Аналитическая химия и физико-химические методы анализа. Количественный химический анализ. Учебное пособие

3

Предисловие

Подготовка квалифицированных кадров, так необходимых стране, невоз-

можна без использования учебной литературы, отвечающей современному научно-педагогическому уровню. Существующие учебники и учебные пособия по аналитической химии, которые используют студенты технологических спе-

циальностей, недостаточно полно учитывают особенности подготовки специа-

листов для пищевой промышленности. В связи с этим возникла необходимость в разработке учебного пособия, которое позволяет специалистам пищевого профиля изучить теорию и практику химических методов количественного анализа с возможностью их использования в пищевой промышленности.

Учебное пособие составлено в соответствии с государственным общеоб-

разовательным стандартом высшего профессионального образования. Целью настоящего учебного пособия по химическим методам анализа является оказа-

ние помощи студентам всех форм обучения технологических специальностей пищевого производства в углублении теоретических знаний, выполнении лабо-

раторного практикума по традиционным методам химического количественно-

го анализа и ознакомление с использованием этих методов в пищевой промыш-

ленности. Приведенные методики по контролю качества и безопасности сырья и пищевых продуктов могут быть использованы для выполнения учебно-ис-

следовательской работы студентов (УИРС). В учебном пособии изложены ме-

тодики гравиметрического (весового) анализа и титриметрического (объемно-

го) анализа: кислотно-основного титрования (метод нейтрализации); окисле-

ния-восстановления (редокс-метрия); комплексонометрии и осаждения, приве-

дены методики количественного химического анализа, используемые в пище-

вой промышленности.

По сравнению с первым изданием дополнен раздел по использованию химического количественного анализа для технохимического контроля каче-

ства продовольственного сырья и готовой продукции.

В приложении приведена краткая форма отчета по лабораторной работе.

4

1. Количественный анализ.

Гравиметрический (весовой) анализ

Задачей количественного анализа является установление количественных соотношений составных частей анализируемого вещества. Количественный анализ может быть полным и неполным. Если необходима информация о со-

держании всех элементов, ионов или соединений, которые входят в состав ис-

следуемого образца, выполняют полный количественный анализ. Неполный

(частичный) количественный анализ проводят в том случае, если требуется установить содержание только некоторых отдельных элементов или соедине-

ний.

Среди химических методов наибольшее значение имеют гравиметриче-

ский и титриметрический анализы, которые называют классическими метода-

ми. Эти методы постепенно вытесняются инструментальным анализом. Однако классические методы остаются непревзойденными по точности. Относительная погрешность определений не превышает 0,1-0,2 %, что почти в 20 раз меньше погрешности большинства инструментальных методов.

Гравиметрический метод анализа основан на точном измерении массы либо определяемого компонента, который получают в элементарном виде или в виде соединения определенного состава, либо - остатка после удаления опреде-

ляемого компонента. Гравиметрические методы подразделяют на две группы:

методы отгонки и методы осаждения. Метод отгонки называют прямым, если летучий компонент количественно отгоняют и поглощают специфическим по-

глотителем. О содержании определяемого компонента судят по увеличению массы поглотителя. В том случае, если определяемый компонент не улавлива-

ют, то о его содержании можно судить по убыли массы пробы после отгонки.

Этот метод называют косвенным методом отгонки. Косвенный метод грави-

метрии используют при определении влажности образцов или кристаллизаци-

онной воды. Однако методы отгонки имеют ограниченное применение ввиду того, что определяемый компонент должен быть или летучим, или должна быть

5

возможность перевести его в летучее вещество химическим путем. Ввиду ука-

занного методы осаждения нашли более широкое применение.

В методах осаждения навеску пробы переводят в раствор тем или иным способом, затем определяемый компонент осаждают в виде малорастворимого соединения (ПР 1 10 8) или выделяют в элементарном виде. Полученный оса-

док промывают, отделяют от раствора, высушивают, если есть необходимость,

прокаливают, а затем взвешивают. При выполнении анализа методом осажде-

ния необходимо строго соблюдать условия осаждения, которые зависят от того,

какой осадок будет получен (аморфный или кристаллический).

Гравиметрический метод отличается высокой точностью (до 0,2 %), од-

нако требует больше времени для выполнения анализа. В пищевой промышлен-

ности гравиметрическим методом устанавливают зольность и влажность сырья,

полуфабрикатов и готовой продукции.

1.1. Гравиметрическое определение содержания

железа в растворе

Цель работы - определить содержание железа в растворе методом гра-

виметрии.

Сущность работы. Весовое определение содержания железа основано на осаждении аморфного гидроксида железа, ПР (Fe(OH)3) = 5 10 27, согласно реакции:

FeCl3 3NH4OH Fe(OH)3 3NH4Cl .

Осаждаемую форму осадка Fe(OH)3 переводят в весовую форму Fe2O3 пу-

тем прокаливания в муфельной печи при 800-900 оС:

2Fе(OH)3 Fe2O3 3H 2O .

Взвешивают осадок Fe2O3 и вычисляют содержание железа.

Оборудование и реактивы: штатив с кольцом; весы аналитические; во-

ронка; беззольный фильтр; стакан вместимостью 200 см3; промывалка; стек-

6

лянная палочка; фарфоровый тигель; муфельная печь; эксикатор; горячая ди-

стиллированная вода; тигельные щипцы; раствор FeCl3, Cэк(FeCl3) 0,2

моль/дм3; HNO3, Cэк(HNO3) 2,0 моль/дм3; NH4OH, = 25 %; NH4NO3, =2 %; Hg2(NO3)2, = 1 %.

Методика выполнения анализа. Полученный анализируемый раствор,

содержащий хлорное железо (FeCl3), подкисляют раствором азотной кислоты

(5-10 капель), нагревают до начала кипения, но не кипятят. При помешивании палочкой быстро добавляют в горячий анализируемый раствор, концентриро-

ванный раствор аммиака до появления слабого запаха аммиака. В случае пол-

ного осаждения железа после отстаивания наблюдается четкое отделение осад-

ка от раствора, прозрачная жидкость над осадком. Полноту осаждения прове-

ряют осторожным добавлением одной-двух капель раствора осадителя. В слу-

чае достижения полноты осаждения отсутствует муть в месте попадания капли

NH4OH. После чего к анализируемому раствору с осадком добавляют 100 см3

горячей воды, перемешивают стеклянной палочкой, дают отстояться 5-7 мин и приступают к фильтрованию. Фильтровать следует через фильтр средней плот-

ности (белая или красная лента). Сначала на фильтр сливают жидкость с осадка

(метод декантации), затем осадок промывают раствором нитрата аммония не-

сколько раз. После этого осадок количественно переносят на фильтр и промы-

вают его дистиллированной водой до исчезновения хлорид-ионов (проба филь-

трата, подкисленная азотной кислотой, не дает мути с раствором нитрата рту-

ти). Частицы осадка, приставшие к стакану и палочке, снимают кусочками без-

зольного фильтра и присоединяют к общему осадку. После того, как осадок ко-

личественно собран на фильтре и промыт, его вместе с фильтром помещают во взвешенный фарфоровый тигель и осторожно подсушивают на плитке. При по-

мощи тигельных щипцов помещают тигель в муфельную печь и прокаливают до постоянной массы при 800-900 оС в течение 20-30 мин. После прокаливания тигель с осадком помещают в эксикатор, где охлаждают до комнатной темпера-

туры, и взвешивают.

где m(Fe2O3) - масса весовой формы, г;

F - аналитический множитель (фактор пересчета) - отношение величины молярной массы эквивалента определяемого вещества к молярной массе эквивалента весовой формы с учетом стехиометрических коэффициентов.

Относительную ошибку анализа вычисляют по формуле:

где m(Fe) - практически рассчитанная масса железа, г; m (Fe) - теоретически вычисленная масса железа, г.

1.2. Определение гигроскопической воды в веществе

Цель работы - определить содержание гигроскопической воды в веще-

стве методом гравиметрии.

Сущность работы. Твердые вещества адсорбируют на своей поверхно-

сти водяные пары из воздуха. Адсорбированная веществом вода называется гигроскопической. В отличие от стехиометрической воды содержание гигро-

скопической воды непостоянно и поэтому не может быть отражено в химиче-

ской формуле. Вещества с очень большой поверхностью могут адсорбировать значительное количество воды, сохраняя при этом вид сухого порошка. Гигро-

скопическая вода находится в динамическом равновесии с водными парами воздуха, поэтому она частично удаляется из вещества при хранении его в сухом помещении. Более полное удаление и количественное определение гигроскопи-

ческой воды достигается высушиванием вещества до постоянной массы при

8

105-130 оС. Навеску вещества, помещенную в бюкс, нагревают до 105-130 оС в сушильном шкафу до тех пор, пока не перестанет изменяться его масса. Дости-

жение постоянной массы свидетельствует о том, что вся гигроскопическая вода уже удалена. Масса воды будет равна убыли в массе вещества.

Оборудование и реактивы: аналитические весы; сушильный шкаф; бюкс,

диаметром 25 мм; эксикатор; анализируемое вещество; тигельные щипцы.

Методика выполнения анализа. 1. Подготовка бюкса и взятие пр о-

бы вещества. Прежде, чем отобрать навеску анализируемого вещества в бюкс,

его необходимо довести до постоянной массы. Для этого чистый бюкс марки-

руют простым карандашом на пришлифованной части и помещают в сушиль-

ный шкаф с температурой 105-130 оС. Бюкс не закрывают, крышку кладут сверху на ребро. Первое взвешивание проводят через 45-60 мин высушивания,

последующие - через каждые 30 мин. Горячий бюкс вынимают из сушильного шкафа тигельными щипцами, помещают в эксикатор, охлаждают до комнатной температуры, затем взвешивают на аналитических весах. Закрывать горячий бюкс крышкой нельзя, так как после охлаждения будет трудно или даже невоз-

можно открыть его из-за образовавшегося внутри бюкса вакуума.

Повторяют высушивание бюкса еще 1-2 раза по 30 мин, чтобы довести его до постоянной массы. Высушивание заканчивают, когда результаты двух по-

следних взвешиваний будут отличаться между собой не более, чем на 0,0002 г. В

подготовленный таким образом бюкс помещают 1-1,5 г вещества, быстро за-

крывают его крышкой и взвешивают на аналитических весах.

2. Высушивание вещества. Открыв бюкс, кладут крышку на ребро бюкса и ставят на полку сушильного шкафа. Первое высушивание проводят че-

рез 1,5-2 часа, строго следя, чтобы температура держалась в пределах 105130 оС. Затем тигельными щипцами переносят бюкс и крышку в эксикатор.

Продержав эксикатор 20 мин около весов, вынимают из него бюкс и, закрыв крышкой, точно взвешивают.

Повторяют высушивание еще 1-2 раза (по 30 мин), т е. доводят бюкс с анализируемым веществом до постоянной массы. Если второе или третье взве-

9

шивание дает тот же результат, что и первое взвешивание, или отличается не более чем на 0,0002 г, то гигроскопическую воду можно считать удаленной практически полностью. В противном случае высушивание с периодическим взвешиванием повторяют до тех пор, пока не будет достигнута постоянная мас-

са. Результаты всех повторных взвешиваний обязательно записывают в тетрадь,

даже при одинаковых значениях. Если требуется прервать работу до следующе-

го занятия, то бюкс оставляют в эксикаторе открытым. Высушивание при этом будет продолжаться вследствие поглощения водяных паров водоотнимающим средством. Разумеется, высушивание в эксикаторе будет происходить только в том случае, если шлиф его хорошо смазан. Однако перед взвешиванием бюкс с веществом следует снова высушить в сушильном шкафу. Записи взвешиваний оформляются следующим образом.

Взвешивания бюкса до высушивания вещества: m1 - масса бюкса после первого взвешивания, г; m2 - масса бюкса после второго взвешивания, г; m3 - постоянная масса бюкса, г;

m4 - масса бюкса с веществом, г; m5 = m4 - m3 - масса вещества, г;

Взвешивания при высушивании вещества:

m6 - масса бюкса с веществом после первого взвешивания, г; m7 - масса бюкса с веществом после второго взвешивания, г; m8 - масса бюкса с веществом после третьего взвешивания, г; m9 - постоянная масса бюкса с веществом, г.

Вычисляют массу гигроскопической воды в навеске (г):

10

Относительную ошибку определяют по формуле:

где (H2O) - практически рассчитанная массовая доля воды, %;

(H2O) - контрольная массовая доля воды, %.

1.3.Применение гравиметрического метода

впищевой промышленности

Методы определения массовой доли влаги. Для оценки сырья, полу-

фабрикатов и готовых изделий большое значение имеет их влажность. Влаж-

ность сырья непосредственно влияет на условия его переработки, по влажности судят о пригодности сырья к длительному хранению. Существует несколько разных методов определения массовой доли влаги. Выбор метода зависит от количества влаги в продукте, необходимой точности определения, а также от однородности анализируемой пробы.

Из многочисленных методов определения массовой доли влаги, в основ-

ном, применяют гравиметрические методы, основанные на высушивании ис-

следуемого вещества при высокой температуре (120-130 оС) или при темпера-

туре 105 оС до постоянной массы, а также химические методы, основанные на взаимодействии анализируемого вещества с соответствующим реагентом (кси-

лолом, толуолом, бензолом), несмешивающимся с водой.

При определении массовой доли влаги методом высушивания следует строго придерживаться условий методики высушивания.

Метод определения концентрации сухих веществ. Метод определения массовой концентрации сухих веществ основан на непосредственном опреде-

лении массовой доли влаги высушиванием продукта или взаимодействием во-

ды с химическими реактивами. Этим методом определяют действительное, т.е. «истинное» содержание сухих веществ, поэтому сухие вещества называют «ис-