по массе осадка BaSO₄, полученного из этого раствора. Один моль Fe₂(SO₄)₃ содержит 2 моль Fe³⁺ и 3 моль SOf , поэтому фактор пересчета рассчитывается по следующей пропорции:

2М (Fe) - ЗМ (BaSO₄) _{= 2}M(Fe)

F - 1 3M(BaSO₄)'

Числовое значение факторов пересчета для большинства практически важных определений рассчитаны с высокой точностью и приведены в справочниках.

Гравиметрический анализ в области содержаний определяемого компонента нескольких десятых процента и больше характеризуется очень высокой точностью. Ориентировочную погрешность гравиметрического метода можно оценить с помощью формулы (2.19). В лабораторных работах по гравиметрическому методу обычно требуется определить массу вещества в пересчете на заданное соединение. Например, при анализе сульфата результат определения часто пересчитывают на содержание SO₃ по формуле

ffi(SO₃) = m(BaSO₄)F,

где m(SO₃) — масса SO₃; m(BaSO₄) — масса прокаленного осадка BaSO₄, остающаяся постоянной при повторном прокаливании, F — фактор пересчета.

Относительная погрешность определения массы SO₃ равна относительной погрешности определения массы BaSO₄. Масса гравиметрической формы m(BaSO₄) получается как разность двух взвешиваний на аналитических весах:

m(BaSO₄) = т₁ - т₂,

где т₁ — суммарная масса тигля и BaSO₄; m₂ — масса пустого тигля.

Погрешность взвешивания примерно одинакова в обоих случаях:

S_X=S₂.

В заводских и научно-исследовательских лабораториях нередко требуется определить серу в какой-либо пробе в пересчете на массовую долю (%) SO₃. В ходе анализа серосодержащие соединения окисляют до SO3 ~ и осаждают в виде BaSO₄, который затем взвешивают. Если осаждение BaSO₄ производится в аликвоте, результаты такого анализа могут быть рассчитаны по формуле Прокаливание осадка до постоянной массы прекращают, когда два последовательных взвешивания различаются не более чем на 2 • 10~⁴ г, что характеризует обычную погрешность взвешивания на аналитических весах.

Погрешность рассматриваемого анализа зависит главным образом от относительной погрешности взвешивания прокаленного осадка и от относительной погрешности определения объема пипетки. Следовательно, реального увеличения точности анализа можно добиться уменьшением именно этих погрешностей. В то же время следует отметить, что уменьшение погрешности в массе навески для анализа или объеме мерной колбы не приведет к сколько-либо заметному уменьшению погрешности анализа.

Практическое применение

Гравиметрический анализ — один из наиболее универсальных методов. Он применяется для определения почти любого элемента. В большей части гравиметрических методик используется прямое определение, когда из анализируемой смеси выделяется интересующий компонент, который взвешивается в виде индиви­дуального соединения. Часть элементов периодической системы (например, соединения щелочных металлов и некоторые другие) нередко анализируется по косвенным методикам. В этом случае сначала выделяют два определенных компонента, переводят их в гравиметрическую форму и взвешивают. Затем одно из соединений или оба переводят в другую гравиметрическую форму и снова взвешивают. Содержание каждого компонента определяют путем несложных расчетов.

Определение воды. Знание влажности пробы необходимо для точного расчета результатов анализа и содержания других компонентов. Помимо этого, вода входит в состав многих соединений в определенных стехиометрических отношениях (в кристаллогидратах). Для определения воды разработаны прямые и косвенные методы.

В косвенных методах воду определяют по уменьшению массы пробы при обезвоживании нагреванием или путем выдерживания в эксикаторе с энергичным водоотнимающим веществом (Р₂О₅, концентрированная H₂SO₄ и др.). Метод дает правильные результаты, если при этом в пробе не происходит никаких других процессов, кроме удаления воды, т. е. проба не содержит других летучих веществ.

Для определения влажности пробу обычно выдерживают при температуре 105 или 110°С до постоянной массы. Стехиометрическая или кристаллизационная вода при этом удаляется не всег­да, а обезвоживание некоторых веществ, например гидроксидов железа, алюминия и др., требует уже значительно более высокой температуры (700—800°С и выше). При определении влажности органических веществ часто используется нагревание в вакууме при температуре ниже 100 °С.

В прямых методах определения воды водяные пары поглощаются осушителем — специальным веществом, энергично поглощающим влагу (СаС1₂, Mg(C10₄)₂ и др.). Содержание воды определяется по увеличению массы осушителя, конечно, если он не поглощает других веществ, кроме воды.

Определение кремниевой кислоты. Кремниевая кислота или ее соли входят в состав многих горных пород, руд и других объектов. При обработке горных пород или минералов кислотой в осадке остается кремниевая кислота с переменным содержанием воды. Если анализ начинается со сплавления пробы, гидратированная кремниевая кислота образуется при кислотном выщелачивании плава. Большинство элементов при такой обработке образуют растворимые соединения и легко отделяются от осадка фильтрованием. Однако разделение может быть неполным, так как гидратированная кремниевая кислота может частично проходить через фильтр в виде коллоидного раствора. Поэтому перед фильтрованием осадок кремниевой кислоты стремятся полностью дегидратировать выпариванием с хлороводородной кислотой. При прокаливании кремниевая кислота переходит в безводный SiO₂, который является гравиметрической формой. По его массе часто рассчитывают результат анализа. Гидратированный диоксид кремния SiO₂ • пН₂О является отличным адсорбентом, поэтому осадок SiO₂ оказывается загрязненным адсорбированными примесями. Истинное содержание диоксида кремния определяют путем обработки прокаленного осадка фтороводород-ной кислотой при нагревании, в результате чего образуется летучий SiF₄:

SiO₂ +4HF = SiF₄ + 2Н₂О

Убыль в массе после обработки осадка фтороводородной кислотой равна содержанию SiO₂ в пробе.

Определение железа и алюминия. При анализе силикатов, известняков, некоторых руд и других горных пород эти элементы часто определяют гравиметрическим методом в смеси с титаном, марганцем и фосфатом как сумму так называемых полуторных оксидов. Обычно после отделения кремниевой кислоты в кислом растворе проводят осаждение сульфидов (меди и других элементов) и в фильтрате после удаления сероводорода осаждают сумму полуторных оксидов аммиаком в аммиачном буферном растворе. Осадок гидроксидов промывают декантацией и переосаждают, после чего фильтруют, промывают и прокаливают. Прокаленный осадок содержит оксиды Fe₂O₃, A1₂O₃, TiO₂, MnO₂. Иногда анализ на этом заканчивается, так как бывает достаточным определить только сумму оксидов и не требуется устанавливать содержание каждого компонента. При необходимости более-детального анализа прокаленный осадок сплавляют с пиросульфатом калия для перевода оксидов в растворимые сульфаты и после растворения плава определяют в растворе отдельные компоненты — железо титриметрическим или гравиметрическим методом, титан и марганец — фотометрическим и фосфор — гравиметрическим (марганец и фосфор анализируются обычно из отдельной навески). Содержание алюминия рассчитывают по разности. Прямое гравиметрическое определение железа в сумме полуторных оксидов основано на восстановлении Fe(III) сероводородом до Fe(II) и осаждении FeS в аммиачной среде в присутствии винной кислоты как маскирующего агента. Осадок FeS растворяют в НС1, окисляют при нагревании азотной кислотой и осаждают гидроксид железа(Ш) аммиаком. Анализ заканчивают взвешиванием прокаленного Fe₂O₃.

Определение калия и натрия. Гравиметрическое определение щелочных металлов относится к сравнительно сложным анализам главным образом из-за большой растворимости солей этих металлов. Калий и натрий могут быть определены один в присутствии другого, но нередко применяется и косвенный анализ: определяют сумму хлоридов или сульфатов этих металлов, затем содержание одного из них устанавливают экспериментально, а содержание другого рассчитывают по разности. Иногда используют метод определения суммарной массы хлоридов калия и натрия, а затем после обработки H₂SO₄ — суммарной массы их сульфатов.

Калий в присутствии натрия может быть осажден в виде K₂PtCl₆ или КСЮ₄. В настоящее время соединения платины для этой цели почти не применяют в связи с их большой стоимостью. Растворимость перхлората калия в воде резко уменьшается в присутствии органических жидкостей. На практике часто используют осаждение КСЮ₄ в присутствии смеси равных частей к-бутилового спирта и этилацетата. Гравиметрической формой является КСЮ₄, высушенный при 350 °С. Натрий в присутствии калия осаждается цинкуранилацетатом как тройной ацетат состава CH₃COONa • (CH₃COO)₂Zn • 3(CH₃COO)₂UO₂, и это же соединение в виде воздушно-сухого осадка является гравиметрической формой.

Определение органических соединений. В гравиметрическом анализе органических соединений используется способность некоторых реагентов вступать во взаимодействие с функциональными группами (карбонильной, азо-, сульфо- и т. д.). Таким образом, становится возможным анализировать целый класс веществ, имеющих данную атомную группу. Например, соедине­ния, содержащие метоксигруппу, определяются по схеме:

ROCH₃ + HI = ROH + CH₃I CH₃I + Ag⁺ + H₂O = Agl + CH₃OH + H⁺

Результат анализа рассчитывается по массе гравиметрической формы Agl.

Осадок тетраиодфениленхинона высушивают и взвешивают.

В последнее время успешно развивается гравиметрический анализ органических соединений.

Общая оценка метода

Наиболее существенным достоинством гравиметрического метода является высокая точность анализа. Обычная погрешность гравиметрического определения составляет 0,1—0,2%. При анализе пробы сложного состава погрешность возрастает до нескольких процентов за счет несовершенства методов разделения и выделения анализируемого компонента. К числу достоинств гравиметрического метода относится также отсутствие каких-либо стандартизации или градуировок по стандартным образцам, необходимых почти в любом другом аналитическом методе. Для расчета результатов гравиметрического анализа требуется знание лишь молярных масс и стехиометрических соотношений.

Селективность гравиметрического анализа невысока в связи с отсутствием соответствующих реагентов на большинство ионов. Одним из наиболее селективных является гравиметрическое определение никеля в виде диметилглиоксима, но такие примеры единичны и гравиметрические методы, как правило, требуют предварительного химического разделения с целью выделения анализируемого компонента.

Существенным недостатком гравиметрического метода является длительность определений. Это практически исключает применение гравиметрического анализа, например, для текущего технологического контроля производства и там, где быстрота выполнения анализа имеет решающее значение.

Чаще всего гравиметрический метод применяют для определения основных компонентов пробы, когда на выполнение анализа отводится несколько часов или десятков часов, для анализа эталонов, используемых в других методах, в арбитражном анализе, для установления состава минералов, различных веществ, включая синтезированные, состава различных композиций и т. д. Практическое применение гравиметрического метода остается очень широким.