- •Метрология Методы измерения содержания компонента в пробе вещества объекта анализа
- •Введение
- •Рекомендуемая литература
- •Основы аналитической химии: учебник в 2 кн. / Под ред. Ю. А. Золотова. – Кн.1: Общие вопросы. Методы разделения – м.: Высшая школа, 2004. – 539 с.
- •Internet-ресурсы
- •Теоретическая часть
- •1. Измерение содержания определяемого компонента в пробе анализируемого вещества – специфический вид измерений в метрологии
- •Аналитические операции при измерении концентрации компонента в пробе анализируемого вещества
- •3. Способ сравнения с эталоном в химических методах количественного химического анализа вещества объекта анализа
- •Методы гравиметрии (закон сохранения массы элемента)
- •Методы титриметрии (закон эквивалентов)
- •4. Способ сравнения с эталоном в физических методах количественного химического анализа вещества объекта анализа
- •5. Измерительное преобразование
- •6. Аналитический сигнал определяемого компонента
- •7. Результат измерения концентрации компонента
- •8. Метрологические и аналитические операции при выполнении количественного химического анализа
- •9. Обеспечение единства измерений содержания определяемого компонента в пробе анализируемого вещества
- •Экспериментальная часть
- •Методика газохроматографического определения воды в метаноле
- •Методика газохроматографического определения воды в метаноле
- •Методика газохроматографического определения воды в метаноле
- •Методика газохроматографического определения воды в метаноле
- •Методика газохроматографического определения воды в метаноле
- •1 Область применения
- •3. Определите физическую природу аналитического сигнала определяемого компонента в данном методе анализа
- •4. Какое измерительное преобразование используется в средстве измерения для измерения концентрации?
- •5. Что представляет собой вещество сравнения в данной методике анализа? Опишите, как готовят эталон числа частиц определяемого компонента или его эквивалента
- •6. Опишите способ приготовления градуировочных смесей определяемого компонента или его эквивалента
- •5 Порядок подготовки к проведению определения
- •7. Постройте схематично градуировочный график для применяемого средства измерения содержания определяемого компонента
- •8. Покажите, как можно найти содержание определяемого компонента по градуировочному графику
- •6 Порядок проведения определения
- •7 Правила обработки результатов определения
- •9. Опишите, как получают результат измерения концентрации определяемого компонента (обратное преобразование)?
- •10. Вычлените из текста методики метрологические и аналитические операции
- •11. Составьте перечень заданий для метролога, ответственного за обеспечение единства измерений в аналитической лаборатории при использовании данной методики химического анализа.
3. Способ сравнения с эталоном в химических методах количественного химического анализа вещества объекта анализа
Химический приём сравнения природы и количества частиц определяемого компонента с его названием (качественный анализ) и единицей измерения 1 моль (количественный анализ) реализован в способе сравнения с эталоном единицы величины количества компонента путём проведения химической реакции, основанной на определённых химических свойствах определяемого компонента и отвечающей законам сохранения и определенным требованиям. В первую очередь, это законы постоянства химического состава, закон сохранения массы или количества компонента при химических взаимодействиях и закон эквивалентов.
Химические взаимодействия основаны на химических свойствах химических соединений. Для определения искомого компонента в пробе вещества проводят химическую реакцию, отвечающую определенным требованиям, и измеряют массу (методы гравиметрии) или объём (методы титриметрии) компонентов, участвующих в данной химической реакции. Количественные отношения получают, из закона постоянства химического состава и закона сохранения массы элементов (методы гравиметрии) или закона эквивалентов компонентов (методы титриметрии) для данной химической реакции.
Методы гравиметрии (закон сохранения массы элемента)
Способ сравнения с эталоном при проведении количественного анализа методом гравиметрии следующий. Проводят химическую реакцию с реагентом, вступающим в химическую реакцию с определяемым компонентом в строго определенных соотношениях (стехиометрично), и точно измеряют массу (аналитический сигнал) образующегося продукта реакции – гравиметрической формы, который одновременно служит веществом сравнения. Масса образующегося вещества сравнения привязана к международному эталону массы 1 кг, который хранят и воспроизводят аналитические весы, и молярной массе продукта реакции через число Авогадро, отражающего 1 моль частиц. Разновидности метода гравиметрии связаны с агрегатным состоянием образующегося продукта реакции – твердым, жидким или газообразным.
Методы титриметрии (закон эквивалентов)
Способ сравнения с эталоном при проведении количественного анализа методом титриметрии следующий. Проводят химическую реакцию определяемого компонента А, находящегося в растворе, с точно определённым количеством реагента – компонентом В, который тоже находится в растворе. Компонент В вступает в химическую реакцию с определяемым компонентом А без побочных реакций, без остатка, в строго определенных соотношениях (стехиометрично).
aA + bB = cC + dD
Стандартный или стандартизованный раствор компонента В, в терминах метрологии называется рабочим эталоном, в терминах аналитической химии – титрантом. Этот рабочий эталон (титрант) хранит и воспроизводит через международные эталоны массы (1 кг), длины (1 м) и число Авогадро, отражающего 1 моль частиц, концентрацию числа конкретных частиц – эквивалентов компонента В, моль/дм3.
Стандартный раствор титранта – рабочего эталона первого разряда числа частиц эквивалентов компонента В, готовят путём растворения в мерной колбе точно измеренной массы вещества сравнения. В качестве вещества сравнения может быть использован химический реактив соответствующей степени чистоты, содержащий компонент В в количестве более 99 %, или стандартный образец состава вещества, в котором содержание компонента В известно с наивысшей точностью.
Стандартизованный раствор титранта (рабочий эталон второго разряда) готовят путём установления его точной концентрации методом титриметрии, проведя химическую реакцию со стандартным раствором другого титранта, и применяя для расчетов концентрации стандартизованного раствора титранта закон эквивалентов.
Погрешность расчетного значения концентрации в стандартизованном растворе титранта выше, чем у стандартного раствора, так как при приготовлении стандартного раствора титранта используется два средства измерения (аналитические весы и мерная колба), а при установке концентрации стандартизованного раствора титранта используется пять средств измерений (аналитические весы, две мерных колбы, мерная пипетка и бюретка).
Разновидности метода титриметрии связаны с типом проводимой химической реакции. Тип реакции обусловлен химическими свойствами определяемого компонента. Это могут быть реакции нейтрализации, окисления-восстановления, комплексообразования, осаждения.
Реакция может быть переписана в условных частицах – эквивалентах, для которых стехиометрические коэффициенты для всех участников реакции равны единице:
1 [a/b A] + 1 [B] = 1 [c/b C] + 1 [d/b D]
Здесь эквивалентом компонента А является условная частица [a/b A], эквивалентом компонента В является условная частица [B], эквивалентом компонента С является условная частица [c/b C], эквивалентом компонента D является условная частица [d/b D]. Условные частицы – эквиваленты устанавливаются для каждого типа химической реакции по своим правилам.
Физический смысл записи уравнения реакции через условные частицы – эквиваленты следующий: один моль эквивалентов компонента А реагирут с одним молем эквивалентов компонента В и образуетсяя по одному молю компонента С и D соответственно. В этом случае, согласно правилам математики, можно приравнять число частиц – эквивалентов nэ всех участников реакции друг другу:
nэ (А) = nэ (В) = nэ (С) = nэ (D),
что является математической записью закона эквивалентов.
Из этого закона следует, что если мы измерим число затраченных на реакцию частиц – эквивалентов эталона, следовательно, мы узнаем, сколько было частиц – эквивалентов определяемого компонента в пробе анализируемого вещества. Зная число частиц – эквивалентов определяемого компонента, мы можем вычислить его массу или его концентрацию.
Однако не существует способов измерения числа частиц как структурных образований (конкретных наименований атомов, изотопов, ионов, молекул). Прореагировавшие массы компонентов А и В также не могут быть измерены, так как они находятся в растворе, к тому же в виде каких-либо химических соединений. Фактически могут быть измерены только объемы растворов компонентов А и В, израсходованные на реакцию. Поэтому для практического использования через измеряемые величины используют запись закона эквивалентов через объемы растворов компонентов, участвующих в конкретной реакции:
СМэ (А) V (А)пип = СМэ (В) V (В)э
отсюда
СМэ (А) = СМэ (В) V (В)э / V (А)пип;
где СМэ (А) ‑ молярная концентрация эквивалентов определяемого компонента А, моль/дм3;
СМэ (В) ‑ молярная концентрация эквивалентов компонента В, моль/дм3 – титранта, выполняющего роль рабочего эталона числа частиц, который готовится по специальной процедуре при проведении химического анализа методом титриметрии;
V (B)э. ‑ эквивалентный объём титранта B, затраченный на реакцию с определяемым компонентом и измеренный бюреткой, см3, (аналитический сигнал);
V (А)пип ‑ объём раствора, содержащего определяемый компонент А, отмеренный мерной пипеткой, см3.
Зная молярную концентрацию эквивалентов определяемого компонента А, можно рассчитать его массовую концентрацию Сm (A):
СМэ (А) = nэ (A) / Vм.к = m (А) / (Mэ (А) Vм.к) = Сm (A) / Mэ (А), моль/дм3;
отсюда
Сm (A) = СМэ (А) Mэ (А), г/дм3