Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова

(технический университет)

Кафедра общей и физической химии

Количественный

анализ

Методические указания к лабораторным работам

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2010

УДК 681.5.011:622 (075.84)

Количественный анализ: Методические указания к лабораторным работам. Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). Сост.: Чиркст Д.Э., Черемисина О.В., Иванов И.И., Чистяков А.А., Лобачева О.Л., Литвинова Т.Е. СПб, 2010, 54 с.

Изложены теоретические основы, приведены описание установок и методики выполнения лабораторных работ по дисциплине «Аналитическая химия» для студентов специальностей 130302, 130405, 130603, 150102, 150103, 220301, 240403, 280202. Предлагаются различные способы обработки результатов экспериментов и оценки ошибок.

Научный редактор: проф. Чиркст Д.Э.

© Санкт-Петербургский горный

институт им. Г.В.Плеханова, 2010 г.

Введение

Количественный анализ – совокупность экспериментальных методов, которые позволяют определять в образце анализируемого материала количественное содержание отдельных составных частей или примесей.

Целью количественного анализа является определение количественных соотношений химических соединений, ионов и элементов, входящих в состав исследуемых веществ.

Методы количественного анализа подразделяют на химические и физические. Химические методы анализа основаны на проведении аналитических реакций, количественно протекающих в растворах, расплавах, твёрдых телах или газах. Они образуют две группы методов: весовой и объёмный анализ.

Выполнение гравиметрического (весового) анализа заключается в точном измерении массы анализируемого компонента в исследуемом веществе.

При титриметрическом (объёмном) анализе количественный состав исследуемой пробы определяют путём точного измерения объёма раствора реагента известной концентрации (титранта), взаимодействующего в эквивалентных количествах с определяемым веществом.

Физические методы связаны с изучением спектров и других физических свойств веществ, зависящих от их состава. В данном пособии будут рассмотрены химические методы анализа.

Химические методы количественного анализа часто называют классическими. Это наиболее разработанные методы анализа. Они точны, просты в выполнении, не требуют специальной аппаратуры. Однако их применение связано с трудностями выделения компонентов из сложных смесей и сравнительно невысоким пределом чувствительности, что особенно важно при ограниченном количестве пробы для анализа.

Краткие теоретические сведения Весовой (гравиметрический) анализ

Гравиметрический метод количественного анализа (весовой анализ) основан на точном измерении массы анализируемого вещества или компонента смеси, выделенных в химически чистом виде, или в виде химических соединений точно известного состава.

Гравиметрический анализ условно делят на три группы методов: осаждения, отгонки и выделения.

Метод отгонки

Анализируемое вещество из пробы количественно отгоняют в виде летучего соединения. Различают прямую и косвенную отгонку. При прямой отгонке массу отогнанного продукта измеряют непосредственно. Например, для определения СО₂ в навеске известняка пробу нагревают и выделяющийся по реакции углекислый газ улавливают раствором щелочи или сухой щелочью (взятом в избытке) в соответствии с уравнением реакции . При этом определяют изменение массы щелочи – столько СО₂ выделилось по реакции и прореагировало со щелочью.

При косвенной отгонке массу анализируемого вещества находят по разности масс пробы до и после отгонки, например, при определении влажности, количества кристаллизационной воды, общего количества летучих примесей и др.

Метод выделения

Исследуемое вещество или компонент смеси количественно выделяют в свободном состоянии и взвешивают. Метод выделения применяют, например, для установления качества лекарственных препаратов, зольности угля или нефти, количества сухого остатка при анализе природных и сточных вод.

Метод осаждения

Определяемый компонент количественно осаждают химическими способами в виде малорастворимого химического соединения постоянного состава, массу которого определяют взвешиванием. Весовой анализ включает следующие операции.

1. Растворение навески исследуемого вещества в соответствующем растворителе. К растворителю предъявляют следующие требования:

= хорошая растворимость исследуемого вещества;

= полное улетучивание при прокаливании или сушке.

Например, для растворения большинства металлов или образцов минерального сырья используют соляную или азотную кислоты, которые при прокаливании полностью улетучиваются.

2. Корректировка состава раствора: перевод определяемого элемента в заданную степень окисления, установление требуемого значения рН, отделение или маскирование мешающих анализу элементов.

3. Выделение определяемого элемента из аликвотной части раствора в виде малорастворимого соединения, которое называют «осаждаемая форма». Осаждаемая форма должна удовлетворять следующим требованиям:

= низкая растворимость (величина произведения растворимости L ≤ 10^-8);

= возможность перевода в весовую форму путем прокаливания или высушивания;

= удовлетворительное отделение от раствора;

= отсутствие соосаждения примесей, то есть не должно быть изоморфизма с соединениями других элементов, содержащихся в пробе.

Осаждаемая форма образуется при химическом взаимодействии определяемого вещества и осадителя. Осадитель должен соответствовать следующим требованиям:

= избирательность по отношению к определяемому элементу;

= улетучивание при прокаливании или сушке.

При получении осаждаемой формы важно получение крупнодисперсного, хорошо фильтруемого осадка.

Кристаллические осадки получают в условиях низкого пересыщения раствора. При этом образуется небольшое число зародышей, которые постепенно вырастают в крупные кристаллы. Благодаря медленному росту частиц осадка снижается и захват примесей из раствора. Низкое пересыщение обеспечивают прибавлением по каплям разбавленного раствора осадителя при перемешивании и температуре, обеспечивающей повышенную растворимость осадка.

Если осаждаемая форма образуется по экзотермической реакции, то осаждение ведут из горячего раствора. Если образование осадка является эндотермическим процессом, то осаждение ведут при охлаждении раствора льдом.

Полученному осадку дают созреть при перемешивании с раствором в течение нескольких часов (или оставив осадок с раствором на ночь). При созревании мелкие частицы осадка за счёт большой удельной поверхности растворяются, а крупные растут.

Аморфные осадки должны быть хорошо скоагулированы. Коагуляцией называют слипание частиц осадка в крупные хлопья. Условие коагуляции: осаждение из горячего разбавленного раствора при постепенном добавлении концентрированного раствора осадителя.

4. Отделение осадка от раствора путём фильтрования или центрифугирования. Обычно используют бумажные обеззоленные фильтры. Аморфные осадки быстрее фильтруются из горячего раствора.

5. Промывание осадка на фильтре с целью удаления примесей. Промывание ведут дистиллированной водой с добавлением небольшого количества осадителя для снижения растворимости осадка. Для лучшей коагуляции аморфного осадка в промывную воду добавляют нитрат аммония или другой, улетучивающийся при прокаливании электролит. Осадок при фильтровании можно промыть методом декантации: к осадку в стакане добавляют промывной раствор, отстаивают и сливают раствор; цикл повторяют несколько раз.

6. Озоление фильтра и прокаливание осадка. Осадок с фильтром переносят в тигель, предварительно прокалённый до постоянного веса. Фарфоровые тигли гигроскопичны, поэтому их охлаждают после прокаливания и хранят в эксикаторе, на дно которого помещают осушитель (чаще всего – обезвоженный хлорид кальция). В результате прокаливания осаждаемая форма переходит в весовую форму.

Осаждаемая форма по своему составу может как совпадать с весовой формой, так и отличаться от неё.

Пример 1. Совпадение весовой и осаждаемой форм при анализе содержания бария в виде сульфата.

Реакция осаждения:

,

где Ва²⁺ – определяемый компонент; – осадитель, например, раствор сульфата натрия; – осаждаемая форма, совпадающая по составу с весовой формой.

Пример 2. Несовпадение весовой и осаждаемой форм при анализе концентрации железа в растворе.

Реакция осаждения:

,

где Fe³⁺ – определяемый компонент; NH₄OH – осадитель; Fe(OH)₃ – осаждаемая форма; Fe₂O₃ – весовая форма.

Требования, предъявляемые к весовой форме:

= строго определённый состав;

= воспроизводимость условий получения;

= достаточно высокое содержание определяемого элемента;

= устойчивость на воздухе по отношению к кислороду и влаге во время взвешивания.