Количественный химический анализ гравиметрический анализ (гравиметрия)

Гравиметрический анализ — совокупность методов количественного анализа, основанных на выделении определяемого количества в виде какого-либо соединения и определения его массы.

Относительная погрешность этого анализа — от 0,1 % до 0,01 %.

В гравиметрическом анализе используются методы:

• отгонки определяемого вещества в виде какого-либо летучего соединения;

• осаждения из раствора в виде малорастворимого соединения.

Методы отгонки используют, например, для определения со­держания кристаллизационной воды в кристаллогидратах, а также при анализе карбонатов, некоторых нитратов и других соединений, образующих летучие продукты реакции. Содержание определяемого компонента находят по разнице массы вещества до и к после термической обработки.

Чаще в гравиметрическом анализе используют методы осажде­ния. В этом случае гравиметрический анализ проводят по массе осадка, образовавшегося при взаимодействии определяемого ком­понента с раствором какого-либо реагента (осадителя).

Гравиметрический анализ с использованием осаждения включает несколько последовательных операций:

1. Осаждение определяемого компонента в виде малорастворимого соединения, называемого осаждаемой формой.

2. Отделение осадка от раствора фильтрованием.

3. Промывание осадка.

4. Нагревание осадка для удаления воды или его прокаливание для превращения осадка в подходящую для взвешивания химическую форму, называемую гравиметрической.

5. Взвешивание полученного осадка (гравиметрической формы).

Образовавшийся (в примере) оксид кальция взвешивают и по его количеству рассчитывают содержание кальция в анализируемом веществе.

В гравиметрическом анализе различают осаждаемую и грави­метрическую формы вещества.

В приведенном примере СаС₂О₄ — осаждаемая форма, а СаО — гравиметрическая. Иногда гравиметрическая и осаждаемая формы являются одним и тем же соединением. Например, при определе­нии Ва²⁺ их осаждают из раствора в виде Ва8О₄. Этот осадок отде­ляют от раствора, промывают, прокаливают и взвешивают. При прокаливании удаляются вода и летучие примеси, но состав осад­ка не меняется, т. е. гравиметрической и осаждаемой формой яв­ляется ВаSО₄.

К веществам в осаждаемой и гравиметрической формах предъяв­ляются разные требования, основные из которых следующие.

Для осаждаемой формы осадок а) должен быть практически нерастворим: после осаждения и промывания осадка его потери не должны превышать погрешности взвешивания на аналитических весах (приблизительно ±0,0002 г для обычно используемых в лаборатории). Расчеты показывают, что такие осадки соответствуют произведению растворимости ПР < 10^-12. Для уменьшения раство­римости обычно прибавляют избыток осадителя;

б) должен образоваться в форме, удобной для его отделения от раствора фильтрованием и промыванием, а также в чистом виде. Таким требованиям отвечают крупнокристаллические осадки. Они легко фильтруются, имеют меньшую общую поверхность, поэто­му адсорбцией посторонних веществ можно пренебречь, и такие осадки легче отмыть при промывании. Если осадки получаются аморфными (скрытокристаллическими), то они должны быть однородными и скоагулированными;

в) легко и полностью превращаться в вещество гравиметрической формы.

Для вещества в гравиметрической форме осадок должен после сушки и прокаливания соответствовать определенной химической формуле;

быть химически устойчивым на воздухе, т.е. мало гигроско­пичным, не поглощать диоксид углерода и другие газы, входящие в состав воздуха;

иметь, по возможности, большую молекулярную массу. Тогда относительная погрешность взвешивания уменьшается.

Эти требования определяют выбор соединений для осаждае­мой и гравиметрической формы, а также условия их получения.

Гравиметрический анализ является одним из наиболее старых и наиболее точных методов анализа. Относительная погрешность анализа обычно не превышает нескольких десятых процента. Основной недостаток этого метода — его продолжительность.

Механизм образования осадка и условия осаждения

Для получения точных результатов в гравиметрическом анализе необходимо образование чистых крупнокристаллических осадков. Поэтому необходимо предусмотреть условия осаждения, при которых образуются крупные кристаллы.

Образование осадка начинается с формирования зародышей или центров кристаллизации. Если скорость образования центров кристаллизации небольшая по сравнению со скоростью роста кристаллов, то в растворе образуется небольшое число крупных кристаллов. Если скорость образования центров кристаллизации превышает скорость роста кристаллов, то в растворе образуется больше мелких кристаллов.

Для уменьшения числа центров кристаллизации необходимо уменьшить концентрацию определяемого вещества и увеличить перед началом осаждения его растворимость. С этой целью перед осаждением раствор разбавляют и нагревают. Для увеличения растворимости также вводят электролит — чаще всего соли аммо­ния, или подкисляют раствор. Но существуют соединения (гидроксиды алюминия, железа и др.), растворимость осадков которых нельзя увеличить перед осаждением, не удается получить в виде крупнокристаллических образований, и они выпадают в виде мелкокристаллических или аморфных.